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1、兰州理工大学土木工程学院 胡燕妮,土木工程地质学 Geology in Civil Engineering,地下水,（一）教学内容,地下水的基本概念 岩土空隙，岩土的水理性质，含水层、隔水层与透水层 地下水类型 按埋藏条件分类，按赋存介质分类 地下水的性质 物理性质，化学性质：化学成分、硬度、矿化度等 地下水运动基本规律 岩土渗透系数测定，地下水涌水量计算 地下水对工程的影响 渗透变形，地面沉降，地下水的浮托作用，承压水的作用，腐蚀，地基岩土膨胀与崩解,重点：潜水、承压水、孔隙水、裂隙水的特征，地下水的化学性质，地下水与工程建设。难点：承压水及其特征，渗透变形，地下水对混凝土腐蚀,（二）教学要
2、求,知道岩土的孔隙、裂隙及溶隙，知道岩土的容水性、持水性及给水性，了解岩土的透水性，知道含水层、隔水层与透水层 了解上层滞水，理解潜水、承压水、孔隙水及裂隙水、知道岩溶水 了解地下水的物理性质，理解地下水中的化学成分、硬度及矿化度等 了解地下水运动基本规律 了解岩土渗透系数测定，地下水涌水量计算 了解由地下水引起的渗透变形，知道地基岩土的膨胀与崩解，了解基坑涌水，了解地面沉降及地下水对混凝土的腐蚀,地下水,地下水的类型 地下水的运动 地下水对工程的影响,概念 地下水的分类 地下水的循环 地下水的物理化学性质,结合水和包气带水的运动规律 重力水的运动规律 渗透系数的确定,潜水位上升、下降变化的影
3、响，地下水流动的影响，重力水的浮托作用，承压水的影响，地下水的腐蚀作用，砂土液化,1.1 概念,地下水 饱水带 包气带 含水层 隔水层 滞水层,1.1 概念,地下水：埋藏在地表下面土中孔隙、岩石孔隙和裂隙中的水。 土或岩石的孔隙中充满水的地带称饱水带，地下水称饱和带水。未被水充满的地带称为包气带，地下水称为包气带水。包气带存在的局部饱和带水称为上层滞水。 含水层：给出并透过相当水量的岩土层。 隔水层：不透水但可含水的岩土层。 滞水层：弱透水的岩土层。 含水层的形成条件：岩土层有较大空隙；为隔水层所限；有补给来源。,分选不良含泥、砂的砾石,分选良好排列 疏松的砂,分选良好排列 紧密的砂,部分胶结
4、的砂岩,具有溶隙的 可溶岩,具有裂隙的岩石,岩土空隙,松散沉积物中的孔隙连通性好 坚硬岩石中的裂隙分布不均匀 可溶性岩石中的溶隙连通性差,1.2 地下水的分类,埋藏条件： 包气带水 潜水 承压水,含水介质： 孔隙水 裂隙水 岩溶水,水在岩土中的存在形式,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,包气带水的特征,水量不大但季节性变化强烈 补给区和分布区是一致的 一般矿化度低但水质最易受污染 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,潜 水 埋 藏 示 意 图,潜水：埋藏于地表以下，第一个稳定隔水层之上具有自由
5、水面的饱水带中的重力水,潜水面的特征,潜水面一般呈倾斜的各种形态的曲面 潜水面的起伏经常与地形一致，只是比地形起伏平缓一些；潜水面与地表面的形态具有相似性 含水层厚度变大时，潜水面坡度变缓 岩层透水性变好时，潜水面坡度变缓,西 藏 热 水 井 喷 发,承压水 埋 藏 示 意 图,承压水：埋藏并充满在两个隔水层之间的含水层中的地下水，是一种有压重力水,1.2 地下水的分类： 泉：地下水在地表的天然出露,河谷切割到潜水含水层时，潜水出露成侵蚀下降泉。河谷切穿承压含水层的隔水顶板时，承压水喷涌成泉，称为侵蚀上升泉。透水性不同的岩层接触，地下水沿接触面出露称为接触泉。断层使承压含水层被隔水层阻挡，当断
