5.3地下水的性质

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1、5.3 地下水的性质 5.3.1 5.3.1 地下水的物理性质地下水的物理性质温度、颜色、透明度、气味、温度、颜色、透明度、气味、味道、比重、导电性和放射性味道、比重、导电性和放射性公式中：H- 地下水的埋藏深度； g - 地热增温率（m / ）； TH- 地下水水温； tB- 年平均气温 h - 年常温带深度变温带常温带增温带地下水温度随气温的变化而变化的深度地下水温度随气温的变化幅度趋于0的深度地下水温度随深度的增加而增加的地带 昼夜变化（05m） 季节变化（550m）与地温相同H = g (TH - tB) + h一、温度：一、温度： 地下水的温度变化主要受气温和地温的影响。埋藏深度不同

2、的地下水，具有不同的温度变化规律。深层地下水的温度变化很小。类别过冷水冷水温水热水过热水温度（ ）0 020204242100100 地下水按温度分类地下水按温度分类二、颜色二、颜色v测定地下水颜色的方法：取两支无色透明玻璃试管，一支装蒸馏水，一支装被测地下水，在管下衬以白纸，自上而下观测其颜色。常见各种颜色的地下水一般地下水与化学纯水无色地下水含硫化氢气体的水翠绿色地下水含低价铁的水浅绿灰色地下水含高价铁的水黄褐色或铁锈色含锰的化合物的水暗红色地下水含硫细菌的水红色地下水含腐殖质的水 暗黄褐色地下水含粘土的水淡黄色地下水地下水的颜色取决于它的化学成分和悬浮于其中的杂质。三、透明度三、透明度

3、地下水的透明度取决于水中固体与胶体悬浮物的含量。常见的地下地下水的透明度取决于水中固体与胶体悬浮物的含量。常见的地下水一般是透明的。水一般是透明的。 地下水按透明度分为四级：地下水按透明度分为四级：透明的、微浊的、浑浊的和极浊的。透明的、微浊的、浑浊的和极浊的。 透明度的测定方法：透明度的测定方法： 通过盛水样的试管，通过盛水样的试管，以看清以看清 3mm粗线的水深来确定粗线的水深来确定。 地下水一般是无气味的，但当其中含有某些离子或某种气体时，则出现特殊的气味。例如：水中含有H2S气体时，具有臭鸡蛋气味；水中亚铁盐含量很高时具有铁腥气味；含有腐殖质时具有腐草（沼泽）气味。水的气味在低温时很难

4、判断，加热到加热到40 时气味最明时气味最明显。显。四、气味四、气味五、五、味道味道水的水的味道味道墨水味墨水味 味美适口味美适口 锈味锈味 甜味甜味 咸味咸味 涩味涩味 苦味苦味 清凉爽口清凉爽口水中含有氧化亚铁水中含有氧化亚铁水中含有氧化铁水中含有氧化铁水中含有大量有机质水中含有大量有机质水中含有水中含有 NaCl水中含有水中含有 Na2SO4水中含有水中含有 MgCl2或或 MgSO4水中含有水中含有CaCO3水中含有重碳酸钙、镁水中含有重碳酸钙、镁 用嘴尝。地下水的味道取决于它的化学成分。用嘴尝。地下水的味道取决于它的化学成分。 地下水的比重取决于其中所溶解盐分的含量。地下淡水的比重通

5、常认为与化学纯水的比重相同，其数值为1。水中溶解的盐分越多，比重越大，有的可达1.2-1.3。六、比重六、比重七、导电性七、导电性 地下水的导电性取决于其中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。此外水温对导电性也有影响。 八、放射性八、放射性 地下水在不同程度上都含有放射性，含量多少取决于水中所含放射性元素的数量。在地下水中目前已发现60多种不同元素。储存和运动于放射性矿床及酸性火成岩分布区的地下水，其放射性相应增强。 地下水不是纯水，是化学成分十分复杂的天然溶液。组成地壳的87种稳定元素中，在地下水中已发现70余种。 （1）主要的气体

6、成分：O2、N2、CO2和H2S （2）主要的离子成分有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-5.3.2 地下水的化学成分地下水的化学成分 一般情况下，随着地下水含盐量的变化，其中占主要地位的离子成分也随之发生变化。含盐量低的水常以HCO3-、Ca2或HCO3-、Mg2为主；中等含盐量的常以SO42-、Na 或SO42-、Ca2为主；含盐量高的水则以Cl-、Na为主。 酸碱度酸碱度(pH值值)地下水的酸碱度指的是氢离子浓度，常以pH值表示。矿化度矿化度(M)(M) 地下水中各种离子、分子与化合物的总量称矿化度，以g/l或mg/l表示。习惯上用105-110C时将水灼干

