工程地质与土力学基础第四章.

第四章地下水自然界的水自然界的水★地下水有两种不同的埋藏类型，即埋藏在第一个稳定隔水层之上的潜水和埋藏在上下两个稳定隔水层之间的承压水。潜水和承压水除了埋藏条件不同外，还有一定的区别。潜水的补给主要是当地的大气降水和部分河湖水。承压水则是依靠大气降水与河湖水通过潜水补给的。潜水受重力影响，具有一个自由水面（即随潜水量的多少上下浮动），一般由高处向低处渗流。承压水受隔水顶板的限制，承受静水压力，有一个受隔水层顶板限制的承压水面和一个高于隔水层顶板的承压水位（即补给区和排泄区水位的连线）。承压水是由静水压力大的地方流向静水压力小的地方。自然界的水★潜水埋藏较浅，受气候特别是降水的影响较大，流量不稳定，容易受污染，水质较差；承压水埋藏较深，直接受气候的影响较小，流量稳定，不易受污染，水质比较好。潜水以地面蒸发或出露为地表水和泉水的方式排泄；承压水则转化为潜水，主要以泉水的形式排泄。钻到潜水中的井是潜水井。潜水井的水位一般应该是和当地的潜水位一致的，如过量抽取，潜水井的水位就会逐渐低于当地的潜水位，形成地下水漏斗区。打穿隔水层顶板，钻到承压水中的井叫承压井，承压井中的水因受到静水压力的影响，可以沿钻孔上涌至相当于当地承压水位的高度。在有利的地形条件下，即地面低于承压水位时，承压水会涌出地表，形成自流井。虽有上涌，但不能喷出地面者叫半自流井。水循环的意义第四章地下水★地下水：指埋藏在地面以下岩土空隙中的水体。包括气态的、液态的和固态的水。地下水的来源，主要来自大气降水和地表水的下渗水，小部分来自水汽在地下岩土中的凝结水。还有在矿物结晶过程中形成的结晶水.4.1地下水的赋存教学目的与要求：了解岩石的空隙性质掌握含水层与隔水层的概念与区别4.1.1岩石的空隙根据岩石空隙的成因不同，可把空隙分为孔隙、裂隙和溶隙三大类（图4-1）图4-1空隙（a）分选良好排列疏松的砂；（b）分选良好排列紧密的砂；（c）分选不良含泥、砂的砾石（d）部分胶结的砂岩；（e）具有裂隙的岩石；（f）具有溶隙的可溶岩1．孔隙松散岩石（如粘土、砂土、砾石等）中颗粒或颗粒集合体之间存在的空隙，称为孔隙。孔隙发育的程度用孔隙率（n）表示。所谓孔隙率是孔隙体积（Vn）与包括孔隙在内的岩石总体积（V）的比值，用百分数表示，即：n=Vn/V×100%孔隙率的大小主要取决于岩石的密实程度及分选性。岩石越疏松、分选性越好，孔隙率越大。反之，岩石越紧密,或分选性差，孔隙率越小。孔隙若被胶结物充填，则孔隙率变小。2．裂隙坚硬岩石受地壳运动及其它内外地质营力作用的影响产生的空隙，称为裂隙裂隙发育程度用裂隙率（Kt）表示，所谓裂隙率是裂隙体积（Vt）与包括裂隙体积在内的岩石总体积的比值，用百分数表示如下：%100VVKtt3．溶隙可溶岩（石灰岩、白云岩等）中的裂隙经地下水流长期溶蚀而形成的空隙称为溶隙，溶隙的发育程度用溶隙率（Kk）表示，所谓溶隙率（Kk）是溶隙的体积（Vk）与包括溶隙在内的岩石总体积（V）的比值，用百分数表示如下：%100VVKkk水的物理状态根据水在空隙中的物理状态，水与岩石颗粒的相互作用等特征，一般将水在空隙中存在的形式分为五种：即：气态水、结合水、重力水、毛细水、固态水。结合水：系指受电分子吸引力吸附于土粒表面的土中水，这种电分子吸引力高达几千到几万个大气压，使水分子和土粒表面牢固的粘结在一起。结合水因离颗粒表面远近不同，受电场作用力的大小也不同，所以分为强结合水和弱结合水。水的物理状态毛细作用,是液体表面对固体表面的吸引力。毛细水：地下水受到粒间孔隙的毛细作用上升的水分。重力水：存在于岩石颗粒之间，结合水层之外，它不受颗粒静电引力的影响，可在重力作用下运动。一般所指的地下水如井水、泉水、基坑水等就是重力水，它具有液态水的一般特征，可传递静水压力4.1.2岩土的水理性质◆指岩土与水的贮存、运移等有关的性质。1、容水性：指岩土容纳水量的性能，用容水度表示。