工程地质赖天文第四章地下水

主讲人：余云燕教授兰州交通大学岩土与地下工程系205:47第4章地下水4.1地下水的基本知识4.1.1暂时流水的地质作用地下水及其赋存介质4.1.2水再岩土中的存在形式4.1.3地下水运动的基本规律4.2地下水的物理性质及化学成分4.2.1地下水的物理性质4.2.2地下水的化学成分及分类4.3地下水的类型4.4地下水对土木工程的影响305:47概述•水的循环——大气水、地表水和地下水之间不间断的运动和相互转化的过程。405:47水循环按其循环范围分为：大循环——指整个地球范围内，在海洋和陆地之间的循环。小循环——指地球局部范围内的循环。505:474.1地下水的基本知识地下水是指埋藏和运移在地表以下岩土空隙中的水。1.松散沉积物中的孔隙2.坚硬岩石中的裂隙3.可溶性岩石中的溶隙连通性好分布不均匀连通性差岩土的空隙：•4.1.2地下水及其赋存介质605:47岩土中的各种空隙(据迈因策尔修改补充)1—分选良好，排列疏松的砂；2—分选良好，排列紧密的砂；3—分选不良，含泥、砂的砾石；4—经过部分胶结的砂岩；5—具有结构性孔隙的粘土；6—经过压缩的粘土；7—具有裂隙的岩石；8—具有溶隙及溶穴的可溶岩705:47•4.1.2水在岩土中的存在状态毛细水结合水气态水固态水强结合水弱结合水重力水805:47905:47地表以下一定深度内存在着地下水面。地下水面以上，称为包气带（zoneofaeration）；地下水面以下，称为饱水带（zoneofsaturation）图4.2包气带和饱水带1005:47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。1105:47地下水在孔隙中的运动属于层流，遵循达西渗透定律:渗流水量Q=KAI渗透速度v=KI4.1.2地下水运动的基本规律地下水运动层流产生连续水流紊流具有涡流性质，各流线相互交错混合流是层流和紊流同时出现的流动形式自然条件下，地下水流动时阻力较大，流速较小，绝大多数属于层流运动，但在岩土的洞穴及大裂隙中地下水的运动多属于非层流运动1205:47•4.2.1地下水的物理性质温度颜色透明度嗅味口味相对密度导电性放射性4.2地下水的物理性质和化学成分1305:47(1)温度地下水的温度与其埋藏深度、地下补给条件及地质条件有关。分为七类：过冷水（＜0℃＝）、极冷水（0～4℃）、冷水（4～20℃）、温水（20～37℃）、热水（37～42℃）、极热水（42～100℃）、过热水（＞100℃）。(2)颜色地下水的颜色决定于水中的化学成分及悬浮物，而纯水是无色的。地下水的物理性质1405:47(3)透明度纯水是透明的，然而天然水中因含有泥砂、腐殖质及浮游藻类等能使水体产生浑浊。如浑浊来自生活污水或工业废水的排泄，则往往是有害的。由于固体与胶体悬浮物的含量不同，其透明度就不同。根据透明程度可将地下水分为四级：①透明的；②微浊的；③混浊的；④极浊的。地下水的物理性质1505:47(4)嗅味纯水无嗅味，含一般矿物质时也无味。水中的气味取决于它所含的某些气体或有机物质。如：H2S气体使水具有臭鸡蛋味，腐殖质使水有霉味，Fe2+使水具有有铁腥味。水的气味与水温有很大关系，往往在煮沸时气味更为显著。我国饮用水标准规定需在20℃及60℃时无异臭和异味。(5)口味纯水淡而无味，地下水的味道取决于水中溶解的盐类和有机质。地下水的物理性质1605:47(6)比重（相对密度）地下水的比重决定于其中所溶解的盐类的含量，溶解的越多，地下水的比重就越大。纯水比重为1.0，最大时可达成1.2～1.3。(7)导电性地下水的导电性取决于其中所含电解质的数量与性质。离子含量越多，离子价越高，则水的导电性越强。(8)放射性地下水的放射性取决于其中放射性物质的含量，一般来说，地下水在一定程度上都具有放射性。地下水的物理性质1705:474.2.2.1地下水的化学成分其化学成分以离子、分子和气体三种状态出现：以离子状态出现的有：H+、Na+、K+、NH4+、Mg2+、Ca2+、Fe2+、Fe3+、Mn2+等阳离子和OH－、Cl－、HCO3－、NO2－、SO42－、CO32－、SiO32－、PO43－等阴离子。