土木工程地质5_第六章地下水

1、第六章 地下水 第二节 地下水的水质 第三节 地下水的类型 第四节 地下水的运动 主要内容 第五节 与工程建设 第一节 地下水的概念 地下水与人类的关系 地下水是河流补给来源之一；也积极参与水循环； 也是人类一项宝贵的自然资源，它可直接作为都市 给水、灌溉用水、工矿业用水的水源； 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； 有些矿泉具有医疗上的作用； 地下热水又可利用来发电； 地下水对农作物生长也有很大影响，如地下水水 位过高易产生盐渍化，不利于农作物生长； 地下水还往往能导致局部的动力地质地貌现象， 如山崩、滑塌、陷穴、溶洞等，对厂房建筑、水 利、交通建设等都有极大的影响，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。 地下水对人类来说是有利有弊? 赋存在地表以下岩土空隙中的水。 岩土的空隙: 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 连通性好 分布不均匀 连通性差 第一节 地下水的概念 裂隙 溶隙 孔隙 水在岩土中的存在状态 气态水 吸着水（强结合水） 结合水 薄膜水

2、（弱结合水） 液态水 毛细水 重力水（自由水） 固态水 岩土的主要水理性质 容水性 持水性 给水性 透水性 指岩土能容纳一定水量的性能。 容水性 持水性 岩土在重力作用下释水时仍能保持 一定数量水体的性能。 在重力作用下，饱水岩土能够流出 一定水量的性能。 给水性 岩土允许水透过的性能。用渗透系 数表示。 透水性 透水的 半透水的 不透水的 含水层(aquifer)： 给出并透过相当水量的岩土层。 隔水层(interlayer)： 不透水但可含水的岩土层。 含水层的形成条件：岩土层有较大空隙； 为隔水层所限；有补给来源。 （a）石灰岩可透水但无法长期储存水 （b）灰岩构成丰富地下水的含水层 第二节 地下水的水质 化学性质 PH值 矿化度 硬度 气体成分 O2 H2S CO2 离子成分 Cl- SO4-2 HCO3- Na+ K+ Ca+2 Mg+2 第三节 地下水的类型 潜水 上层滞水 承压水 地下水埋藏类型 存在于地面以下包气带中局部隔水层之上的水。 上层滞水 (1)水量不大，但季节性变化强烈。在黄土地区 是宝贵的生活水源。在寒冷地区也常作为季 节性水源。 (2)补给区和分布区是一致

3、的。 (3)一般矿化度低，但水质最易受污染。 (4)水量不大，但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。 上层滞水(perch ground water )的主要特征： 潜水 埋藏于地表以下，第一个稳定隔水层之上具 有自由水面的饱水带中的重力水。 (1)与大气相通，具自由水面。 (2)补给区和分布区是一致的。 (3)动态受气候影响较大。 (4)一般矿化度低，但水质易受污染。 (5)潜水面形状受地形影响。 潜水 (phreatic water)的主要特征： 潜水面一般呈倾斜的各种形态的曲面。 潜水面的特征 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。 地表地形的影响 当含水层厚度变大时，潜水面坡度变缓； 含水层厚度的影响 当岩层透水性变好，潜水面坡度变缓。 岩层透水性的影响 潜水的补给 大气降水; 地表水的补给； 含水层之间的补给； I.越流补给；II.直接补给 凝结水； 人工补给 潜水的补给 大气降水 河流补给潜水 潜水的补给 地表水的补给 潜水的排泄 蒸发; 泉的排泄； 向地表水排泄； 人为排泄。 潜水的排泄 泉 潜

