工程地质06第六章地下水

1、1/65第六章第六章 地下水地下水 第二节 地下水的水质 第三节 地下水的类型 第四节 地下水的运动主要内容第五节 地下水与工程建设第一节 地下水的概念 2/65赋存在地表以下岩土空隙中的水。岩土的空隙:1. 松散沉积物中的孔隙孔隙2. 坚硬岩石中的裂隙裂隙3. 可溶性岩石中的溶隙溶隙连通性好分布不均匀连通性差第一节 地下水的概念3/65水在岩土中的存在形式：结合水： 强结合水 弱结合水非结合水：液态水 毛细水 重力水 固态水 气态水4/65岩土的水理性质:1. 含水性 容水度容水度:岩土孔隙完全被水充满时的含水量。 持水度持水度:岩土在重力作用下释水时仍能保持的含水 量。这部分滞留在岩土中的

2、水为结合水和 毛细水。2. 给水性 岩土在重力作用下能自由排出的含水量。 给水度=容水度持水度3. 透水性 岩土可透过水的性能，用渗透系数表示。5/65含水层含水层(aquifer)： 给出并透过相当水量的岩土层。隔水层隔水层(interlayer)： 不透水但可含水的岩土层。滞水层滞水层：弱透水的岩土层。含水层的形成条件：岩土层有较大空隙；为隔水层所限； 有补给来源。6/65第二节 地下水的水质 化学性质 pH值 矿化度 硬度 气体成分 O2 H2S CO2 离子成分 Cl- SO4 HCO3- Na+ K+ Ca+2 Mg+27/65地下水对建筑材料的腐蚀性溶出侵蚀：混凝土中Ca(OH)2

3、成分被水溶解。碳酸侵蚀：含侵蚀性CO2的水溶解混凝土中的钙质而使 混凝土崩解。硫酸盐侵蚀：水中SO4-2与混凝土作用生成新的化合物， 由于体积膨胀而胀裂。酸性侵蚀：pH值低的酸性水对混凝土具腐蚀性。镁盐侵蚀：水中镁盐与混凝土作用后生成化合物溶解于 水。8/65第三节 地下水的类型 图 6-2 地下水的类型9/65地下水埋藏类型 图 6-1 地下水埋藏示意图1承压水位; 2潜水位; 3隔水层; 4含水层; A-承压水井;B-自流水井;C-潜水井10/65上层滞水( perch ground water )包气带中聚集在局部隔水层之上的重力水。特征特征：接近地表，接受大气降水补给，以蒸发形式或 向

4、隔水底板边缘排泄。动态变化很不稳定。工程意义工程意义：常始料不及涌入基坑。 供水意义不大。 在寒冷地区易引起道路冻胀和翻浆。11/65潜水( phreatic water ) 图 6-3 地下水埋藏示意图1沙层; 2隔水层; 3含水层; 4潜水面; 5基准面T-潜水埋藏深度;M-含水层厚度;H-潜水位 埋藏在地面以下第一个稳定隔水层之上具自由水面的重力水。 特征特征:与大气相通，具自由水面，补给区与分布区一致，动态受气候影响较大。潜水面形状受地形影响。12/65潜水等水位线图可解决如下问题：1 确定潜水流向2 确定潜水的水力坡度3 确定潜水的埋藏深度4 确定潜水与地表水的关系 虚线潜水等水位线

5、 实线地形等高线13/65潜水与地表水的关系潜水补给河流潜水补给河流河流补给潜水河流补给潜水单侧补给单侧补给 图 6-6 潜水与地表水之间的关系( a )( b )( c )14/65承压水 ( pressure water )充满于两个隔水层之间的含水层中承受水压力的重力水。A补给区 B承压区 C排泄区 图 6-7 自流盆地剖面图15/6516/65 特征：不具自由水面，并承受一定的水头压力。分布区和补给区不一致。动态变化较稳定。不易受地面污染。承压含水层局部H1初见水位 H2承压水位H承压水头 h承压水位埋深 17/65承压水等水位线图(a) (b) 图 611 （a）等水压线图；（b）水

6、文地质剖面1-地形等高线；2-承压含水层顶板等高线；3-等水压线 ；4承压水位线；5-承压水流向；6-自流区；7-井；8-含水层；9-隔水层；10-干井；11-非自流井；12-自流井18/65如图中A点：地形标高103m，承压水位91m，含水层顶板标高83m。则承压水位埋深为：1039112m 承压水头为: 91838 m 含水层埋深为：1038320m承压水等水位线图可确定下列重要指标： 承压水位埋深 承压水头大小 含水层埋深（初见水位）19/65武汉市（汉口）水文地质剖面长江一级阶地土层厚3050m典型二元结构K随深度呈对数增大上部黏性土中潜水下部砂砾石中承压水20/65上游 河床中砂砾石

