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1、第五章 水文地质基础,地下水的基本概念 岩石中的地下水 地下水的物理性质与化学成分 地下水与工程建设的关系,本章提要,与工程地质密切相关地下水的基本知识； 着重阐述了地下水的物理化学性质、地下水的类型及特点； 简要介绍了地下水与工程建设的关系。,学习地下水地质作用的工程意义,地下水与土石相互作用会使土体和岩体的强度和稳定性降低，产生各种不良的自然地质现象和工程地质现象，给工程的建筑和正常使用造成危害。 如：滑坡、岩溶、潜蚀、土体盐渍化和路基盐胀、多年冻土和季节冻土中冰的富集、地基沉陷、道路冻胀和翻浆等都与地下水的存在和活动有关，地下水还常常给隧道施工和运营带来困难，甚至带来灾害。,水是人类赖以
2、 生存的宝贵资源,生活用水,农业用水,工业用水,环境用水,水是生态环境的敏感因子,水是生命的源泉,水是农业的命脉,水是工业的血液,水的开发利用给 人类带来的危害,土壤次生盐渍化、荒漠化、沙漠化、 地面沉降、海水入侵、水质恶化等,地 下 水,地下水地下水是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。,5.1 地下水的基本概念,2018/9/14,5,地下水的类型及其特点,1土壤 2含水层 3隔水层 4潜水面 5承压水面 A包气带 A1上层滞水 A2毛细水带 B饱水带 B1潜水
3、B2承压水,地下水分带,包气带水是存在于包气带中以各种形式出现的水，它是一种局部的、暂时性的地下水。其中既有分子水、结合水、毛细水等非重力水，也有属于下渗的水流和存在于包气带中局部隔水层上的重力水（又称上层滞水）。包气带水的特征是：完全依靠大气降水或地表水流直接下渗补给，因而多位于距地表不深的地方，以蒸发或逐渐下渗的形式排泄；分布范围有限；补给区与分布区一致；水量随季节变化，雨季出现，旱季消失，极不稳定。,包气带水上层滞水,上层滞水和潜水,1含水层 2隔水层 3潜水面 4潜水流向 hAA点的潜水埋藏深度 H AA点的潜水位 HAA点潜水层的厚度 O-O基准面,潜水:埋藏在地面以下第一个稳定隔水
4、层之上具自由水面的重力水,潜水的自由水面称潜水面,1含水层 2隔水层 3潜水面 4潜水流向 hAA点的潜水埋藏深度 H AA点的潜水位HAA点潜水层的厚度 O-O基准面,潜水位水面上任一点的高程称该点的潜水位,自地面某点至潜水面的距离称该点潜水的埋藏深度,1含水层 2隔水层 3潜水面 4潜水流向 hAA点的潜水埋藏深度 H AA点的潜水位HAA点潜水层的厚度 O-O基准面,潜水面到隔水底板的距离为潜水含水层的厚度, 潜水的特征： 1) 潜水与大气相通，具自由水面，为无压水； 2) 潜水的补给区与分布区一致，直接接受大气降水补给。旱季时，常以蒸发形式排泄； 3) 潜水动态受气候影响较大，具有明显
5、的季节性变化特征； 4) 潜水易受地面污染的影响； 5) 水量丰富的潜水可作为供水水源。, 潜水等水位线图就是潜水面上高程相等各点的连线 1) 确定潜水流向 垂直于等水位线，自高等水位线指向低等水位线的方向即为流向。,2) 计算潜水的水力坡度 在流动方向上，取任意两点的水位高差，除以两点间在平面上的实际距离，即为此两点间的平均水力坡度。,3) 确定潜水与地表水之间的关系 如果潜水流向指向河流，则潜水补给河水；如果潜水流向背向河流，则潜水接受河水补给。,4) 确定潜水的埋藏深度 潜水面的埋藏深度等于该点的地形标高减潜水位。根据各点的埋藏深度值，可绘出潜水等埋深线 。,5) 确定含水层的厚度 当等
6、水位线图上有隔水层顶板等高线时，同一测点的潜水水位与隔水层顶板标高之差即为含水层厚度。6 )确定给水和排水工程的位置。 水井应布置在地下水流汇集的地方，排水沟（截水沟）应布置在垂直水流的方向上。,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,潜水的补给、排泄和径流,含水层从外界获得水量的过程叫做补给，耗失区水量的过程叫排泄，地下水由补给区向排泄区流动的过程便是地下水的径流。 （）潜水的补给 补给来源：大气降水、地表水、承压
7、水、凝结水对潜水的补给以及农田灌溉水、城市工矿的生活用水和工业废水的回渗补给等。其中大气降水和地表水的入渗是潜水的主要补给源。 （）潜水的排泄 排泄方式：以泉的形式出露地表、直接排入地表水（以上两者统称为径流排泄）、通过蒸发逸入大气（也称为垂直排泄）以及向邻近的承压含水层排泄等。, 承压水是充满两个隔水层之间的含水层中的重力水。,承压含水层,1承压含水层， 2隔水层， 3自流井， 4非自流井， 5干井 6承压水位， 7潜水位， 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， OO基准面 H1初见水位， H2承压水位， H承压水头, 承压水