4、水补给河流 潜水的排泄 向地表水排泄 潜水等水位线图 可解决如下问题： 1 确定潜水流向 2 确定潜水的水力坡度 3 确定潜水的埋藏深度 4 确定潜水与地表水的 关系 虚线潜水等水位线 实线地形等高线 潜水与地表水的关系 潜水补给河流河流补给潜水单侧补给 埋藏并充满于两个隔水层之间的含水层 中承受水压力的重力水。 承压水 H1初见水位 H2承压水位 H承压水头 h承压水位埋深 (1)不具自由水面，并承受一定的水头压力。 (2)补给区和分布区是不一致的。 (3)动态受气候影响不大。 (4)水质不易受污染。一般可作为良好的供水水源。 (5)最适宜在某些地质构造条件下形成。 承压水 (pressure water)的主要特征： 最适宜形成承压水的地质构造条件 1.向斜构造 承压盆地 最适宜形成承压水的地质构造条件 2.单斜构造 承压斜地 岩性变化形成承压斜地 断裂构造形成承压斜地 承压水的补给 大气降水； 地表水； 潜水。 承压水的补给 大气降水 当补给区位于河床地带时，地表水才可以 成为补给来源。 承压水的补给 地表水 当承压含水层补给区位于潜水之下，潜水 可以泄入承压含水层中构成其补给源

5、。 承压水的补给 潜水 承压水的排泄 向潜水排泄; 泉的排泄； 向地表水排泄。 当排泄区上有潜水存在时，则可以排泄 入潜水中。 承压水的排泄 潜水 当侵蚀面下切达到承压含水层时，就以泉 水形式排泄。 承压水的排泄 泉 导水断层切断含水层时，沿断层带，承压 水也可以泉的形式排泄。 承压水的排泄 泉 河谷下切至含水层，则承压水向地表水排泄。 承压水的排泄 地表水 承压水等水位线图 如图中A点： 地形标高103m，承压水位 91m，含水层顶板标高83m。 则承压水位埋深为： 1039112m 承压水头为91838 m 含水层埋深为： 1038320m 承压水等水位线图可确定 下列重要指标： 承压水位埋深 承压水头大小 含水层埋深（初见水位） 孔隙水广泛分布于第四纪松散沉积物中，其分布 规律主要受沉积物的成因类型控制。 孔隙水特点：空间分布上连续性好，相对均匀。 一般呈层状分布，同一含水层中的水有密切的水 力联系，具统一的地下水面。 地下水的含水层类型 孔隙水 上游河床中砂砾石，是良好的含水层。 中游河漫滩沉积有上细（粉细砂、粘性土 ）下粗（砂砾）的二元结构，上层构成隔 水层，下层为承压含水层

6、。 下游滨海平原上为潜水，埋藏浅不利于工 程建设，下部多层承压含水层。 冲积物中的孔隙水 上游 中游 下游 武汉市（汉口）水文地质剖面 长江一级阶地 土层厚3050m 典型二元结构 K随深度呈对数增大 上部粘性土中潜水 下部砂砾石中承压水 洪积物中的孔隙水 潜水深埋带潜水溢出带潜水下沉带 裂隙水 按成因： 风化裂隙水 成岩裂隙水 构造裂隙水 按埋藏条件： 面状裂隙水 层状裂隙水 脉状裂隙水 岩溶水 特点：空间分 布极不均匀，动 态变化强烈，流 动迅速，排泄集 中。 泉：地下水在地表的天然露头。 按水头性质分： 1. 上升泉 2. 下降泉 按出露原因分： 1. 侵蚀泉 2. 接触泉 3. 断层泉 济南泉水的形成 山东济南百脉泉 浸润线 流线等势线 下游 上游 土坝蓄水后水透 过坝身流向下游 H 隧道开挖时，地下 水向隧道内流动 第四节 地下水的运动 渗透在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象。 渗透流速V=Q/A 实际流速u=Q/A Vu 过水断面A 实际断面A 地下水运动的基本规律 Darcy定律：QKAJ 或VKJ (线性 ) 式中：Q渗流量m3/d或cm3/s； A过水断面 K渗透系

