第六章 地下水

第六章地下水主要内容§6.1地下水概述§6.2地下水类型及其主要特点§

6.3地下水的性质§6.4地下水对建筑物的影响地下水是地壳中一个极其重要的天然资源，也是岩土三相组成部分中的一个重要组成部分。地下水的存在将改变岩土体的物理力学性质，可以导致渗透变形破坏，所形成的静水压力和动水压力会导致岩土体稳定性降低。过度抽取地下水引起地面沉降

大量流砂涌入，引起地面大幅沉降

当地下水含有较多的酸类物质时，还有可能造成地下结构物的腐蚀和破坏。因此，我们有必要研究地下水的形成、分布和埋藏条件，有必要研究地下水的运动规律，防止地下水对岩土工程的危害和影响。§6.1地下水概述地下水存在于岩石、土层的空隙之中，主要在地壳表层10余公里范围内，尤其浅部1.2km范围内。岩石、土层的空隙既是地下水的储存场所，又是地下水的运移通道。空隙的多少、大小、形状、连通情况及其分布规律，决定着地下水的分布与运动。将岩土的空隙作为地下水的储存场所和运移通道研究时，可分为孔隙、裂隙和溶穴等三类。1.岩土中的空隙（1）孔隙：指组成岩石或土的颗粒或颗粒集合体之间的空隙。

孔隙的多少是影响岩土储存地下水能力大小的重要因素，而孔隙的大小直接影响地下水的运动。6.1.1地下水及含水层（2）裂隙：固结的坚硬岩石，包括沉积岩、岩浆岩和变质岩，一般不存在或只保留一部分颗粒间的孔隙，而主要发育各种应力作用下岩石破裂变形产生的裂隙。裂隙按其成因可分为成岩裂隙、构造裂隙和风化裂隙等3种。裂隙的多少、方向、宽度、延伸长度以及充填情况，都对地下水的运动产生重要影响。（3）溶穴：可溶的沉积岩，如岩盐、石膏、石灰岩和白云岩等，在水的作用下会产生空洞，这种空洞称为溶穴(隙)。其规模相差悬殊，大的宽达数十米，高达数十米至百余米，长达几公里至几十公里，而小的溶穴直径仅几毫米。2.岩土空隙中的水地下水有气态、液态和固态三种形式。其中对土木工程有重大影响的液态水又分为毛细水和重力水。(1)毛细水毛细水指在岩土细小的孔隙和裂隙中，受毛细作用控制的水。它是岩土中三相界面上毛细力作用的结果。对于土体来说，毛细水上升的快慢及高度决定于土颗粒的大小。土颗粒愈细，毛细水上升高度愈大，上升速度愈慢。粗砂中的毛细水上升速度较快，几昼夜可达到最大高度，而粘性土要几年。毛细水主要存在于直径为0.5～0.002mm大小的孔隙中。在地下水面以上，由于毛细力的作用，一部分水可以沿细小孔隙上升，能在地下水面以上形成毛细水带。毛细水能作垂直运动，可以传递静水压力。

毛细水对建筑工程的意义主要有：A．产生毛细压力，使砂土（主要是细砂、粉砂）具有一定的粘聚力（假粘聚力）；B．毛细水会影响土中气体的分布与流通，常常会导致产生封闭气体；C．当地下水位埋深变浅时，由于毛细水上升，可助长地基土的冰冻现象；使地下室潮湿；危害房屋基础及公路路面，促使土的沼泽化、盐渍化。(2)重力水

岩土空隙中在重力作用下可以自由运动的水称为重力水。重力水不受静电引力的影响，而在重力作用下运动，可传递静水压力。重力水能产生浮托力、孔隙水压力。流动的重力水在运动过程中会产生动水压力。

重力水具有溶解能力，对岩土产生化学潜蚀，导致土的成分及结构的破坏。3.含水层与隔水层岩土中含有各种状态的地下水，由于各类岩土的水理性质不同，可将岩土层划分为含水层和隔水层。

