第5章工程地质地下水

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1、武汉大学武汉大学工程地质工程地质多媒体教学多媒体教学第5章 地下水51 地下水的基本概念地下水的基本概念52 地下水的类型地下水的类型53 地下水的补给、径流与排泄地下水的补给、径流与排泄一、岩石的空隙一、岩石的空隙 地表地表10km10km以上范围，有空隙以上范围，有空隙;浅部浅部1 12km2km范围，空隙普遍。范围，空隙普遍。岩石空隙是地下水储存场所，也是渗透通道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决 定定地下水分布与渗透特点按成因空隙分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1、孔隙松散岩石（粘土、砂石、砾石等）中颗粒或颗粒集合体

2、之间存在的空隙。n的大小取决于岩石的密实度、分选性及颗粒形状、胶结程度%100VVnn孔隙度 2、裂隙坚硬岩石受地壳运动及其它内外力地质作用的影响产生的空隙%100VVKtt裂隙率Vt裂隙体积V包括裂隙在内的岩石总体积3、溶隙可溶岩（石灰石、白云岩等）中的裂隙经地下水长期溶蚀而形成的空隙%100VVKkk溶隙率VK溶隙体积V包括溶隙在内的岩石总体积二、含水层与隔水层二、含水层与隔水层 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。1、空隙存在并充满足够的水；3、有补给来源 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

3、三、地下水的物理化学性质 地下水的物理性质：温度、颜色、透明度、气味、味道、导电 性、放射性等地下水的化学成分：气体成分、离子成分、胶体成分与有机质 化学性质 PH值矿化度硬度气体成分O2H2SCO2离子成分Cl-SO4-2HCO3-Na+K+Ca+2Mg+2矿化度：矿化度：水中所含离子、分子及化合物的总量称为水的总矿化度，g/l低矿化度水：主要含HCO3-中等矿化度水：主要含SO42-高矿化度水：主要含cl-PH值值PH值9酸碱度强酸性弱酸性中性弱碱性强碱性硬度：硬度：取决于水中所含Ca2+、Mg2+的含量总硬度：未煮沸时Ca2+、Mg2+的总含量暂时硬度：煮沸时水中一部分Ca2+、Mg2+

4、因失去CO2生成沉淀碳酸盐 而使水失去的Ca2+、Mg2+数量永久硬度：煮沸时仍留在水中的Ca2+、Mg2+含量溶出侵蚀：混凝土中Ca(OH)2成分被水溶解。碳酸侵蚀：含侵蚀性co2的水溶解混凝土中的钙质而使混凝土崩解。硫酸盐侵蚀：水中SO4-2与混凝土作用生成新的化合物，由于体积膨胀而胀裂。酸性侵蚀：PH值低的酸性水对混凝土具腐蚀性。镁盐侵蚀：水中镁盐与混凝土作用后生成化合物溶解于水。地下水按埋藏条件和含水层空隙性质综合分类2、潜水(phreatic water)埋藏在地面以下第一个稳定隔水层之上具自由水面的重力水。特征：与大气相通，具自由水面，补给区与分布区一致，动态受气候影响较大。潜水面

5、形状受地形影响。1砂层 2隔水层 3含水层4潜水面 5基准面 自由水面自由水面一、上层滞水、潜水、承压水 潜水等水位线：潜水面上标高相等各点的连线，由人工露头、天然露头测定等水位线图用途：可解决如下问题：(1)确定潜水流向(2)确定潜水的水力坡度虚线潜水等水位线虚线潜水等水位线 实线地形等高线实线地形等高线(3)确定潜水与地表水之间关系若潜水流向指向河水，则潜水补给河水若潜水流向背向河水，则河水补给潜水若河流一侧潜水流向指向河水，另一侧潜水流向背向河水，则河流一侧为潜水补给河水，而另一侧为河水补给潜水潜水补给河流潜水补给河流河流补给潜水河流补给潜水单侧补给单侧补给(4)确定潜水的埋藏深度确定潜

6、水的埋藏深度某点地形等高线标高与潜水等水位线标高之差某点地形等高线标高与潜水等水位线标高之差(5)确定泉或沼泽的位置确定泉或沼泽的位置在潜水等水位线与地形等高线高程相等处，潜水出露为泉或沼泽在潜水等水位线与地形等高线高程相等处，潜水出露为泉或沼泽(6)推断给水层的岩性或厚度的变化推断给水层的岩性或厚度的变化若等水位线由密（富含潜水）变疏（少量潜水）表明含水层透水性好若等水位线由密（富含潜水）变疏（少量潜水）表明含水层透水性好或含水层变厚或含水层变厚(7)确定给水和排水工程位置确定给水和排水工程位置水井应布置在地下水流汇集的地方，排水沟应布置在垂直水流的方向水井应布置在地下水流汇集的地方，排水沟