以分子状态出现的有：Fe2O3、Al2O3、H2SiO3等，多以沉淀物或胶体形式存在。以气体状态出现的有：N2、O2、CO2、CH4、H2S及放射性气体等。•4.2.2地下水的化学成分及分类1805:47N2、O2、CO2、CH4、H2S及放射性气体等离子阳离子:H+、Na+、K+、NH4+、Mg2+、Ca2+、Fe2+、Fe3+、Mn2+等阴离子:OH-、Cl-、HCO3-、NO2-、SO42-、CO32-、SiO32-、PO43-等Fe2O3、Al2O3、H2SiO3等气体分子•4.2.2地下水的化学成分及分类4.2.2.1地下水的化学成分1905:47总矿化度——指地下水中所含的各种离子、分子及化合物的总量。它是用水在105～110℃温度下烘干后称得的干涸残渣和重量来表示的。（g/L）地下水按化学成分分类按总矿化度分类地下水类型淡水弱半咸水强半咸水咸水盐水总矿化度（g/L）＜11～33～1010～50＞502005:47地下水的硬度——指水中所含钙、镁离子的总含量。总硬度——水中所含钙、镁离子总量。暂时硬度——可由煮沸去掉的钙、镁离子含量。永久硬度——煮沸后能保留下来的钙、镁离子的含量。按硬度分类总硬度=暂时硬度＋永久硬度2105:47我国常用的表示硬度的方法有两种：I．德国方法：硬度1°相当于每升溶液中含0.357毫克当量的钙、镁离子；II．原苏联方法：用每升水溶液中所含钙、镁离子的毫摩尔数。2205:47地下水类型强酸性水弱酸性水中性水弱碱性水强碱性水pH值＜55～777～9＞9按pH值分类PH值为水中H+浓度的负对数值。PH=－lg[H+]地下水一般多为弱碱性水。2305:474.3地下水的类型4.3.1地下水按埋藏条件分类及其特征4.3.2地下水按含水层性质分类及其特征2405:47地下水的综合分类类型2505:474.3.1地下水按埋藏条件分类及其特征潜水包气带水承压水2605:47是指存在于地面以下包气带中的水（土壤水和上层滞水）包气带水2705:47土壤水概念:包气带表层土壤中的气态水、结合水、毛细水和下渗的重力水统称为土壤水。主要特征:受气候控制，季节性明显，变化大，雨季水量多，旱季水量少，甚至干涸。应用:土壤水不能直接被人们取出应用，但对农作物和植物有重要作用。2805:47上层滞水概念:包气带中聚集在局部隔水层之上的重力水。特征：接近地表，接受大气降水补给，以蒸发形式或向隔水底板边缘排泄。动态变化很不稳定。工程意义：常始料不及涌入基坑。供水意义不大。在寒冷地区易引起道路冻胀和翻浆。2905:47潜水指埋藏于地表以下，第一个稳定隔水层之上具有自由水面的饱水带中的重力水。3005:471.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，常以蒸发形式排泄给大气；3.潜水的动态受气候影响较大，具有明显的季节性变化特征；4.潜水易受地面污染影响。潜水3105:47潜水面的特征⑴潜水面一般呈倾斜的各种形态的曲面。⑵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。⑶当含水层厚度变大时，潜水面坡度变缓；⑷当岩层透水性变好，潜水面坡度变缓。3205:47⑴潜水面一般呈倾斜的各种形态的曲面。3305:47⑵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。地表地形的影响3405:47⑶当含水层厚度变大时，潜水面坡度变缓；含水层厚度的影响3505:47⑷当岩层透水性变好，潜水面坡度变缓。岩层透水性的影响潜水等水位线图潜水等水位线图是根据所在地区各水文地质点（井、钻孔、试坑和泉等），在大致相同的时间内所测得的潜水面的水位标高编制而成的。