工程地质基础—地下水

1、第2篇 岩土工程性质 地下水,地下水：赋存于地表以下岩土空隙中的水，主要来源于大气降水、冰雪融水、地面流水、湖水及海水等，经土壤渗入地下形成的，地下水是宝贵的自然资源，可作生活饮用水和工农业生产用水。,地下水的形成条件：,1.地质条件：地下水的形成，必须具有一定的岩石性质和地质构造条件。 2.气候条件：气候条件对地下水的形成有重要的影响，如大气降水、地表径流、蒸发等方面的变化将影响到地下水的水量。 3.地貌条件：在不同的地貌部位对地下水的形成关系密切。一般在平原、山前区易于储存地下水，形成良好的含水层；在山区一般很难储存大量的地下水。 4.人为因素：大量抽取地下水，会引起地下水位大幅下降；修建

2、水库，可促使地下水位上升。,(2)水循环的类型,根据水分循环的路径和规模，可分为两种： 大循环海陆之间的水分交换过程，也称为海陆间循环。 小循环水仅在海洋或陆地内完成的循环过程。分： 海洋小循环 陆地小循环。,地下水的基本概念,是地下水储存场所，又是地下水的渗透通道，空隙的多少、大小及其分布规律，决定着地下水分布与渗透的特点。,岩石的空隙,根据岩石空隙的成因不同,可把空隙分为孔隙、裂隙和溶隙三大类。,岩石的空隙,孔隙,孔 隙松散岩石中颗粒或颗粒集合 体之间存在的空隙称为孔隙 孔隙度是孔隙体积与岩石总体积的 比值。,1.分选良好，排列疏松的砂；2.分选良好，排列紧密的砂,3.分选不良的，含泥、砂

3、的砾石；4.经过部分胶结的砂岩,5.具有结构性孔隙的粘土,6.经过压密的粘土,7.具有裂隙的岩石,8.具有溶隙及溶穴的可溶岩,岩石中的各种空隙,影响孔隙度大小的因素主要有： 颗粒排列方式 分选程度 胶结充填程度 结构及次生孔隙 分选愈好，排列愈疏松，胶结充填程度愈差，孔隙度愈大； 反之愈小；粘性土的孔隙度还取决于其结构及次生孔隙。,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之间的孔隙，而主要发育各种应力作用下岩石破裂变形产生的裂隙。,成岩裂隙,构造裂隙,风化裂隙,衡量指标裂隙率KT：,溶隙,可溶的沉积岩，如岩盐、石膏、石灰岩和白云岩等，在地下水溶蚀下会产生空

4、隙，这种空隙称为溶隙。,衡量指标为溶隙率KK,裂隙度的发育与岩石受力条件、岩性软硬有关 溶隙发育程度取决于岩溶作用强度,4.1.2 岩土的水理性质,岩土的水理性质 岩土的水理性质：岩土与水接触时，控制水分储存和运移的性质。,1. 容水度,岩土饱水时所能容纳的最大水体积与岩土总体积之比,2. 持水度,饱水岩土在重力作用后，保持在土中水的体积与岩土总体积的比值。保留在土中的水为结合水和毛细水。,岩土的持水度主要决定于土粒大小，颗粒越细，吸附的水膜就越厚，持水度越大，反之就越小。,3. 给水度,是饱水岩土在重力作用下能自由流出的水的体积与岩土总体积之比，用小数或百分数表示。给水度等于容水度减去持水度

5、。,4. 透水性,岩土允许水透过的能力。透水性指标为渗透系数。,给水度容水度持水度。一般颗粒越粗，给水度越大。,岩土的透水性的大小主要决定于孔隙大小、多少和连同程度。,5. 毛细性,土中的水，在毛细张力作用下，沿毛细孔隙向各个方向运动的性能。,毛细上升高度： hc（cm）=0.03/D（毛细孔隙平均直径mm）,含水层：在正常水力梯度下，饱和、透水并能给出一定水量的 岩土层。,隔水层：在正常水力梯度下不透水或透水相对微弱的的岩土 层。隔水层可是含水的、饱和的（粘土）、不含水 的（致密岩石）。 弱透水层称为滞水层。,含水层形成的三个条件：能透水的空隙；与隔水层组合形成储水空间，以便地下水汇集不致流