含水层是指能够给出并透过相当数量重力水的岩层或土层。构成含水层的条件，一是岩土中要有空隙存在，并充满足够的重力水；二是这些重力水能够在岩土空隙中自由运动。

隔水层是指不能透过或给出水的岩层或土层，或者透出和给出的水量微不足道的岩层、土层，如粘土层。6.1.2岩土的水理性质岩土的水理性质主要有含水性、给水性和透水性。1.岩土的含水性指岩土含水的性质，通常用容水度或持水度来表示。（1）容水度岩上空隙完全被水充满时所能容纳的最大水体积与岩土体积之比，以小数或百分数表示。显然，容水度在数值上与孔隙度(或空隙率)基本相等。但是，对于具有膨胀性的粘土来说，充水后体积扩大，容水度可以大于孔隙度。（2）持水度饱水岩土在重力作用下释水时，一部分水从空隙中流出，另一部分水仍保持在空隙中。饱水岩土在重力作用下释水后，岩土中保持的水的体积与岩土体积之比，称为持水度。在重力作用下，岩土空隙中所保持的主要是结合水。2.岩土的给水度

饱水岩土在重力作用下排出水的体积与岩土体积之比，在数值上等于容水度减去持水度。岩土给水度的大小与有效孔隙度有关，不同的岩土其给水度相差很大。给水度可用野外抽水试验确定，无试验资料时，可参照有关经验确定。3.岩土的透水性指岩土允许重力水渗透的能力，常用渗透系数K表示。渗透系数K可用野外抽水试验或室内渗透试验来测定。渗透试验装置

4.达西定律式中：Q－渗透流量（cm3/s）；H1、H2－上、下游过水断面的水头（cm）；A－过水断面的面积（cm2）包括岩土颗粒和空隙部分的面积；K－渗透系数（cm/s）；L－渗透长度（cm）；I－水力坡度；v－地下水渗流速度（cm/s）地下水在多孔介质中的运动称为渗透或渗流。地下水渗流速度与水力坡度的一次方成正比，也就是线性渗透定律。当I＝1时，K=v，即渗透系数是单位水力坡度时的渗流速度。达西定律只适用于雷诺数＜10的地下水层流运动。在自然条件下，地下水流动时阻力较大，一般流速较小，绝大多数属层流运动。但在岩石的洞穴及大型隙中地下水的运动多属于非层流运动。岩土渗透性分级透水性

等级

标准

岩体特征

土类

渗透系数K

(cm/s)

透水率q

(Lu)

极微透水

K<10-6

q<

0.1

完整岩石、含等价开度<0.025mm裂隙的岩体

粘土

微透水

10-6≤K<10-5

0.1≤q<1

含等价开度0.025～0.05mm裂隙的岩体

粘土－粉土

弱透水

10-5≤K<10-4

1≤q<10

含等价开度0.05～0.01mm裂隙的岩体

粉土－细粒土质砂

中等透水

10-4≤K<10-2

10≤q<100

含等价开度0.01～0.5mm裂隙的岩体

砂－砂砾

强透水

10-2≤K<100

q≥100

含等价开度0.5～2.5mm裂隙的岩体

砂砾－砾石、卵石

极强透水

K≥100

含连通孔洞或等价开度>2.5mm裂隙的岩体

粒径均匀的巨砾

注：Lu――吕荣单位，是一个1Mpa压力下。每米试段的平均压入流量，以L/min计。§6.2地下水类型及其主要特征地下水按照埋藏条件可以分为包气带水、潜水和承压水三类；按照含水层的空隙性质可分为孔隙水、裂隙水和岩溶水三类。潜水、承压水及上层滞水示意图1-隔水层；2-透水层；3-饱水部分；4-潜水位；5-承压水测压水位；6-泉(上升泉)；7-水井；a-上层滞水；b-潜水；c-承压水(自流水)

6.2.1包气带水指处于地表面以下潜水位以上的包气带岩土层中，包括土壤水、沼泽水、上层滞水以及基岩风化壳（粘土裂隙）中季节性存在的水。主要特征是受气候控制，季节性明显，变化大，雨季水量多，旱季水量少，甚至干涸。包气带水对农业有很大意义，对工程建筑有一定影响。

当土壤层透水性很差，气候又潮湿多雨或地下水位接近地表时，易形成沼泽，称沼泽水。

上层滞水是包气带存在局部隔水层时，在隔水层上积聚的具有自由水面的重力水。当透水层中央有不透水层或弱透水层的透镜体时，地表水便可下渗聚集于透镜体上，成为上层滞水。松散沉积层，裂隙岩层及可溶性岩层中皆可埋藏有上层滞水。

上层滞水接近地表，可使地基土强度减弱。在寒冷的北方地区，则易引起道路的冻胀和翻浆。此外，由于其水位变化幅度较大，常给工程的设计、施工带来困难。当地下水面埋藏不深，毛细水带可达到地表时，由于土壤水分强烈蒸发，盐分不断积累于土壤表层，则形成土壤盐渍化。6.2.2潜水

