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1、1/63,第四章 地下水,4.1 概述 4.2 地下水的类型 4.3 地下水的性质 4.4 地下水的运动规律 4.5 地下水与工程建设的关系,主要内容,地下水是赋存并运移于地表以下的岩石和土壤空隙中的水。地下水的分布极其广泛，它和人类的生产和生活密切相关。 地下水是地质环境的重要组成部分，对环境及建筑物地基的稳定性均产生影响。基坑工程、地下工程施工时，若大量涌入地下水可造成施工困难；地下水可使地基软化降低其承载力；地下水常常是滑坡、地面沉降和地面塌陷等灾害的主要原因。因此，为确保土木工程建设的稳定与安全，查明地下水的形成、埋藏、分布、运动等规律十分必要。,4.1.1 关于地下水,4.1 概述,
2、自然界的水包 括大气水、地表水和地下水，它们彼此密切联系，不断相互转化。这种彼此转化的过程就是自然界的水循环。,4.1.2 地下水的形成,4.1 概述,自然界水循环,4.1 概述,自然界中的地下水在赋存和运移的过程中既形成了一定的埋藏特征，又具备了特有的物理性质与化学成分。同时水循环赋予水强大的功能，不断地塑造和改变地球表面，给人类的生存发展带来影响，许多地质灾害以及工程地质问题都与地下水有关。,本章主要内容,本章主要介绍地下水的类型、特征与性质，地下水的运动规律和地下水与工程建设的关系等。,地下水存在于岩土的空隙之中，岩土的空隙根据成因不同，可分为孔隙、裂隙和溶隙三大类 。 岩土的空隙既是地
3、下水的储存场所，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。,4.2.1 地下水的赋存,4.2 地下水的类型,岩土中的空隙,地下水的分类方法很多，综合分类主要考虑埋藏条件和含水介质(空隙)类型。 1、按埋藏条件分为：上层滞水、潜水和承压水； 2、按含水介质类型分为：孔隙水、裂隙水和岩溶水。,4.2.2 地下水的分类,4.2 地下水的类型,4.2.2.1 上层滞水、潜水和承压水,4.2 地下水的类型,上层滞水是包气带中局部隔水层之上具有自由水面的重力水，它是大气降水或地表水下渗时，受包气带中局部隔水层的阻隔聚集而成的。,上层滞水,4.2 地下水的类型,特征,
4、具有自由水面；接近地表，接受大气降水，补给区与分布区一致；水量受季节影响，分布面积小，水量有限，不稳定，只能作小型和暂时性供水水源，易污染。,潜水是埋藏于地表以下第一个稳定隔水层之上的具有自由水面的重力水，分布最广，主要分布于第四纪松散沉积物中及基岩的裂隙之中。,潜水,4.2 地下水的类型,1、特征,1）具有自由水面的无压水：在重力作用下，从水位高处向低处流动。 2）补给与分布：补给为大气降水、地表水与分布区一致。 3）水量多受气候影响，有明显的季节变化特征，易污染。 4）规模大的潜水含水层是很好的供水水源。 5）工程建设中埋深较浅的潜水可能造成施工困难。,潜水面：潜水的自由水面，常用潜水等水
5、位线图表示。 潜水位（H）：潜水面上任一点的高程。 潜水的埋芷深度（h）：地表至潜水面的距离。 潜水含水层的厚度（H0）：潜水面至隔水层顶板的距离。,2、潜水的相关概念,4.2 地下水的类型,潜水等水位线图是潜水面标高相等各点的连线图，也称为潜水面等高线图。潜水等水位线图一般在地形图上绘制。,3、潜水等水位线图,4.2 地下水的类型,确定潜水流向。垂直等水位线从高水位指向低水位的方向，即为潜水的流向。常用箭头表示，。 确定潜水水力坡度（降）。某地点的地面标高与该点的潜水位标高之差，即为该点的潜水埋藏深度。 确定潜水与地表水的关系。在潜水流向上任取两点得水位差，与水的渗流路径之比，即为潜水的水力