7、所得的残余物总量表示。饮用水总矿化度不应超过1.0g/l；灌溉用水总矿化度不应超过1.7g/l。 硬度：硬度：水中钙、镁离子的总量称水的硬度。 硬度可分为总硬度、暂时硬度和永久硬度。总硬度等于暂时硬度加永久硬度。 暂时硬度指水加热沸腾后所损失的Ca2+、Mg2+含量，此时仍保持在水中的Ca2+、Mg2+含量称永久硬度。硬度表示方法： （1）mmol/l（毫克当量） （2）德国度 ，1mmol/l=2.8德国度，1德国度相当于7.1mg/lCa2+或4.3mg/l Mg2+ 。生活饮用水水质标准规定水的硬度以CaCO3的mg/l表示。1 1、 基本概念基本概念 渗流渗流地下水在岩土体空隙中的运动

8、。地下水在岩土体空隙中的运动。5.3.3 5.3.3 地下水的运动地下水的运动 过水断面过水断面垂直渗流方向的含水层截面，它包括岩土垂直渗流方向的含水层截面，它包括岩土层的空隙和颗粒骨架在内的全部截面积。层的空隙和颗粒骨架在内的全部截面积。 实际过水断面实际过水断面是该断面中地下水流动的孔隙面积。是该断面中地下水流动的孔隙面积。A A过水断面面积，过水断面面积，m m2 2或或cmcm2 2Q Q渗流量，渗流量，m m3 3/d/d或或cmcm3 3/s/s。渗流渗流( (渗透渗透) )速度速度地下水流在某过水断面上的平地下水流在某过水断面上的平均流速，用均流速，用v v表示，单位为表示，单位

9、为m/dm/d或或cm/scm/s，即，即A1断面中水实际流动的孔隙面积，断面中水实际流动的孔隙面积，m2或或cm2；n孔隙度，百分数。孔隙度，百分数。 式中式中 n 总是小于总是小于1，故渗流速度小于，故渗流速度小于实际流速。实际流速。真实流速真实流速是地下水在过水断面中空隙部分实际流是地下水在过水断面中空隙部分实际流动的平均速度，用动的平均速度，用u u表示，单位为表示，单位为m/dm/d或或cm/scm/s，11土壤层土壤层 22含水层含水层 33隔水层隔水层 44水头降落曲线水头降落曲线 水头降落曲线和水力坡度水头降落曲线和水力坡度 水力坡度水力坡度: :沿渗流途径的水头损失与相应渗透

10、途径长度的比值。 2 2、渗流分类、渗流分类 (1) (1) 均匀流与非均匀流均匀流与非均匀流 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)(2)稳定流与非稳定流稳定流与非稳定流 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。(3)(3)层流与紊流层流与紊流 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。自然条件下，地下水流速较小，绝大多数属于层流运动，但在岩石的洞穴及大裂隙中多属紊流运动。3 3、地下水运动的基本定律、地下水运动的基本定律 线性渗透定律线性渗透定

11、律( (层流运动层流运动) )DarcyDarcy定律定律Q渗流量，渗流量，cm3/s；A过水断面面积，过水断面面积，m2；H水头损失，水头损失，cm；L渗流距离，渗流距离，cm；k渗透系数，渗透系数，m/d或或cm/s；I水力坡度。水力坡度。 非线性渗透定律（非线性渗透定律（紊流运动紊流运动）ChezyChezy定律定律 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。 5.4 地下水对建筑工程的影响1.潜水位上升引起的工程地质问题潜水位上升引起的工程地质问题(1)潜水位上升后，由于毛细水作用可导致土壤次生沼泽化、盐渍化，改变岩土体物理力学性

12、质，增强岩土和地下水对建筑材料的腐蚀。在寒冷地区，可助长岩土体的冻胀破坏；(2)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；(3)崩解性岩土、湿陷性黄土、盐渍岩土等遇水后，可能产生崩解、湿陷、软化，其岩土结构破坏、强度降低、压缩性增大。而膨胀性岩土遇水后则产生膨胀破坏；(4)潜水位上升，可使洞室淹没，还可使建筑物基础上浮，危及安全。2. 地下水位下降引起的工程地质问题地下水位下降引起的工程地质问题(1)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

13、而土颗粒较粗的地段，产生塌陷。(2)地面沉降 地下水位的下降减小了土中的孔隙水压力，从而增加了土颗粒间的有效应力，有效应力的增加引起土的压缩，从而引发地面沉降。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，就是这个原因。(3)海(咸)水入侵近海地区的潜水或承压含水层往往与海水相连，在天然状态下，陆地的地下淡水向海洋排泄，含水层保持较高的水头，淡水与海水保持某种动态平衡，因而陆地淡水含水层能阻止海水入侵。如果大量开发陆地地下淡水，引起大面积地下水位下降，可能导致海水向地下水含水层入侵，使淡水水质变坏。(4)地裂缝的产生与复活近年来，在我国很多地区发现地裂缝，西安是地裂缝发育最严重

