第五章地下水的作用

一.地下水的概念及其形成二.地下水的物理性质与化学成分三.地下水的主要类型及其主要特征第五章地下水的地质作用学习地下水地质作用的工程意义地下水既是重要的资源，同时也是影响工程活动的重要因素：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等地下工程的施工和运营带来困难，甚至带来灾害。可造成：软化性---动水压力---静水压力---浮托力---腐蚀性及侵蚀性---淹埋性---胀缩性地下水与人类的关系地下水是河流补给来源之一；积极参与水循环；宝贵的自然资源-水源；在某些地区，深层地下水含有较高的矿物质成分，如食盐、芒硝、钾盐、碘等，可以提炼作为化学工业的原料；有些矿泉水具有医疗上的作用；地下热水-发电；地下水影响农作物生长，如地下水水位过高易产生盐渍化，不利于农作物生长；地下水产生不良地质地貌现象，如山崩、滑塌、陷穴、溶洞等，若过量的开采和不合理利用地下水，则会造成地面沉降，地下水源遭受污染等。地下水与人类的关系水的循环——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。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。蒸发凝结凝结凝结降水水汽输送蒸发植物蒸腾水循环的类型及主要环节水量平衡原理水的运动:水循环受人类影响显著一.地下水的定义及其形成条件•1.定义是指储存在地表面以下岩土体空隙（土中的孔隙、岩体中的孔隙和裂隙）中的各种水。•地下水的富集必须具备三个条件有较多的储水空间有充足的补给水源有良好的汇水条件地下水的有关概念：1）.岩土体空隙：孔隙(松散沉积物或沉积岩颗粒之间的空间)；裂隙(岩体中的破裂)；洞穴(Cave可溶性岩石溶蚀后形成的空洞)η=Vn/V×100%式中：η，孔隙度(孔隙的数量)；Vn，孔隙体积；V，沉积物或岩石总体积影响孔隙度的4因素：颗粒粗则η低、颗粒形态不规则则η低、分选性差则η低、胶结好则η低。岩石的空隙地表10km以上范围，有空隙浅部1～2km范围，空隙普遍岩石空隙是地下水储存场所，也是渗透通道空隙的多少、大小及其分布规律决定地下水分布与渗透特点按成因空隙分：孔隙、裂隙、溶隙2）.岩土体的透水性:岩土体的透水能力取决于其空隙大小（能否自由透水）、多少与贯通程度（透水多少）●透水层：在常压下水能自由通过的地层。●隔水层：(不透水层)水不能自由通过的地层●含水层：饱含地下水的隔水层。3）.地下水面:某地区内地下彼此连通连续的水面,为饱水带顶面。●地下水位：地下水的出露高度(不同地方地下水位高度并不同，与地表起伏无关)●包气带：地下水面以上部分岩土层空隙中的气体与大气相通，含不饱和液态水。●饱水带：地下水面以下的部分,岩土空隙中充满了水。岩（石）层按水理性质不同分：含水层与隔水层含水层—能够给出并透过相当数量重力水的岩层。条件：1、空隙存在并充满足够的水2、重力水能在空隙中自由运动隔水层—不能给出并透过水的岩层。水量小；渗透性差，如粘土地球上的水以气态、液态和固态三种形式存在于空中、地表与地下，成为海洋水、河流水、湖泊水、沼泽水、土壤水、地下水、冰川水、大气水以及存在于动、植物有机体内的生物水。这些水体，通过水循环组成了一个统一的相互联系的包围地球的水圈。在这其中，海水构成水圈的绝大部分，海水量约占地球总水量的96%～97%；其次为分布在极地及陆地上的冰川固态水，约为3x1016m3；而陆地上的河、湖、土壤水、地下水等约为4x1012m3，水体分布很广，但其所占比重却很小。地球上水的组成液态水97.859%地表水99.389%海水97.23%海水97.23%固态水2.14%地下水0.61%咸水0.008%湖水0.017%气态水0.001%大气水0.001%淡水2.762%河水0.0001%冰川水2.14%地下水0.61%土壤水0.005%2.