7、，是良好的含水层。中游 河漫滩沉积有上细（粉细砂、黏性土）下粗（砂砾）的二元结构，上层构成隔水层，下层为承压含水层。下游 滨海平原上为潜水，埋藏浅不利于工程建设，下部多层承压含水层。不同含水层空隙中的地下水 冲积物中的孔隙水21/65 洪积物中的孔隙水潜水深埋带潜水溢出带潜水下沉带22/65裂隙水按成因：风化裂隙水成岩裂隙水构造裂隙水按埋藏条件：面状裂隙水层间裂隙水脉状裂隙水23/65岩溶水特点：空间分布极不均匀，动态变化强烈，流动迅速，排泄集中。24/65按水头性质分：1. 上升泉2. 下降泉按出露原因分：1. 侵蚀泉2. 接触泉3. 断层泉泉：地下水在地表的天然露头25/65第四节 地下水

8、的运动 渗透流速 V=Q/A 实际流速 u=Q/A Vu 渗流 过水断面 A26/65 水力坡降 JdH/dL27/65 流网：由等水头线与流线正交组成的网格28/65 均匀流：渗流速度沿流程不变。 非均匀流：渗流速度沿流程变化。 层流：水质点有秩序地呈相互平行而互不干扰的运动。 紊流：水质点相互干扰而呈无秩序的运动。 稳定流：渗流要素不随时间变化的运动。 非稳定流：渗流要素随时间变化的运动。渗流分类渗流分类29/65Darcy定律：QKAJ 或VKJ (线性)式中 Q渗流量m3/d或cm3/s； A过水断面 K渗透系数m/d或cm/s， 表征岩土透水性能大小的指标。 还与水的粘滞性有关。 V

9、渗透流速m/d或cm/s Darcy定律适合于层流（砂土）。 地下水 运动的基本规律30/65紊流（砾石土）运动规律：VKJ1/2 (非线性)黏性土运动规律：VK（J-Jo） 式中Jo为起始水力坡降31/65渗透系数的确定：1. 据土的粒度分析资料计算.2. 室内测定 1) 常水头试验（适用于砂土） 2) 变水头试验 （适用于黏性土）3. 现场测定 1) 渗水试验 2) 抽水试验32/65 室内常水头渗透试验 AtlHkkIAtqtQHAtQlk由达西公式：得土样的渗透系数为：图 619 常水头渗透试验33/65 室内变水头渗透试验 dhadQAdtlhkkIAdtqdtdQAdtlhkadh

10、 thhdtalkAhdh021talkAhh21ln21lnhhAtalk 图 620 变水头渗透试验34/65现场抽水试验 dxdyxykQ2HhRrydykxdxQ2)(lg732. 0)(ln2222hHrRQhHrRQk图 621 潜水完整井抽水试验示意图 35/65地下水涌水量的计算Q2KAJ2KL)(2(00RhHhH地下水向完整渗沟的流动：36/65地下水向不完整渗沟的流动：dxdyxkq1) 含水层厚度有限单侧流量:分离变量并积分，x从c至c+R，y从0至H，得：2ccRHkqln2)含水层厚度无限计算同上,但37/65井的类型：按其揭露含水层的类型分：潜水井、承压井按进水条

11、件分：完整井、非完整井地下水向井的稳定流动 图 624 井的类型示意图 a潜水完整井；b、c、d潜水非完整井；e承压水完整井；f、g 承压水非完整井38/65潜水完整井QKAJ2Kxydxdy分离变量并积分，x从rw至R，y从hw至H，得：wWWwwrRSSHKrRhHKQlglg)2(366.1lglg366.12239/65承压水完整井QKAJ=2KxMdxdy分离变量并积分后，得：wWwwrRMSKrRhHMKQlglg73.2lglg)(73.2 图 625 地下水向承压水井的流动40/65基坑涌水量计算:把基坑假想为圆形大井,其引用半径: Fr0F基坑面积41/65第五节 地下水与工

