第十九章第六节知识资料地下水（二）

朽木易折，金石可镂。千里之行，始于足下。第页/共页四、地下水对工程的影响地下水对建造工程的不良影响主要有：①地下水位降低时，使软土地基产生固结沉降；②不合理的地下水流动会诱发某些土层浮上流砂现象和机械潜蚀；③地下水对位于水位以下的岩石、土层和建造物基础产生浮托作用；④某些地下水对钢筋混凝土基础产生腐蚀。（一）地下水下降引起软土地基沉降在沿海软土地层中举行深基础施工时，往往需要人工降低地下水位。若降水措施不当，会使周围地基土层产生固结沉降，轻者造成邻近建造物或地下管线的不匀称沉降；重者使建造物基础下的土体颗粒流失，甚至掏空，地面塌陷，导致建造物开裂、陷落，危及安全使用。（二）动水压力产生流沙和潜蚀流砂是指松散细颗粒土被地下水饱和后，在动水压力作用下的悬浮流动现象。流砂可使基础发生滑移、不匀称下沉、基坑坍塌、基础悬浮等破坏，_般是骤然发生的，对岩土工程危害很大。倘若地下水渗流产生的动水压力小于土颗粒的有效重度γ´，即渗流水力坡度小于临界水力坡度，固然不会发生流砂现象，但是土中细小颗粒仍有可能穿过粗颗粒之间的孔隙被渗流带走。时光长了，在土层中将形成管状空洞，使土体结构破坏，强度降低，压缩性增强。这种现象称为机械潜蚀，将影响建造工程的稳定。（三）地下水的浮托作用当建造物基础底面位于地下水位以下时，地下水对基础底面产生静水压力，即产生浮托力。倘若基础位于粉土、砂土、碎石土和节理裂隙发育的岩石地基上，则按地下水位100%计算浮托力；倘若基础位于节理裂隙不发育的岩石地基上，则按地下水位%计算浮托力；倘若基础位于黏性土地基上，其浮托力较难确切地决定，应结合地区的实际经验考虑。（四）承压水对基坑的作用当深基坑下部有承压含水层时，必须分析承压水头是否会冲毁基坑底部的不透水层，形成基坑突涌，通常用压力平衡概念举行验算，如图19-40所示。检算公式为γwH=γM(19-9)式中：M--基坑开挖后不透水层厚度(m)；H--承压水头高于含水层顶板的厚度(m)；γ--土的重度(kN/m3)；γw——水的重度(kN/m3)。当M<γwH/γ时，基坑可能发生突涌。因此需要保证土层有须要的厚度，应满意M>HKγw/γ，防止基坑突涌。K为安全系数。图19-40b)为抽水降低承压水头情况。此外，还需考虑地下水对钢筋混凝土的腐蚀。五、地下水向集水构筑物运动的计算井是垂向取水构筑物，按揭露地下水的类型分为潜水井和承压水井。按揭露含水层的完整程度和进水条件可分为残破井与非残破井。还可组合成潜水残破井、承压水残破井及潜水非残破井、承压水非残破井四种形式，如图19-41～图19-44所示。现仅以地下水向残破井的稳定流动为例作一推荐。(1)潜水井的涌水量计算法国水利学家裘布依，首先应用达西定律研究了含水层在均质、等厚、广泛分布、隔水底板水平、地下水处于稳定流的条件下，呈层流运动地缓慢流向残破井的运动逻辑，并通过实验取得了潜水井的涌水量计算公式为(19-10)式中：Q一一井涌水量(m3/d)；H一一潜水层厚度(m)；hw一一动水位至隔水底板的距离(m)；rw一一井半径(m)；R一一影响半径(m)；k——渗透系数(m/d)。R值可按照抽水实验或查表求得，也可按照实验公式R=2Sw（Hk）1/2算出。(2)承压水井的涌水量计算(19-11)式中：M--承压含水层厚度(m)；Sw--井内水位降深。R值可按照抽水实验或查表求得，也可按经验公式R=lOSwKl/2算出，其他符号同前。承压水井抽水时产生的降临漏斗不在含水层中，而是在隔水顶板范围内，如图19-42所示。六、地下水的化学成分和化学性质（一）地下水的化学成分地下水是化学成分十分复杂的天然溶液。组成地壳的87种稳定元素中，在地下水中已发现70余种。