容水度是单位体积的岩土所能容纳的最大水量。2、持水性：指在重力作用下，岩土依靠分子力和毛管力保持一定水量的性能，用持水度表示。持水度是岩土在重力水排出后所保持的水体积与岩土总体积之比。岩石的水理性质3、给水性：指在重力作用下，饱水岩土自由流出一定水量的性能，用给水度表示。给水度是从饱水岩土中流出的水体积与岩土体积之比。4、透水性：是指岩土的透水性能。主要取决于孔隙的大小和连通性，以及孔隙的多少。4.1.2、含水层与隔水层岩石中含有各种状态的地下水，由于各类岩石的水理性质不同，可将各类岩层划分为含水层与隔水层。1.含水层，是指能够给出并透过相当数量重力水的岩层。构成含水层的条件，1)是岩石中要有空隙存在，并充滿足够数量的重力水。2)是这些重力水能能够在岩石空隙中自由运动。2.隔水层,是指不能给出并透过水的岩层。隔水层还包括那些给出与透过水的数量是微不足道的岩层，也就是说，隔水层有的可以含水，但是不具有允许相当数量的水透过自己的性能，例如粘土就是这样的隔水层。4.2地下水的物理性质和化学成分（一）地下水的物理性质1、温度：GhHTTBH泉水冷泉（＜20℃）；温泉（21～37℃）；热泉（38～42℃）；高温泉（＞43℃）；沸泉（＞当地沸点）TH为H深处地下水温度；TB为年平均气温；H为地下水深度；h为地温年恒温带深度；G为地温梯度33m／℃。地下水＜20℃——冷水；20～50℃——温水；＞50℃——热水.长沙地下200米处有一个18度恒温带:可开发浅层地温地温常年保持恒定的带称为恒温带。2、颜色：地下水一般无色透明。3、透明度：地下水一般是透明的。透明度水深cm参照物3mm黑线透明60清晰可见微浑浊30—60清晰可见浑浊＜30清晰可见极浑浊很小难以看清4、嗅感和味感：取决于地下水的化学成分和溶解的气体。如H2S的臭鸡蛋味，有机质的鱼腥味；含CO2多则爽口，含重碳酸钙、镁［Ca、Mg（HCO3）2］常常有甜味。6、密度一般情况下，纯水的密度为0.981t/m3。地下水的密度决定于水中所溶盐分的含量多少。地下淡水的密度一般认为与纯水密度相同。水中溶解的盐分愈多，密度愈大，有的可达1.2～1.3t/m3。7、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。8、放射性地下水在特殊储藏环境下，受到放射性矿物的影响，具有一定的放射性。如堆放废弃的核燃料，会引起周围岩土体及其中的水体也带有放射性4.2.2地下水的化学性质1、主要化学成分◆离子：Cl－、SO42－、HCO3－、以及H＋、Na＋、K＋、Ca2＋、Mg2＋等；◆气体：CO2、O2、N2、CH4、H2S等等；◆化合物Fe2O3、Al2O3、H2SiO3等◆放射性元素：微量，如氡；2、矿化度指水中离子、分子及化合物的总含量，称为总矿化度，简称矿化度，单位为g／L。类型矿化度g／L淡水＜1弱矿化水1—3中等矿化水3—10强矿化水10—50卤水＞503、硬度水中Ca2＋、Mg2＋的含量称为硬度。◆暂时硬度：指水煮沸后发生沉淀的那部分Ca2＋、Mg2＋。◆永久硬度：指水煮沸后仍然溶在水中的Ca2＋、Mg2＋的数量。——硬度的表示方法：德国度（°d，以1升水含10mgCaO为1度）；——水的硬度分类：极软水、软水、微硬水、硬水、极硬水4、酸碱度（PH值）酸碱度即水的氢离子浓度，用PH值表示。根据PH值的大小可以将水分为五类。水的类型强酸性水弱酸性水中性水弱碱性水PH值55-6.56.5-88-105、地下水的侵蚀性侵蚀性是指地下水对混凝土及钢筋构件的侵蚀破坏能力，（1）硫酸型侵蚀（结晶型侵蚀）。水中硫酸根与混凝土中水泥作用，生成含水硫酸盐结晶，这时体积膨胀，使混凝土遭到破坏。（2）碳酸盐侵蚀。主要指水中氢离子浓度、重碳酸离子及游离的CO2对混凝土的分解破坏作用。4.3.2地下水按贮存条件分类地下水按含水层的空隙性质可分为孔隙水、裂隙水和岩溶水3类。