12、程建设1. 地面沉降2. 地面塌陷3. 流砂4. 管涌5. 浮托作用6. 基坑突涌7. 对混凝土的侵蚀性42/65基坑突涌隔水层的安全厚度：0HHW0HHw据得若不满足上述厚度，需降水，使基坑中心承压水位降深满足：HSHW ）（0则：HHSW043/65 渗透变形 (seepage deformation)管涌：单个土颗粒发生独立移动的现象。 多发生在不均匀的砂砾土中。流土：一定体积的土粒同时发生移动的现象。 多发生在均质砂土层和粉土层中。44/651998 洪水漏洞漏洞14%14%脱坡脱坡16%16%管涌管涌50%50%跌窝跌窝1%1%散浸散浸3%3%崩岸崩岸5%5%其他其他11%11%跌窝

13、跌窝散浸散浸崩岸崩岸其他其他漏洞漏洞脱坡脱坡管涌管涌45/65 隐患与险情隐患与险情46/6547/65武汉丹水池堤防抢险48/65上海轨道交通4号线事故 2003年7月1日凌晨4点，正在施工中的上海市地铁四号线区间隧道浦西联络通道发现渗水，随后出现大量流沙涌入，引起地面大幅沉降；上午九点左右，地面建筑八层楼房发生倾斜，其裙房部分倒塌。由于报警及时，所有人员均已提前撤出，因而无人员伤亡，受其影响的周围楼房里的市民们也已全部撤出。临江花园大厦临江花园大厦 （倾斜（倾斜10） 裙裙 房房 倒倒 塌塌49/65抢险方案： 对轨道交通4号线区间隧道进行封堵，解除了因险情对整个隧道区间的威胁 向地下采取

14、注浆压浆技术减少地下流沙的涌动，保护周边地区的建筑 拆除受险情影响的大楼及裙房用注浆机不停地把水泥浆注入地下，加固地面地基，提高地基承载力 潜水员身穿 70kg 潜水 服，潜入地下进行封堵， 确保大厦地基不渗水采用传统方式拆除破坏楼房7月2日50/657月月3日新险情日新险情 受地面沉降影响，董家渡外马路段长约30米的防汛墙，发生沉陷、倾斜、开裂。此时，正值上海汛期开始，上千名武警官兵奉命紧急出动，用沙袋和身躯，在浦江边筑起“U”字型围堤，将长江抗洪的经典场景再现！武警官兵火速奔赴现场抢险救灾武警官兵分几队，一组负责装沙，一组负责沙包传递武警官兵有的抛填沙包筑堤，有的跳进黄浦江排险堵漏。51/

15、65给沙堤内侧安置大型钢制桩给沙堤内侧安置大型钢制桩24小时筑起长160m，高2m，伸入黄浦江约10m的弧形临时堤坝，控制了险情52/65建于1989年71米高265米长1993年8月7日垮坝死亡300余人渗透破坏: 青海沟后水库的溃口沟后水库沙砾石面板坝失事实录53/65Teton 坝坝（美国）（美国）概况：土坝，高90m，长1000m，建于1972-75年，1976年6月失事损失：直接8000万美元，起诉5500起，2.5亿美元，死14人，受灾2.5万人，60万亩土地，32公里铁路原因：渗透破坏水力劈裂54/651976年6月5日上午10:30左右，下游坝面有水渗出并带出泥土。Teton

16、坝坝（美国）（美国）55/651111：0000左右洞口不断扩大并向坝顶靠近，泥水流量增加Teton 坝坝（美国）（美国）56/6511:30洞口继续向上扩大，泥水冲蚀了坝基，主洞的上方又出现一渗水洞。流出的泥水开始冲击坝趾处的设施。Teton 坝坝（美国）（美国）57/6511：50左右洞口扩大加速，泥水对坝基的冲蚀更加剧烈。Teton 坝坝（美国）（美国）58/6511:57 坝坡坍塌，泥水狂泻而下Teton 坝坝（美国）（美国）59/6512：00过后坍塌口加宽Teton 坝坝（美国）（美国）60/65洪水扫过下游谷底，附近所有设施被彻底摧毁Teton 坝坝（美国）（美国）61/65失事现场目前的状况Teton 坝坝（美国）（美国）62/65复习思考题1.何谓地下水？地下水的物理性质包括哪些内容？ 地下水的化学成分有哪些？2.地下水按埋藏条件可以分为哪几种类型？它们有何不 同？试简述之。3.地下水按含水层空隙性质可以分为哪几种类型？它们 有何不同？试简述之。4试分别说明潜水和承压水的形成条件及工程特征。5根据埋藏情况裂隙水可分为哪几种类型？它们有何 特征？6. 试说明地下水与工程建设的关系。63/65作作 业业 题题1.已知承压水头H0=4m，坑底隔水层厚度H=1.0m，土的重 度为2