《工程地质》5地下水.ppt

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1、5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,本章小结,2,5.1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,3,5.1地下水的基本概念,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；孔隙度是孔隙体积与岩石总体积的比值。,4,5.1地下水的基本概念,岩石的空隙,孔隙,孔隙度大小的影响因素：1. 岩石的密实程度及分选性；2. 颗粒形状和胶结程度。,孔隙度大,孔隙度小,孔隙度小,孔隙度小,5,5.

2、1地下水的基本概念,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,裂隙,裂隙坚硬岩石受地壳运动及其它内外地质营力作用的影响产生的空隙；裂隙率是裂隙体积与岩石总体积的比值。,6,5.1地下水的基本概念,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,溶隙,溶隙可溶岩中的裂隙经地下水流长期溶蚀而形成的空隙；溶隙率是溶隙的体积与岩石总体积的比值。,7,5.1地下水的基本概念,研究岩石的空隙时，不仅要研究空隙的多少，还要研究空隙的大小、空隙间的连通性和分布规律。 1. 松散土孔隙的大小和分布都比较均匀，且连通性好，所以孔隙度可表征一定范围内孔隙的发

3、育情况； 2. 岩石裂隙无论其宽度、长度和连通性差异均很大，分布也不均匀，因此，裂隙率只能代表被测定范围内裂隙的发育程度； 3. 溶隙大小相差悬殊，分布很不均匀，连通性更差，所以溶隙率的代表性更差。,岩石的空隙,8,5.1地下水的基本概念,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，将水在空隙中存在的形式分为：,岩石的空隙,气态水结合水重力水毛细水固态水,9,5.1地下水的基本概念,含水层指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，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。隔水层指不能给出并透过水的岩层。隔水层还包括那些给出

4、与透过水的数量微不足道的岩层，也就是说，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，例如粘土就是这样的隔水层。,含水层与隔水层,10,5.1地下水的基本概念,含水层与隔水层,岩石按透水程度的分类,11,5.1地下水的基本概念,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。纯净的地下水应是无色、无味、无臭味和透明的，当含有某些化学成分和悬浮物时其物理性质会改变。,地下水的物理性质,12,5.1地下水的基本概念,地下水沿着岩石的孔隙、裂隙或溶隙渗流过程中，能溶解岩石中的可溶物质，而具有复杂的化学成分。 主要气体成分 N2、O2、CO2、H2S。一般情况下，地

5、下水的气体含量，每升只有几毫克到几十毫克。 主要离子成分 Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-和HCO3-离子。 胶体成分与有机质 Fe(OH)3、Al(OH)3、H2SiO3等,地下水的化学成分,13,5.2地下水的类型,按地下水的某一特征进行分类；综合考虑地下水的某些特征进行分类,地下水的分类方法,14,5.2地下水的类型,地下水的分类,地下水按埋藏条件分为：上层滞水、潜水和承压水按含水层的空隙性质分为：孔隙水、裂隙水和岩溶水,15,5.2地下水的类型,上层滞水、潜水、承压水,上层滞水,包气带中局部隔水层之上的重力水。,16,5.2地下水的类型,上层滞水一般分布不广，埋藏接

6、近地表，接受大气降水的补给，补给区与分布区一致，以蒸发形式或向隔水底板边缘排泄。雨季时获得补给，赋存一定的水量，旱季时水量逐渐消失，其动态变化很不稳定。上层滞水对建筑物的施工有影响，应考虑排水的措施。,上层滞水、潜水、承压水,上层滞水,17,5.2地下水的类型,上层滞水、潜水、承压水,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。,18,5.2地下水的类型,上层滞水、潜水、承压水,潜水,潜水面潜水的自由水面,19,5.2地下水的类型,上层滞水、潜水、承压水,潜水,潜水位潜水面上任一点的高程,20,5.2地下水的类型,上层滞水、潜水、承压水,潜水,潜水的埋藏深度地表至潜水面的距离,