6、层导水时沿地面出露的承压水称为断层泉。,按水头性质分为上升泉和下降泉，按出露原因分为侵蚀泉、接触泉和断层泉。,1.3 地下水的循环：补给、排泄,上层滞水循环：大气降水补给，垂直蒸发、下渗排泄。 潜水补给： 大气降水，地表水的补给，含水层之间的补给越流 补给直接补给，凝结水，人工补给。 潜水排泄：蒸发，泉的排泄，地表水排泄，人为排泄。 承压水补给：大气降水，地表水，潜水。 承压水排泄：潜水排泄，泉的排泄，地表水排泄。,含水层中水从外部获得大量补充的过程称为地下水的补给,潜水的补给与排泄,大气降水,河流补给潜水,泉,潜水补给河流,承压水（自流水）的循环,承压水的形成：向斜构造和单斜构造 承压水的补
7、给区和分布区不一致 补给区远小于分布区,径流条件的好坏与地形条件、含水层的透水性、补给区与排泄区的水位差、承压含水层的挠曲程度等有关,最适宜形成承压水的地质构造有：,向斜构造 单斜构造,承压盆地 承压斜地,承压盆地：水位受到气候及地形的控制，往往具有较好的径流条件,岩性变化形成承压斜地,断裂构造形成承压斜地,承压水的补给与排泄,用途： 潜水流向 水力坡度 潜水与地表水关系 潜水埋深 潜水出露点 含水层厚度 给排水工程,潜水等水位线图： 潜水面上标高相等各点的连线图,承压水等水压线图： 承压水面上高程相等点的连线图,用途：流向，水力坡度，初见水位，水位埋深，水头,1.4 地下水的物理性质,颜色，
8、气味，味道，透明度，温度，密度，导电性，放射性,过冷水（低于0），冷水（020），温水（2142），热水（43100），过热水(高于100),仙人泉,药水神泉,气味,一般是无臭、无味的。当含有某些离子或某种气体时，可以散发出特殊的臭味，如： 当水中含有硫化氢所气体时，水有臭鸡蛋味 含亚铁盐很多时，水有铁腥气味或墨汁气味 当水加热到40以上时气味更显著,味道,纯水是无味的，含有其他化学成分时会有味感，如： 含较多二氧化碳时清凉爽口 含大量有机质物时有较明显的甜味 含硫酸镁和硫酸钠时有苦涩味 含氯化钠时有咸味 地下水的某种离子成分浓度愈大时味感愈强 低温时不明显，2030时味感显著,密度,纯水的密
9、度为0.981t/m3 地下淡水的密度认为与纯水密度相同 溶解盐分愈多，密度愈大，有的可达1.21.3 t/m3,导电性,地下水的导电性取决于所含电解质的数量和质量，即各种离子的含量与其离子价：离子含量愈多，离子价愈高，则水的导电性愈强。水温对导电性也有影响。,放射性,地下水在特殊储藏环境下，受到放射性矿物的影响，具有一定的放射性，如：堆放废弃的核燃料，会引起周围岩土体及其中的水体带有放射性。,岩土的水理性质,1. 含水性 容水度:岩土孔隙完全被水充满时的含水量 持水度:岩土在重力作用下释水时仍能保持的含水量 2. 给水性 岩土在重力作用下能自由排出的含水量 给水度=容水度持水度 3.透水性
10、岩土可透过水的性能，用渗透系数表示,地下水的化学性质,化学性质 PH值 矿化度 硬度,气体成分 O2 H2S CO2,离子成分 Cl- SO42- HCO3- Na+ K+ Ca2+ Mg2+,总矿化度：水中离子、分子和各种化合物的总量（g/L）。水中Mg2+、Ca2+总含量称为总硬度。水煮沸后由于CO2的蒸发使Mg2+、Ca2+的含量减少，减少部分称为暂时硬度。总硬度与暂时硬度之差为永久硬度。,矿化度1，淡水 13微咸水 310咸水 1050盐水 50，卤水,侵蚀性CO2和游离CO2,CO2以气体状态存在水中，称为游离CO2 当水中的含有一定量的HCO3-，必须有一定量的游离CO2与之平衡，
11、这部分游离的CO2称为平衡CO2 CaCO3+H2O+CO2Ca2+HCO3- 当水中游离的CO2含量超过平衡CO2，多余的CO2则可溶解CaCO3，则平衡被打破，又需一定量的平衡CO2与HCO3-相平衡。用于溶解CaCO3的这部分CO2称为侵蚀性CO2,2 地下水的运动,结合水和包气带水的运动规律 重力水的运动规律 渗透系数的确定,2.1 结合水和包气带水的运动规律,结合水的运动规律 结合水运动时应克服结合水的抗剪强度才能发生流动，存在一临界水力坡降ib / 线性规律： v=k（i- ib / ） 包气带水的运动规律 v=k(w)*(z+hc)/z Z为自地表起算的深度；hc为毛细水的上升高
