第五章-地下水.ppt

1、,第五章 地下水,5.1 地下水的基本概念 5.2 地下水的类型 5.3 地下水的补给、径流与排泄 5.4 地下水对建筑工程的影响,地下水是赋存于地表以下岩层空隙中的各种不同形式水的统称。,5.1.1岩石中的空隙,根据岩土空隙的成因不同，可分为孔隙、裂隙和溶隙三大类,图 岩土中的空隙 a) 分选良好，排列疏松的砂 b) 分选良好，排列紧密的砂 c) 分选不良，含泥砂的砾石 d) 部分胶结的砂岩 e) 具有裂隙的岩石 f) 具有溶隙的可溶岩,5.1 地下水的基本概念,岩土的空隙: 松散沉积物中的孔隙 坚硬岩石中的裂隙 可溶性岩石中的溶隙,连通性好,分布不均匀,连通性差,1. 孔隙,孔隙：岩土颗粒

2、之间的空隙。 孔隙度：孔隙的发育程度，又称孔隙率。,式中,n 孔隙度 vn 岩土中孔隙的体积 V 包括孔隙在内的岩土总体积,孔隙度的大小主要取决于岩土的密实程度及分选性。此外，颗粒形状和胶结程度对孔隙度也有影响。,表5-1 松散岩石孔隙度参考数值,2. 裂隙,裂隙：岩石受地壳运动及其他内外地质应力作用影响产生的空隙。 裂隙的发育程度除与岩石的受力条件有关，还与岩性有关。,式中,kT 裂隙率 vT 岩石中裂隙的体积 V 包括裂隙在内的岩石总 体积,成岩裂隙,风化裂隙,构造裂隙,裂隙按成因分类,裂隙的发育程度用裂隙率表示：,常见岩石裂隙率的经验值表,3. 溶隙,溶隙：可溶性岩石(白云岩、石灰岩等)

3、经过地下水流长期溶蚀作用而形成的空隙。,溶隙的发育程度用溶隙率表示：,式中,kK 溶隙率 vK 可溶岩中溶隙的体积 V 可溶岩体积,根据水在空隙中的物理状态，水与岩石颗粒的相互作用等特征，一般将水在空隙中存在的形式分为六种：气态水、结合水、重力水、毛细水、固态水、矿物结合水。,5.1.2 含水层与隔水层,形成条件,有较大且连通的穿隙,与隔水层组合形成储水空间,有充分的补给来源,含水层(aquifer),能够透过并能给出相当数量水的岩土层。,隔水层(aquiclude),不能透过或给出水，或者透过或给出的水数量微不足道的岩土层。,(1)含水层：能够给出并透过相当数量重力水的岩层。构成含水层的条件

4、，一是岩石中要有空隙存在，并充满足够数量的重力水；二是这些重力水能够在岩石空隙中自由运动。 (2)隔水层：不能给出并透过水的岩层。隔水层有的可以含水，但是不具有允许相当数量的水透过自己的性能。例如粘土，它可以储存大量的水，但是不具备给出和透过水的能力，故粘土常被作为隔水层。,（1）地下水的物理性质,地下水的物理性质有温度、颜色、透明度、气味、味道、导电性及放射性等。纯净的地下水是无色、无味、无臭、透明的，当含有某些化学成分、悬浮物等时其物理化学性质就会发生变化。 通过地下水物理性质的研究，能够初步了解地下水的形成环境、污染情况及化学成分。,温度,颜色,透明度,地下水物理性质,气味,味道,导电性

5、,变化范围较大,一般为无色,透明、微浑、浑浊、极浑浊。多半是透明。,一般是无味,主要取决于地下水的化学成分,当含一些电解质时，导电性增强，也受温度影响。,5.1.3 地下水的物理化学性质,（2）地下水的化学成分 地下水不是化学成分纯的H2O，而是含有多种化学元素的复杂溶液。地下水的化学成分，是在很长的地质历史时期经过各种作用形成的。,主要离子,地下水化学成分,阳离子：H+、Na+ 、K+ 、NH5+ 、 Mg2+ 、Ca2+ 、Fe2+等。,阴离子：OH- 、Cl- 、SO42- 、NO2- 、NO3- 、HCO3- 、CO32- 、SiO32- 、PO52-等。,主要气体,O2 、 N2 、