7、应布置在垂直水流的方向上上一、上层滞水、潜水、承压水 1、上层滞水、上层滞水(perch ground water)：包气带中聚集在：包气带中聚集在局部隔水层之上的重力水局部隔水层之上的重力水.特征：特征：接近地表，接受大气降水补给，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。以蒸发形式或向隔水底板边缘排泄。动态变化很不稳定。动态变化很不稳定。工程意义：工程意义：常始料不及涌入基坑（离常始料不及涌入基坑（离地表最近）。供水意义不大（局部分地表最近）。供水意义不大（局部分布）。布）。在寒冷地区易引起道路冻胀和翻浆在寒冷地区易引起道路冻胀和翻浆.土空隙中充满水的地带称为土空隙中充满

8、水的地带称为饱和带饱和带，此带中水称为，此带中水称为饱和带水饱和带水饱和带以上未被水充满的地带称为饱和带以上未被水充满的地带称为包气带包气带，包气带中水称，包气带中水称包气带水包气带水3.承压水承压水(pressure water)充满于两个隔水层之间的含水层充满于两个隔水层之间的含水层中承受水压力的重力水中承受水压力的重力水承压含水层局部承压水特征：不具自由水面，并承受一定的水头压力。分布区和补给区不一致。动态变化较稳定。不易受地面污染。承压水的形成取决于地质构造条件承压水的形成取决于地质构造条件向斜（盆地）和单斜构造向斜（盆地）和单斜构造（1）向斜盆地（自流盆地）向斜盆地（自流盆地）两种情

9、况：（a）断块构造（2）单斜构造（自流斜地）单斜构造（自流斜地）断层带透水断层带透水（补给、排泄不同）（补给、排泄不同）断层带不透水断层带不透水（补给、排泄相同）（补给、排泄相同）（b）含水层岩性相变下部尖灭下部尖灭承压水等水压线图承压水等水压线图承压水面上高程相等点的连线图承压水面上高程相等点的连线图需附地形等高线和隔水顶板等高线需附地形等高线和隔水顶板等高线承压水等水压线图 （a a）等水压线图）等水压线图 （b b）水文地质剖面）水文地质剖面1-1-地形等高线；地形等高线；2-2-承压含水层顶板等高线；承压含水层顶板等高线；3-3-等水压线等水压线 ；4 4承压水位线；承压水位线；5-5

10、-承压水流承压水流向；向；6-6-自流区；自流区；7-7-井；井；8-8-含水层；含水层；9-9-隔水层；隔水层；10-10-干井；干井；11-11-非自流井；非自流井；12-12-自流井自流井承压水等水压线图用途：a承压水位埋深b承压水头大小二、孔隙水、裂隙水、岩溶水 多存在于松散岩层的孔隙中，呈均匀连续的层状分布，颗粒多存在于松散岩层的孔隙中，呈均匀连续的层状分布，颗粒大而均匀、孔隙大、透水性好、地下水量大，运动快、水质大而均匀、孔隙大、透水性好、地下水量大，运动快、水质好好.1、孔隙水、孔隙水按不同埋藏条件可形成：按不同埋藏条件可形成：孔隙上层滞水孔隙上层滞水 孔隙潜水孔隙潜水 孔隙承压

11、水孔隙承压水相应裂隙水分：相应裂隙水分：（1）风化裂隙水：存在于风化裂隙中）风化裂隙水：存在于风化裂隙中特点：特点：a.广泛分布于出露基岩的表面，发育密集、均匀，彼此连通，广泛分布于出露基岩的表面，发育密集、均匀，彼此连通，大部分为潜水，下限为新鲜的基岩大部分为潜水，下限为新鲜的基岩b.补给来源大气降水补给来源大气降水c.排泄泉排泄泉2、裂隙水、裂隙水坚硬岩石裂隙中的地下水坚硬岩石裂隙中的地下水裂隙按成因分：风化裂隙、成岩裂隙、构造裂隙(2)成岩裂隙水成岩裂隙水:岩石形成过程中产生岩石形成过程中产生岩浆岩岩浆岩 喷出岩类喷出岩类 侵入岩类，一般为潜水侵入岩类，一般为潜水构造运动形成的构造裂隙较