6、坡降。 确定潜水与地表水的相互关系。 （如下图）,4、潜水等水位线图的用途,4.2 地下水的类型,承压水是充满于两个稳定隔水层(或弱透水层)之间的地下水，是一种有压重力水。（如下图）,承压水,4.2 地下水的类型,1）承压水具有承压性能，其最重要的特征是没有自由水面。 2）由于隔水顶板的存在，承压水含水层分布区与补给区不一致，补给区常远小于分布区。 3）承压水动态受气象、水文因素的季节性变化影响不显著，其含水层水量比较稳定。 4）承压水不易受到地面污染。 5）规模大的承压水含水层是很好的供水水源，其卫生条件可靠。 6）在工程建设中承压水能引起基坑突涌，破坏基坑的稳定性。,1、特征,4.2 地下
7、水的类型,埋藏类型分为两类：一类是盆地或向斜蓄水构造，称为承压(或自流)盆地；另一类是单斜蓄水构造，称为承压(或自流)斜地。,2、承压水的埋藏类型,4.2 地下水的类型,断裂构造及岩相变化形成的承压斜地,向斜盆地中的承压水,承压含水层厚度（M）：即顶底板间的距离。 承压水位（H2）：承压水在静水压力作用下，沿钻孔上升到一定高度不再上升，此高程即承压水位。 承压水头（H）：承压水位高出隔水顶板底面的距离。 承压水面：各点承压水位连成的面。承压水面的平面上用承压水等压线图表示。 地下水位埋深（h）：地面标高与承压水位的差值即地下水位埋深。,3、承压水的相关概念,4.2 地下水的类型,承压水面上高程
8、相同点的连线，称为承压水等水压线图 。在某一承压含水层内，将一定数量的钻孔、井、泉(上升泉)的初见水位(或含水层顶板的高程)和稳定水位(即承压水位)等资料，绘在一定比例尺的地形图上，用内插法将承压水位等高的点相连，即得等水压线图。,4、承压等水压线图,1）确定承压水的流向。承压水的流向垂直等水压线，常用箭头表示，箭头指向较低的等水压线。 2）确定承压水位距地表的深度。可由地面高程减去承压水位得到。 3）确定承压含水层的埋藏深度。即用地面高程与含水层顶板高程之差。 4）确定承压水头的大小。即承压水位与含水层顶板高程之差。 5）计算承压水某地段的水力坡降。,5、承压等水压线图的用途,4.2 地下水
9、的类型,4.2 地下水的类型,4.2.2.2 孔隙水、裂隙水、岩溶水,孔隙水：存在于松散岩土的孔隙中,裂隙水：埋藏在坚硬岩石的裂隙中,岩溶水：埋藏于可溶岩石的溶隙中,地下水的水质包括地下水的物理性质和化学成分，它们明显地受周围自然地理环境、地质条件和水文地质条件所控制。因此，在空间上和时间上皆表现出较大差异，即地下水物理性质及化学成分随空间和时间的变化而变化。,4.3 地下水的性质,通常，纯净的地下水无色、无味、透明。 地下水的物理性质是指地下水的温度、颜色、透明度、气味、味道等。,4.3 地下水的性质,4.3.1 地下水的物理性质,地下水沿着岩石土的（空）孔隙流动，使岩土中可溶成分以离子或化
10、合物状态进入地下水，形成地下水的主要化学成分并具有化学性质。,4.3 地下水的性质,4.3.2 地下水的化学性质,通常认为地下水不是纯水，是化学成分十分复杂的天然溶液，含含有气体、离子、胶体物质、有机质等。,4.3.2.1 化学成分,4.3 地下水的性质,4.3.2.2 化学性质,地下水的化学成分及其组合关系，决定了地下水具有一定的化学性质，其中主要是酸碱度、硬度、矿化度等。,4.3 地下水的性质,关于酸碱度、硬度、矿化度,酸碱度：即地下水中氢离子(H+)的浓度，以pH值表示。,硬度：即地下水中Ca2+、Mg2+的含量。分为总硬度、暂时硬度和永久硬度。,矿化度：地下水中所含离子、分子、化合物的