6、 CO2 、 H2S。,胶体成分,以碳、氢、氧为主的有机质，经常以胶体方式存在于地下水中。很难以离子状态溶于水的化合物也往往以胶体状态存在地下水中，其中分布最广的是Fe(OH)2 、Al(OH)3及SO2。,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- SO4-2 HCO3- Na+ K+ Ca+2 Mg+2,5.2地下水的类型,含水层 空隙性质,孔隙水 (松散沉积物孔隙中的水),裂隙水 (坚硬基岩裂隙中的水),岩溶水 (可溶岩溶隙中的水),上层滞水,包气带中局部隔水层上的重力水，主要是季节性存在,裸露于地表的裂隙岩层浅部季节性存在的重力水,裸

7、露的岩溶化岩层上部岩溶通道中季节性存在的重力水,潜水,各类松散沉积物浅部的水,裸露于地表的各类裂隙岩层中的水,裸露于地表的岩溶化岩层中的水,承压水,山间盆地及平原松散沉积物深部的水,组成构造盆地、向斜构造或单斜断块的被掩覆的各类裂隙岩层中的水,组成构造盆地、向斜构造或单斜断块的被掩覆的岩溶化岩化岩层中的水,埋藏条件,表5-4 地下水分类表,1、地下水埋藏类型,包气带,饱水带,地面以下岩土层,地下水面以上,地下水面以下,地下水埋藏类型示意图,含水层,承压水井,承压水位,自流水井,隔水层,潜 水 位,潜水井,1. 上层滞水(perch ground water ),指在包气带内局部隔水层上积聚的具

8、有自由水面的重力水称为上层滞水，也可称包气带滞水(图5-2)。,图5-2 包气带水和潜水示意图 A 包气带水 B 潜水 h 潜水面的埋藏深度 H 潜水厚度,上层滞水的动态很不稳定。,包气带中聚集在局部隔水层之上的重力水. 特征：接近地表，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.,2.潜水(phreatic water),1砂层 2隔水层 3含水层 4潜水面 5基准 面,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：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

9、大。潜水面形状受地形影响。,大气降水,地表水,潜水的 补给来源,凝结水,深层地下水,最主要的补给来源,径流排泄,蒸发排泄,潜水的排泄,含水层之间的排泄,以泉、渗流等形式泄出地表或流入地表水,通过包气带或蒸发进入大气,通过导水断层、天窗越流排泄,潜水等位线图：潜水面上高程相等各点的连线(图5-3a)。,潜水与地表水的关系,潜水补给河流,河流补给潜水,单侧补给,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 实线地形等高线,潜水的自由水面为潜水面；潜水面上任一点的高程为该点的潜水位；自地面某点至潜水面

10、的距离为该点潜水的埋藏深度；从潜水面至隔水底板的距离为潜水含水层厚度,图5-3 潜水等位线图及水文地质剖面图 1砂土 2 粘土 3 地形等高线 4 潜水等位线 5河流及流向 6潜水流向 7 潜水面 8下降泉 9钻孔(剖面图) 10钻孔(平面图) 11 钻孔编号 12剖面线,3、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,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,承压水等水位线图,如图中A点：

11、 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）,图5-4 承压含水层 1含水层 2 隔水层 3 自流井 4 非自流井 5干井 6潜水位 7 承压水位 8地下水流向 9上升泉 A补给区 B 承压区 C排泄区 D自流区 h 承压水位埋深 M承压含水层厚度 H1 初见水位 H2 承压水位 H承压水头 OO基准面,等水压线图：承压水面上高程相等点的连线图。,图5-5 等水压线图及水文地质剖面图 a) 等

12、水压线图 b)水文地质剖面图 1地形等高线图 2 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,5.2.2 孔隙水、裂隙水、岩溶水,1） 孔隙水,埋藏于松散岩土孔隙中的重力水。,山前倾斜平原孔隙水,河谷地区孔隙水,按松散沉积物的成因类型及地貌条件差异划分,冲积平原孔隙水,山间盆地孔隙水,黄土地区孔隙水,沙漠地区孔隙水,典型的冲洪积扇，自出山口至平原沿着纵向可分为三个水文地质带。深埋带、溢出带和垂直交替带(图5-6)。,图5-6 洪积物中地下水分布示意图 深埋带 溢出带 垂直交替带 1 砾卵石 2砂 3粉质粘土及

13、粉土 4 基岩 5水位,埋藏分布极不均匀,透水性各个方向呈各向异性,特征,动力性质比较复杂,风化裂隙水,成岩裂隙水：赋存在成岩裂隙中的地下水,分类,构造裂隙水,主要接受大气降水的补给，常以泉的形式排泄于河流中。,以分布不均匀、水力联系不好为其特征。在各种地下工程中，构造裂隙水的涌水量、水位、水温与水质往往变化很大。这是由于构造裂隙的分布密度、方向性、张开性、延伸性极不均一所造成的。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。,赋存在风化裂隙中的水,2） 裂隙水,埋藏于基岩裂隙中的地力水。,3 ）岩溶水 埋藏于溶隙中的重力水称为岩溶水（喀斯特水）。岩溶水，可以是潜水