7、21,5.2地下水的类型,上层滞水、潜水、承压水,潜水,潜水含水层的厚度潜水面到隔水底板的距离,22,5.2地下水的类型,上层滞水、潜水、承压水,潜水,潜水的特征:潜水具自由水面,为无压水;潜水面的形状主要受地形控制，基本上与地形一致，但比地形平缓;潜水面的形状和含水层的透水性及隔水层底板形状有关;潜水的补给区与分布区一致，主要由大气降水、地表水和凝结水补给，当承压水与潜水有联系时，承压水也能补给潜水;潜水常以泉或蒸发的形式排泄，其动态受气候影响较大，具有明显的季节性变化特征;潜水易受地面污染的影响。,23,5.2地下水的类型,上层滞水、潜水、承压水,潜水,潜水等水位线图潜水面上标高相等各点的

8、连线图，绘制时将研究地区的潜水人工露头（钻孔、探井、水井）和天然露头（泉、沼泽）的水位同时测定，绘在地形等高线图上，连结水位等高的各点即为等水位线图。由于水位有季节性的变化，图上必须注明测定水位的日期。一般应有最低水位和最高水位时期的等水位线图。,24,5.2地下水的类型,上层滞水、潜水、承压水,潜水,确定潜水流向;计算潜水的水力坡度;,潜水等水位线图的用途:,25,5.2地下水的类型,上层滞水、潜水、承压水,潜水,确定潜水和地表水之间关系;确定潜水的埋藏深度;确定泉或沼泽的位置；推断含水层的岩性或厚度的变化；确定给水的排水工程的位置。,潜水等水位线图的用途:,26,5.2地下水的类型,上层滞

9、水、潜水、承压水,潜水,潜水对建筑物的稳定性和施工均有影响。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。,27,5.2地下水的类型,上层滞水、潜水、承压水,承压水,充满于两个稳定的隔水层间的重力水。,承压水的形成主要决定于地质构造条件，最适宜形成承压水的构造为向斜(或盆地)构造和单斜构造。,28,5.2地下水的类型,上层滞水、潜水、承压水,承压水,向斜盆地,隔水顶板,补给区,承压区,排泄区,隔水底板,M,承压含水层厚度,H,H,M,h,H2,H1,初见水位,承压水位,承压水头,地下水位埋深,自流区,2

10、9,5.2地下水的类型,上层滞水、潜水、承压水,承压水,单斜构造,补给区,承压区,排泄区,补给排泄区,承压区,断块构造,30,5.2地下水的类型,上层滞水、潜水、承压水,承压水,单斜构造,岩性变化形成的自流斜地,补给排泄区,承压区,31,5.2地下水的类型,上层滞水、潜水、承压水,承压水,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;承压含水屋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;承压水水质不易受地面污染的影响。,32,5.2地下水的类型,上层滞水、潜水、承压水,承压水等水压线图,承压水等水压线图就是承压水面

11、上高程相等点的连线图。等水压线图上必须附有地形等高线和顶板等高线。承压水等水压线图可以判断承压水的流向及计算水力坡度，确定初见水位、承压水位的埋深及承压水头的大小等。承压水水头压力在有裂隙和大孔隙条件下可能引起基坑突涌，破坏坑底的稳定性。,33,5.2地下水的类型,孔隙水、裂隙水、岩溶水,孔隙水,孔隙水存在于松散岩层的孔隙中，这些松散岩层包括第四系和坚硬基岩的风化壳。它多呈均匀而连续的层状分布。孔隙水的存在条件和特征取决于岩石的孔隙情况，因为岩石孔隙的大小和多少，不仅关系到岩石透水性的好坏，而且也直接影响到岩石中地下水量的多少，以及地下水在岩石中的运动条件和地下水的水质。孔隙水由于埋藏条件不同

12、，可形成上层滞水、潜水或承压水，即分别称为孔隙-上层滞水、孔隙-潜水和孔隙-承压水。,孔隙水的特征:,34,5.2地下水的类型,孔隙水、裂隙水、岩溶水,裂隙水,埋藏在坚硬岩石裂隙中的地下水。它主要分布在山区和第四系松散覆盖层下面的基岩中，裂隙的性质和发育程度决定了裂隙水的存在和富水性。岩石的裂隙按成因可分为风化裂隙、成岩裂隙和构造裂隙三种类型，相应地也将裂隙水分为三种，即风化裂隙水、成岩裂隙水和构造裂隙水。,35,5.2地下水的类型,孔隙水、裂隙水、岩溶水,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，也可以是承压水；岩溶的发育特点也决定了岩溶水的特征。岩溶水具有水量

