工程地质第五章.ppt

1、郑州高等院校土木工程学学院、工程科学地质学、教授刘忠玉、第五章地下水及其对建筑施工的影响、第一节地下水的赋存、地壳岩石层的缝隙中赋予的各种形式的水统称为地下水，其中在重力作用下可以运动的地下水也称为重力水(gravitational water )。 一、岩石孔隙特征因岩石孔隙的原因而异，孔隙可分为孔隙、裂隙、溶隙三种，岩土孔隙率的大小主要与粒子的形状、排列状况及粒子的选择性和压实、胶着状况有关。 疏沉积物的孔隙率一般为20%，(1)存在于孔隙(pore )疏岩石中的粒子或粒子集合体之间的孔隙，称为孔隙。 用孔隙率(porosity )表示。 裂缝主要是由地壳运动破坏岩石而形成的，在岩石成岩时

2、和地表风化而形成裂缝。 岩石的裂缝率一般比松散泥积物的孔隙率小得多。 裂缝率始终小于3%，(二)裂缝坚硬的岩石受地壳运动及其内外地质经营力作用的影响而产生的孔隙称为裂缝(fissure )。 用裂纹率表示。 (3)溶解间隙将可溶岩中的裂缝在地下水流的作用下长期溶解而形成的空隙称为溶解间隙(solvi )。 用溶解率表示。 (4)由于孔隙大小、孔隙间的连通性和分布规律疏土孔隙的大小和分布比较均匀，而且连通性好，所以孔隙度可以表示一定范围内孔隙发育状况的岩石裂缝，其宽度、长度和连通性差异大，分布也不均匀， 裂缝率只能表示被测定范围内的裂缝的发育程度的溶解间隙的大小有很大差异，分布不均匀，连通性更差

3、，因此溶解间隙率的代表性更差。 二、岩石的水力性质，1保水性：岩石具有容纳和保持一定水量的性能称为保水性，保水度是表示岩石保水性的水文地质指标。 其数值在自然状态下，等于保持的水的体积与岩石整体的体积之比，用小数或百分率表示。 2给水性：重力的影响下重力水从饱水岩石流出的能力称为给水性。 其指标为供水度，数值等于流出水体与岩石总体积之比，以小数或百分率表示。 因此，供水度等于饱和保水度与最大分子保水度之差。 3透水性：岩石自身的透水能力称为透水性。 岩石透水性的强弱可以用渗透系数(k )表示。 三、水在岩石中的赋存形式的空隙中存在5种形式的水：气体水vaporous water、结合键bond

4、 water、重力水gravitational water、固体水、毛细水capillary water。 重力水存在于岩石粒子之间，位于结合层之外，不受粒子静电引力的影响，可在重力作用下移动。 具有液态水的一般特征，可以传递静水压力，可以产生浮力、孔隙水压力，在运动中产生动水压的溶解能力，使岩石产生化学潜蚀，导致岩石成分和结构的破坏。 四、含水层和隔水层、含水层(aquifer )是指给予相当数量的重力水能够透过的岩层。 构成含水层的条件有： (1)岩石中存在空隙，充满一盏茶数量的重力水；(2)这些个的重力水可在岩石间隙中自由移动。 隔水层(aquifuge； impermeable lay

5、er )是指给水不能透过的岩层。 可以含水，但没有容许相当量的水透过的性能。 第二节地下水的物理性质和化学成分，一、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、密度、导电性和放射性等。 纯地下水必须无色、无味、无臭、透明，但若含有一部分化学成分，则物理性质会发生变化。 1温度temperature地下水温度因深度而异。 接近地表的地下水，其温度受气温的影响而周期性变化：一般在日常的温层以上，水温有明显的昼夜变化。在年常温层以上，水温季节性变化的年常温层中，地下水温的变化小，一般在0.1以下，而在年常温层以下，地下水温度随着深度的增加而逐渐上升成为增温层，其变化规律取决于一个

6、地区的地热增温水平。 所谓地热增温水平，是指在常温层以下，温度每上升一次就增加的深度，单位是m/。 各地地热增温水平不同，一般为33m/。 地下水温地区的分布差异很大。 在新火山地区，地下水温达到100以上。 例如，在抢先版察加半岛、冰南非兰特、日本等喷泉也有。 在寒带、极地、高山地区地下水的温度低，有的甚至低到-5。 在温带和亚热带地区的平原，浅层地下水的年平均温度经常接近或略高于所在地区的年平均气温。 地下水在一定的地质条件下，受地球内部热能的影响而形成地下热水。 这是沿着一定的通路，如断裂破碎带和钻孔等向上涌，使地热的增温水平大幅度提高，被称为地热异常区。 具有良好地质构造和水文地质条件

