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1、土木工程地质,李定龙 李洪东 主编,第四章 地下水,1概述 埋藏和运移在地表以下土层及岩石空隙中的水称为地下水。地下水分布很广，它与人们的生产、生活和工程活动的关系也很密切。它一方面是饮用、灌溉和工业供水的重要水源之一，是宝贵的天然资源。但另一方面，它与土石相互作用，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，如滑坡、岩溶、潜蚀、地基沉陷、道路冻胀和翻浆等，给工程的建设和正常使用造成危害。近年来，随着城市建设的高速发展，高层建筑、地铁、隧道等大量兴建，基础埋置深度普遍较深，基础的影响深度也成倍增长。在土木工程所涉及的范围内，有时可能遇到多层地下水。因此，地下水的
2、赋存和渗流形态等对土木工程的影响日渐突出。,第四章 地下水,地下水的类型,3层间水 存在于地表以下两个稳定的隔水层之间的含水层中重力水称为层间水。,2潜水 位于地表以下第一个稳定的隔水层之上，具有自由水面的重力水称为潜水。其自由水面称为潜水面或潜水水位面；潜水面至地表的距离称为潜水的埋深；潜水面的标高称为潜水水位。,1包气带水 位于潜水面以上未被水饱和的岩土体中的水，称为包气带水。,地下水按埋藏条件分类,第四章 地下水,2温度 在同一地区，地下水的温度与其埋深有关。,1密度 地下水的密度取决于地下水中其他物质成分的含量，当地下水比较纯净时，其密度接近1，而当地下水溶有较多的其他化学物质时，其密
3、度则可达1.21.3。,地下水的物理性质与化学性质 地下水的物理性质,第四章 地下水,3颜色 地下水的颜色主要取决于地下水中的化学成分。,4透明度 常见的地下水是无色透明的，当含有一定量的固体物质或悬浮杂质时，透明度变差。其透明度(或称浑浊度)取决于悬浮颗粒及杂质的种类与含量。,5气味和味道 地下水的气味取决于地下水中所含的挥发性物质(气体)与有机质，口味取决于水中所含的化学物质，例如当地下水中含有H2S时具有臭鸡蛋味、含有有机质时有霉味，含NaCl时有咸味等。,6放射性 因为岩土体中都含有一定量的放射性物质，所以在其中渗流的地下水也含有或大或小的放射性。,地下水的物理性质与化学性质 地下水的
4、化学成分,第四章 地下水,1地下水的矿化度 单位体积的地下水中所含有的金属离子、化合物以及其他微粒的总量称为地下水的总矿化度，其单位为g/L或mg/L。,地下水的物理性质与化学性质 地下水的化学性质,第四章 地下水,2.地下水的酸碱度(pH值) 地下水的酸、碱性取决于其中的氢离子浓度，在22oC时由纯水的导电试验测得氢离子和氢氧根离子浓度各等于10-7g/L，此时水呈中性；当氢离子浓度大于氢氧根离子浓度时，水呈酸性反应，反之则呈碱性反应。因此，除按总矿化度对地下水进行分类以外，另一种常见的地下水分类方法是按地下水中的氢离子浓度对其分类，具体分类使用的是氢离子浓度的负对数值，亦称为pH值。,2.
5、地下水的酸碱度(pH值) 地下水的酸、碱性取决于其中的氢离子浓度，在22oC时由纯水的导电试验测得氢离子和氢氧根离子浓度各等于10-7g/L，此时水呈中性；当氢离子浓度大于氢氧根离子浓度时，水呈酸性反应，反之则呈碱性反应。因此，除按总矿化度对地下水进行分类以外，另一种常见的地下水分类方法是按地下水中的氢离子浓度对其分类，具体分类使用的是氢离子浓度的负对数值，亦称为pH值。,第四章 地下水,水在压力坡降作用下穿过土中连通孔隙发生缓慢流动的现象称为水的渗透，而土体被水透过的性能称为土的渗透性。由于受到介质的阻滞，相对于地表水来说，地下水的流动通常较为缓慢。 达西定律1856年法国学者达西(HDar
6、cy)根据均质砂滤床实验提出，在层流状态下，土中水的渗透速度与水位差成正比，与渗流长度成反比。引入比例系数则有：,1.室内常水头渗透试验室内常水头渗透试验装置的示意图 如图4.2所示。在圆柱形试验筒内装置土样，土的截面积为A(即试验筒截面积)，在整个试验过程中土样上的水压力保持不变。在土样中选择两点a、b，两点的距离为L，分别在两点设置测压管。待渗流稳定后，测得在时段t内流过土样的流量Q，同时读得a、b两点测压管的水头差h。则从公式(4.3)可得,2.室内变水头渗透试验 室内变水头渗透试验装置的示意图如图4.3所示。在试验筒内装置土样，土的截面积为A，高度为L，在图4.3变水头渗透试验装置试验