12、复杂，构造裂隙水的变化构造运动形成的构造裂隙较复杂，构造裂隙水的变化较大较大按裂隙分布分：按裂隙分布分：a、层状裂隙水沉积岩、变质岩的节理、片理等裂、层状裂隙水沉积岩、变质岩的节理、片理等裂隙中，通常为潜水隙中，通常为潜水b、脉状裂隙水断层破碎带中，通常为承压水、脉状裂隙水断层破碎带中，通常为承压水(3)构造裂隙水构造裂隙水特点：特点：水量大、运动快、垂直和水平向分布不均，工水量大、运动快、垂直和水平向分布不均，工程中注意涌水事故程中注意涌水事故3、岩溶水：、岩溶水：埋藏于常隙中的重力水，多为潜水、承压水埋藏于常隙中的重力水，多为潜水、承压水喀斯特喷泉喀斯特喷泉补给来源：补给来源：a.大气降水

13、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。暴雨不利、连绵细雨大量补给。b.地表水补给：河流、湖泊、水库与海洋等c.含水层之间的补给：透水“天窗”或断层、弱透水层d.人工补给：灌溉水、工业与生活用水1、地下水的补给：、地下水的补给：含水层自外界获得含水量的过程含水层自外界获得含水量的过程湿湿 锋锋 面面 t1 t2 地面地面 潜水面潜水面 降水入渗过程降水入渗过程a.大气降水补给大气降水补给X=Rs+E+S+qX 气候因素气候因素（X，E）：）：降水总量降水总量,降水强度降水强度,降水频率；降水频率；蒸发量蒸发量 地形地形:高或低，陡或缓高或低，

14、陡或缓 地质地质:包气带岩性包气带岩性 地下水位埋深地下水位埋深：其他其他：植被、城市化植被、城市化大气降水补给的影响因素大气降水补给的影响因素大气圈大气圈地面地面包气带包气带（水分滞留）（水分滞留）含水层含水层（获得补给）（获得补给）地表地表径流径流蒸蒸发发降降水水入入渗渗Rs E X S qX 越流越流：具有一定水头差的相：具有一定水头差的相邻含水层，通过其间的弱透邻含水层，通过其间的弱透水岩层发生水量交换的过程水岩层发生水量交换的过程 经常发生于松散沉积物中，经常发生于松散沉积物中，粘性土层构成弱透水层粘性土层构成弱透水层潜水潜水承压水之间的补给承压水之间的补给 含水层通过含水层通过钻孔

15、钻孔发发生水力联系生水力联系含水层通过含水层通过导水断层导水断层 发生水力联系发生水力联系c.含水层之间的补给含水层之间的补给d.地下水的人工补给地下水的人工补给1含水层；2隔水层；3地下水位；4地表水位及井中水位；5水流方向；6井排泄方式：排泄方式：a.蒸发：土壤蒸发、植物蒸发b.泉水(地下水的天然露头)：山区多、平原少，上升泉（由承压含水层补给）、下降泉（由潜水或上层滞水补给）c.向地表水排泄：补给河流d.含水层之间的排泄：一个排泄，另一个就是补给e.人工排泄:抽取地下水2、地下水的排泄：、地下水的排泄：含水层失去水量的过程含水层失去水量的过程泉泉侵蚀泉：侵蚀泉：地形切割到潜水面地形切割到

16、潜水面 接触泉：接触泉：地形切割至隔水底地形切割至隔水底板板 溢流泉：溢流泉：水流在前方受阻，水流在前方受阻，水位抬升，而溢流水位抬升，而溢流成泉成泉下降泉下降泉泉泉2.上升泉（出露于承压含水层中的泉）上升泉（出露于承压含水层中的泉）上升泉根据出露条件分为：上升泉根据出露条件分为：侵蚀泉，断层泉，接触带泉侵蚀泉，断层泉，接触带泉山区山区平原平原地下水的循环：地下水的循环：补给区径流区 排泄区3、地下水的径流：、地下水的径流：地下水由补给区流向排泄区的过程地下水由补给区流向排泄区的过程 承压含水层的径流强度主要取决于构造开启程度承压含水层的径流强度主要取决于构造开启程度 径流强度与 含水层的透水

17、性成正比 补绐区及排泄区之间的水位差成正比 与补给区到排泄区的距离成反比 断层构造盆地的承压含水层，径流条件取决于断层构造盆地的承压含水层，径流条件取决于断层的导水性。断层的导水性。当断层导水时，断层构成排泄通路，当断层导水时，断层构成排泄通路，地下水由各含水层出露地表部分的补地下水由各含水层出露地表部分的补给区，流向断层排泄区。给区，流向断层排泄区。当断层阻水时，排泄区位于含水层当断层阻水时，排泄区位于含水层出露的地形最低点，与补给区相邻，出露的地形最低点，与补给区相邻，承压区则在另一侧。承压区则在另一侧。4、地下水的运动形式、地下水的运动形式地下水的运动有层流、紊流和混合流三种形式a.层流