地下水中主要的气体成分有02、N2、C02和H2S，主要的离子成分有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HC03-。此外，地下水中还有NH4+、Fe2+、Fe3+、Al3+、N02-、N03-等，以及众多的微量元素。（二）地下水的化学性质1．酸碱度（pH值）地下水的酸碱度常以pH值表示。pH值是水的氢离子浓度以10为底的负对数值，即pH=-lg(H+)。当[H+]为10-7时，pH=7，说明水为中性；pH<7，为酸性；pH>7，为碱性。地下水多呈弱酸性、中性和弱碱性，pH值普通在6.5～8.5之间。据pH值，地下水可分为五类（见表19-12）。地下水按pH值分类表19-12分类强酸性水弱酸性水中性水弱碱性水强碱性水pH值<5.05．O～6.46.5～8.08.1～10.0>10.02．矿化度(M)存在于地下水中的离子、分子与化合物的总含量称矿化度，以g/L或mg/L为单位。矿化度通常以在105～110℃下将水蒸千后所得的干涸残余物之分量表示，也可利用阴阳离子和其他化合物含量之总和概略表示矿化度，但其中重碳酸根离子含量只取一半计算。据国家《生活饮用水卫生标准》，要求矿化度小于lg/L。据矿化度把地下水分为五类（见表19-13）。地下水按矿化度分类表19-13分类淡水微咸水咸水盐水卤水矿化度(g/L)<11～33～1010～50>50【例19-31】每升地下水中以下成分的总量，称为地下水的总矿化度：A.各种离子、分子与化合物B．所有离子C．所有阳离子D．Ca+、Mg+离子解地下水中各种离子、分子与化合物的总量称矿化度，以g/L或mg/L为单位。答案：A3．硬度地下水的硬度是指水中所含钙、镁离子的数量。硬度可分为总硬度、暂时硬度和永久硬度。总硬度是水中Ca2+、Mg2+的总量，暂时硬度指水加热沸腾后所损失的Ca2+、Mg2+含量。此时仍保持在水中的Ca2+、Mg2+含量称永远硬度。因此，总硬度等于暂时硬度与永远硬度之和。硬度表示的主意常见的有两种，即mmol/L和德国度。1mmol/L等于2.8德国度，1德国度相当于7.1mg/LCa2+或4.3mg/LMg2+。生活饮用水水质标准规定水的硬度以CaCO3的mg/L表示，要求小于450mg/L。按照总硬度将地下水分为五类(见表19-14)。地下水按总硬度分类表19-14分类极软水软水微硬水硬水极硬水mmol/L<1.51.5～3．03．O～6.06．O～9．O>9．O总硬度德国度<4.24.2～8.48.4～16.81618～25.2>25.2七、地下水对建造材料腐蚀性判别（一）腐蚀类型硅酸盐水泥遇水硬化，并且形成Ca(OH)2、水化硅酸钙CaOSiO2·l2H20、水化铝酸钙CaOAl203·6H20等，这些物质往往会受到地下水的腐蚀。按照各种化学腐蚀所引起的破坏作用，将腐蚀类型分为以下三种。1．结晶类腐蚀倘若地下水中的离子的含量超过规定值，离子将与混凝土中的Ca(OH)2起反应，生成二水石膏结晶体CaSO4·2H2O，它再与水化铝酸钙发生化学反应，生成水化硫铝酸钙（又称水泥杆菌）。因为水泥杆菌结合了许多结晶水，而其体积比化合前增大无数，约为原体积的221.86%，这样在混凝土中产生很大的内应力，而使其结构遭到破坏。2．分解类腐蚀地下水中含有C02和HCO3-，CO2与混凝土中的Ca(OH)2作用，生成碳酸钙沉淀因为CaCO3不溶于水，它可填充混凝土的孔隙，在混凝土周围形成一层保护膜，能防止Ca(OH)2的分解，但是当地下水中的CO2的含量超过一定数值，而HC03-离子的含量过低时，则超量的C02再与CaCO3反应，生成重碳酸钙Ca(HCO3)，并溶于水，即上述这种反应是可逆的，当C02含量增强时，平衡被破坏，反应向右举行，固体CaCO3继续分解；当C02含量变少时，反应向左移动，固体CaCO3即沉淀析出。