7、数m/d或cm/s， 表征岩土透水性能大小的指标。 还与水的粘滞性有关。 V渗透流速m/d或cm/s Darcy定律适合于层流（砂土）。 1856年法国学者 Darcy对砂土的渗 透性进行研究 v=kJ J v O 井的类型： 按其揭露含水层的类型分： 潜水井、承压井 按进水条件分： 完整井、非完整井 地下水向井的稳定流动 潜水完整井 QKAJ2Kxy 分离变量并积分， x从rw至R，y从hw至H， 得： 承压水完整井 QKAJ=2KxM 分离变量并积分后，得： 基坑涌水量计算: 把基坑假想为圆形大井,其引用半径: F基坑面积 第五节 地下水与工程建设 1. 地面沉降 2. 地面塌陷 3. 流砂 4. 管涌 5. 浮托作用 6. 基坑突涌 7. 对混凝土的侵蚀性 由国土资源部南京地质矿产研究所主持的长三 角地区地下水资源与地质灾害调查评价2005.3 完成。调查显示，由于过量开采地下水形成“地 面沉降”，造成长三角地区经济损失近3150亿元 。 地面沉降是由多种因素引起的地表海拔缓慢降低的 现象，是一种缓变的地质灾害，既会造成市政基础 设施、道路桥梁、港区码头、地下管线等直接损失 ，也

8、会造成运力下降、挡潮和排水等间接损失。 地面沉降 1、上海市 从1921年发现地面下沉开始，到1965年止，最大的累计沉降量已达2.63 米，影响范围达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 本上得到控制。从19661987年22年间。累计沉降量36.7毫米，年平均沉降量为1.7 毫米。 2、天津市 从19591982年间最大累计沉降量为2.15米。1982年测得市区的平均 沉降速率为94毫米。目前，最大累计沉降量已达2.5米，沉降量100毫米以上的范围 已达900平方公里。 3、北京市 自从70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）沉降量590毫米。沉降总面积超过600平方公里。而北京城区面积仅440平方公里 ，所以，沉降范围已波及到郊区。 4、西安市 地面沉降发现于1959年、1971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777毫米，年平均沉降量3070毫米的沉降中心有5 处。1983年后，西安市地面沉降趋于稳定发展，部分地区还有减

9、缓的趋势。到1988 年最大累计沉降量已达1.34米，沉降量100毫米的范围达200平方公里。 5、太原市 经1979年、1980年、1982年三次在市区600平方公里范围的测量，发现 沉降量大于200毫米的面积有254平方公里，大于1000毫米的沉降区面积达7.1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：1980年是819毫 米，1982年是1232毫米，到1987年累计沉降量达1380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、云林、嘉义、台中和台北等6个县（市），均发生了不同程度的地面沉降。 我国地面沉降的主要城市 天津市地面沉降 天津市地面沉降 西安市地面沉降 西安市地面沉降 地面塌陷 1.流土(流砂)在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范 围内土粒群同时发生移动的现象。 流土发生于地基或土坝下游渗流出逸处，不发生于土体内部。开 挖基坑或渠道时常遇到的流砂现象，属于流土破坏。细砂、粉砂 、淤泥等较易发生流土破坏。 渗透变形 2.管涌在渗流作用下，无粘性土中的细小颗粒通过较大颗粒 的孔隙，发生移动并被带出的现象 土体在渗透水流作用下，细小颗粒被带出，孔隙逐渐增大，形成 能穿越地基的细管状渗流通道，掏空地基或坝体，使其变形或失 稳。管涌既可以发生在土体内部，也可以发生在渗流出口处，发 展一般有个时间过程，是一种渐进性的破坏 1998年长江大堤 1998洪水 19981998年洪水中各种险情年洪水中各种险情60006000余处余处 (a)管涌(b)散浸 (e)塌坡 (g)漫顶 (c) 滑坡 (d) 空洞 (f)崩岸 隐患与险情 地下渗水 产生流沙 上海轨道交通4号线事故 2003年7月1日凌晨4点，正在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，随后出现大量流沙涌入 ，引起地面大幅沉降；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，因而无人员伤亡，受其影响

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