12、度，hc=c/ed10，c为经验计算系数，一般取0.10.5cm2,2.2 重力水的运动方式及判别,运动方式：层流和紊流 层流：流速较小，孔隙较小；达西定律v=ki 紊流：流速较大，空隙较大；哲才定律v=ki0.5 介于层流和紊流之间：称为混流运动，v=kim，m在0.51之间,达西定律适用范围：雷诺数10,雷诺数为运动流体的惯性力和粘滞力的比值。1880年英国物理学家雷诺通过圆管中的水流试验得到层流和紊流区别界限。利用雷诺数可判别土中孔隙水的流动方式。,K的作用：岩土渗透性判定,（3）渗透系数的确定,室内试验： 常水头试验 变水头试验,现场试验 压水试验 抽水试验,潜水完整井 潜水非完整井,
13、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,现场抽水试验,抽水实验法-完整井计算K,根据水位恢复速度计算K,影响半径计算公示表,经验估算法,1991年哈森提出用有效粒径 d10计算较均匀砂土的公式 1955年，太沙基提出考虑土 体孔隙比e的经验公式,经验参考值,三、地下水对工程的影响,潜水位上升变化的影响 潜水位下降变化的影响 地下水流动的影响 重力水的浮托作用 承压水的影响 地下水的腐蚀作用 砂土液化现象,潜水位上升引起的工程地质问题,潜水位上升后，由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
14、助长岩土体的冻胀破坏。 潜水位上升后，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。 崩解性岩土、湿陷性黄土、盐渍岩土、膨胀性岩土等遇水后，可能产生崩解、湿陷、软化、膨胀，使岩土结构破坏、强度降低、压缩性增大。 潜水位上升，可能使洞室淹没，还可能使建筑物基础上浮。,地下水位下降 引起的工程地质 问题,地表塌陷 地面沉降 海(咸)水入侵 地裂缝的产生与复活 地下水源枯竭、水质恶化,海水入侵,莱州湾渤海沿岸的某些地区海水入侵到大陆内纵深10余公里，海水入侵面积已达到八百多平方公里，每年减产粮食2-3亿公斤，工业损失2-3亿元，累计工
15、农业损失计50亿元之多。上海、天津、美国、日本、以色列、荷兰 、澳大利亚等滨海城市都存在海水入侵问题。,地下水位下降引起的工程地质问题,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。我国大、中城市有近40座建于岩溶地区，由于抽取岩溶地下水量剧增，地下水位骤降，城市地面建筑荷载逐年增加，岩溶塌陷事件时有发生。 地面沉降：许多大城市过量抽取地下水致使区域地下水位下降从而引发地面沉降（有效应力原理）。我国几十座城市受到地面沉降的威胁：北京、上海、天津、苏州、无锡、常州、西安、太原等城市都已发生不同程度的
16、地面沉降。上海和天津的沉降超过2米，太原和西安也超过1米。,地下水位下降引起的工程地质问题,海水入侵：近海地区的潜水或承压含水层往往与海水相连，陆地的地下淡水向海洋排泄。地下水位下降导致海水向地下水含水层入侵，使淡水水质变坏。 地裂缝的产生与复活：地下水位大面积大幅度下降诱发城市地裂缝。 地下水源枯竭、水质恶化：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。,3. 地下水的渗透破坏,潜蚀：渗透水流在较大的动水压力下，冲刷、挟走细小颗粒或溶蚀岩土体，使岩土体中孔隙不断增大，甚至形成洞穴，导致岩土体结构松动或破坏，产生地表裂隙、塌陷，影响工程的稳定。,形成条件： 水动力条件，不均匀系数超过20，细粒料少于20-25,流沙、流土：流砂是指松散的饱和砂土、粉土在动水压力作用下，产生的悬浮流动现象。,流沙形成条件： 不均匀系数小于10（透水性差），水流速度快，自下 而上，细粒料含量大于30-35，土质疏松,4. 地下
