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1、第四章第四章地下水地下水及其对工程的影响及其对工程的影响一、地下水的类型与特征一、地下水的类型与特征二、地下水的埋深、水位与动态二、地下水的埋深、水位与动态三、地下水的作用及其对工程的影响三、地下水的作用及其对工程的影响本章内容本章内容Hydrologic cycle地下水地下水:是指埋藏于地下岩土体空隙中的水是指埋藏于地下岩土体空隙中的水份份。地下水的存在及运动，都会对地下岩土体地下水的存在及运动，都会对地下岩土体的成份、结构以及相关的地质地貌形态产生改的成份、结构以及相关的地质地貌形态产生改造，因而地下水也是一种动力因素，当然，它造，因而地下水也是一种动力因素，当然，它同时也是一种极端重要
2、的资源。同时也是一种极端重要的资源。一、地下水的类型与特征1 1自然界的水循环自然界的水循环地球上除了存在于各种矿物中的化合水、结合水，地球上除了存在于各种矿物中的化合水、结合水，以及为深部岩石所封存的水分以外，海洋、河流、以及为深部岩石所封存的水分以外，海洋、河流、湖泊、地下水、大气水分和冰川，共同构成地球的湖泊、地下水、大气水分和冰川，共同构成地球的水圈。水圈。而水是地球表面分布最广和最重要的的物质，并而水是地球表面分布最广和最重要的的物质，并作为最活跃的因素始终参与地球地理环境的形成和作为最活跃的因素始终参与地球地理环境的形成和发展过程，在所有自然地理过程中都不可或缺。发展过程，在所有自
3、然地理过程中都不可或缺。地地球球的的水水量量估估计计(1)(1)概念与过程概念与过程概念与过程概念与过程水不断的蒸发、输送、凝结、降落的往返运动过程水不断的蒸发、输送、凝结、降落的往返运动过程水不断的蒸发、输送、凝结、降落的往返运动过程水不断的蒸发、输送、凝结、降落的往返运动过程称为水循环。称为水循环。称为水循环。称为水循环。水循环成因：水循环成因：水循环成因：水循环成因：内因内因内因内因水的水的水的水的“三态三态三态三态”变化；变化；变化；变化；外因外因外因外因太阳辐射和地心引力。太阳辐射和地心引力。太阳辐射和地心引力。太阳辐射和地心引力。水循环过程水循环过程水循环过程水循环过程3 3 个阶
4、段：个阶段：个阶段：个阶段：蒸发（蒸发（蒸发（蒸发（EvaporationEvaporation）、降水（）、降水（）、降水（）、降水（PrecipitationPrecipitation）、）、）、）、径流（径流（径流（径流（Runoff)Runoff)；全球水循环过程和数量全球水循环过程和数量(2)水循环的类型根据水分循环的路径和规模，可分为两种：根据水分循环的路径和规模，可分为两种：根据水分循环的路径和规模，可分为两种：根据水分循环的路径和规模，可分为两种：大循环大循环大循环大循环海陆之间的水分交换过程，也称为海陆海陆之间的水分交换过程，也称为海陆海陆之间的水分交换过程，也称为海陆海陆之
5、间的水分交换过程，也称为海陆间循环。间循环。间循环。间循环。小循环小循环小循环小循环水仅在海洋或陆地内完成的循环过程。水仅在海洋或陆地内完成的循环过程。水仅在海洋或陆地内完成的循环过程。水仅在海洋或陆地内完成的循环过程。分：分：分：分：海洋小循环海洋小循环海洋小循环海洋小循环陆地小循环。陆地小循环。陆地小循环。陆地小循环。（3 3）水量平衡）水量平衡）水量平衡）水量平衡(WaterBalance)(WaterBalance)全球水量平衡方程：全球水量平衡方程：PC+PO=EC+EO 式中，式中，PC为大陆降水量为大陆降水量；PO为海洋降水量；为海洋降水量；EC为大陆蒸发量；为大陆蒸发量；EO