3705:47ABHHIBAAB潜水等水位线图的用途⑵反映潜水与地表水的相互关系；⑶确定潜水的埋藏深度；⑷如有隔水层顶板标高，可以确定含水层的厚度⑴可以确定潜水的流向及潜水面的水力坡度；3905:47潜水的补给含水层中地下水从外部（如大气降水、地表水等）获得大量补充的过程称为地下水的补给。4005:47潜水的补给⑴大气降水;⑵地表水的补给；⑶含水层之间的补给；I.越流补给；II.直接补给⑷凝结水；⑸人工补给4105:47潜水的补给——大气降水4205:47河流补给潜水潜水的补给——地表水的补给4305:47潜水的排泄⑴蒸发;⑵泉的排泄；⑶向地表水排泄；⑷人为排泄。4405:47潜水的排泄——泉4505:47潜水补给河流潜水的排泄——向地表水排泄4605:47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。4705:47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(a)(b)(c)4805:47承压水的形成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4905:47此类承压水的水位受到气候及地形的控制，往往具有较好的径流条件。承压盆地5005:475105:47承压斜地岩性变化形成承压斜地断裂构造形成承压斜地5205:47承压含水层在同一区域内均可在不同深度有着若干层同时存在的情况，它们之间的水头高度与地形和构造二者有关。5305:47承压水的补给⑴大气降水；⑵地表水；⑶潜水。5405:47承压水的补给——大气降水5505:47当补给区位于河床地带时，地表水才可以成为补给来源。承压水的补给——地表水5605:47当承压含水层补给区位于潜水之下，潜水可以泄入承压含水层中构成其补给源。承压水的补给——潜水5705:47承压水的排泄⑴向潜水排泄;⑵泉的排泄；⑶向地表水排泄。5805:47当排泄区上有潜水存在时，则可以排泄入潜水中。承压水的排泄——潜水5905:47当侵蚀面下切达到承压含水层时，就以泉水形式排泄。承压水的排泄——泉6005:47导水断层切断含水层时，沿断层带，承压水也可以泉的形式排泄。承压水的排泄——泉6105:47河谷下切至含水层，则承压水向地表水排泄。承压水的排泄——地表水6205:47承压水的径流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。6305:47承压含水层的涌水量，主要与含水层的分布范围、厚度、透水性、补给区的大小、水的补给来源等因素有关。承压水的涌水量6405:47如图中A点：地形标高103m，承压水位91m，含水层顶板标高83m。则承压水位埋深为：103－91＝2m承压水头为:91－83＝8m含水层埋深为：103－83＝20m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）承压水(pressurewater)6505:47武汉市（汉口）水文地质剖面长江一级阶地土层厚30～50m典型二元结构K随深度呈对数增大上部黏性土中潜水下部砂砾石中承压水6605:474.2.2地下水按含水层性质分类及其特征孔隙水裂隙水岩溶水风化裂隙水成岩裂隙水构造裂隙水6705:47冲积物中的孔隙水孔隙水（Porewater）裂隙水（Fracturewater）6805:47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。6905:47岩溶水溶洞7005:471.地面沉降2.地面塌陷3.流砂4.管涌5.浮托作用6.基坑突涌7.对混凝土的侵蚀性4.4地下水对土木工程的影响UpliftpressureHHh7105:47耗时4年，花费2000万元，国土资源部南京地质矿产研究所主持的《长三角地区地下水资源与地质灾害调查评价》显示，由于过量开采地下水形成“地面沉降”，造成长三角地区经济损失近3150亿元。其中:上海，2900亿元；苏锡常，469亿元；浙江嘉兴，85亿元……调查显示：在长三角