7、的地热异常区，可形成富含大量地下热水或天然蒸汽的地热田。 双色color地下水一般是无色的，但由于其化学成分含量的差异和浮游杂质的存在，往往呈现各种颜色。 含有三氧化二铁元素的水，多呈褐色红色；含有腐殖质的水，呈暗黄褐色。 3 .透明度transparency中常见的地下水往往是透明的，但其中含有固体和胶体悬浮物时，地下水的透明度就会发生变化。 4 .气味odor一般地下水无味，其中若含有某种气体成分和有机物质，则会产生一定的气味。 地下水中含有硫化氢(H2S )瓦斯气体时，有异味的有机物会给地下水带来鱼臭。 5 .味道taste地下水的味道依赖于其化学成分和溶解的瓦斯气体。 含有大量氯化纳金

8、属钍(NaCl )的话，可以调味到水中的纳金属钍、镁的硫酸盐，在水中含有苦味的二氧化碳大量溶解的时候，含有适量的重碳酸(Ca(HCO3)2)和重碳酸镁(Mg(HCO3)2)，味道很清爽二、地下水的化学成分以主瓦斯气体成分： N2、O2、CO2、H2S主络离子成分： Na、k、Ca2、Mg、Cl-、SO42、HCO3-胶体成分和有机质一涨水所含的各种络离子g/L表示。 为了说明水中盐分的多少，是地下水化学成分的重要标识牌。 通常，水中Ca2和Mg2的含量称为硬度。 硬度分为临时硬度和永久硬度。 由于加热煮沸后在水中Ca2和Mg2的一部分消失，因此将该部分的Ca2和Mg2的数量称为临时硬度。 加热

9、煮沸后也溶于水的Ca2和Mg2，带来坚硬的硬度，被称为永久硬度。 第三节地下水分类、埋藏条件类别：上层滞水、潜水、承压水含水层的孔隙性质类别：孔隙水、裂隙水、岩溶水、5.2地下水类型、1、上层滞水、潜水、承压水；(1)上层滞水补给区与分布区一致的补给源是大气降水或地表水蒸发、下渗透； 或者向隔水层的边缘流动排泄的动态变化不稳定，有季节性，因为只有暂时且小型的供水水源容易被污染，所以在制作饮用水时要注意防止污染。 上层积水的动态变化主要由气候决定，并与含水层的分布范围、厚度、透水性及埋藏深度等有关。 降水强度大，降水季节长，蒸发量小，其下渗水量大则上层积水存在的时间也长。 相反，如果降水强度小、

10、降水季节短、蒸发量大，则上层滞水存在的时间变短。截水层的分布范围不大、厚度小、隔水性不强、蕴藏量浅时，上层滞水不断向周围流动，下渗透以及蒸发的结果是，其存在时间短，截水层的分布范围和厚度大，蕴藏量深，在截水性良好的条件下，上层滞水的存在时间长。 (2)潜水(phreatic water )埋藏于地表以下最初的稳定含水层上，具有自由表面的重力水称为潜水。 潜水的自由表面被称为潜水面(free-water table )。 潜水面的绝对标高称为潜水位(phreatic water level )。 从潜水面到地面的距离称为潜水埋藏深度。 从潜水面到隔水层的顶面之间充满重力水的部分称为含水层。 从潜

11、水面到隔水层顶面的距离称为含水层的厚度。 我们日常使用的井泉水一般是潜水，供水井水面就是这一点的潜水面。 潜水埋藏条件决定了潜水面不受静水压力和潜水面不受静水压力的特点分布区与补给区一致，动态变化不稳定，有明显季节变化的潜水补给条件好，水量丰富的潜水水质随气候变化，易受污染。 潜水面的形状通常是具有一定倾斜度的曲面。 一般来说，潜水面的形状与地形基本一致，但比地形的起伏平缓得多。 岩土的透水性增强，潜水面的坡度变缓，反而变陡。 挡水底板凹陷增大含水层厚度的区域，潜水面的坡度有变缓的倾向，反而变陡。 在隔水层凹盆中，潜水不向上溢出时，潜水面呈水平状态，称为潜水湖。 潜水面用潜水等水位线图表示，是

12、潜水面各点水位标高的等值线图。 一般描绘在地形图上，根据潜水面上的各点的水位水平来描绘，其中的水位水平连接同一个点。 水位会随时间而变化，请选择同一日期的资料，并在图上标明测量水位的日期。 在该地区，如果有不同时期的潜水等水位线图，可以通过相互对比了解潜水面的变化。 决定潜水的流向：潜水向潜水面坡度最大的方向流动。 因此，与潜水等水位线垂直的从高水位向低水位的方向就是潜水的流动。 确定潜水水力梯度：确定潜水水流后，在水流方向上任意取两点水位差，除以这两点之间的实际距离，可得到潜水水力梯度。 决定潜水埋藏深度：如果将地形等高线和潜水等水位线绘制在同一个图中，则等水位线和地形等高线相交的点，如果该