13、大、运动快、在垂直和水平方向上分布不均匀的特性，其动态变化受气候影响显著；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的事故发生，而且对建筑物的稳定性也有很大影响。,36,5.3地下水的补给、径流与排泄,地下水的补给,含水层自外界获得水量的过程。地下水的补给来源有：大气降水补给 是地下水的最主要补给来源，但大气降水补给地下水的数量与降水性质、植物覆盖、地形、地质构造、包气带厚度及岩石透水性等密切相关；地表水补给 地表水体可能补给地下水，也可能排泄地下水，这主要取决于地表水水位与地下水水位之间的关系；含水层之间的补给 上下含水层之间存在一定的水力联系时，地下水便会由水位高的含水层流

14、向并补给水位低的含水层。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。,37,5.3地下水的补给、径流与排泄,地下水的排泄,含水层失去水量的过程。地下水的排泄方式有：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。泉水 泉是地下水的天然露头，当含水层通道被揭露于地表时，地下水便溢出地表形成泉。向地表水泄流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。含水层之间的排泄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。,38,5.3地下水的补给、径流与排泄,地下水的径流

15、,地下水由补给区流向排泄区的过程叫径流。地下水由补给区流以径流区，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。,39,5.3地下水的补给、径流与排泄,地下水的运动的基本定律,层流混合流紊流,地下水的流动,在松散沉积物中,孔隙或微裂隙,在坚硬的岩石中,裂隙或溶隙,40,5.3地下水的补给、径流与排泄,地下水的运动的基本

16、定律,达西定律,或,地下水在孔隙中的运动属于层流，符合达西定律；地下水的渗流速度与水力坡度的一次方成正比;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Re10的地下水层流运动。,41,5.3地下水的补给、径流与排泄,地下水的运动的基本定律,达西定律,或,渗流速度vv并非地下水的实际流速，而是假设水流通过整个过水断面（包括颗粒和空隙所占据的全部空间）时所具有的虚拟流速；,42,5.3地下水的补给、径流与排泄,地下水的运动的基本定律,达西定律,或,水力坡度I 水力坡度为沿渗流途径的水头损失与相应渗透途径长度的比值。地下水在空隙中运动时，受到空隙壁以及水质点自身的

17、摩擦阻力，克服这些阻力保持一定流速，就要消耗能量，从而出现水头损失。所以，水力坡度可以理解为水流通过某一长度渗流途径时，为克服阻力，保持一定流速所消耗的以水头形式表现的能量。,43,5.3地下水的补给、径流与排泄,地下水的运动的基本定律,达西定律,或,渗透系数表示含水层透水性能的重要水文地质参数，可通过实验室测定或现场抽水试验求得。,44,5.3地下水的补给、径流与排泄,地下水的运动的基本定律,达西定律,地下水的涌水量计算在计算流向集水构筑物的地下水涌水量时，必须区分集水构筑物的类型。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；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

18、两种类型。土木工程中常遇到的井、坑或渗渠中的做层流运动的地下水涌水量计算的具体公式可参考有关水文地质手册。,45,5.3地下水的补给、径流与排泄,地下水与工程,地基沉降,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，甚至掏空，导致建筑物开裂和危及安全作用。降水漏斗井管开始抽水时，井内水位下降，井外含水层中的地下水不断流向滤管，经过一段时间后，在井周围形成漏斗状的弯曲水面。,46,5.3地下水的补给、径流与排泄,地下水与工程,流砂,流砂是地下水自下而上渗流时土产生流动

19、的现象，当地下水的动水压力大于土粒的浮容重或地下水的水力坡度大于临界水力坡度时，就会产生流砂。流砂的发生常是由于在地下水位以下开挖基坑、埋设地下管道、打井等工程活动而引起的，所以流砂是一种工程地质现象，易产生在细砂、粉砂、粉质粘土等土中。流砂在工程施工中能造成大量的土体流动，致使地表塌陷或建筑物的地基破坏，能给施工带来很大困难，或直接影内建筑工程及附近建筑物的稳定，因此，必须进行防治。,47,5.3地下水的补给、径流与排泄,地下水与工程,流砂,在可能产生流砂的地区，若其上面有一定厚度的土层，应尽量利用上面的土层作天然地基，也可用桩基穿过流砂，总之尽可能地避免开挖。如果必须开挖，可用以下方法处理

