地下水(工程地质)课件.ppt
第5章 地下水,工程地质,工程地质 第5章 地下水,主要内容,1. 地下水的基本概念,2. 地下水的类型,3. 地下水的补给、径流、排泄,4. 地下水与工程,工程地质 第5章 地下水,5.1 基本概念,一、岩石的空隙,岩石的空隙，作为储存地下水的场所和地下水的运移通道时，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 溶隙,工程地质 第5章 地下水,孔隙度的大小主要取决于密实程度及分选情况，另外颗粒形状及胶结充填情况也影响孔隙度。对于粘性土，结构及次生孔隙常是影响孔隙度的重要因素。,一、岩石的空隙,1、孔隙（松散介质） 存在于松散岩石中，大小和分布都比较均匀，连通性好。其发育程度用孔隙度（n）表示：,工程地质 第5章 地下水,一、岩石的空隙,1-分选良好，排列疏松的砂2-分选良好，排列紧密的砂3-分选不良，含泥砂的砾石4-经过部分胶结的砂岩5-具有结构性孔隙的粘土6-经过压缩的粘土,工程地质 第5章 地下水,一、岩石的空隙,下面试样哪个孔隙度大？哪个小？ 试样：砾石 砂石 混合样,工程地质 第5章 地下水,一、岩石的空隙,表5-1松散岩石孔隙度参考数值,工程地质 第5章 地下水,一、岩石的空隙,2、裂隙（坚硬岩石）,工程地质 第5章 地下水,一、岩石的空隙,2、裂隙（坚硬岩石） 大小和分布都不均匀，连通性差，其发育程度用裂隙率表示（Kt） ：,裂隙岩体：从水的赋存与运移角度来看，裂隙的描述包括 裂隙的连通性（组数、产状、长度和密度）张开性（裂隙宽度）裂隙率等,工程地质 第5章 地下水,一、岩石的空隙,3、溶隙(可溶岩石）,工程地质 第5章 地下水,一、岩石的空隙,3、溶隙(可溶岩石）,工程地质 第5章 地下水,一、岩石的空隙,3、溶隙(可溶岩石）,工程地质 第5章 地下水,一、岩石的空隙,3、溶隙(可溶岩石） 在裂隙基础，水流对可溶岩进一步作用的结果 是扩大了的裂隙,大小和分布极不均匀，连通性更差，其发育程度用溶隙率表示（Kk）：,工程地质 第5章 地下水,一、岩石的空隙,研究岩石的空隙时，不仅要研究空隙的多少，还要研究空隙的大小、空隙间的连通性和分布规律。 松散土孔隙的大小和分布都比较均匀，且连通性好，所以，孔隙度可表征一定范围内孔隙的发育情况； 岩石裂隙无论其宽度、长度和连通性差异均很大，分布也不均匀，因此，裂隙率只能代表被测定范围内裂隙的发育程度。 可溶岩中的溶隙大小相差悬殊，分布很不均匀，连通性更差，所以，溶隙率的代表性更差。,工程地质 第5章 地下水,二、岩石中水的存在形式,气态水固态水液态水,结合水重力水毛细水,工程地质 第5章 地下水,三、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。主要是砂类。 构成条件：一是岩石中要有空隙存在，并充满足够数量的 重力水；二是所含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。页岩、板岩、粘土（致密）弱透水层渗透性很差，给出的水量微不足道，但在较大水力梯度作用下，具有一定的透水能力的岩层各种粘土，泥质粉砂岩,工程地质 第5章 地下水,三、含水层与隔水层,岩石按透水程度分类,工程地质 第5章 地下水,四、地下水的物理化学性质,物理性质温度、颜色、透明度、气味、味道、导电性及放射性化学性质 气体成分：N2、O2、CO2、H2 离子成分：Na+、K+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3-等 胶体成分与有机质：Fe(OH)3、AL(OH)3和H2SiO3等,工程地质 第5章 地下水,5.2 地下水的类型,地下水分类表,上层滞水,工程地质 第5章 地下水,一、按埋藏条件的分类,工程地质 第5章 地下水,上层滞水,包气带中局部隔水层之上的重力水。