6、为海洋蒸发量。为海洋蒸发量。年平均大洋水平衡方程：年平均大洋水平衡方程：P+R-E=0 或或 P+R=E 即大洋年降水量加入海径流量等于大洋年蒸发即大洋年降水量加入海径流量等于大洋年蒸发量。量。全全球球年年水水量量平平衡衡(GlobalWaterBalance)2 2地下水的地下水的来源来源：一般从四个方面得到补充，包括：一般从四个方面得到补充，包括：入渗水入渗水：即大气降水和地表水渗入地下进入地下水：即大气降水和地表水渗入地下进入地下水系统中；系统中；冷凝水冷凝水：大气中的水汽因温：大气中的水汽因温度变化而过饱和冷凝为液态下度变化而过饱和冷凝为液态下渗渗如干旱沙漠中的地下水；如干旱沙漠中的地
7、下水；初生水初生水：也叫原生水，指自然因素下，：也叫原生水，指自然因素下，H H2 2、O O2 2发生发生化合而形成的化合而形成的H H2 2O O。在火山区，变质地区常见。在火山区，变质地区常见。埋埋藏藏水水：指指过过去去因因地地质质原原因因被被封封闭闭于于地地下下的的“水水包包”,现被破坏后释放出来的水。现被破坏后释放出来的水。此外还有人工补给来源以及不同类型地下水之间相互此外还有人工补给来源以及不同类型地下水之间相互补给来源等补给来源等包气带水包气带水：地表浅层不饱和水份带中的水：地表浅层不饱和水份带中的水潜水潜水：第一个广泛分布稳定隔水层上饱和带中的：第一个广泛分布稳定隔水层上饱和带
8、中的 重力水。重力水。承压水承压水：两个隔水层间含水层中的液态水。：两个隔水层间含水层中的液态水。3 3地下水的类型地下水的类型（1 1）依据埋藏特点的不同，分为：）依据埋藏特点的不同，分为：Air-containingzone包气带包气带Impermeablelayer隔水层隔水层Stagnantwater上层滞水上层滞水Unconfinedwater潜水潜水Watertable潜水面潜水面Confinedwater层间水层间水 孔隙水孔隙水（松散堆积层如，河流冲积物中）（松散堆积层如，河流冲积物中）裂隙水裂隙水（基岩、黄土裂隙）（基岩、黄土裂隙）岩溶水岩溶水（黄土、石灰岩洞穴）（黄土、石灰
9、岩洞穴）（2 2）依据含水层（含水空隙）的性质分）依据含水层（含水空隙）的性质分 水水是是自自然然界界最最常常见见的的溶溶剂剂，地地下下水水又又与与地地下下岩岩土土体体有有更更直直接接的的接接触触关关系系，同同时时地地下下水水还还承承受受一一定定的的压压力力，这这都都决决定定了了地地下下水水有有更更强强的的溶溶解解能能力力。地地下水中主要含有三类物质。下水中主要含有三类物质。4 4地下水的成份地下水的成份（1 1）气体）气体O O2 2 N N2 2 Cl Cl2 2 H H2 2S HS H2 2 NH NH3 3 CH CH4 4 CO CO 主要气体主要气体 次要气体次要气体 上上述述气