14、也可以是承压水。一般来说，在裸露的石灰岩分布区的岩溶水主要是潜水；当岩溶化岩层被其他岩层所覆盖时，岩溶潜水可能转变为岩溶承压水。 在土木工程建筑地基内有岩溶水活动,不但在施工中会有突然涌水事故发生，而且对建筑物的稳定性也有很大影响。因此，在建筑场地和地基选择时应进行工程地质勘察，针对岩溶水的情况，用排除、截源、改道等方法处理，如挖排水沟，筑挡水坝，开凿输水隧洞改道等等。,岩溶水,赋存和运移于可溶岩的地下水。,岩溶上层滞水,岩溶潜水,岩溶水分类,岩溶承压水,岩溶水的分布主要受岩溶作用规律的控制。,5、 泉,地下水在地表的天然露头叫泉，人工露头称为井。泉是地下水的一种重要的排泄方式。是可以直接用作

15、工业和生活供水的重要水源。,地下水的补给、径流与排泄过程是地下水的循环。地下水以大气降水、地表水、人工补给等各种形式获得补给，在含水层中流过一段路程，然后又以泉、蒸发等形式排除地表，如此周而复始的过程便形成了地下水的循环。,5.3 地下水的补给、径流与排泄,5.3.1地下水的补给 含水层自外界获得水量的过程称做补给 (1)大气降水补给：大气降水是地下水的最主要补给来源。 (2)地表水补给：地表水体指的是河流、湖泊、水库与海洋等，地表水体可能补给地下水，也可能排泄地下水，这主要取决于地下水水位与地下水水位之间的关系。 (3)含水层之间的补给：深部与浅部含水层之间的可以通过各种通道如构造带、“天窗

16、”或“越流”进行互为补给。 (4)人工补给：包括灌溉水，工业与生活废水排入地下，以及专门为增加地下水量的人工方法补给。,5.3.2地下水的径流 地下水由补给区流向排泄区的过程叫径流。地下水由补给区流经径流区，流向排泄区的整个过程构成地下水循环的全过程。地下水径流包括径流方向、径流速度与径流量。 地下水补给区与排泄区的相对位置与高差决定着地下水径流的方向与径流速度；含水层的补给条件与排泄条件愈好、透水性愈强，则径流条件愈好。径流条件好的含水层其水质较好。此外，地下水的埋藏条件亦决定地下水径流类型：潜水属无压流动；承压水属有压流动。,含水层失去水量的过程称做排泄。地下水排泄的方式有：蒸发、泉水溢出

17、、向地表水体排泄、含水层之间的排泄和人工排泄等。 (1)蒸发：通过土壤蒸发与植物蒸发的形式而消耗地下水的过程叫蒸发排泄。 (2)泉水：泉是地下水天然露头，是地下水排泄的主要方式之一。 (3)向地表水排泄：当地下水位高于河水位时，若河床下面没有不透水岩层阻隔，那么地下水可以直接流向河流补给河水。 (4)含水层之间的排泄：一个含水层通过“天窗”、导水断层、越流等方式补给，而对前一个含水层来说是排泄。 (5)人工排泄：抽取地下水作为供水水源和基坑抽水降低地下水位等，都是地下水的人工排泄方式。层来说是排泄。,5.3.3地下水的排泄,5.3.4地下水运动的基本规律,层流：地下水运动时，水质点有秩序地呈相

18、互平 行而互不干扰的运动。,湍流：水质点相互干扰而呈无秩序的运动，称湍 流(也称紊流)。,图5-8 渗透实验装置,或,(5-4),1、线性渗透定律 Darcy定律,混合流：层流和湍流同时出现,式中,Q 渗流量(m3/d或cm3/s); A 过水断面面积(m2或cm2); H 水头损失(m或cm); L 渗流距离(m或cm); k 渗透系数(m/d或cm/s); J 水力坡度； v 渗流速度(m/d或cm/s),式(5-4)表明，渗流速度与水力坡度的一次方成正比，故Darcy定律又称为线性渗透定律。,2、几个相关概念 （1）、渗流速度 （2）、水力坡度 （3）、渗透系数,3、地下水的涌水量计算