潜水指埋藏在地表以下第一层较稳定的隔水层以上具有自由水面的重力水。潜水主要分布在地表各种岩、土里，多数存在于第四纪松散沉积层中，坚硬的沉积岩、岩浆岩和变质岩的裂隙及洞穴中也有潜水分布。潜水面随时间而变化，其形状则随地形的不同而异，也和含水层的透水性及隔水层底板形状有关。潜水的自由表面，承受大气压力，受气候条件影响，季节性变化明显，春、夏季多雨，水位上升，冬季少雨，水位下降，水温随季节而有规律的变化，水质易受污染。

潜水易于开采，可作为城乡居民和工矿企业得供水水源。但是，埋藏较浅的潜水却对工程建设不利，将影响地基土的强度和沉降量。不少物理地质现象的产生也与潜水的活动有关，如滑坡、流砂、砂土液化等。埋藏于潜水位以下的基础，还需注意地下水得腐蚀性问题。因此，建筑物的地基最好选在潜水位深的地带或使基础浅埋，尽量避免水下施工。若潜水对施工有危害，宜用排水、降低水位、隔离(包括冻结法等)等措施处理。6.2.3承压水地表以下两个充满稳定隔水层之间的重力水称为承压水或自流水。

承压水的形成主要决定于地质构造。形成承压水的地质构造为向斜构造盆地和单斜构造。当地形和构造一致时称为正地形。下部含水层压力高，若有裂隙穿透上下含水层，下部含水层的水通过裂隙补给上部含水层。如山东济南的承压斜地，地下水通过近20m厚的第四系覆盖层出露地表面成为泉，如趵突泉、珍珠泉等泉群。

济南趵突泉承压水的特征承压水不具自由水面，并承受一定的静水压力。承压含水层的分布区与补给区不一致，常常是补给区远小于分布区，一般只通过补给区接受补给。承压水的动态比较稳定，受气候影响较小。水质不易受地面污染。承压水与工程的关系承压水存在建筑物地基内时，由于它的承压力，开挖基坑可能使地基产生隆起和破坏。6.2.4裂隙水和岩溶水1.裂隙水埋藏在基岩裂隙中的地下水叫做裂隙水。它主要分布在山区和第四系松散覆盖层下的基岩中，裂隙的性质和发育程度决定了裂隙水的存在和富水性。根据裂隙的成因可将裂隙水分为风化裂隙水、成岩裂隙水和构造裂隙水。（1）风化裂隙水风化裂隙是由岩石的风化作用形成的，其特点是广泛地分布于出露基岩的表面，延伸短，无一定方向，发育密集而均匀，构成彼此连通的裂隙体系，—般发育深度为几米到几十米，少数也可深达百米以上。风化裂隙水绝大部分为潜水，具有统一的水面，有时也存在上层滞水。

多分布于出露基岩的表层，其下新鲜的基岩为含水层的下限。水平方向透水性均匀，垂直方向随深度而减弱。风化裂隙水的补给来源主要为大气降水，其补给量的大小受气候及地形因素的影响很大，气候潮湿多雨和地形平缓地区。风化裂隙水较丰富，常以泉的形式排泄于河流中。（2）成岩裂隙水具有成岩裂隙的岩层出露地表时，常赋存成岩裂隙水。岩浆岩中成岩裂隙水较为发育。玄武岩经常发育柱状节理和层面节理，裂隙均匀密集，张开性好，贯穿连通，常形成贮水丰富、导水畅通的潜水含水层。成岩裂隙水多呈层状，在一定范围内相互连通。具有成岩裂隙的岩体为后期地层覆盖时，也可构成承压含水层。在一定条件下可以具有很大的承压性。成岩裂隙中的地下水水量有时可以很大，在疏干和利用上，皆不可忽视，特别是在工程建设时，更应予以重视。（3）构造裂隙水构造裂隙是由于岩石受构造运动应力作用所形成的，而赋存于其中的地下水就称为构造裂隙水。一般按裂隙分布的产状，分为层状裂隙水和脉状裂隙水两类。