10、气体体溶溶于于水水中中，使使地地下下水水酸酸度度增增大大，促促使使地地下下水水与与岩岩石石（尤尤其其可可溶溶岩岩）发发生生反反应应造造成成溶溶蚀蚀，如如果果与建筑基础材料接触，也会对建筑基础形成腐蚀。与建筑基础材料接触，也会对建筑基础形成腐蚀。（2 2）可溶盐离子）可溶盐离子阳离子：阳离子：主要主要 K K+Na Na+Ca Ca2+2+Mg Mg2+2+次要次要 FeFe3+3+Fe Fe2+2+Mn Mn2+2+Si Si4+4+H H+NH NH+3+3阴离子：阴离子：主要主要 ClCl-SO SO2 2-4-4 HCO HCO-3-3 次要次要 OHOH-NO NO-3-3 CO CO
11、2 2-3-3 NO NO-2-2（3 3）胶体物质）胶体物质主要有主要有Fe(OH)Fe(OH)2 2 Mg(OH)Mg(OH)2 2 SiO SiO2 2(胶胶)Al(OH)Al(OH)3 3等以及一些有机质（如腐殖酸）。等以及一些有机质（如腐殖酸）。此外，自然还应携带一些极细微碎屑物质。此外，自然还应携带一些极细微碎屑物质。5 5地下水的化学物理特征地下水的化学物理特征（1 1）化学性质）化学性质u地下水的酸碱性：地下水的酸碱性：取决于水中氢离子浓度，常用取决于水中氢离子浓度，常用pH值表示。值表示。强酸性（强酸性（pH9)根据地下水根据地下水pH值的大小，将水分成以下几级：值的大小，将
12、水分成以下几级：u地下水的矿化度地下水的矿化度地下水中所含各种离子、分子与化合物的总量称为矿化度地下水中所含各种离子、分子与化合物的总量称为矿化度（mineralizeddegree)，以每升水中所含的克数（，以每升水中所含的克数（g/L)表示。表示。地下水的矿化度分类表地下水的矿化度分类表类类别别总矿化度（总矿化度（g/L)类别类别总矿化度（总矿化度（g/L)淡淡水水小于小于1弱矿化水弱矿化水13中矿化水中矿化水310高矿化水高矿化水1030咸水咸水大于大于30u地下水的硬度地下水的硬度水的硬度（水的硬度（hardnessofwater)取决于水中取决于水中Ca2+、Mg2的含的含量。硬度分
13、为：总硬度、暂时硬度、永久硬度等。量。硬度分为：总硬度、暂时硬度、永久硬度等。总硬度暂时硬度永久硬度总硬度暂时硬度永久硬度我国目前采用德国度（我国目前采用德国度（German degree)表示，表示，1德国度相当于德国度相当于1L水中含有水中含有10mg的氧化钙（的氧化钙（CaO）极软水（小于极软水（小于4.2德国度）德国度）软水（软水（4.28.4德国度）德国度）微硬水（微硬水（8.416.8德国度）德国度）硬水（硬水（16.825.2德国度）德国度）极硬水（大于极硬水（大于25.2德国度）。德国度）。（2 2）物理性质）物理性质u颜色：地下水一般是无色的，但有时由于某种离子含量较多，颜色
14、：地下水一般是无色的，但有时由于某种离子含量较多，或者富集悬浮物和胶体物质，则可显示出各种各样的颜色或者富集悬浮物和胶体物质，则可显示出各种各样的颜色;u透明度透明度:取决于其中的固体与胶体悬浮物的含量。取决于其中的固体与胶体悬浮物的含量。按透明度将地下水分按透明度将地下水分4级：级：透明的透明的微浊的微浊的浑浊的浑浊的极浑的极浑的u嗅味：地下水通常无气味，但当其中含有某些离子或某种气嗅味：地下水通常无气味，但当其中含有某些离子或某种气体时，出现特殊的气味。体时，出现特殊的气味。u味道：取决于地下水的化学成分，纯水是无味的，但由于地下味道：取决于地下水的化学成分，纯水是无味的，但由于地下水中多