分布范围有限，埋藏接近地表，接受大气降水的补给，补给区与分布区一致，水量动态变化很不稳定。上层滞水对建筑物的施工有影响，应考虑排水的措施。,工程地质 第5章 地下水,潜水,一、基本概念埋藏在地面以下第一个稳定隔水层之上具有自由水面的重力水。潜水主要分布于第四纪松散沉积层中，出露地表的裂隙岩层或岩溶岩层中也有潜水分布。,工程地质 第5章 地下水,潜水,二、要素,1-潜水含水2-隔水层 3、4 潜水面 潜水位 M-含水层厚度D-潜水埋深,工程地质 第5章 地下水,潜水,三、特征,与大气相通，具自由水面；潜水面形状受地形影响；动态受气候影响较大；水循环交替迅速：水循环周期短，更新恢复快；受人为因素影响也显著，易污染；补给区与分布区一致。,工程地质 第5章 地下水,潜水,四、潜水等水位线图,潜水面：潜水含水层的自由水面。潜水面通常是个波状起伏的面，其形状与潜含水层的补给、排泄和渗透性能等有关。潜水位：潜水面上各点的高程称为潜水位。潜水等水位线：潜水位相等的各点的连线。潜水等水位线图：按一定间距连成的等水位线组成的图。潜水等水位线图即潜水面的等高线图。,工程地质 第5章 地下水,潜水,确定潜水流向，相邻两等水位线间的垂直线即为潜水的流向。计算水力坡度 用垂直线的长度去除两端的高差，即得潜水的水力坡度。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给水层的岩性或厚度的变化确定给水和排水工程的位置,工程地质 第5章 地下水,承压水,一、概念,充满两个稳定的隔水层之间的重力水。,工程地质 第5章 地下水,承压水要素,承压含水层隔水顶板隔水底板承压含水层厚度（M）埋深（D）测压水位线（面）：承压高度-H补给区承压区排泄区自溢区,工程地质 第5章 地下水,承压水,三、特点,无自由水面，承受一定静水压力；分布区与补给区不一致；动态稳定；水质不易受污染；在基坑开挖过程中可能引起基坑突涌。,工程地质 第5章 地下水,承压水,四、形成承压含水层的地质构造,（1）向斜盆地（自流盆地）,工程地质 第5章 地下水,承压水,四、形成承压含水层的地质构造,（2）单斜构造（自流水斜地）,岩性变化形成的自流斜地,断块构造形成的自流斜地,工程地质 第5章 地下水,承压水,四、形成承压含水层的地质构造,（2）单斜构造（自流水斜地）,工程地质 第5章 地下水,二、按含水层孔隙性质分类,1、孔隙水 赋存于松散岩层中，水力联系均匀；其存在条件和特征取决于岩石的孔隙情况。广泛存在于平原地区。,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,工程地质 第5章 地下水,二、按含水层孔隙性质分类,2、裂隙水,埋藏在坚硬岩石的裂隙中。在基岩裂隙系统中，打井取水、开挖或观测地下水会有许多与孔隙水完全不同的现象：,工程地质 第5章 地下水,二、按含水层孔隙性质分类,2、裂隙水,裂隙水空间分布不均匀：局部发育，呈脉状分布，导致同一岩层中相距很近的钻孔，水量悬殊；渗透的各向异性：一般第三方向不发育，空间展布具有方向性（不同方向发育差异）；水力联系不统一：裂隙连通性较差，很难形成统一的含水层，当不同方向相连通时形成裂隙含水系统。坚硬基岩的裂隙率，要比松散岩石的孔隙度小一到两个数量级。裂隙水的埋藏和分布主要受地质构造、岩性、地貌等条件的控制,工程地质 第5章 地下水,二、按含水层孔隙性质分类,2、裂隙水 按成因可分为： 风化裂隙水：多为潜水，水平方向透水性比较好，垂直方向随深度而减弱，补给源为大气降水。 