第五章 地下水

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1、本章提要本章提要 赋予地壳岩石层空隙中各种形式的水统称为赋予地壳岩石层空隙中各种形式的水统称为地下水，其中可在重力作用下运动的地下水又称地下水，其中可在重力作用下运动的地下水又称重力水。本章着重阐述了岩石重力水。本章着重阐述了岩石( (层层) )的水理性质，的水理性质，重力水的类型及其特征、循环与运动；扼要介绍重力水的类型及其特征、循环与运动；扼要介绍了地下水引发的工程和环境问题及其防治措施。了地下水引发的工程和环境问题及其防治措施。地下水在地壳表层分布广泛，并且重力水又具有地下水在地壳表层分布广泛，并且重力水又具有很强的流动性，各种土木工程都可能遇到。很强的流动性，各种土木工程都可能遇到。第

2、五章第五章 地下水地下水5.1.1 5.1.1 岩石的空隙岩石的空隙5.1 5.1 地下水的基本概念地下水的基本概念 地下水存在于岩石的空隙之中，地壳表层10km以上范围内，都或多或少存在着空隙，特别是浅部12km范围内，空隙分布较为普遍。岩石的空隙即是地下水储存场所，又是地下水的渗透通道，空隙的多少、大小及其分布规律，决定着地下水分布与渗透的特点。 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。 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溶隙，这种地质现象称岩溶(喀斯特)。溶隙的发育程度用溶隙率表示。 溶隙溶隙 研究岩石的空隙时，不仅要研究空隙的多少，还

3、要研究空隙的大小、空隙间的连通性和分布规律。 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。溶隙体积溶隙体积 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。孔隙发育程度用孔隙度表示。 孔隙孔隙 孔隙度的大小主要取决于岩石的密实程度及分选性。此外，颗粒形状和胶结程度对孔隙度也有影响。 几种典型松散岩石的孔隙度的参考值如下表。 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表示。 裂隙裂隙空隙体积空隙体积裂隙体积裂隙体积 重力水的特征：

4、具有液态水的一般特征，可传递静水压力。 重力水能产生浮托力、孔隙水压力。 流动的重力水在运动过程中会产生动水压力。 重力水具有溶解能力，对岩石产生化学潜蚀，导致岩石的成分及结构的破坏。5.1.2 5.1.2 含水层与隔水层含水层与隔水层 根据岩石的水理性质，岩石层可划分为含水层和隔水层。 含水层：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，一是岩石中要有空隙存在，并充满足够数量的重力水；二是这些重力水能够在岩石空隙中自由运动。 隔水层：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。5.1.3 5.1.3 地下水的物理化学性质地下水的物理化学性质 物理性质

5、 地下水的物理性质有温度、颜色、透明度、气味、味道及放射性等。 化学成分 主要气体成分 地下水中常见的气体有N2、02、CO2、H2S。一般情况下，地下水的气体含量，每升只有几毫克到几十毫克。 主要离子成分 Na+、K+、Ca2、Mg2、Cl、S042、HCO3。是评价地下水化学成分的主要项目。 胶体成分与有机质 地下水中以未离解的化合物构成的胶体主要有Fe(OH)3、Al(OH) 3 和H2Si03等。 地下水按埋藏条件分为上层滞水、潜水和承压水，按含水层的空隙性质又分为孔隙水、裂隙水和岩溶水。 通过这两种分类的组合，便得出九类不同特点的地下水，如孔隙上层滞水、裂隙潜水、岩溶承压水等等。5.

6、2 5.2 地下水的类型地下水的类型5.2.1 5.2.1 上层滞水、潜水、承压水上层滞水、潜水、承压水 上层滞水：包气带中局部隔水层之上的重力水。接受大气降水的补给，以蒸发形式或向隔水底板边缘排泄。 上层滞水对建筑物的施工有影响，应考虑排水的措施。 潜水：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 主要由大气降水、地表水和凝结水补给，当承压水与潜水有联系时，承压水也能补给潜水。潜水常以泉或蒸发的形式排泄，其动态受气候影响较大，具有明显的季节性变化特征；潜水易受地面污染的影响。 潜水等水位线图：潜水面上标高相等各点的连线图，图上必须注明测定水位的日期。一般应有最低水位和最高水位时期的

7、等水位线图。该图有以下用途： 确定潜水流向 计算潜水的水力坡度 确定潜水与地表水之间的关系确定潜水的埋藏深度确定泉或沼泽的位置 推断含水层的岩性或厚度的变化 确定给水和排水工程的位置 潜水对建筑物的稳定性和施工均有影响。建筑物的地基最潜水对建筑物的稳定性和施工均有影响。建筑物的地基最好选在潜水位深的地带或使基础浅埋，尽量避免水下施工。若好选在潜水位深的地带或使基础浅埋，尽量避免水下施工。若潜水对施工有危害，宜用排水、降低水位、隔离潜水对施工有危害，宜用排水、降低水位、隔离( (包括冻结法包括冻结法等等) )等措施处理。等措施处理。 承压水：充满于两个稳定的隔水层间的重力水。 向斜盆地(自流盆地