15、少溶解了一些盐类或气体，因此，具有一定味感。水中多少溶解了一些盐类或气体，因此，具有一定味感。二、地下水的埋深、水位 与动态 常用的地下水分常用的地下水分类类是按埋藏特征分是按埋藏特征分为为包气包气带带水、潜水和承水、潜水和承压压水三水三类类，一般以潜水作，一般以潜水作为为地地下水的最上下水的最上层类层类型，因此，地下水中的型，因此，地下水中的许许多用多用语语多与潜水特征有关。多与潜水特征有关。指指地地下下水水面面距距离离地地面面的的高高度度在在某某一一地地区区，将将相相同同埋埋深深的的各各点点联联成成圈圈闭闭曲曲线线，则则构构成成地地下下水水等等埋埋深深线线图图，可直观判别地下水的埋藏深浅。
16、可直观判别地下水的埋藏深浅。1 1地下水的埋深地下水的埋深 指以海拔高程表示的地下水（潜水）水面的高度。指以海拔高程表示的地下水（潜水）水面的高度。将相同高程的各水面点联成圈闭曲线，则构成地下水将相同高程的各水面点联成圈闭曲线，则构成地下水等水位线图，它不能反映地下水的埋深大小（需与地等水位线图，它不能反映地下水的埋深大小（需与地形图配合使用才行），但由可它判断地下水的流向和形图配合使用才行），但由可它判断地下水的流向和流速快慢。流速快慢。2 2地下水位地下水位11地形等高线；地形等高线；22等水位线；等水位线；33等埋深线；等埋深线；44潜水流向；潜水流向；55潜水埋深为潜水埋深为0 0区；
17、区；66埋深埋深0-20-2m m区；区；77埋深埋深2-42-4m m区；区；88埋深大于埋深大于4 4m m区区 承压水位标高相同承压水位标高相同点的连线，便是承压点的连线，便是承压水等水压线。水等水压线。等水压线图，可反等水压线图，可反映承压水（位）面的映承压水（位）面的起伏情况。起伏情况。潜水面实际存在，潜水面实际存在，承压水面是一个势面，承压水面是一个势面，可与地形极不吻合，可与地形极不吻合，甚至高出地面。甚至高出地面。承压水等水压线图承压水等水压线图通常要附以含水层顶通常要附以含水层顶板等高线。板等高线。地地下下水水可可沿沿岩岩石石中中的的连连通通孔孔隙隙或或土土颗颗粒粒间间隙隙作
18、作缓缓慢慢流流动动，称称为为渗渗流流。在在工工程程地地质质中中，一一般般将将渗渗流流作作为为层层流对待，因此其流动符合达西定律；即：流对待，因此其流动符合达西定律；即：Q=k.A.iQ=k.A.i Q Q渗透流量渗透流量m m3 3/d/d；kk渗透系数渗透系数m/dm/d A A过水断面积；过水断面积；ii水力坡度。水力坡度。3 3地下水的运动地下水的运动（1 1）达西定律）达西定律 其其中中渗渗透透系系数数k k值值是是衡衡量量所所有有岩岩土土体体渗渗透透性性大大小小的主要指标，一般规定：的主要指标，一般规定：k0.001m/d k0.001m/d 称透水层称透水层k0.001m/d k0
19、.001m/d 称隔水层称隔水层各类岩土的渗透系数值可参考相关资料。各类岩土的渗透系数值可参考相关资料。地下水的运地下水的运动动尽管尽管缓缓慢，但慢，但对对地下岩土体仍可地下岩土体仍可产产生生较较大程度的冲刷，如黄土中大程度的冲刷，如黄土中经经常出常出现现的地下土洞的地下土洞就是地下水冲刷作用的就是地下水冲刷作用的结结果。果。(2)(2)地下径流地下径流概念：地下水在岩土空隙中的流概念：地下水在岩土空隙中的流动过动过程。程。地下径流量的表示方法地下径流量的表示方法-径流模数（径流率）径流模数（径流率）单位（单位（1km2）含水层面积上的地下水流量（）含水层面积上的地下水流量（m3/Skm2）年