成岩裂隙水：成岩裂隙为岩石在形成过程中所产生的空隙，常见于岩浆岩中，尤以玄武岩最为发育。透水性好 构造裂隙水：受构造运动应力作用而形成，分为层状和脉状，水力分布极不均匀。,工程地质 第5章 地下水,二、按含水层孔隙性质分类,2、裂隙水,工程地质 第5章 地下水,二、按含水层孔隙性质分类,3、岩溶水 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极不均匀的特性。其动态变化受气候影响显著，大量岩溶水以地下径流的形式流向低处，集中排泄。,工程地质 第5章 地下水,5.3 地下水的补给、径流、排泄,工程地质 第5章 地下水,一、地下水的补给,1、大气降水补给：主要补给来源，补给数量取决于降水性质、地表植被、地形、地质构造、包气带厚度及岩石透水性。2、地表水补给：主要取决于河水位和地下水位相对高低关系。在上游没有补给作用，在中下游则存在较大的补给作用。3、含水层之间的补给：隔水层中有透水“天窗”或受断层影响，上下含水层产生水力联系；隔水层有弱透水能力时，上下含水层水位相差较大时，上下含水层产生水力联系。 4、人工补给,工程地质 第5章 地下水,二、地下水的排泄,1、蒸发（面状排泄）：土壤蒸发与植物蒸腾。影响因素主要有温度、湿度、风速、地下水位埋深、包气带岩性等。是干旱地区地下水排泄主要形式。2、泉（点状排泄）：泉是地下水的天然露头，是地下水排泄的主要方式之一。地形强烈切割山区。有上升泉和下降泉之分。3、向地表水泄流（线状排泄）4、含水之间的排泄5、人工排泄,工程地质 第5章 地下水,二、地下水的排泄泉spring,泉是地下水的天然露头，多为“点”状，属径流排泄泉的出露是地形、地质与水文地质条件有机结合的结果，据补给泉的含水层类型可将泉划分为上升泉、下降泉。1.下降泉(出露潜水含水层中的泉） 根据出露条件又将下降泉分为：侵蚀泉：地形切割到潜水面接触泉：地形切割至隔水底板溢流泉：水流在前方受阻，水位抬升，而溢流成泉,工程地质 第5章 地下水,泉spring下降泉,侵蚀泉：地形切割到潜水面 接触泉：地形切割至隔水底板 溢流泉：水流在前方受阻，水位抬升，而溢流成泉,工程地质 第5章 地下水,泉spring上升泉,2. 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：侵蚀泉，断层泉，接触带泉,工程地质 第5章 地下水,济南的泉,济南泉水数量之多在中国城市之中可谓罕见。众多清冽甘美的泉水从城市当中涌出，汇为河流、湖泊。盛水时节，在泉涌密集区，呈现出“家家泉水，户户垂杨”的绮丽风光。 济南城内百泉争涌，向有名泉七十二之说。其实，历代诸家所记不尽相同。济南泉水亦不止72处，仅市区就有大小泉池百余处。 济南以“泉城”而闻名，泉水之多可算是全国之最了。平均每秒就有4立方米的泉水涌出来。比较著名的泉就有四个：趵突泉、黑虎泉、珍珠泉、金线泉等，仅趵突泉每天就涌出7万立方米的泉水。,工程地质 第5章 地下水,济南的泉,为什么济南的泉水这么多呢？ 这主要与济南的地形结构有关系。它的南面是一片山区，是山东有名的千佛山；北面是平原，济南位于山区和平原的交界线上。 这里的山区是由石灰岩组成的，而平原的泥土底下也隐藏着岩浆岩。山区的石灰岩大约是在4亿年前形成的，其质地比较纯，它以大约30的斜度由南向北倾斜。石灰岩本身不很紧密，有空隙、裂隙和洞穴，能储存和输送地下水。地下水顺着石灰岩层的倾斜，大量地流向济南。成了济南泉水的水源。在平原下的岩浆岩，它的组织很紧密。所以地下水流到这里后碰到岩浆岩的阻挡就流不过去,工程地质 第5章 地下水,济南的泉,了。岩浆岩上又覆盖着一层不透水的粘土层，地下水就不能自由地流出地面。这些被拦阻的大量地下水凭着强大的压力，从地下的裂隙中涌上地面，就形成了这些著名的泉水，趵突泉就是其中最著名的一个。 