19、在计算流向集水构筑物的地下水涌水量式，必须区分集水构筑物的类型。集水构筑物按构造形式可分为：垂直的井、钻孔和水平的引水渠道、渗渠等。抽取潜水或承压水的垂直集水井分别称为潜水井或承压水井。潜水井和承压水井按其完整程度又可分为完整井及不完整井两种类型。 土木工程中常遇到作层流运动的地下水在井、坑或渗渠中的涌水量计算问题，其具体公式很多，可参考有关水文地质手册。,5.4 地下水对建筑工程的影响,毛细水主要存在于直径为0.5 0.002mm大小的孔隙中。毛细水对土木工程的影响主要有： (1)产生毛细压力； (2)毛细水对土中气体的分布与流通有一定影响，常常是导致产生封闭气体的原因； (3)当地下水位埋

20、深较浅时，由于毛细水上升，可以助长地基土的冰冻现象、致使地下室潮湿甚至危害房屋基础、破坏公路路面、促使土的沼泽化及盐渍化从而增强地下水对混凝土等建筑材料的腐蚀性。,5.4.1、 毛细水对建筑工程的影响,1、潜水位上升引起的岩土工程问题 （1）潜水位上升后，由于毛细水作用可能导致土壤次生沼泽化、盐渍化，改变岩土体物理力学性质，增强岩土和地下水对建筑材料的腐蚀。在寒冷地区，可助长岩土体的冻胀破坏； （2）潜水位上升，原来干燥的岩土被水饱和、软化，降低岩土抗剪强度，可能诱发斜坡、岸边岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象； （3）崩解性岩土、湿陷性黄土、盐渍岩土等遇水后，可能产生崩解、湿陷、软

21、化，其岩土结构破坏，强度降低，压缩性增大。而膨胀性岩土遇水后则产生膨胀破坏； （4）潜水位上升，可能使洞室淹没，还可能使建筑物基础上浮，危及安全。,5.4.2 潜水对建筑工程的影响,2、 地下水位下降引起的地基沉降 地下水位下降往往会引起地表塌陷、地面沉降、海水入侵、地裂缝的产生和复活以及地下水源枯竭、水质恶化等一系列不良现象。 （1）地表塌陷:岩溶发育地区，由于地下水位下降时改变了水动力条件，在断裂带、褶皱轴部、溶蚀洼地、河床两侧以及一些土层较薄而土颗粒较粗的地段，产生塌陷。 （2）地面沉降:地下水位下降诱发地面沉降的现象可以用有效应力原理加以解释。地下水位的下降减小了土中的孔隙水压力，从而

22、增加了土颗粒间的有效应力，有效应力的增加要引起土的压缩。 （3）海(咸)水入侵:天然状态下，陆地的地下淡水向海洋排泄，含水层保持较高的水头，淡水与海水保持某种动态平衡，因而陆地淡水含水层能阻止海水入侵。如果大量开发陆地地下淡水，引起大面积地下水位下降，可能导致海水向地下水含水层入侵，使淡水水质变坏。 （4）地裂缝的产生与复活:近年来，在我国很多地区发现地裂缝，西安是地裂缝发育最严重的城市。据分析这是地下水位大面积大幅度下降而诱发的。 （5）地下水源枯竭、水质恶化:盲目开采地下水，当开采量大于补给量时，地下水资源会逐渐减少，以致枯竭，造成泉水断流、井水枯干、地下水中有害离子量增多、矿化度增高。,

23、3、地下水的渗透破坏 （1）渗透力 水流动时，水对单位体积土的骨架作用的力，称为动水力（kN/m3）。动水力是水流对土体施加的体积力，与水流受到土骨架的阻力大小相等而方向相反。土体所受的渗透力是由动水头转化而得到的。渗透力则是一个积极的破坏力，它与渗透破坏的程度成直接的比例关系。 （2）渗透变形 土的渗透变形类型主要有流土(流砂)和管涌两种基本型式。 流土是指在向上的渗透水流作用下，表层土局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。 管涌是指在渗透水流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动、以至流失，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷的现象称为管涌。管涌破坏一般有段时间

24、发展过程，是一种渐进性质的破坏，也称之为潜蚀现象。 流土是土的整体遭受破坏，而管涌则是单个土粒在土体中移动和带出。,地下水自下向上渗流，当向上的渗流力克服了土体向下的重力，则土体发生浮起而处于悬浮状态失去稳定，土粒随之流动。这种现象称为流砂。 此现象多发生在饱和粉细砂以及粉土层中。一般是突发性，对工程危害很大。土的渗透变形对岩土工程危害极大，所以在可能发生土的渗透变形的地区施工时，应尽量利用其上面的土层作为天然地基，也可利用桩基穿透流砂层。总之，要尽量避免水下大开挖施工，一般常采用下面方法防治：,人工降低地下水位,打板桩,水下挖掘,其它如化学加固法、冻结法、爆炸法、加重法等。,处理流砂方法,人