20、平均地下径流率年平均地下径流率公式：公式：（3 3）地下水流向井的稳定运动）地下水流向井的稳定运动 u地下水向潜水完整井运动地下水向潜水完整井运动裘布依公式：裘布依公式：K渗透系数，渗透系数，md；H潜水含水层天然水位，潜水含水层天然水位，m；h井内动水位至含水层底板的距离，井内动水位至含水层底板的距离，m；sw=H-hR影响半径，影响半径，m；rw井半径或管井井半径或管井过滤过滤器半径器半径，m。u地下水向承压水完整井运动地下水向承压水完整井运动M承压含水层厚度，承压含水层厚度，m；s承压井抽水时井内的承压井抽水时井内的水位下降值，水位下降值，m。裘布依公式：裘布依公式：4 4地下水的地下水
21、的动态动态*在各种有关因素的影响下，地下水的水位、水量、在各种有关因素的影响下，地下水的水位、水量、水质随时间作有规律变化的过程，称为地下水动态。水质随时间作有规律变化的过程，称为地下水动态。u自然因素：自然因素：气象、水文、地质、土壤和生物等气象、水文、地质、土壤和生物等潜水动态，气象和水文因素的作用是主要的。潜水动态，气象和水文因素的作用是主要的。承压水动态，气象和水文因素的影响较小，而地质因素的影响承压水动态，气象和水文因素的影响较小，而地质因素的影响相对增强。相对增强。（1）地下水动态的影响因素）地下水动态的影响因素u人为因素：人为因素：采水、排水、修建水库，利用地表水灌溉，跨采水、排
22、水、修建水库，利用地表水灌溉，跨流域调水等流域调水等（2）地下水天然动态类型）地下水天然动态类型渗入渗入蒸发型动态：蒸发型动态：主要出现于干旱、半干旱的平原与山间主要出现于干旱、半干旱的平原与山间盆地中；盆地中；渗入渗入径流型动态：径流型动态：补给来自降水或地表水的入渗，排泄则补给来自降水或地表水的入渗，排泄则主要为水平的径流流泄。主要为水平的径流流泄。渗入渗入蒸发、径流型动态：蒸发、径流型动态：主要分布于湿润气候下的平原。主要分布于湿润气候下的平原。三、地下水的作用及其对工程的影响*潜潜蚀蚀：地下水：地下水对对地下岩土体的地下岩土体的化学溶化学溶蚀蚀与与机械冲刷机械冲刷作用，称作用，称为为潜
23、潜蚀蚀。黄土塌陷黄土塌陷地下岩溶地下岩溶指指地地下下水水通通过过运运动动对对岩岩土土体体造造成成的的机机械械冲冲刷刷与与携携带带作用。在建筑地基岩石中，其作用形式主要有：作用。在建筑地基岩石中，其作用形式主要有：1 1地下水的冲蚀作用地下水的冲蚀作用（1 1）流土与管涌）流土与管涌流土流土：指成份比较均一（级配良好）的固体颗粒随地：指成份比较均一（级配良好）的固体颗粒随地下水运动而从岩土体中流失的过程。下水运动而从岩土体中流失的过程。管涌管涌：指细颗粒在水头作用下从大颗粒支架起的空隙：指细颗粒在水头作用下从大颗粒支架起的空隙中运动流失进而造成岩土体结构瓦解的作用（中运动流失进而造成岩土体结构瓦
24、解的作用（级配级配不良，如：在河床相沉积层中）。不良，如：在河床相沉积层中）。（2 2）黄土岩溶）黄土岩溶指指地地下下水水的的掏掏挖挖引引起起黄黄土土上上层层塌塌陷陷形形成成黄黄土土漏漏斗斗（碟）、窝穴等类似可溶岩区岩溶的现象。（碟）、窝穴等类似可溶岩区岩溶的现象。2 2地下水对建筑基础的腐蚀地下水对建筑基础的腐蚀 地地下下水水以以其其溶溶解解能能力力及及携携带带酸酸性性成成份份的的化化学学反反应应能能力力对对可可溶溶岩岩（石石灰灰岩岩、白白云云岩岩、建建筑筑砼砼基基础础等等）进进行行溶溶解解侵侵蚀蚀、携携带带以以及及再再结结晶晶的的过过程程称称为为地地下下水水的的溶蚀作用。溶蚀作用。CaCO