趵突泉水分三股，昼夜喷涌，水盛时高达数尺。所谓“趵突”，即跳跃奔突之意，反映了趵突泉三窟迸发，喷涌不息的特点。趵突泉水从地下石灰岩溶洞中涌出，其最大涌量达到24万立方米/日，出露标高可达26.49米。水清澈见底，水质清醇甘洌，是理想的天然饮用水，可以直接饮用。趵突腾空为明清时济南八景之首。,工程地质 第5章 地下水,济南的泉,趵突泉,工程地质 第5章 地下水,济南的泉,黑虎泉,工程地质 第5章 地下水,济南的泉,珍珠泉为济南第三大名泉。珍珠泉泉池长42米、宽29米，周围砌以雪花石栏，岸边杨柳轻垂，泉水清澈如碧，一串串白色气泡自池底冒出，仿佛飘撒的万颗珍珠，迷离动人 。传说，珍珠泉的串串“珍珠”是当年舜的两个妃子娥皇和女英的眼泪所化。,珍珠泉,工程地质 第5章 地下水,济南的泉,近年来由于济南市的水文情况，最近十年来趵突泉经常陷入季节性停喷的窘境，2001年时更是创下了停喷890天的历史纪录。泉水停喷从一个方面说明了当前环境保护的重要性。在采取加大地下水的保护和放水保泉等措施后，自2003年9月以来，趵突泉已经基本上恢复了四季泉水不断的景象。后来，在2007年5至6月有一次断涌，不过，在济南718暴雨事件后，趵突泉再次恢复了四季泉水不断的景象。,工程地质 第5章 地下水,济南的泉,济南黑虎泉流量增大再现“黑虎啸天” 市民打水忙（2007.7.21）,工程地质 第5章 地下水,济南的泉,工程地质 第5章 地下水,南京的珍珠泉,由老山山体震旦系上统石灰岩、白云岩，在含CO2水流长溶蚀作用下形成了一系列存水洞穴，后经印支燕山构造运动，使老山山体断裂构造发育，地下水沿断裂带上升，,形成上升泉，珍珠泉为浅层地下水与循环上升水的深层地下水掺合而成的承压上升泉，富水性强，出水量大，水温变幅小，它自深层灰岩洞穴中上升，以表层晚白垩系裂隙喷出，形如珠帘涌出，状似海龙吞玉的优美状观景象。,工程地质 第5章 地下水,南京珍珠泉,工程地质 第5章 地下水,三、地下水的径流,地下水径流方向呈现复杂多变的特点，受沿程地形、含水层条件影响。但总的流动方向是自势能高处向势能低处流动，流向总是垂直于等水位线的方向。径流强度则与含水层的透水性、补给区与排泄区间的水力坡度成正比，山区径流条件好，平原差。径流条件好，则水质好。,径流：地下水由补给区流向排泄区的过程。,工程地质 第5章 地下水,四、地下水运动的基本定律,1、水流的三种运动形式,层流：水质点有秩序地呈相互平行而不混杂的运动。紊流：水质点相互混杂而无秩序的运动。混合流：介于二者之间的流动方式。地下水流速一般非常缓慢，实际流速一般是每日几米，雷诺数很小，一般小于1，因此大多数情况下地下水呈层流运动。,工程地质 第5章 地下水,四、地下水运动的基本定律,2、线性渗透定律达西定律,式中：Q单位时间内透过的水量；A渗透水流过水断面面积；L渗透路线长度；H渗透路径长度上的水头损失,工程地质 第5章 地下水,四、地下水运动的基本定律,2、线性渗透定律达西定律,令比值 ，I为水力坡度（单位渗透长度上的水头损失量）。则有：,即：渗透速度与水力坡度的一次方成正比。,工程地质 第5章 地下水,四、地下水运动的基本定律,2、线性渗透定律达西定律,渗流速度v ：对于地下水而言，并不是单个水质点的流速，而是流量相同过水断面全部被水充满条件下的平均流速，实际过水断面A1=An，因此实际流速v1=v/n； 水力坡度I：为沿程水头损失，地下水在空隙中流动时克服摩擦阻力多消耗的以水头形式表现的能量；渗透系数K：是反映含水层透水性能的重要水文地质参数，与介质性质有关（粒度成分、颗粒排列状况等） 。