层状裂隙水埋藏于沉积岩、变质岩的节理及片理等裂隙中。由于这类裂隙常发育均匀，能形成相互连通的含水层，具有统一的水面，可视为潜水含水层。当其上部被新的沉积层所覆盖时，就可以形成层状裂隙承压水。脉状裂隙水往往存在于断层破碎带中，通常为承压水性质，在地形低洼处，常沿断层带以泉的形式排泄。其富水性决定于断层性质、两盘岩性及次生充填情况。经研究证明，一般情况下，压性断层所产生的破碎带不仅规模较小，而且两盘的裂隙一般都是闭合的，裂隙的富水性较差。当遇到规模较大的张性断层时、两盘又是坚硬脆性岩石，则不仅破碎带规模大，且裂隙的张开性也好，富水性强。当这样的断层沟通含水层或地表水体时，断层带特别是贮水优势断裂带兼具贮水空间、集水廊道及导水通道的功能。因此在地下洞室和坝基的处理时。应给予足够的重视。例如，中国北方煤矿的井巷突水大多位于断裂带附近。据淄博矿区统计，底板突水70％在断裂带或其附近。2.岩溶水储存和运动于可溶性岩石的溶蚀洞隙中的地下水称为岩溶水。根据岩溶水的埋藏条件分为：岩溶上层滞水、岩溶潜水及岩溶承压水。（1）岩溶上层滞水：在厚层灰岩的包气带，常有局部非可溶的岩层存在，起着隔水作用，在其上部形成岩溶上层滞水。（2）岩溶潜水：在大面积出露的厚层灰岩地区广泛分布着岩溶潜水。岩溶潜水的动态变化很大，水位变化幅度可达数十米，水量变化可达几百倍。这主要是受补给和径流条件影响，降雨季节水量很大，其他季节水量很小，甚至干枯。（3）岩溶承压水：岩溶地层被覆盖或岩溶地层与砂页岩互层分布时．在一定的构造条件下，就能形成岩溶承压水。岩溶承压水的补给主要取决于承压含水层的出留情况。岩溶水的排泄多数靠导水断层，经常形成大泉或泉群，也可补给其他地下水，岩溶承压水动态较稳定。

岩溶水的分布主要受岩溶作用规律的控制。若岩溶发育均匀，又无粘土填充、各溶穴之间的岩溶水有水力联系，则有一致的水位。若岩溶发育不均匀，又有粘土等物质充填，各溶穴之间可能没有水力联系，因而有可能使岩溶水在某些地带集中形成暗河，而另外一些地带可能无水。在较厚层的灰岩地区，岩溶水的分布及富水性和岩溶地貌有很大关系。在分水岭地区，常发育着一些岩溶漏斗、落水洞等，构成了特殊地形“峰林地貌”。它常是岩溶水的补给区。在岩溶水汇集地带，常形成地下暗河，并有泉群出现，其上经常堆积一些松散的沉积物。实践和理论证明，在岩溶地区进行地下工程和地面建筑工程，必须弄清岩溶的发育与分布规律，因为岩溶的发育致使建筑工程场区的工程地质条件大为恶化。在覆盖型岩溶区由于开采或疏干岩溶水造成的地面塌陷是一种地质灾害。在岩溶山区进行水利水电建设，水库渗漏是主要的地质灾害。例如西班牙的蒙特－哈克水库，由于通过石灰岩溶洞地带漏水，致使水库无法蓄满。§6.3地下水的性质

由于地下水在运动过程中与各种岩土介质的相互作用以及溶解岩土中可溶物质等原因，使地下水不是化学意义上的纯水而是一种复杂的溶液。因此，研究地下水的物理性质和化学成分，对于了解地下水的成因与动态，确定其对混凝土、钢筋等的侵蚀性、进行水质评价等，都有实际意义。6.3.1地下水的物理性质

地下水的物理性质包括温度、颜色、透明度、气味、味道、密度、导电性及放射性等。1.地下水的温度

地下水的温度受气候和地质条件控制。由于地下水形成的环境不同，其温度变化也很大。根据温度将地下水分为过冷水(＜0℃)、冷水（0～20℃）、温水（20～42℃）、热水（42～100℃）、过热水（＞100℃）。例如在西藏的羊八井地区．地下48m深处水温高达150℃左右。总面积超过7000平方米。1977年建成的中国与联合国合作研究及兴建的发电站，热水井的热气经管道输送，推动涡轮，为拉萨地区带来既便宜又环保的供电。羊八井电站及地热资源2.地下水的颜色决定于化学成分及悬浮物。