18、：地下水在岩石的孔隙或微裂隙中渗透，产生连续水流，水质点有秩序地呈相互平行而互不干扰的运动。b.紊流：地下水在岩石的裂隙或溶隙中流动，涡流性质，各流线互相交错，水质点相互干扰而呈无秩序的运动c.混合流：层流和紊流同时出现1856 年，法国水力学家达西（H.Darcy）通过大量的实验，得到线性渗透定律。根据实验结果，得到下列关系式：式中：Q渗透流量（出口处流量，即为通过砂柱各断面的流量）；过水断面（在实验中相当于砂柱横断面积）；h水头损失（h=H1H 2，即上下游过水断面的水头差）；L渗透途径（上下游过水断面的距离）；I 水力梯度（相当于h/L，即水头差除以渗透途径）；K渗透系数。此即达西公式。

19、5、地下水运动的基本定律、地下水运动的基本定律6、地下水的涌水量计算、地下水的涌水量计算潜水井：抽取潜水的垂直集水坑承压井：抽取承压水的垂直集水坑完整井：井底达到了含水层下的不透水层，水只能通 过井壁进入井内不完整井：井底未达到含水层下的不透水层，水可从 井底或井壁、井底同时进入坑内地下水与工程建设地下水与工程建设1.地面沉降2.流砂3.潜蚀4.浮托作用5.基坑突涌6.对混凝土的侵蚀性NoImageNoImageNoImagech5-53 NoImageNoImageNoImage1、上海市上海市 从从1921年发现地面下沉开始，到年发现地面下沉开始，到1965年年止，最大的累计沉降量已达止，

20、最大的累计沉降量已达2.63米，米，影影响范围达响范围达400平方公里。有关部门采取了综合治理措施后，市区地面沉降已基本上得到控平方公里。有关部门采取了综合治理措施后，市区地面沉降已基本上得到控制。从制。从19661987年年22年间。累计沉降量年间。累计沉降量36.7毫米，年平均沉降量为毫米，年平均沉降量为1.7毫米。毫米。2、天津市天津市 从从19591982年间最大累计沉降量为年间最大累计沉降量为2.15米。米。1982年测得市区的平均沉降速年测得市区的平均沉降速率为率为94毫米。目前，最大累计沉降量已达毫米。目前，最大累计沉降量已达2.5米米，沉降量，沉降量100毫米以上的范围已达毫米

21、以上的范围已达900平方平方公里。公里。3、北京市北京市 自从自从70年代以来，北京的地下水位平均每年下降年代以来，北京的地下水位平均每年下降12米，最严重的地区水米，最严重的地区水位下降可达位下降可达35米。地下水位的持续下降导致了地面沉降。有的地区（如东北部）沉降米。地下水位的持续下降导致了地面沉降。有的地区（如东北部）沉降量量590毫米。沉降总面积超过毫米。沉降总面积超过600平方公里。而北京城区面积仅平方公里。而北京城区面积仅440平方公里，所以，沉降平方公里，所以，沉降范围已波及到郊区。范围已波及到郊区。4、西安市西安市 地面沉降发现于地面沉降发现于1959年、年、1971年后随着过

22、量开采地下水而逐渐加剧。年后随着过量开采地下水而逐渐加剧。19721983年，最大累计沉降量年，最大累计沉降量777毫米，年平均沉降量毫米，年平均沉降量3070毫米的沉降中心有毫米的沉降中心有5处。处。1983年后，西安市地面沉降趋于稳定发展，部分地区还有减缓的趋势。到年后，西安市地面沉降趋于稳定发展，部分地区还有减缓的趋势。到1988年最大累年最大累计沉降量已达计沉降量已达1.34米米，沉降量，沉降量100毫米的范围达毫米的范围达200平方公里。平方公里。5、太原市太原市 经经1979年、年、1980年、年、1982年三次在市区年三次在市区600平方公里范围的测量，发现沉降平方公里范围的测量