地下水的存在方式本章要研究的地下水存在状态主要指：气态水吸着水（强结合水）薄膜水（弱结合水）毛细水重力水（自由水）固态水岩土体中的地下水二.地下水的物理性质和化学成分主要介绍：物理性质：包括温度、颜色、透明度、嗅（气味）、味（味道）和导电性等。主要化学成分：•地下水中常见的成分地壳中分布广、含量高的元素，如O、Ca、Mg、Na、K等在地下水中最常见。•氢离子浓度指水的酸碱度，以PH值表示。•总矿化度水中离子、分子和各种化合物的总称称为总矿化度。表示水的矿化程度。通常以105-110℃温度下将水蒸干后所得的干涸残余物的含量来确定。•水的硬度水中、的总含量称为总硬度。1.地下水的物理性质•1）温度：地下水的温度与其埋藏深度、补给条件及地质条件等有关。3~5m以内地下水之温度随昼夜气温变化一般50m以内地下水之温度随年度季节气温变化50m以下地下水之温度随深度变化过冷水极冷水冷水温水热水极热水过热水≤0°C0~4°C4~20°C20~37°C37~42°C42~100°C≥100°C地下水按其温度可分为2）颜色：地下水的颜色取决于其化学成分及悬浮物•3）透明度：取决于地下水所含物质（矿物质、有机质、胶体物）类型及多少透明的：无悬浮物及胶体，60cm水深可见3mm粗线微浊的：有少量悬浮物，大于30cm水深可见3mm粗线混浊的：有较多悬浮物，小于20cm水深可见3mm粗线极浊的：有大量悬浮物或胶体，似乳状，水深很小，即是在5cm内也看不清3mm粗线。硬水氧化亚铁氢氧化铁硫化氢硫细菌锰化合物腐殖质浅兰浅灰兰锈黄浅兰绿红暗红暗黄灰兰•4）气味：取决于水中所含某些气体或有机质及温度高低：H2S—臭鸡蛋味腐殖质—霉味•5）味道：取决于其化学成分6）比重：取决于各种成分含量，多在1.0~1.3•7）导电性：取决于地下水所含电解质（离子）的数量和性质（电价—离子价），数量越多，离子价越高，导电性强。•8）放射性：取决于地下水中的气态镭射气（氢）及少量放射性盐类NaClNa2SO4MgCl2MgSO4大量有机质H2S与碳酸气同时存在CO2与适量Ca(HCO3)2咸涩苦甜酸良好适口2.地下水的化学成分1）.自然界中绝大多数元素在地下水中均被发现，这既取决于各元素在地壳中的含量，也取决于各元素的溶解度。其中O、K、Na、Ca、Mg、Cl等以离子状态大量存在于水中。●O、K、Na、Ca、Mg克拉克值大,溶解度也大，水中含量就高。●Cl克拉克值小,但溶解度大,故水中含量高●Si，Fe克拉克值大,但溶解度小,故水中含量就小。2）地下水的主要化学成分N2、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等化合物气体总矿化度——指地下水中所含的各种离子、分子及化合物的总量。3）地下水的总矿化度地下水类型淡水微咸水咸水盐水卤水总矿化度（g/L）＜11～33～1010～50＞50地下水按矿化度分类：含有对人体有益矿物质的水称为矿泉水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4）地下水的氢离子浓度5）地下水的硬度：地下水中Ca++和Mg++的含量称为总硬度；将水煮沸后损失的硬度称为暂时硬度，总硬度与暂时硬度之差为永久硬度。三.地下水主要的类型•地下水按存在形式分类：①气态水②液态水③固态水•地下水按埋藏条件分类：①上层滞水②潜水③承压水•地下水按含水层性质分类：①孔隙水②裂隙水③溶隙水地下水分类表含水介质类型埋藏条件孔隙水裂隙水岩溶水包气带水局部粘性土隔水层上季节性存在的重力水（上层滞水）裂隙岩层浅部季节性存在的重力水及毛细水裸露的岩溶化岩层上部岩溶通道中季节性存在的重力水潜水各类松散堆积物浅部的水裸露于地表的各类裂隙岩层中的水裸露于地表的岩溶化岩层中的水承压水山间盆地及平原松散堆积物深部的水，向斜构造的碎屑岩孔隙中的水组成构造盆地、向斜构造或单斜断块的被掩覆的各类裂隙岩层中的水组成构造盆地、向斜构造或单斜断块的被掩覆的岩溶化岩层中的水根据埋藏条件分类1.