工程地质学-地下水

第5章地下水内容提要5.1概述5.2地下水的类型及其主要特征5.3地下水的性质5.4地下水对工程建筑的影响•地下水是赋存在地表以下岩土空隙中的水。•岩土的空隙:松散沉积物中的孔隙坚硬岩石中的裂隙可溶性岩石中的溶隙连通性好分布不均匀连通性差5.1概述1、概念5.3地下水的性质1、温度：2、颜色：3、透明度：4、气味：5、味道：6、导电性：一、地下水的物理性质由于地下水形成的环境不同，其温度变化范围很大；常随埋藏深度不同而异，埋藏越深、水温越高。主要受气候条件和地热控制纯净的地下水是无色的，当含有某些化学成分或悬浮物质时，会带有一定颜色。纯净的地下水是透明的，但含有有机质、矿物质及胶体时，地下水将变得浑浊不清。地下水一般是无嗅无味的，当含有气体或有机质时，会具有特殊的气味。主要取决于地下水的化学成分取决于电解质的数量和性质，离子含量多，离子价数高，导电性越强物质硬水低铁高铁硫化氢锰化物腐植酸盐硫细菌颜色浅蓝淡灰锈色翠绿暗红暗黄灰黑红色过冷水（低于0℃），冷水（0～20℃），温水（21～42℃），热水（43～100℃），过热水(高于100℃)O2、Ca、Mg、Na、K等元素在地下水中最常见，其溶解度各不相同，多以离子、化合物分子和气体状态存在于地下水中。①主要离子成分②主要气体成分③胶体成分与有机质二、地下水的化学成分1、常见成分阳离子—Na＋、K＋、Ca2＋、Mg2＋阴离子—Cl－、SO42－、HCO3－—O2、N2、CO2、H2SFe2O3、Al2O3、H2SiO3C、H、O为主的有机质2、氢离子浓度氢离子浓度是指水的酸碱度，用PH值表示：PH=lg[H+]根据PH值可将地下水分为5类：强酸性水、弱酸性水、中性水、弱碱性水、强碱性水地下水的氢离子浓度为一般酸性侵蚀指标。3、总矿化度(M)水中离子、分子和各种化合物的总量称为总矿化度通常以在105℃～110℃温度下将水蒸干后剩余干涸物的含量来确定。①表示方法：②根据总矿化度对地下水进行分类：4、水的硬度地下水中Ca2＋和Mg2＋的总含量称为总硬度暂时硬度：永久硬度：①总硬度由于煮沸而减少的那部分Ca2＋、Mg2＋的含量煮沸时未发生碳酸盐沉淀的那部分Ca2＋、Mg2＋含量2233322COOHMgCOCaCOHCO2MgCa水煮沸后，水中一部分Ca2＋、Mg2＋的重碳酸盐因失去CO2而生成碳酸盐沉淀下来，使水中的Ca2＋、Mg2＋含量减少。3、总矿化度(M)②根据硬度对地下水进行分类：极软水、软水、微硬水、硬水、极硬水5、地下水的侵蚀性地下水对混凝土的侵蚀破坏类型包括分解性侵蚀、结晶性侵蚀和分解结晶复合性侵蚀。①分解性侵蚀：是指Ca(OH)2和CaCO3使砼分解破坏的作用一般酸性侵蚀：水中H＋与Ca(OH)2起反应使砼发生破坏+2+22CaOH+2HCa+2HO碳酸性侵蚀：由于CaCO3在侵蚀性CO2作用下溶解使砼遭受破坏2322CaOH+COCaCO+2HO3223223HCO2CaHCOCaCOOHCaCO主要是硫酸盐侵蚀，是含有硫酸盐的水与砼发生反应，在砼的孔洞中形成石膏和硫酸铝盐晶体；由于结晶膨胀作用使砼的强度降低以致破坏。结晶侵蚀常与分解性侵蚀相伴发生，后者往往更能促进其进行复合性侵蚀主要是水中Mg2+、NH4+、Cl－、SO42－、HCO3－等与砼发生反应使其强度降低以致破坏。②结晶性侵蚀：③结晶分解复合性侵蚀2324223423CaO.AlO.6HO+3CaSO25HO3CaO.AlO.3CaSO.31HO生成硫酸铝盐的反应式为：4242CaSO+2HOCaSO.2HO晶体石膏是形成硫酸铝盐的中间产物。