倘若CO2和HC03-的浓度平衡时，反应就停止。所以，当地下水中CO2的含量超过平衡时所需的数量时，混凝土中的CaCO3就被溶解而受腐蚀，这就是分解类腐蚀。超过平衡浓度的CO2叫侵蚀性C02。地下水中侵蚀性的C02越多，对混凝土的腐蚀越强。地下水流量、流速都很大时，CO2易补充，平衡难建立，因而腐蚀加快。另一方面，HCO3-离子含量越高，对混凝土腐蚀性越弱。倘若地下水的酸度过大，即pH值小于某一数值，那么混凝土中的、Ca(OH)2也会分解，异常是当反应生成物为易溶于水的氯化物时，对混凝土的分解腐蚀更强烈。3．结晶分解复合类腐蚀当地下水中Mg2+、NH4+Cl-、SO42-、NO3-离子含量超过一定含量时，与混凝土中的Ca(OH)2发生一系列反应，例如Ca(OH)2与镁盐作用的生成物中，除Mg(OH)2不易溶解外，CaCl2则易溶解于水，并随之流失；硬石膏CaSO4一方面与混凝土中的水化铝酸钙反应另一方面硬石膏遇水生成二水石膏二水石膏结晶时，体积膨胀，破坏混凝土结构。(二)腐蚀性评价标准按照各种化学腐蚀所引起的破坏作用，将S042-离子的含量归纳为结晶类腐蚀性的评价指标；将侵蚀性C02、HC03-离子和pH值归纳为分解类腐蚀性的评价指标；而将Mg2+、NH4+、Cl-、S042-、NO3-离子的含量作为结晶分解类腐蚀性的评价指标。同时，在评价地下水对建造结构材料的腐蚀性时，必须结合建造场地所属的环境类别。建造场地按照气候区、土层透水性、干湿交替和冻融交替情况区别为三类环境，见表19-l5。混凝土腐蚀的场地环境类别表19-15环境类别气候区土层特性干湿交替冰冻区（段）I高寒区干旱区半干旱区直接临水，强透水土层中之地百水，或湿润的强透水土层有混凝土不论在地面或地下，无干湿交替作用时，其腐蚀强度比有干湿交替作混凝土不论在地面或II高寒区干旱区半干旱区弱透水土层中的地下水，或湿润的强透水土层有用时相对降低地面下，当受潮或浸水时；并处于严重冰冻区（段）、冰冻区（段）、或微湿润区半湿润区直接临水，强透水土层中的地下水，或湿润的强透水土层有冰冻区（段）III各气候区弱透水土层无不冻区（段）备注当竖井、隧洞、水坝等工程的混凝土结构一面与水（地下水或地表水）接触，另一面又裸露在大气中时，其场地环境分类应划分为I类【例19-32】存在于湿交替作用时，侵蚀性地下水对混凝土的腐蚀强度比无干湿交替作用时：A.相对较低B．相对较高C．不变D．不一定解有干湿交替作用时，侵蚀性地下水对混凝土的腐蚀强度比无干湿交替作用时相对较高，反之则相对较低。答案：B按照各种化学腐蚀所引起的破坏作用，将评价标准分为以下三类，见表19-16～表19-18。结晶类腐蚀评价标准表19-16S042-在水中含量(mg/L)腐蚀等级I类环境II类坏境III类环境无腐蚀性<250<500<1500弱腐蚀性250～500500～15001500～3000中腐蚀性500～15001500～30003000～6000强腐蚀性>1500>3000>6000分解类腐蚀评价标准表19-17pH值侵蚀性C02(mg/L)HC03-(mm0l/L)腐蚀等级ABABA无腐蚀性>6.5>5．O<15<30>1．O弱腐蚀性6.5～5.05.0～4.015～3030～601．O～0.5中腐蚀性5.0～4.04.0～3.530～6060～100<0.5强腐蚀性<4．O<3.5>60>10010A-直接临水、或强透水土层中的地下水、或湿润的强透水土层B-弱透水层的地下水或湿润的弱透水土层结晶分解复合类腐蚀评价标准(单位：mg/L)表19-18I类环境II类环境III类环境腐蚀等级Mg2+、NH4+Cl-、S042-、N03-Mg2+、NH4+Cl-、S042-、N03-