8、)补给区补给区排泄区排泄区承压区承压区隔水顶板隔水顶板隔水底板隔水底板承压含水承压含水层厚度层厚度初见水位初见水位承压水位承压水位承压水头承压水头地下水地下水位埋深位埋深自流区自流区自流井自流井承压水面承压水面 单斜构造(自流水斜地) 自流斜地的形成有两种情况。 承压水不具自由水面，并承受一定的静水压力。承压含水层的分布区与补给区不一致，常常是补给区远小于分布区，一般只通过补给区接受补给。承压水的动态比较稳定，受气候影响较小。水质不易受地面污染。 承压水面在平面图上用承压水等水压线图表示。所谓等水压线图就是承压水面上高程相等点的连线图。等水压线图上必须附有地形等高线和顶板等高线。承压水等水压线

9、图可以判断承压水的流向及计算水力坡度，确定初见水位、承压水位的埋深及承压水头的大小等。 承压水水头压力在承压水水头压力在有裂隙和大孔隙条件下有裂隙和大孔隙条件下可能引起基坑突涌，破可能引起基坑突涌，破坏坑底的稳定性。坏坑底的稳定性。5.2.2 5.2.2 孔隙水、裂隙水、岩溶水孔隙水、裂隙水、岩溶水 孔隙水 孔隙水存在于松散岩层的孔隙中。一般情况下，颗粒大而均匀，则含水层孔隙也大、透水性好，地下水水量大、运动快、水质好；反之，则含水层孔隙小、透水性差，地下水运动慢、水质差、水量也小。 孔隙水由于埋藏条件不同，可形成上层滞水、潜水或承压水，即分别称为孔隙上层滞水、孔隙潜水和孔隙承压水。 裂隙水

10、埋藏在坚硬岩石裂隙中的地下水称为裂隙水。岩石的裂隙按成因可分为风化裂隙、成岩裂隙和构造裂隙三种类型，相应地也将裂隙水分为三种，即风化裂隙水、成岩裂隙水和构造裂隙水。 风化裂隙水 赋存在风化裂隙中的水为风化裂隙水。绝大部分为潜水，水平方向透水性均匀，垂直方向随深度而减弱。风化裂隙水的补给来源主要为大气降水，常以泉的形式排泄于河流中。 成岩裂隙水 赋存在成岩裂隙中的地下水称为成岩裂隙水。 喷出岩中的成岩裂隙常形成层状潜水。它与风化裂隙中的潜水相似；侵入岩中的裂隙，特别是在与围岩接触的地方，常由于裂隙发育而形成富水带。 成岩裂隙中的地下水水量有时可以很大，在疏干和利用上，成岩裂隙中的地下水水量有时可

11、以很大，在疏干和利用上，皆不可忽视，特别是在工程建设时，更应予以重视。皆不可忽视，特别是在工程建设时，更应予以重视。 构造裂隙水 赋存于构造裂隙中的地下水就称为构造裂隙水。由于构造裂隙较为复杂，构造裂隙水的变化也较大，一般按裂隙分布的产状，又将构造裂隙水分为层状裂隙水和脉状裂隙水两类。 层状裂隙水：埋藏于沉积岩、变质岩的节理及片理等裂隙中。由于这类裂隙常发育均匀，能形成相互连通的含水层，具有统一的水面，可视为潜水含水层。当其上部被新的沉积层所覆盖时，就可以形成层状裂隙承压水。 脉状裂隙水：往往存在于断层破碎带中，通常为承压水性质。一般情况下，压性断层所产生的破碎带富水性较差。当遇到规模较大的张

12、性断层时，两盘又是坚硬脆性岩石，富水性强。 规模较大的张性断层沟通含水层或地表水体时，断层带规模较大的张性断层沟通含水层或地表水体时，断层带特别是富水优势断裂带兼具贮水空间、集水廊道及导水通道特别是富水优势断裂带兼具贮水空间、集水廊道及导水通道的功能，对地下工程建设危害较大。的功能，对地下工程建设危害较大。 岩溶水：埋藏于溶隙中的重力水 (喀斯特水)。一般说来，在裸露的石灰岩分布区的岩溶水主要是潜水；当岩溶化岩层被其它岩层所覆盖时，岩溶潜水可能转变为岩溶承压水。 岩溶的发育特点也决定了岩溶水的特征。岩溶水具有水量大、运动快、在垂直和水平方向上分布不均匀的特性，其动态变化受气候影响显著，由于溶隙