7、筒上设置储水管，储水管截面积为a，在试验过程中储水管的水头不断减小。假定试验开始时，储水管水头为h1，经过时段t后储水管的水头降为h2。设在时间dt内水头降低了-dh，则在dt时间内通过土样的流量为：dQ=adh，则从公式(4.4)可得,3现场抽水试验 对于粗粒土或成层的土，室内试验时不易取得原状土样，或者土样不能反映天然土层的层次和土粒排列情况。这时，从现场试验得到的渗透系数将比室内试验准确。潜水完整井的现场试验如图4.4所示。如果在时段t从抽水井抽出的水量为Q，同时在距抽水井中心半径为r1及r2处布置观测孔，测得其水头高度分别为h1及h2。假定土中任一半径处的水力坡降为常数，即i=dh/d
8、r，则从公式(4.4)得:,地下水的物理性质与化学性质 地下水运动的基本规律,第四章 地下水,土粒大小和级配 土粒大小、形状和颗粒级配会影响土中孔隙的大小及形状，因而影响土的渗透性。,地下水的物理性质与化学性质 影响土渗透性因素,土的结构构造 单粒结构的土体其渗透系数大于蜂窝结构的土体，而絮状结构土体的渗透系数一般更小。,土中水的温度 水在土中渗流的速度与水的密度及动力粘滞系数有关，而这两个数值又与水的温度有关。,土的孔隙比 单粒结构的土体其渗透系数大于蜂窝结构的土体，而絮状结构土体的渗透系数一般更小。,土中封闭气体的含量 土中总是存在有封闭气体，土中的封闭气体含量会随着细颗粒含量的增加而增加
9、。土中的封闭气泡会减小渗流水的过水面积，从而阻塞水流。因此，当土中封闭气体的含量增加时，其渗透系数随之减小。此外，土中有机质和胶体颗粒的存在都会影响土的渗透系数。,地下水补给 地下水排泄,地下水的物理性质与化学性质 地下水的补给、径流和排泄,地下水的径流 地下水由补给区流向排泄区的过程称为径流。地下水径流包括径流方向、径流速度与径流量。径流的强弱程度直接影响含水层的水量以及地下水的化学成分。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，例如山区的冲积物，岩石颗粒粗，透水性强，含水层的补给与排泄条件好，山区地势险
10、峻，地下水的水力坡度大，因此山区的地下水径流条件好；平原区多堆积一些细颗粒物质，地形平缓，水力坡度小，因此径流条件较差。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.,第四章 地下水,地下水对土木工程建设的影响 地下水对混凝土的侵蚀,第四章 地下水,地下水对土木工程建设的影响 地下水渗流对地下工程施工的影响,流砂 流砂是指在动水压力即渗流力的作用下，表层土局部范围内的土体或颗粒群产生的悬浮、移动现象。 防治流砂可以采取以下措施： 人工降低地下水位。将地下水位降至可能发生流砂的地层以下。 打板桩或设置地下连续墙。其作用是加固坑壁，同时
11、因增加了渗透路径而减小了水力梯度，减小地下水流速。 水下开挖。基坑开挖期间，坑中保持足够的水，就可避免产生造成流砂的水头差，增加砂土的稳定，阻止流砂产生。 选择枯水期施工。因地下水位低、坑内外水位差小、渗流应力小，也可以减轻流砂。 其他办法，如冻结法、化学加固法等。,管涌 当基坑底面以下或周围的土层为疏松的砂土层时，地基土在具有一定渗透速度(或水力梯度)的水流作用下，其细小颗粒被冲走，土中的孔隙逐渐增大，慢慢形成一种能穿越地基的细管状渗流通路，从而掏空地基，使之变形、失稳，此现象即为管涌。管涌多发生在砂性土中，其特征是：颗粒大小差别较大，往往缺少某种粒径；孔隙直径大而且互相连通；颗粒多由重度较
12、小的矿物组成，易随水流移动，有较大和良好的渗流通道。防治管涌可以采取以下措施： 增加基坑围护结构的入土深度，使地下水渗流路径长度增加，降低动力水力梯度，可防止管涌现象的发生。 2) 人工降低地下水位，改变地下水的渗流方向。,突涌 当基坑之下有承压水存在时，开挖基坑将减小承压含水层上覆不透水层的厚度。当其减小到一定程度时，承压水的水头压力能顶裂或冲毁基坑底板，造成突涌。,第四章 地下水,第四章 地下水,地下水对土木工程建设的影响 地下水位变化的不良影响,岩石中裂隙水对地下工程的影响 岩石中的裂隙水对暗挖式地下工程的防水防潮影响很大。随着各地区的气候和地质条件的不同，裂隙水的水量大小和分布情况也不相同。,THANK YOU!,谢谢观赏,