2222CaClOHMgOHCagClM4224CaSOOHMgOHCagSOM地基沉降、流砂、潜蚀、地下水的浮拖作用、基坑突涌、钢筋混凝土腐蚀1、地基沉降轻者造成邻近建筑物或地下管线的不均匀沉降；重者使建筑物基础下的土体颗粒流失、甚至掏空，导致建筑物开裂而危及生命和财产安全。①在进行建筑基础施工时，为避免基坑内蓄水给施工造成不便，常需降低地下水位；若降水不当，会使地基土产生固结沉降：漏斗对称时，容易引起地基沉降；漏斗不对称时，容易使上部建筑或地下管线产生不均匀沉降、甚至开裂。②过量抽取地下水，会形成漏斗状的弯曲水位：由于土层的不均匀性和边界条件的复杂性5.4地下水对工程建筑的影响2、流砂地下水在渗流过程中受到土体的阻力，相应地，水对土体产生反力，称为～。①动水力：②流砂：出现流砂时的水力坡度称为“临界水力坡度”或“临危梯度”(icr)渗流自下而上时，动水力可以抵消土的部分重力，使土颗粒间的压力减小；当自下而上的动水力等于土的浮重度时，土粒之间将毫无压力，土粒处于悬浮状态，这种现象称为～。iicr时，土体处于稳定状态；i=icr时，土体处于临界状态；iicr时，产生流砂。①减小或消除基坑内外地下水的水头差——降低水位法②增长渗流路径——打板桩③在渗流出口处用透水材料覆盖压重以平衡动水力——加重法④其它方法：水下挖掘、冻结、化学加固等流砂是一种不良的工程地质现象，防治流砂的原则主要是：①机械潜蚀：当土中渗流的iicr时，虽然不会诱发流砂现象，但土中细小颗粒仍有可能穿过粗颗粒之间的孔隙被渗流挟带而走，时间长了，在土层中将形成管状空洞，使土体结构破坏，这种现象称为“机械潜蚀”或“管涌”。②化学潜蚀：是指地下水溶解土中的易溶成分，使土颗粒间的结合力和土的结构破坏，土粒被水冲走，形成洞穴的现象。3、潜蚀潜蚀可分为机械潜蚀和化学潜蚀两种。③危害：地下水的潜蚀作用，会使地基土体强度降低、压缩性增大，从而产生地表塌陷，影响工程建筑的稳定性。机械潜蚀和化学潜蚀这两种作用一般是同时进行的。堵截地表水流入土层；阻止地下水在土层中流动；改造土的性质；减小地下水的流速和水力坡度。④对潜蚀的处理措施：基坑的流砂或管涌坝基的流砂或管涌管涌当基坑下伏有承压含水层时，开挖基坑减小了上部土层及隔水层的厚度；当上部土层及隔水层较薄经受不住承压水头的压力作用时，水头压力会冲破基坑底板，这种现象称为～。为避免基坑突涌的发生，必须验算基坑底层的安全厚度；若不满足，应设法降低承压水位(头)。4、地下水的浮托作用当建筑物基础底面在地下水位以下时，地下水将对其产生向上的浮拖力，引起基础板底的内力变化，因此，在确定地基承载力设计值时，地下水位以下一律取浮(有效)密度。5、基坑突涌6.地下水对钢筋混凝土的腐蚀地下水的腐蚀影响建筑材料的耐久性①结晶类腐蚀地下水中离子SO42-与混凝土中的Ca(OH)2起反应，生成二水石膏结晶体CaSO4·2H2O，这种石膏再与水化铝酸钙CaOAl2O3·6H2O发生化学反应，生成水化硫铝酸钙，这是一种铝和钙的复合硫酸盐，习惯上称为水泥杆菌。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。②分解类腐蚀由于地下水中含有超量CO2时混凝土中的CaCO3被溶解而受腐蚀，即为分解类腐蚀。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为易溶于水的氯化物时，对混凝土的分解腐蚀很强烈。③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。