6、失；有充分的补水来源。,含水层与隔水层,4.1.3 地下水的埋藏类型,地下水的分类按埋藏条件分类 按水层所处的地质结构部位和受隔水层限制情况划分为：包气带水、潜水、承压水 按含水介质空隙类型，可将地下水分为：孔隙水、裂隙水和岩溶水,（一）地下水按埋藏条件分类及其特征,潜水,包气带水,承压水,是指存在于地面以下包气带中的水。含有结合水、毛细水和气态水,包气带水,(1)水量不大，但季节性变化强烈。 (2)补给区和分布区是一致的。 (3)一般矿化度低，但水质最易受污染。 (4)所含的上层滞水水量不大，但其常常是引起土质边坡滑坍，地基、路基沉陷、冻胀等病害的重要因素。,包气带水的主要特征：,定义：包气

7、带中聚集在局部隔水层之上的重力水。 特征：接近地表，分布范围有限，接受大气降水补给，以蒸发形式或向隔水底板边缘排泄。动态变化很不稳定。 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。,上层滞水,上层滞水,潜水 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。, 潜水面 潜水位 潜水的埋藏深度 潜水含水层的厚度,特征： 1.与大气相通，具自由水面，一般补给 区与分布区一致； 2.动态受气候影响较大； 3.潜水面形状受地形影响； 4.潜水的排泄方式主要有垂直排泄和水平 排泄两种方式。 5. 水量丰富的潜水可作为供水水源,潜水等水位线图,潜水等水位线图是根据所

8、在地区各水文地质点（井、钻孔、试坑和泉等），在大致相同的时间内所测得的潜水面的水位标高编制而成的。,潜水等水位线图就是潜水面上高程相等各点的连线 从潜水等水位线图可获得如下信息：,确定潜水流向； 确定水力坡度； 确定潜水与地表水之间的关系； 确定确定潜水的埋藏深度,潜水与地表水补给的关系,潜水与地表水之间的关系,(a) 潜水补给河流,(b)河流补给潜水,(c)单侧补给,1.某地区潜水等水位线图见下图。试确定 河水与潜水之间的补排关系； A、B两点间的平均水力坡降 （A、B两点距离近似为60m） 若在C点处凿井，多深可见 潜水面？,练习题一,承压水,充满两个隔水层之间的含水层中的重力水。,含水层

9、分区：补给区、承压区、排泄区、自流区、隔水顶板、隔水底板,承压水具有如下特征： 承压水是不具有自由水面，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，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。 承压水不易受地面污染。 (5)承压水一般可作为良好的供水水源,承压水等水位线图承压水面上高程相等点 的连线图 （需附地形等高线和顶板等高线）。,（a）等水压线图 （b）水文地质剖面 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,承压水等水位线

10、图的用途： 判断承压水位埋深 承压水头大小 确定初见水位 流向、计算水力坡度,承压水位埋深为：103-9112m 承压水头为: 91-838m 含水层埋深为：103-8320m,如图中A点： 地形标高103m，承压水位91m，含水层顶板标高83m。 计算承压水位埋深、承压水头、含水层埋深,泉,定义：地下水在地表的天然出露，叫做泉。,泉主要分布在山区、丘陵区的沟、谷中及山麓边缘，平原地区极为少见。,泉的分类：,根据泉水出露原因分为：,接触泉；侵蚀泉；裂隙泉； 断层泉；溶洞泉。,根据补给源及水流特征分为：,上升泉；下降泉。,一般将泉水温度超过20的泉称为温泉。,温泉是地热异常的一种显示方式，是地下

11、热能的天然露头。,按泉水温度分为：,冷泉；温泉。,按出露原因分： 侵蚀泉 接触泉 溢出泉 断层泉,泉：地下水出露于地表的天然露头。,泉水形成示意图,不同岩土介质中的地下水,1. 孔隙水,分布于第四纪松散沉积物中，地下水的分布规律主要受沉积物的成因类型控制。,洪积物中地下水（孔隙水） 潜水深埋带、溢出带、 潜水下沉带。,潜水深埋带,潜水溢出带,潜水下沉带,上游：山间砂砾石河漫滩，厚度不大，由河流补给，是水量丰富、良好的含水层 中游：河谷及河漫滩变宽、具上细（粉细砂、粘性土）下粗（砂砾）的二元结构，上层构成隔水层，下层为承压含水层，是良好的供水水源，但不利于工程建设。 下游：为下沉滨海平原地区，冲