25、3+H2O+CO2Ca(HCO3)2地地下下水水对对建建筑筑基基础础中中的的某某些些材材料料也也可可产产生生腐腐蚀蚀，导导致致其其结结构构瓦瓦解解，力力学学强强度度大大大大降降低低，从从而而影影响响地地面面建建筑的安全稳定，主要表现为三种形式。筑的安全稳定，主要表现为三种形式。结晶类腐蚀结晶类腐蚀结晶分解复合类腐蚀结晶分解复合类腐蚀分解类腐蚀分解类腐蚀结晶类腐蚀结晶类腐蚀 指地下水中指地下水中SOSO2 2-4-4超标超标SOSO2 2-4-4+Ca(OH)+Ca(OH)2 2 CaSO CaSO4 42H2H2 2O O 二水石膏二水石膏CaSO42HCaSO42H2 2O+CaOAlO+C
26、aOAl2 2O O3 36H6H2 20 0 水化硫铝酸水化硫铝酸钙钙 （水泥杆菌）（水泥杆菌）体积膨胀一倍以上，使砼结构撑胀破坏。体积膨胀一倍以上，使砼结构撑胀破坏。分解类腐蚀分解类腐蚀 类似岩溶的形成，主要是腐蚀性类似岩溶的形成，主要是腐蚀性COCO2 2含量过高，含量过高，促使反应向右进行，导致砼中的促使反应向右进行，导致砼中的CaCOCaCO3 3溶解流失，溶解流失，结构瓦解。结构瓦解。CaCOCaCO3 3+H+H2 2O+COO+CO2 2 Ca(HCO Ca(HCO3 3)2 2注意：此类腐蚀的发生要求地下水须是流动的！注意：此类腐蚀的发生要求地下水须是流动的！结晶分解复合类腐
27、蚀结晶分解复合类腐蚀 地下水中地下水中NHNH+4+4、NONO-3-3、ClCl-和和MgMg2+2+离子含量超标，与离子含量超标，与砼中的砼中的Ca(OH)Ca(OH)2 2反应，生成反应，生成Mg(OH)Mg(OH)2 2、CaSOCaSO4 4HH2 2O O和和CaClCaCl2 2，其中其中CaSOCaSO4 4HH2 2O O又会进一步化合形成水泥杆菌，又会进一步化合形成水泥杆菌，而而CaClCaCl2 2溶解度大，易流失，总体都破坏了砼的原有溶解度大，易流失，总体都破坏了砼的原有结构，造成建筑基础破坏。结构，造成建筑基础破坏。结晶类腐蚀：水样中结晶类腐蚀：水样中SOSO4 4-
28、2-2含量含量 分解类腐蚀：水样中侵蚀性分解类腐蚀：水样中侵蚀性COCO2 2、HCOHCO-3-3离子和离子和H H+含量。含量。结晶分解复合类腐蚀：结晶分解复合类腐蚀：NHNH 4 4 +、NHNH 2 2-、SOSO4 4-2-2、MgMg2+2+、ClCl-含量。含量。*腐蚀性评价指标。腐蚀性评价指标。注：既使建筑基础未浸没有于潜水面以下，也应提取持注：既使建筑基础未浸没有于潜水面以下，也应提取持力层土样，对土中水进行腐蚀性检验（单位：力层土样，对土中水进行腐蚀性检验（单位：mg/kgmg/kg）。）。此外，地下水位的升降引起建筑基础浮托扬压力增此外，地下水位的升降引起建筑基础浮托扬压力增大和地面沉降以及基坑、洞室开挖中凿通含水层导大和地面沉降以及基坑、洞室开挖中凿通含水层导致涌水等也是地下水影响工程建设和运行的重要方致涌水等也是地下水影响工程建设和运行的重要方面！面！基基坑坑涌涌水水洞洞室室开开挖挖