14、的城市。据分析这是地下水位大面积大幅度下降而诱发的。(5)地下水源枯竭、水质恶化盲目开采地下水，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. 地下水的渗透破坏地下水的渗透破坏(1)潜蚀 渗透水流在一定水力坡度(即地下水水力坡度大于岩土产生潜蚀破坏的临界水力坡度)条件下产生较大的动水压力，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，以致产生地表裂隙、塌陷，影响工程的稳定。(2)流砂 流砂是指松散细小颗粒土被地下水饱和后，在动水压力的作用下，产生的悬浮流动现象。流砂多发生

15、在颗粒级配均匀的粉细砂中，有时在粉土中也会产生流砂。(3)管涌 地基土在具有某种渗透速度的渗透水流作用下，其细小颗粒被冲走，岩土的孔隙逐渐增大，慢慢形成一种能穿越地基的细管状渗流通路，从而掏空地基或坝体，使地基或斜坡变形、失稳，此现象称为管涌 。4. 地下水的浮托作用地下水的浮托作用 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。如果基础位于粉土、砂土、碎石土和节理裂隙发育的岩石地基上，则按地下水位100计算浮托力；如果基础位于节理裂隙不发育的岩石地基上，则按地下水位50计算浮托力；如果基础位于粘性土地基上，其浮托力较难确切地确定，应结合地区的实际经验考虑。5

16、. 承压水对基坑的作用承压水对基坑的作用 当深基坑下部有承压含水层存在，开挖基坑会减小含水层上覆隔水层的厚度，在隔水层厚度减小到一定程度时，承压水的水头压力能顶裂或冲毁基坑底板，造成突涌现象。基坑突涌将会破坏地基强度，并给施工带来很大困难。1含水层 2隔水层 3承压水基坑突涌基坑突涌K安全系数，一般取1.5-2.0，主要视基坑底部粘性土层的裂隙发育程度及坑底面积大小而定。 基坑排水方法(1) 明沟排水(2) 轻型井点排水(3) 深井排水(4) 真空排水(5) 电渗排水等1土壤层 2含水层 3地下水位 A基坑底面 B排水沟 明沟排水明沟排水基坑排水的水文地质监测工作 (1) 水位观测水位观测 (

17、2) 地面沉降观测地面沉降观测 1土壤层 2含水层 3地下水位 A轻型井点 B弯管 C集水管 轻轻型型井井点点排排水水6. 地下水对钢筋混凝土的腐蚀地下水对钢筋混凝土的腐蚀 硅酸盐水泥遇水硬化，并且形成Ca(OH)2、水化硅酸钙CaOSiO212H2O、水化铝酸钙CaOAl2O36H2O等，这些物质往往会受到地下水的腐蚀。结晶类腐蚀如果地下水中SO42-离子的含量超过规定值，那么离子将与混凝土中的Ca(OH)2 起反应，生成二水石膏结晶体CaSO42H2O，这种石膏再与水化铝酸钙CaOAl2O36H2O发生化学反应，生成水化硫铝酸钙(3CaOAl2O33CaSO431H2O)，习惯上称为水泥杆

18、菌。由于水泥杆菌结合了许多的结晶水，因而其体积比化合前增大很多，约为原体积的221.86，于是在混凝土中产生很大的内应力，使混凝土的结构遭受破坏。分解类腐蚀 地下水中含有CO2，CO2与混凝土中的Ca(OH)2作用，生成碳酸钙沉淀。由于CaCO3不溶于水，它可填充混凝土的孔隙，在混凝土周围形成一层保护膜，能防止Ca(OH)2的分解。但是，当地下水中CO2的含量超过一定数值，而离子的含量过 低 ， 则 超 量 的 CO2再 与 CaCO3反 应 ， 生 成 重 碳 酸 钙Ca(HCO3)2并溶于水。 地下水的酸度过大，即pH值小于某一数值，那么混凝土中的Ca(OH)2也要分解，特别是当反应生成物

19、为易溶于水的氯化物时，对混凝土的分解腐蚀很强烈。结晶分解复合类腐蚀 当地下水中NH4，NO3，Cl和Mg2+离子的含量超过一定数量时，与混凝土中的Ca(OH)2发生反应，Ca(OH)2与镁盐作用的生成物中，除Mg(OH)2不易溶解外，CaCl2则易溶于水，并随之流失；硬石膏CaSO4一方面与混凝土中的水化铝酸钙反应生成水泥杆菌；另一方面，硬石膏遇水生成二水石膏。二水石膏在结晶时，体积膨胀，破坏混凝土的结构。 地下水对混凝土建筑物的腐蚀是一项复杂的物理化学过程，在一定的工程地质与水文地质条件下，对建筑材料的耐久性影响很大。7. 水库渗漏水库渗漏 当地下水位低于水库水位且有渗漏通道时，可能产生渗漏问题。