13、较孔隙、裂隙大得多，能迅速接受大气降水补给，水位年变幅有时可达数十米。大量岩溶水以地下径流的形式流向低处，集中排泄，即在谷地或是非岩溶化岩层接触处以成群的泉水出露地表，水量可达每秒数百升，甚至每秒数米。 在土木工程建筑地基内有岩溶水活动，不但在施工中会有在土木工程建筑地基内有岩溶水活动，不但在施工中会有突然涌水的事故发生，而且对建筑物的稳定性也有很大影响。突然涌水的事故发生，而且对建筑物的稳定性也有很大影响。因此，在建筑场地和地基选择时应进行工程地质勘察，针对岩因此，在建筑场地和地基选择时应进行工程地质勘察，针对岩溶水的情况，用排除、截源、改道等方法处理，如挖排水、截溶水的情况，用排除、截源、

14、改道等方法处理，如挖排水、截水沟，筑挡水坝，开凿输水隧洞改道等等。水沟，筑挡水坝，开凿输水隧洞改道等等。 大气降水补给 大气降水补给地下水的数量与降水性质、植物覆盖、地形、地质构造、包气带厚度及岩石透水性等密切相关。 地表水补给 地表水体指的是河流、湖泊、水库与海洋等，地表水体可能补给地下水，也可能排泄地下水。 含水层之间的补给 深部与浅层含水层之间的隔水层中若有透水的“天窗”或由于受断层的影响，使上下含水层之间产生一定的水力联系时，地下水便会由水位高的含水层流向并补给水位低的含水层。此外，若隔水层有弱透水能力，当两含水层之间水位相差较大时，也会通过弱透水层进行补给。 人工补给 包括灌溉水，工

15、业与生活废水排人地下，以及专门为增加地下水量的人工方法补给。5.3 5.3 地下水的补给、排泄与径流地下水的补给、排泄与径流5.3.1 5.3.1 地下水的补给地下水的补给 含水层失去水量的过程称做排泄。地下水排泄的方式有：蒸发、泉水溢出、向地表水体泄流、含水层之间的排泄和人工排泄等。 蒸发 通过土壤蒸发与植物蒸发的形式而消耗地下水的过程叫蒸发排泄。蒸发量的大小与温度、湿度、风速、地下水位埋深、包气带岩性等有关。 泉水 当含水层通道被揭露于地表时，地下水便溢出地表形成泉。按照补给含水层的性质，可将泉水分为上升泉与下降泉两大类。上升泉由承压含水层补给，下降泉由潜水或上层滞水补给。 向地表水泄流

16、当地下水位高于河水位时，若河床下面没有不透水岩层阻隔，那么地下水可以直接流向河流补给河水。其补给量又通过对上、下游两断面河流流量的测定计算。5.3.2 5.3.2 地下水的排泄地下水的排泄 含水层之间的排泄 一个含水层通过“天窗”、导水断层、越流等方式补给另一个含水层。对后一个含水层来说是补给，而对前一个含水层来说是排泄。 人工排泄 抽取地下水作为供水水源和基坑抽水降低地下水位等，都是地下水的人工排泄方式。5.3.3 5.3.3 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叫径流。地下水由补给区流经径流区，流向排泄区的整个过程构成地下水循环的全过程。地下水径流包括径流方向、径流速度

17、与径流量。 地下水补给区与排泄区的相对位置与高差决定着地下水径流的方向与径流速度；含水层的补给条件与排泄条件愈好、透水性愈强，则径流条件愈好。径流条件好的含水层其水质较好。此外，地下水的埋藏条件亦决定地下水径流类型：潜水属无压流动；承压水屑有压流动。5.3.4 5.3.4 地下水运动的基本定律地下水运动的基本定律 层流：地下水在岩石的孔隙或微裂隙中渗透，产生连续水流； 紊流：地下水在岩土的裂隙或溶隙中流动，具有涡流性质，各流线有互相交错现象； 混合流：层流和紊流同时出现的流动形式。 达西定律 层流遵循达西(Darcy)线性渗透定律，其公式如下： 地下水的涌水量计算 在计算流向集水构筑物的地下水

18、涌水量时，必须区分集水构筑物的类型。集水构筑物按构造形式可分为：垂直的井、钻孔和水平的引水渠道、渗渠等。 土木工程中常遇到做层流运动的地下水在井、坑或渗渠中的涌水量计算问题，其具体公式很多，可参考有关水文地质手册。5.3.5 5.3.5 地下水与工程地下水与工程 地基沉降 在松散沉积层中进行深基础施工时，往往需要人工降低地下水位。若降水不当，会使周围地基土层产生固结沉降，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，导致建筑物开裂和危及安全作用。 流砂 流砂是地下水自下而上渗流时土产生流动的现象，当地下水的动水压力大于土粒的浮容重或地下水的水力坡度大于临