11、总量(气体成分除外) 。,地下水在岩土的空隙中的运动称为渗流。而岩土被水流过的现象称为渗透。,4.4 地下水的运动规律,4.4.1 地下水的运动特点,（1）水流通道曲折复杂； （2）流速缓慢； （3）流态各异（包括层流与紊流）。,天然条件下，地下水在岩土空隙中运动速度很小，故流动状态大多为层流。,4.4 地下水的运动,4.4.2 地下水的运动规律,1、渗透试验与达西定律,渗透试验,1856年法国水利工程师达西（HDarcy）对砂土进行大量的渗流试验，得到层流条件下线性渗透定律达西定律。,4.4 地下水的运动规律,表达式：,Q=KAh/L 或 V=Ki,达西定律,1912年哲才（Acherzy）
12、提出了地下水呈紊流状态时的运动规律（非线性渗透定律） 即哲才公式。,4.4 地下水的运动规律,表达式：,V=Ki,2、哲才公式,表示岩土含水层透水性能的比例系数，在数量上相当于水力坡降i=1时的渗透速度。,3、渗透系数（K）,4.4 地下水的运动,测定方法,(1) 常水头渗透试验 (2) 变水头渗透试验 (3) 现场试验：包括抽水试验与注水试验。,4.4 地下水的运动,常水头渗透试验,4.4 地下水的运动,变水头渗透试验,4.4 地下水的运动,抽水试验,地下水是地质环境的重要组成部分，同时，也是其中最活跃的因素。地下水的活动会对地质环境产生影响甚至诱发地质灾害，威胁建筑物的稳定与安全，导致建筑
13、物破坏。因此，从工程建设的角度研究地下水及地下水引起的环境问题具有重要意义。,4.5 地下水与工程建设的关系,大量排水降低水位：大量抽水（生产、生活用水）地区，地面沉降（地基固结沉降），如西安、上海等地。 深基坑施工人工降低地下水位：如降水不当，周围土体沉降造成邻近建筑物或地下管线的不均匀沉降。,1、地基沉降,4.5 地下水与工程建设的关系,流砂：地下水自下而上渗流时，土体随水产生流动现象，细砂、粉砂、粉土中土粒随地下水一起运动。 潜蚀（管涌） ：土中细粒被冲走，土体中形成孔隙，如黄土或岩溶区等。,2、流砂与潜蚀,4.5 地下水与工程建设的关系,流砂破坏,潜蚀破坏,当基坑下伏的承压水层时，开挖
14、基坑减小了隔水层顶板的厚度，当隔水层较薄经受不住承压水头压力作用时，承压水的水头压力会冲破基坑底板的现象叫基坑突涌。,3、基坑突涌（承压水）,4.5 地下水与工程建设的关系,地下水的浮力可将施工期间的基础抬升，影响基础施工甚至导致基础破坏。,4、地下水的浮托作用,4.5 地下水与工程建设的关系,地下水中的化学成分与建筑物混凝土结构发生化学反应，使混凝土中某些物质被溶蚀，强度降低，结构破坏等。,5、地下水的侵蚀性,4.5 地下水与工程建设的关系,侵蚀类型,（1）溶出侵蚀 （2）碳酸侵蚀 （3）硫酸盐侵蚀 （4）酸性侵蚀 （5）镁盐侵蚀,本章小结,地下水是赋存并运移于地表下岩土空隙中的水体，也是构
15、成地质环境的重要因素，与人类的生产与生活息息相关。按照埋藏条件地下水可以分为：上层滞水、潜水和承压水。在循环和贮存过程中，地下水不断与周围岩土体发生复杂的物理与化学作用，并据此形成自己的物理性质与化学性质。地下水在含水层中的运动速度缓慢，自然条件下多数岩土空隙中的地下水运动规律符合达西定律。工程实践表明地下水与土木工程建设的关系非常密切，对土木工程建筑产生较大影响。主要包括：地基沉降、渗流变形、基坑突涌等。,41/104,复习思考题,4-1 地下水按埋藏条件可以分为几类？它们有哪些不同? 4-2 地下水的物理性质包括哪些内容？地下水的化学成分有哪些? 4-3 达西定律适用的范围是什么？其渗流速度是真实流速吗？为什么？ 4-4 地基沉降的产生原因与危害有哪些？ 4-5 试述地基渗透破坏的类型及危害。 4-6 产生基坑突涌的原因是什么？如何防治？ 4-7 地下水对混凝土的侵蚀分为几种？,