25、工降低地下水位：使地下水位降至可产生流砂的地层之下，然后再进行开挖； 打板桩：其目的一方面是加固坑壁，另一方面是改善地下水的径流条件，即增长渗透路径，减小地下水水力坡度及流速； 水下开挖：在基坑开挖期间，使基坑中始终保持足够水头，尽量避免产生流砂的水头差，增加基坑侧壁的稳定性； 用冻结法、化学加固法、爆炸法等处理岩土层，提高其密实度，减小其渗透性。,管涌（潜蚀）,在渗透水流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，以至流失；随着土的孔隙不断扩大，渗透速度不断增加，较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷，这种现象称为管涌。管涌破坏一般有个时间发展过程，

26、是一种渐进性质的破坏。,通过坝基的管涌,在自然界中，在一定条件下同样会发生上述渗透破坏作用，为了与人类工程活动所引起的管涌相区别，通常称之为潜蚀。潜蚀作用有机械的和化学的两种。这两种作用往往是同时存在的。,土中粗颗粒所构成的孔隙直径必须大于细颗粒的直径，一般不均匀系数10的土才会发生管涌,管涌发生条件,在渗流逸出部位铺设反滤层是防止管涌破坏的有效措施。,降低水力梯度，如打板桩。,防治管涌,渗流力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动,几何条件：,水力条件：,几何条件：,改变水力条件：,改变几何条件：,一般可用渗透力与土体浮重度二者的合力判别土的渗透变形趋势或渗透的稳定性。在渗流出口附近的土体，当发生

27、向上的渗流时，如果向上的渗透力克服了向下的重力时，土体就会发生浮起或流土破坏，土体处于流土临界状态的坡降为临界水力坡降：,土渗透变形的发生和发展过程有其内因和外因，内因是土的颗粒组成和结构；外因是水力条件，即作用于土体渗透力的大小。,3）渗透稳定性判断,在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土或无粘性土，只要满足渗透水力坡度大于临界水力坡度这一水力条件，均要发生流土，因此，只要用流网求出渗流溢出处水力坡度i，再求出临界水力坡降值后，即可按下列条件，判别流土发生的可能性：。若i，则土体处于稳定状态；i，土体处于流土状态；i =，土体处于临界状态。 流土是工程上绝对不允许发生的，设计时要保证有一

28、定的安全系数，把逸出水力坡度限制在允许水力坡度i以内，即,式中 Fs为流土安全系数，取2.02.5。,工程上为防止渗透变形的发生，通常从两个方面采取措施：一是减小水力坡度，可以通过降低水头或增加渗径的办法来实现；二是在渗流逸出处加盖压重或设反滤层，或在建筑物下游设置减压井、减压沟等，使渗透水流有畅通的出路。,5.4.3承压水对基坑的作用,基坑突涌：当基坑下伏有承压含水层时，开挖基坑所留底板经受不住承压水头压力作用而被承压水顶裂或冲毁的现象。,隔水层安全厚度：,(5-10),式中,H 承压水头(m); g W 水的重度(kN/m3); g 土的重度(kN或cm3);,图5-9 基坑底粘土层最小厚

29、度,图5-10 抽水降低承压水头,防止基坑突涌，可对承压水层进行预先排水，以降低承压水头(图5-10)。降低后的基坑中心承压水位Hw必须满足下式：,则,(5-11),5.4.4、 地下水对钢筋混凝土的腐蚀,1. 结晶类腐蚀,地下水中SO42-,混凝土中Ca(OH)2,二水石膏结晶体CaSO42H2O,水化铝酸钙CaOAl2O36H2O,水化硫铝酸钙(水泥杆菌),结合了许多结晶水，体积约比原来增大221.86%,在混凝土中产生很大的应力，破坏混凝土的结构。,2）. 分解类腐蚀,地下水中含有CO2和HCO3-,CO2与混凝土中的Ca(OH)2作用，生成碳酸钙沉淀。,1）. 结晶类腐蚀,地下水中SO42-,1、腐蚀类型,碳酸钙不溶于水，会在混凝土周围形成一层保护膜，防止Ca(OH)2的分解。但是当地下水中CO2超过一定数值，而HCO3-离子含量过低，则超量的CO2再与CaCO3反应，生成重碳酸钙Ca(HCO3)2并溶于水，即：,如果地