将此3种类型水分别按地下水埋藏条件进行分类综合，可组成9种不同类型的地下水（表4-8）4.3地下水的类型及特征含水层空隙性质埋藏条件孔隙水（松散沉积物孔隙中的水）裂隙水（坚硬基岩裂隙中的水）岩溶水（岩溶化岩石溶隙中的水）上层滞水局部隔水层以上的饱和水出露于地表的裂隙岩石中季节性存在的水垂直渗入带中的水潜水各种松散堆积物浅部的水基岩上部裂隙中水、沉积岩层间裂隙水祼露岩溶化岩层中的水承压水松散堆积物构成的承压盆地和承压斜地中的水构造盆地、向斜及单岩层中的层状裂隙水断裂破碎带中深部水构造盆地、向斜及单斜岩溶岩层中的水表4-8地下水分类表1.上层滞水：存在于包气带中局部隔水层上的重力水。特点：分布范围小，水量小而季节变化剧烈；补给区与分布区一致；补给源是大气降水和地表水；耗损形式是蒸发和渗透；4.3.1地下水按埋藏条件分包气带(Vadosezone)是指位于地球表面以下、潜水面以上的地质介质。二、潜水指埋藏在地表以下第一个稳定隔水层之上，具有自由表面的重力水。特点：1.潜水面不承受静水压力，只能沿水平方向由高处向低处流动。2.潜水面以上无稳定的隔水层存在，大气降水和地表水可通过包气带直接渗入补给。补给区与分布区一致。3.动态（水位、水量、水质）变化较不稳定，有明显的季节变化；潜水补给条件好，水量丰富；4.潜水面上无盖层，水质容易遭污染。图4-4潜水与河水不同补给关系的等水位线图（a）潜水补给河水：（b）河水补给潜水：（c）河水－潜水相互补给如何判读等潜水位线图：1．潜水位线的概念：潜水的自由表面称潜水面；潜水面的高出海平面的垂直高度称为潜水位；潜水面距地面的距离称为潜水埋藏深度。2．等潜水位线的判读①潜水的流向。潜水是沿着潜水面坡度最大的方向流动。因此，垂直于潜水等水位线从高水位指向低水位，就是潜水的流向。图中，实线为等高线，虚线为潜水等水位线,图中箭头垂直于潜水等水位线从高水位指向低水位的方向，就是潜水的流向，所以图中箭头都正确表示了潜水的流向。②潜水与地表水的相互关系。俗话说：井水不犯河水。实际上潜水和地表水特别是河水之间是互补的关系。主要是根据两者的水位高低对比。3.承压水：指充满于两个稳定隔水层之间的具有静水压力的地下水。特点：承压水具有一定压力水头；补给区与承压区不一致；动态变化较稳定，没有明显的季节变化；补给条件较差，大规模开发后，水的补充和恢复较缓慢；水质不易遭污染。◆承压水的埋藏类型：1.向斜蓄水构造：又称承压盆地或自流盆地。2.单斜蓄水构造：又称承压斜地或自流斜地。自流水盆地示意图潜水和承压水的区别四、裂隙水指埋藏在基岩裂隙中的地下水，统称为裂隙水。根据裂隙的性质分为三类。1.风化裂隙水：发育在基岩表层，延伸短，但无一定方向，但密集而均匀。故常可构成统一的地下水面，形成裂隙潜水。2.成岩裂隙水：具有发育均匀且张开并构成连通的裂隙系统的特点，当岩层裸露地表时，即形成潜水。当具有成岩裂隙的岩层被不透水层所覆盖时，可形成自流水。3.构造裂隙水：按埋藏条件可分为潜水和承压水，按其产状又可分为层状裂隙水和脉状裂隙水。五、岩溶水指埋藏并运动于可溶性岩石的岩溶裂隙和溶洞中的地下水。岩溶水可以是潜水也可以是承压水。多为低矿化度的重碳酸盐型水。岩溶水是工农业和生活用水的重要水源，但较易污染。岩溶水的补给来源主要是大气降水和地表水。岩溶水排泄的最大特征是排泄集中和排泄量大，排泄方式是以暗河形式排入河流，或以泉的方式排出地表。岩溶水的动态特征是径流集中和交替迅速，对大气降水反应敏感，水位和流量变化幅度大。而岩溶承压水，其水位、流量相对较为稳定，因其补给区面积大，含水层容积大，其动太受季节变化影响小。地下河1地下河2地下河3石缸4.3.3泉◆泉：地下水之天然露头谓之泉；◆按泉水的矿化度分为淡水泉和矿泉两大类。矿泉＞1g∕l；淡水泉＜1g∕l；◆矿泉又分为矿泉水和矿化水两类。矿泉水有显著的医疗价值，而矿化水无医疗价值。◆矿泉水的国际通用标准水中六种主要离子：碳酸氢根、硫酸根、氯、钠、钙、镁；三种气体：二氧化碳、氡