包气带水：包括气态水、结合水、毛细管水、过路重力水、上层滞水(局部隔水层中蓄的水)2.潜水：地面下第一个稳定隔水层上的饱和水潜水层厚度=潜水面至下伏隔水层顶板的距离潜水埋藏深度=潜水面至地表的距离潜水面的特征：波状起伏、随季节而变化。3.承压水：充满于二个隔水层中间的含水层中的地下水。承受着一定的静水压力，形成环境主要为向斜盆地。地下水的补给与排泄1.含水层失去水量称排泄，含水层从外界获得水称补给。●流动的地下水称地下径流。它从补给区向排泄区流动。2.补给来源：大气降水、地表水。3.地下水的露头：地下水的人工露头为井天然露头为泉（上升急喷的泉即喷泉，重力向下者为下降泉）。台湾和云南有“蝴蝶泉”;南京有“珍珠泉”、“江南1)、地下水的补给——含水层自外界获得含水量的过程主要的补给来源有：（1）大气降水补给：最主要来源，补给数量与降水性质、植物覆盖、地形、地质构造、包气带厚度及岩石透水性有关。暴雨、连绵细雨不同。（2）地表水补给——河流、湖泊、水库与海洋等（3）含水层之间的补给：透水“天窗”或断层、弱透水层（4）人工补给一般在山区地下水补给地表水，而在平原区地表水补给地下水；丰水期地表水补给地下水；枯水期地下水补给地表水。2)、地下水的排泄——含水层失去水量的过程主要的排泄方式有：（1）蒸发：土壤蒸发、植物蒸发（2）泉水：山区与平原，上升泉与下降泉（3）向地表水排泄（4）含水层之间的排泄（5）人工排泄3)、地下水的径流——地下水由补给区流向排泄区的过程地下水的循环：补给区→径流区→排泄区径流包括(1).径流方向、(2).径流速度、(3).径流量、地下水的成分、性质及其地质作用等都与径流有关。(1)水量不大，但季节性变化强烈。(2)补给区和分布区是一致的。(3)一般矿化度低，但水质最易受污染。(4)所含的上层滞水水量不大，但其常常是引起土质边坡滑坍，地基、路基沉陷、冻胀等病害的重要因素。1）.上层滞水---存在于饱气带内局部隔水层上的重力水。其主要特征如下：2).潜水•定义：地表下面第一个连续隔水层之上具有自由表面的含水层中的水称为潜水。•埋藏条件：在距地表较深的饱水带内的第一个连续隔水层上的含水层。•补给径流排泄：以大气降水和地表水的下渗补给，由水位高处向水位低处流动，排泄有以蒸发为主的垂直排泄，水平方向上流到其它含水层及地表低处的水平排泄。•特征：范围较大，水量较多。分布区与补给区一致。具有连续的自由水面－潜水面（形状与地形相似，但比地形平缓）受气候、水文因素的影响较大，动态变化较不稳定。•工程特征：对工程的危害视潜水的埋藏深度及所处岩石的土体性质决定（液化）。潜水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。•潜水面的特征潜水补给情况•3).承压水•定义：充满于两个隔水层之间的含水层中的地下水称为承压水。•埋藏条件：在距地表很深的两个隔水层之间的含水层。向斜构造，单斜构造。•补给径流排泄：含水层出露地表较高处的补给区接受大气降水。地表水的下渗补给，径流承压区（可由低处向高处流动）至出露地表较低的含水层－排泄区－排泄。•特征：分布区与补给区不一致；地下水呈压，无自有水面；受气候、水文等因素影响较小，动态变化较稳定。•对工程影响：深基坑及隧道开挖涌水、淹没。压力水头高度补给区承压区排泄区自溢区04:39114-42承压斜地岩性变化形成承压斜地断裂构造形成承压斜地•4).裂隙水•定义：埋藏在基岩裂隙中的地下水。•特点：分布不均，水力联系很复杂。•按裂隙水