23、，发现沉降量大于量大于200毫米的面积有毫米的面积有254平方公里，大于平方公里，大于1000毫米的沉降区面积达毫米的沉降区面积达7.1平方公里。最严平方公里。最严重的是吴家堡，其次是小店。吴家堡水准点的累计沉降量：重的是吴家堡，其次是小店。吴家堡水准点的累计沉降量：1980年是年是819毫米，毫米，1982年是年是1232毫米，到毫米，到1987年累计沉降量达年累计沉降量达1380毫米毫米。此外，还有宁波市、常州市、苏州市、无锡市、嘉兴市、杭州市、台湾的屏东、彰化、此外，还有宁波市、常州市、苏州市、无锡市、嘉兴市、杭州市、台湾的屏东、彰化、云林、嘉义、台中和台北等云林、嘉义、台中和台北等6个

24、县（市），均发生了不同程度的地面沉降。个县（市），均发生了不同程度的地面沉降。管涌：单个土颗粒发生独立移动的现象。多发生在不均匀的砂砾土中。流砂：一定体积的土粒同时发生移动的现象。多发生在均质砂土层和粉土层中。渗透变形渗透变形 (seepage deformation)流砂破坏示意图流砂破坏示意图管涌破坏示意图管涌破坏示意图 临江花园大厦临江花园大厦 （倾斜（倾斜1010）裙房倒塌裙房倒塌2003年年7月月1日凌晨日凌晨4点，正在点，正在施工中的上海市地铁四号线区间施工中的上海市地铁四号线区间隧道浦西联络通道发现渗水，随隧道浦西联络通道发现渗水，随后出现大量流沙涌入，引起地面后出现大量流沙涌入

25、，引起地面大幅沉降；上午九点左右，地面大幅沉降；上午九点左右，地面建筑八层楼房发生倾斜，其裙房建筑八层楼房发生倾斜，其裙房部分倒塌。由于报警及时，所有部分倒塌。由于报警及时，所有人员均已提前撤出，因而无人员人员均已提前撤出，因而无人员伤亡，受其影响的周围楼房里的伤亡，受其影响的周围楼房里的市民们也已全部撤出。市民们也已全部撤出。对轨道交通对轨道交通4 4号线区间隧道进行封堵，解除了因险情对整个隧道区间的威胁号线区间隧道进行封堵，解除了因险情对整个隧道区间的威胁 向地下采取注浆压浆技术减少地下流沙的涌动，保护周边地区的建筑向地下采取注浆压浆技术减少地下流沙的涌动，保护周边地区的建筑 拆除受险情影

26、响的大楼及裙房拆除受险情影响的大楼及裙房用注浆机不停地把水泥浆注用注浆机不停地把水泥浆注入地下，加固地面地基，提入地下，加固地面地基，提高地基承载力高地基承载力潜水员身穿潜水员身穿70kg70kg潜水服，潜水服，潜入地下进行封堵确保潜入地下进行封堵确保大厦地基不渗水大厦地基不渗水采用传统方式拆除采用传统方式拆除破坏楼房破坏楼房7 7月月2 2日日 受地面沉降影响，董家渡外受地面沉降影响，董家渡外马路段长约马路段长约3030米的防汛墙，发生米的防汛墙，发生沉陷、倾斜、开裂。此时，正值沉陷、倾斜、开裂。此时，正值上海汛期开始，上千名武警官兵上海汛期开始，上千名武警官兵奉命紧急出动，用沙袋和身躯，奉

27、命紧急出动，用沙袋和身躯，在浦江边在浦江边筑起筑起“U”U”字型围堤字型围堤，将长江抗洪的经典场景再现！将长江抗洪的经典场景再现！武警官兵火速奔赴现场抢险救灾武警官兵火速奔赴现场抢险救灾 武警官兵分几队，一组负责武警官兵分几队，一组负责装沙，一组负责沙包传递装沙，一组负责沙包传递 武警官兵有的抛填沙包筑武警官兵有的抛填沙包筑堤，有的跳进黄浦江排堤，有的跳进黄浦江排险堵漏。险堵漏。给沙堤内侧安置大型钢制桩给沙堤内侧安置大型钢制桩2424小时筑起长小时筑起长160m160m，高，高2m2m，伸入黄浦江约，伸入黄浦江约10m10m的弧形临时堤坝，控制的弧形临时堤坝，控制了险情了险情基坑突涌基坑突涌坑底稳定性坑底稳定性当隔水层较薄经受不住承压水头压力作用时，承压水的水头压力会冲破当隔水层较薄经受不住承压水头压力作用时，承压水的水头压力会冲破基坑底板基坑底板-基坑突涌基坑突涌验算基坑底层安全厚度验算基坑底层安全厚度H0HHw0HHw若不满足上述厚度，需降水，使若不满足上述厚度，需降水，使基坑中心承压水位降深满足：基坑中心承压水位降深满足：HSHW）（0则：则：HHSW0演讲完毕，谢谢观看！