19、界水力坡度时，就会产生流砂。易产生在细砂、粉砂、粉质粘土等土中。 流砂在工程施工中能造成大量的土体流动，致使地表塌流砂在工程施工中能造成大量的土体流动，致使地表塌陷或建筑物的地基破坏，能给施工带来很大困难，或直接影陷或建筑物的地基破坏，能给施工带来很大困难，或直接影响建筑工程及附近建筑物的稳定。响建筑工程及附近建筑物的稳定。 在可能产生流砂的地区，若其上面有一定厚度的土层，应尽量利用上面的土层作天然地基，也可用桩基穿过流砂，总之尽可能地避免开挖。如果必须开挖，可用以下方法处理流砂：人工降低地下水位打板桩冻结法水下挖掘 潜蚀对建筑工程的影响 潜蚀作用可分为机械潜蚀和化学潜蚀两种。这两种作用一般是

20、同时进行的。 在地基土层内在地基土层内如具有地下水的潜如具有地下水的潜蚀作用时，将会破蚀作用时，将会破坏地基土的强度，坏地基土的强度，形成空洞，产生地形成空洞，产生地表塌陷，影响建筑表塌陷，影响建筑工程的稳定。工程的稳定。 对潜蚀的处理可以采用堵截地表水流人土层、阻止地下水在土层中流动、设置反滤层、改造土的性质、减小地下水流速及水力坡度等措施。这些措施应根据当地的具体地质条件分别或综合采用。 地下水的浮托作用 当建筑物基础底面位于地下水位以下时，地下水对基础底面产生静水压力，即产生浮托力。如果基础位于粉性土、砂性土、碎石土和节理裂隙发育的岩石地基上，则按地下水位100计算浮托力；如果基础位于节

21、理裂隙不发育的岩石地基上，则按地下水位50计算浮托力；如果基础位于粘性土地基上，其浮托力较难确切地确定，应结合地区的实际经验考虑。 地下水不仅对建筑物基础产生浮托力，同样对其水位以下的岩石、土体产生浮托力。确定地基承载力设计值时，无论是基础底面以下土的天然重度或是基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下一律取有效重度。 基坑突涌 当基坑下伏有承压含水层时，开挖基坑减小了底部隔水层的厚度。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，这种工程地质现象被称为基坑突涌。 基坑底层厚度与承压水头压力的平衡关系： 地下水对钢筋混凝土的腐蚀 硅酸盐水泥遇水硬化，并且形成Ca(O

22、H)2、水化硅酸钙CaOSi0212H2O、水化铝酸钙CaOA12036H20等，这些物质往往会受到地下水的腐蚀。根据地下水对建筑结构材料腐蚀性评价标准，将腐蚀类型分为三种： 结晶类腐蚀 如果地下水中S042离子的含量超过规定值，那么S042离子将与混凝土中的Ca(OH)2起反应，生成二水石膏结晶体，这种石膏再与水化铝酸钙发生化学反应，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。 水泥中水化铝酸钙含量少，抗结晶腐蚀强，因此，要想提高

23、水泥的抗结晶腐蚀，主要是控制水泥的矿物成分。 分解类腐蚀 地下水中含有CO2和HC03： 另一方面，HC03离子含量愈高，对混凝土腐蚀性愈强。 如果地下水的酸度过大，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。 结晶分解复合类腐蚀 当地下水中NH4+、N03-、C1-和Mg2+离子的含量超过一定数量时： 综上所述，地下水对混凝土建筑物的腐蚀是一项复杂的综上所述，地下水对混凝土建筑物的腐蚀是一项复杂的物理化学过程，在一定的工程地质与水文地质条件下，对建物理化学过程，在一定的工程地质与水文地质条件下，对建筑材料的耐久

24、性影响很大。为了评价地下水对建筑结构的腐筑材料的耐久性影响很大。为了评价地下水对建筑结构的腐蚀性，必须在现场同时采两个水样，一个样重蚀性，必须在现场同时采两个水样，一个样重1kg1kg，另一个，另一个样重样重0.30.30.5kg0.5kg，并加，并加CaC0CaC03 3粉粉3 35g5g。两个样在现场立即密。两个样在现场立即密封后送实验室分析。根据水样的化学分析结果，对照国家标封后送实验室分析。根据水样的化学分析结果，对照国家标准准岩土工程勘察规范岩土工程勘察规范进行地下水侵蚀性评价，评价时还进行地下水侵蚀性评价，评价时还应考虑建筑物的环境类别和含水层的透水性。应考虑建筑物的环境类别和含水层的透水性。