12、积物很厚，上部为埋藏浅的潜水，不利于工程建设，下部有多层承压含水层，1-2层为良好开采层，但开采过量、会引起地面沉降。,冲积物中地下水（孔隙水）,2. 裂隙水：埋藏于基岩裂隙中的地下水。,构造裂隙可呈层状分布，也可呈脉状分布，可形成潜水，也可形成承压水。断层带的导水对地下工程建设危害较大。,风化裂隙：水多为潜水，水质好，但水量不丰富，可作为小型供水水源。,成岩裂隙：呈层状分布，多形成潜水。,根据裂隙成因类型不同分为风化裂隙水、成岩裂隙水和构造裂隙水。,岩溶水,特点：空间分布极不均匀，水量大、动态变化强烈，流动迅速，排泄集中。工程中注意涌水事故。,4.2 地下水的水质,地下水的物理性质,地下水的

13、物理性质包括温度、颜色、透明度、气味、味道、导电性及放射性等。 纯净的地下水应是无色、无味、透明的，当含有某些化学成分和悬浮物时其物理性质会改变。,地下水的化学成分,化学性质 PH值 矿化度 硬度,气体成分 O2 H2S CO2,离子成分 Cl- SO4-2 HCO3- Na+ K+ Ca+2 Mg+2,地下水中已发现70多种，主要气体、离子和微量元素。,1. 主要的气体成分,O2 ：地下水中的氧主要来源于大气中的氧和水生植物光合作用析出的氧，随大气降水和地表水入渗补给地下水。溶解氧含量多的地下水，氧化作用强，能腐蚀氧化金属建筑材料。,H2S ： 一般存在于深部地下水中，在微生物作用下由硫酸盐

14、还原而形成。局部浅层地下水含有较多的H2S，并呈酸性，对混凝土具有侵蚀性。,CO2 ：主要来源于土壤中有机质氧化产生的CO2，还有大气中的CO2。深层地下水的CO2含量较高。含CO2较高的地下水具有侵蚀性，能腐蚀混凝土。,2. 主要的离子成分,（1）氯离子 ：在沉积岩地区主要来源于岩盐和其他氯化物的溶解，在岩浆地区则来自氯矿物的风化溶解。,（2）硫酸根离子 ：来自含水石膏或其他含硫酸盐的沉积岩的溶解，SO42-含量大于250mg/l的地下水，对混凝土具有结晶类腐蚀性。,（3）重碳酸根离子：在沉积岩地区主要来源于碳酸类岩石（如石灰岩、白云岩、泥灰岩）的溶解。,（4）钾离子、钠离子：在沉积岩地区主

15、要来源于岩盐及其他钾、钠盐的溶解，在岩浆岩和变质岩地区来自钾、钠矿物的风化溶解。,（5）钙离子、镁离子：来源于碳酸盐类岩石即含石膏沉积物的溶解以及岩浆岩、变质岩中含钙矿物的风化溶解。,地下水水质分析 地下水水质分析：简分析、全分析与专门分析3种 地下水水质分析结果表示方法库尔洛夫表示式 横线上、下按多少顺序分别标出mmol百分数大于10%的阴阳离子，并在离子符号的右下角标出该离子的mmol百分数；横线前列出特殊组分、气体成分、矿化度M，并将其含量(g/l)标在成分符号的右下角；横线后面标出水温,1. 酸碱度（PH值）,酸碱度（pH值）: 取决于水中氢离子浓度。据PH值，地下水的酸碱度可分为5类

16、。,地下水按PH值分类,4.2.2 地下水的化学性质,2. 矿化度（M）,地下水各种离子、分子与化合物的总量称为矿化度。,国家饮用水卫生标准GB5749-85，要求矿化度小于1g/L。 据矿化度把地下水分为5类。,地下水按矿化度分类,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450 mg/L。,3. 硬度,水中钙、镁离子的含量构成水的硬度。,硬度分为总硬度、暂时硬度和永久硬度。,总硬度：水中Ca2+、Mg2+的总量。,暂时硬度：水加热沸腾后所损失的Ca2+、Mg2+的含量；,此时仍保持组织中的Ca2+、Mg2+含量称为永久硬度。, 硬度表示方法： （1）mmoL/L （

17、2）德国度 1mmol/l=2.8德国度，1德国度相当于7.1mg/L Ca2+或 4.3mg/L Mg2+ 。生活饮用水水质标准规定水的硬度以CaCO3的mg/L表示,地下水对混凝土侵蚀,溶出侵蚀：混凝土中Ca(OH)2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。,4. 酸性侵蚀,当地下水呈酸性时，氢离子会对混凝中的氢氧化钙作用生成各种可溶性钙盐,5. 镁盐侵蚀,富含 等的地下水与混凝