8、具有如下特征 1) 承压水的重要特征是没有自由水面，并承受一定的静水压力。 2) 承压含水层的分布区与补给区不一致。 3) 承压水的动态比较稳定，受气候影响比较小。 4) 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。, 承压水等水压线图是承压水面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。 1地形等高线 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 承压水等水压线图(a)及水文地质剖面图(b),如图中A点： 地形标高103m，承压水位91m，含水层顶板标高83m。 则承压水位
9、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）,裂隙水,按成因： 风化裂隙水 成岩裂隙水 构造裂隙水 按埋藏条件： 面状裂隙水 层状裂隙水 脉状裂隙水,岩溶水,特点：空间分布极不均匀，动态变化强烈，流动迅速，排泄集中。, 泉地下水在地表的天然露头叫泉(地下水的人工露头叫井)。 (1) 根据补给源及水流特征分为 1) 上升泉 ; 2) 下降泉 含水层若为潜水则形成侵蚀下降泉；若为承压水时则形成侵蚀上升泉。,a 侵蚀下降泉 b 侵蚀上升泉 c 接触泉 d 断层泉, 泉地下水在
10、地表的天然露头叫泉(地下水的人工露头叫井)。 (2) 根据泉水出露原因分为 1) 侵蚀泉; 2) 接触泉; 3) 断层泉 侵蚀泉 是沟谷切割到含水层时形成的; 接触泉 是地下水自含水层和其下面隔水层的接触处涌出地表，或在侵入体与围岩接触带，地下水沿裂隙上升至地表形成的。 断层泉 是承压水沿导水断层上升，在地面标高低于承压水位处，涌出地表形成的。这类泉常沿断层呈线状分布。,a 侵蚀下降泉 b 侵蚀上升泉 c 接触泉 d 断层泉, 泉地下水在地表的天然露头叫泉(地下水的人工露头叫井)。 (3) 根据泉水温度分为 1)冷泉； 2) 温泉,a 侵蚀下降泉 b 侵蚀上升泉 c 接触泉 d 断层泉,含水层
11、在正常水力梯度下，饱水、透水并能给出一定水量的岩土层称为含水层。 含水层的形成必须具备以下条件：有较大且连通的空隙；与隔水层组合形成储水空间，以便地下水汇集不致流失；要有充分的补水来源。,5.1.3 含水层与隔水层,隔水层把正常水力梯度下不透水或透水相对微弱的岩土层称为隔水层。 有时也把弱透水层称为滞水层。 通常由黏土、粉质黏土和页岩、泥灰岩等透水性能差的岩石组成的岩层构成隔水层。隔水层对地下水的运动起着阻碍作用 。,5.1.4 地下水的运动 5.1.4.1 渗流的基本概念 渗流地下水在岩土体空隙中的运动, 过水断面、渗流速度与实际流速 过水断面垂直渗流方向的含水层截面，它包括岩土层的空隙和颗
12、粒骨架在内的全部截面积。 实际过水断面是该断面中地下水流动的孔隙面积。 渗流(渗透)速度地下水流在某过水断面上的平均流速称，用v表示，单位为m/d或cm/s，即 A过水断面面积，m2或cm2； Q渗流量，m3/d或cm3/s。,真实流速是地下水在过水断面中空隙部分实际流动的平均速度，用u表示，单位为m/d或cm/s， A断面中水实际流动的孔隙面积，m2或cm2; ne有效孔隙度，百分数。 有效孔隙度指水实际流动的孔隙体积与土体积之比。对于粗粒土来说，ne近似于孔隙度n；对细粒土，nen，可用给水度表示。 式中ne或都总是小于1，故可知渗流速度小于实际流速。, 水力坡度 渗流中某一点的水力坡度J
13、可定义为通过该点单位渗流途径上的水头损失 1土壤层 2含水层 3隔水层 4水头降落曲线 水头降落曲线和水力坡度, 渗流分类 (1) 均匀流与非均匀流 沿流程渗流速度不变的渗流称为均匀流，否则是非均匀流 (2) 层流与紊流 地下水运动时，水质点有秩序地呈相互平行而互不干拢的运动，称层流；水质点相互干扰而呈无秩序的运动，称紊流,(3) 稳定流与非稳定流 在渗流场中渗流要素(如流速、水位等)不随时间变化的运动，称稳定流；渗流要素随时间而变的运动，称非稳定流,5.1.4.2 地下水运动的基本定律 线性渗透定律Darcy定律,Q渗流量，cm3/s； A过水断面面积，cm2； H水头损失，cm； L渗流距
14、离，cm； k渗透系数，m/d或cm/s； J水力坡度。, 非线性渗透定律Chezy定律 当地下水在宽大的空隙中以相当快的速度运动时，呈现紊流运动，即渗透速度与水力坡度的1/2次方成正比,a- 潜水完整井 b、c、d- 潜水非完整井 e- 承压完整井 f、g- 承压非完整井,5.2.1 岩土的空隙,5.2 岩石中的地下水,(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, 孔隙松散介质中颗粒或颗粒集合体之间呈小孔状分布的空隙 孔隙度衡量岩土内空隙发育程度的指标称孔隙度 n孔隙度 VV孔隙体积 V 岩石总体积,