20、流砂：(1)人工降低地下水位；(2)打板桩；(3)冻结法；(4)水下挖掘。此外，处理流砂的方法还有化学加固法、爆炸法及加重法等。在基槽开挖的过程中局部地段出现流砂时，立即抛入大块石等，可以克服流砂的活动。,48,5.3地下水的补给、径流与排泄,地下水与工程,潜蚀,地下水的潜蚀将会破坏地基土的强度，形成空洞，产生地表塌陷，影响建筑工程的稳定。我国的黄土及岩溶地区的土层中，常有潜蚀现象产生。,机械潜蚀指土粒在地下水的动水压力作用下受到冲刷，将细粒冲走，使土的结构破坏形成洞穴的作用化学潜蚀指地下水溶解土中的易溶盐分，使土粒间的结合力和土的结构破坏，土粒被水带走，形成洞穴的作用,49,5.3地下水的补

21、给、径流与排泄,地下水与工程,潜蚀,对潜蚀的处理可以采用堵截地表水流入土层、阻止地下水在土层中流动、设置反滤层、改造土的性质、减小地下水流速及水力坡度等措施。这些措施应根据当地的具体地质条件分别或综合采用。,50,5.3地下水的补给、径流与排泄,地下水与工程,地下水的浮托作用,当建筑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。地下水不仅对建筑物基础产生浮托力，同样对其水位以下的岩石、土体产生浮托力。,51,5.3地下水的补给、径流与排泄,地下水与工程,基坑突涌,当基坑下伏有承压含水层时，开挖基坑减小了底部隔水层的厚度，当隔水层较薄经受不住承压水头压力作用时，承压水

22、的水头压力会冲破基坑底板，这种工程地质现象被称为基坑突涌。,52,5.3地下水的补给、径流与排泄,地下水与工程,基坑突涌,为避免基坑突涌的发生，基坑底部粘土层的厚度必须满足：gMgwH，即：,M,53,5.3地下水的补给、径流与排泄,地下水与工程,基坑突涌,如果基坑底部粘土层的厚度不足，为防止基坑突涌，则必须对承压含水层进行预先排水，使其承压水头下降至基坑底能够承受的水头压力，即承压水头Hw必须满足：,Hw,54,5.3地下水的补给、径流与排泄,地下水与工程,地下水对钢筋混凝土的腐蚀,结晶类腐蚀；分解类腐蚀；结晶分解复合类腐蚀。,55,本章小结,(1)岩石中的空隙包括孔隙、裂隙及溶隙，它们是地

23、下水赋存和运动的通道。空隙的大小和多少决定着岩石透水的能力和含水量。空隙大，水能自由通过的岩层称为透水层；空隙小，能够给出并通过相当数量的重力水的岩层为含水层；不能给出并透过水的岩层为隔水层。一般说，颗粒分选好以及排列疏松的岩石含水量较大。,56,本章小结,(2)地下水中含有多种元素的离子、分子或化合物；(3)地面以下第一个稳定隔水层上面的饱和水称为潜水。潜水面有高低起伏，一般地下水受重力作用由高处向低处流动。地下水的运动路线是较复杂的，运动速度缓慢。位于上、下两个稳定隔水层之间的含水层中的水称为承压水，承受一定的压力。向斜盆地或单斜盆地是形成承压水的有利地质构造；,57,本章小结,(4)孔隙

24、水存在于松散岩层的孔隙中，多且均匀而连续的层状分布；裂隙水可存在于任何富含裂缝或节理的岩石中，裂隙的性质和发育程度决定了裂隙的存在和富水性。赋存于可溶岩石中的水称岩溶水，其特点是分布极不均匀，灌入式补给，动态变化强烈，流动迅速，排泄集中。,58,本章小结,(5)达西定律只适用于雷诺数Re10的地下水层流运动；地下水的渗流速度与水力坡度的一次方成正比。(6)地基沉降指过量抽取地下水所引起的含水层和隔水层发生固结压缩而产生地面沉降。,59,本章小结,(7）当地下水的动水压力达到一定值时，土中一些颗粒发生移动，从而引起土体变形或破坏，这种现象称为渗流变形，可进一步分为潜蚀与流砂。(8)当基坑下伏有承压含水层时，若基坑隔水底板厚度小于含水层顶板的承压水头值时(M)，可引起基坑突涌。(9)地下水对混凝土的腐蚀作用有结晶类腐蚀、分解类腐蚀、结晶分解复合类腐蚀。,