18、土接触时会和混凝土中的氢氧化钙反应,4.3 地下水的运动,渗流,概念：地下水在岩体、土体空隙中的运动。,1.过水断面：垂直渗流方向的含水层截面称为过水断面。,2.渗流速度(v),渗流速度是一个假象的流速。,实际流速(u),ne有效孔隙度。,有效孔隙度：水实际流动的孔隙体积与土体积之比。 粗粒土，ne近似于n 细粒土nen。,3.水力坡度：渗流通过该点单位渗流途径上的水头损失。,4.流网：由一系列等水头线与流线组成的网格。,流 网,（1）流网 由一系列等水头线与流线组成的网格称为流网。 （2）流线 流线是渗流场中某一瞬时的一条线，线上各水质点在此瞬时的流向均与此线相切。,迹线 迹线是渗流场中某一

19、时间段内某一水质点的运动轨迹。 流线是由同一时刻不同流点组成的曲线，它给出了 该时刻不同流体质点的速度方向，是速度场的几何表示 在地下水作稳定运动条件下，流线与迹线重合。,均质各向同性介质中的流网,在均质各向同性介质中，地下水必定沿着水头变化最大的方向，即垂直于等水头线的方向运动。 流线与等水头线构成正交网格。 精确地绘制定量流网需要充分掌握有关的边界条件及参数。 在实测资料很少的情况下，也可徒手绘制定性流网。,流网的做法： （1）根据边界条件绘制容易确定的等水头线或流线 边界包括定水头边界、隔水边界及地下水面边界。地表水体的断面一般可看作等水头面，因此，河渠的四周必定是一条等水头线(a)。隔

20、水边界附近流线平行于隔水边界(b),原则： 1）当无入渗补给及蒸发排泄，有侧向补给，作稳定流动时，地下水面是平行的流线(c)； 2）当有入渗补给时，地下水面是倾斜的流线(d)； 3）流线总是由源指向汇的，渗流场中具有一个以上补给点或排泄点时，分流线是虚拟的隔水边界。,（2）根据流线与等水头线正交规则，在已知流线与等水头线间插补其余部分 流线的疏密可以反映地下径流强度(流线密代表径流强，疏代表径流弱)，等水头线的密疏则说明水力梯度的大小。 （3）河间地块流网绘制实例,流网图可以获得以下信息： 1）由分水岭到河谷，流向从由上向下到接近水平再向上； 2) 在分水岭地带打井，井中水位随井深加大而降低，

21、河谷地带井水位则随井深加大而抬升； 3) 由分水岭到河谷，流线愈来愈密集，流量增大，地下径流加强，在河谷或近山地区，流入基坑的水量比其他地方多； 4) 由地表向深部，流线愈来愈稀疏，地下径流减弱； 5）在河谷或近山地区，基坑越深，坑底承受的水头压力越大,4. 渗流分类 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（流速、水位等）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。,渗透系数K为水力坡度等于1时的渗流速度，是表征岩土透水性能大小的指标 透水系数还与水的

22、黏滞性有关，黏滞性越小，k值越大 天然条件下，地下水的实际流速很小，因此达西定律的适用范围很广。,1. 线性渗透定律达西/Darcy定律,4.3.2 地下水运动的基本规律,当地下水的宽大的空隙中以相当快的速度运动时，呈现紊流运动。渗透服从谢才/A.Chezy定律：,3.Darcy定律应用,2. 非线性渗透定律,Q2KAJ2KL,Q,条形开挖,井的类型： 按其揭露含水层的类型分： 潜水井、承压井 按进水条件分： 完整井、非完整井,1. 地下水向井的稳定流动,QKAJ2Kxy,分离变量并积分， x从rw至R，y从hw至H， 得：,(1) 潜水完整井,QKAJ=2KxM,分离变量并积分后，得：,(2) 承压水完整井的Dupuit-Thiem公式,4.4 地下水与工程建设,一、地下水引起的工程地质问题 1.地面沉降,在松散沉积层中进行深基础施工时，往往需要人工降低地下水水位。若降水不当，会使周围地基土层产生固结沉降，轻者造成邻近建筑物或地下管线的不均匀沉降；重者使建筑物基础下的土体颗粒流失，甚至被掏空，导致建筑物开裂和危及安全。,控制地面沉降最好的方法是合理开采地下水，多年平均开采量不能超过平均补给量。在地面沉降已经严