13、点的潜水埋藏深度即道路交叉口不存在，则可以用插值法求出两者的标高差。 4 )确定潜水和地表水的相互关系：在地表水(河流)相邻地区绘制潜水等水位线，可以测量地表水水位，确定潜水和地表水的相互补给关系。 5 )推定含水层的岩性或厚度的变化；6 )确定取水工程：为了使潜水最大限度地流入供水井和排水槽，等水位线的凹凸、疏密不均的情况下，取水井应配置在地下水汇合部。 如下图所示。 等水位线由密变薄时，请配置在由密变薄的边界，与等水位线平行。 沟槽应与等水位线平行配置。 潜水对工程的影响和措施：影响建筑物的稳定性和施工。 希望地基选定为潜水位深的地带，或者浅埋基础，尽量避免水下工程。 对施工有害时，最好采

14、取排水、水位下降、隔离等措施处理。 (3)对充满2个稳定隔水层之间的含水层施加压力的地下水承压水(confined water )。 两个稳定含水层之间的含水层未完全充满水，具有自由水面的地下水称为无压层间水。 上下隔水层分别称为隔水层顶板和底板。 两隔水层之间的垂直距离是承压水含水层的厚度。用钻头贯通隔水层的顶板时，在静水压力的作用下水位不再上升到一定的高度时，这种最终的稳定水位称为这一点的耐压水位。 从隔水层顶板底面到受压水位的垂直距离称为受压水头，也称为压力水头。 承压水含水层在盆地边缘露出地表的位置较高，能够从大气降水和地表水直接补给的范围称为补给区。 承压水含水层位于受压盆地的边缘，

15、地势低的地区和含水层被切断，该地区成为承压水的排泄区。 在补给区和排泄区之间，受压含水层上面被遮水层复盖，含水层充满水，这种区称为受压区。 承压水的埋藏条件决定了承压水具有一定的压力水头，承压水具有一定的压力水头。 补给区与受压区不一致的动态变化较稳定，无明显季节变化补给条件差，大规模开发后，补水和恢复慢的水质随埋深变化较大，有垂直分离规律，但不易受污染。 承压水的形成主要受地质构造控制，确定了承压水的埋藏类型因地质构造而异。 耐压水形成的最佳地质构造可大致分为斜结构和单斜结构。 因此，承压水的形成分为倾斜盆地(synclinal basin ) :适合形成承压水的盆地构造或倾斜构造，在水文地

16、质学中称为倾斜盆地或受压盆地。受压斜地：适于形成受压水的单斜构造，在水文地质学中称为受压斜地。 这分为两种情况。 也就是断块构造与含水层交叉而产生的受压斜地。 当单斜含水层被断层错误地截断、断层被引入时，含水层暴露于地表的一侧为补给区，而另一侧则沿断裂带形成带状排泄区，在适当的地形条件下，沿断裂带以一系列上升泉的形式暴露于地表，因此受压区位于补给区与排泄区之间。 断层不引水时，排泄区和补给区相邻，受压区在另一侧。 含水层的岩性会发生由粗糙向细粒的过渡相，甚至会发生尖灭，使承压水逆流，从而在含水层暴露于地表的较低区域形成上升泉并释放出来。 此时补给区与排泄区相邻，受压区位于一侧，受压水等水压线图

17、工程危害：可能引起基坑突涌，破坏基坑底的稳定性。 二、孔隙水、裂隙水、岩溶水、(一)孔隙水存在于疏松岩层(第四系和硬基岩的风化壳)的空隙中，通常呈现均匀连续的层状分布. 其存在条件和特征取决于岩石的孔隙状况。 无论如何，粒子大而均匀的话，含水层的空隙也大，透水性好，地下水水量大，运动快，水质好反而含水层的空隙小，透水性差，地下水运动慢，水质差，水量也小。 根据埋入条件，分类空洞-上层滞水、空洞-潜水、空洞-耐压水。 (二)裂隙水(fissure water )，裂隙水是指埋藏在岩石裂缝中的地下水，主要分布在山区和第四系松散层下的基岩，裂缝的性质和发育程度决定了裂水的存在和富水性. 裂隙的原因分

18、为风化裂隙水、成岩裂隙水和构造裂隙水。 1 )风化裂隙和风化裂隙：风化裂隙是由岩石风化作用形成的，其特征广泛分布于岩盘表面，延伸完整，无一定方向，发育密集均匀，构成相互连通的裂隙系统，一般发育深度为数米至数十米，少数达100米以上。 风化裂隙水多为潜水，具有统一水面，多分布于裸露基岩表层，其下的新鲜基岩是含水层的下限。 水平方向透水性均匀，垂直方向随深度变弱。 其补给源主要是大气降水，补给量大小受气候和地形因素的影响很大，气候潮湿，雨和地形平缓的地区丰富，往往以泉的形式排泄到河流。 2 )成岩裂隙和成岩裂隙水：成岩裂隙是岩石形成过程中产生的空隙，多见于岩浆岩。喷出岩类成岩裂缝特别是玄武岩最发达，这种裂缝在水平方向和垂直方向都是均匀的，有固定的层位，相互连通。 侵入岩的成岩裂缝通常在