例如，含H2s的水为翠绿色；含Ca2+，Mg2+离子的水为微蓝色（例如九寨沟的水中富含了钙离子）；含Fe2+的水为灰蓝色；含Fe3+的水为褐黄色；含有机腐殖质时为黄色。含悬浮物的水，其颜色决定于悬浮物。九寨沟3.透明度：地下水多半是透明的。当水中含有矿物质、机械混合物、有机质及胶体时，地下水的透明度就改变。根据透明度可将地下水分为透明的、微浑的、浑浊的、极浑浊的几种。4.地下水含有一些特定成分时，具有一定的气味。如含腐植质时，具“沼泽”味；含硫化氢时具有臭鸡蛋味。5.地下水味道主要取决于地下水的化学成分。含NaCl的水有咸味；含CaC03的水清凉爽口；含Ca(OH)2，和Mg(HCO)2的水有甜味，俗称甜水；当MgCl2和MgSO4存在时，地下水有苦味。6.导电性：当合有一些电解质时，水的导电性增强，当然它也受温度的影响。6.3.2地下水的化学成分天然条件下，赋存于岩石圈中的地下水，不断与岩土发生化学反应，并与大气圈、地表水圈和生物圈的水进行化学元素的交换，化学成分随空间及时间而演变。地下水的化学成分常以离子状态、气体状态和化合物状态存在。1.地下水中主要离子成分地下水中分布最广、含量最多的离子有：Cl–、SO42-、HCO3–、Na+、K+、Ca2+、Mg2+。它们来源于与其相关的各种原岩的风化溶解，在地下水中占绝对优势,决定了地下水化学成分的基本类型和特点。2.地下水中主要气体成分（1）地下水中的氧气和氮气主要来自大气层。随同大气降水及地表水补给地下水。地下水中溶解氧含量愈高，愈利于氧化作用，在较封闭的地球化学环境小，O2将耗尽而只残留N2。因此，N2的单独存在，通常可说明地下水起源于大气并处于还原环境。（2）地下水中出现硫化氢，说明处于缺氧的还原环境：地下水处在与大气较为隔绝的环境中，当有有机质存在时，由于微生物的作用，SO42-将还原生成H2S。因此，H2S一般出现于封闭地质构造的地下水中。（3）地下水中的二氧化碳有两个来源：生物化学作用，如生物呼吸及有机质的发酵；深部变质作用，即碳酸盐类岩石，在高温作用下，分解生成二氧化碳。3.地下水中的胶体成分与有机质以碳、氢、氧为主的有机质，经常以胶体方式存在于地下水中：大量有机质的存在，有利于进行还原作用，从而使地下水化学成分发生变化；地下水中还有未离解的化合物构成的胶体，其中分布最广的是Fe(OH)2、Al(OH)3及SO2。4.地下水的主要化学性质地下水的主要化学性质包括酸碱度、硬度、总矿化度。⑴酸碱度水的酸碱度主要取决于水中氢离子浓度。氢离子浓度用pH值表示,即pH=lg[H+]。根据pH值可将水分为强酸水、弱酸水、中性水、弱碱水、强碱水类，见下表。地下水的氢离子浓度主要取决于水中HCO3–、CO32-等的数量。自然界中大多数地下水的pH值在6.5～8.5之间。pH值＜55～777～9＞9酸碱度强酸水弱酸水中性水弱碱水强碱水水的酸碱度划分（2）硬度水的硬度按水中Ca2+、Mg2+离子的含量多少可分为以下三种情况：

总硬度指末煮沸时Ca2+、Mg2+的总含量；

暂时硬度指煮沸时水中一部分Ca2+、Mg2+因失去CO2生成碳酸盐沉淀而使水失去的Ca2+、Mg2+数目；

永久硬度指经煮沸后仍留在水中的Ca2+、Mg2+含量，也即总硬度与暂时硬度之差。水的类别极软水软水微硬水硬水极硬水硬度Ca2+、Mg2+的毫摩尔数<1.51.5～3.03.0～6.06.0～9.0>9德国度<4.24.2～8.48.4～16.816.8～25.2>25.2地下水按硬度分类硬度表示有两种：一是德国度，即每一度相当于1升水中含有10mg的氧化钙（CaO）或7.2mg的MgO；一是每升水中Ca2+、Mg2+的毫摩尔数。1毫摩尔硬度＝2.8德国度。硬度对评价工业与生活用水均有很大意义，硬水易在锅炉和水管中产生水垢，容易使锅炉爆炸，故用作锅炉用水应作处理。（3）总矿化度

地下水中离子、分子和各种化合物的总量称总矿化度，简称矿化度，以g/L表示。通常以105～110℃