(P58表5.4）,工程地质 第5章 地下水,四、地下水运动的基本定律,2、线性渗透定律达西定律,常见松散岩石渗透系数值,工程地质 第5章 地下水,四、地下水运动的基本定律,3、地下水的涌水量计算,集水构筑物按构造形式：垂直的井、钻孔和水平的引水渠道渗渠等。潜水井、承压水井。按井完整程度又可分为完整并及不完整井两种类型 具体计算时可参照水文地质手册选择相应的公式。,工程地质 第5章 地下水,四、地下水运动的基本定律,3、地下水的涌水量计算,地下水向潜水完整井的稳定流运动,地下水向承压非完整井的稳定流运动,工程地质 第5章 地下水,5.4 地下水与工程,地基沉降 流砂 潜蚀 地下水的浮托作用 基坑突涌 地下水对钢筋混凝土的腐蚀,工程地质 第5章 地下水,一、地基沉降,由降水不当所引起，其产生原因如下：1、抽水带走软土层中的细小颗粒，引发不均匀沉降。2、抽水所产生的降落漏斗范围内土层发生渗透固结。,工程地质 第5章 地下水,地面沉降,工程地质 第5章 地下水,地面沉降,到2003年，全国有50多个城市发生了地面沉降和地裂缝灾害，沉降面积扩展到9.4万平方千米，其中长江三角洲、华北平原和汾渭盆地等地区最为严重。长江三角洲地区累积沉降超过200毫米的面积近10000平方千米，占区域总面积的1/3，并出现了地裂缝灾害。江苏省苏锡常地区沉降面积已达5700平方公里，约占苏锡常平原面积的一半，沉降中心最大沉降量达2.8米。 华北平原最大沉降量已经超过3.1米，沿海一带已出现负标高地区20平方千米，风暴潮灾害非常严重。受基底断块差异影响，出现了20多条地裂缝，最长达4千米。,工程地质 第5章 地下水,地面沉降,（1）降低城市抵御洪水、潮水、海水入侵的能力。 （2）地面沉降引起桥墩、码头、仓库地坪下沉，桥面净空减小，不利于航运。 （3）地面沉降还会引起建筑物向沉降中心的水平移动，使建筑物倾斜或破坏，桥墩错断，铁路和管道凸起拉断。,2003年7月7日雨后在西安工大沉降中心形成积水,地面沉降太原市武家庄村房屋倒塌,地面沉降导致太原市武家庄村常年积水、房屋开裂,上海市地面沉降使防讯堤3次加高加固,工程地质 第5章 地下水,二、流砂,工程地质 第5章 地下水,二、流砂,地下水顺流而上渗流时产生的水沙流动现象。产生原因:水力坡度大于临界水力坡度或动水压力大与浮容重,工程地质 第5章 地下水,二、流砂,危害：出现流砂现象时，土完全丧失承载力，土体边挖边冒流砂，至使施工条件恶化，基坑难以挖到设计深度。严重时会引起基坑边坡塌方；临近建筑因地基被掏空而出现开裂、下沉、倾斜甚至倒塌。处理方法：,人工降低地下水水位打板桩、地下连续墙、压密注浆法冻结法防止地表水的入渗,工程地质 第5章 地下水,三、潜蚀,在较高的渗透速度或水力梯度作用下，地下水流从孔隙或裂隙中携出细小颗粒的作用。分为机械潜蚀和化学潜蚀。地下形成空洞，产生地表塌陷。,工程地质 第5章 地下水,三、潜蚀,处理方法：防止地表水的流入、阻止地下水的流动、设置反滤层等。,反滤层是指在井或渗渠进水处铺设的粒径沿水流方向由细到粗的级配砂砾层。一般由2-4层颗粒大小不同的砂、碎石或卵石等材料做成的，顺着水流的方向颗粒逐渐增大，任一层的颗粒都不允许穿过相邻较粗一层的孔隙。同一层的颗粒也不能产生相对移动。设置反滤层后渗透水流出时就不走堤坝体或地基中的土壤，从而可防止管涌和流土的发生。,工程地质 第5章 地下水,四、地下水的浮托作用,暴雨致南京地铁二号线隧道床上浮 致交通混乱,2011年8月22日下午14:47，南京地铁二号线孝陵卫站往苜蓿园站区间一处轨道出现异常，导致该区间两趟列车运营中断，但未有乘客伤亡。经初步检查，连日大雨造成地下水位上升，引起这一区间一段混泥土隧道床上浮，最终引起列车停运故障。截至记者发稿时，地铁方仍在对故障区间进行抢修。,工程地质 第5章 地下水,四、地下水的浮托作用,地下水对基础产生的静水压力,抗浮设计水位地下水对基础浮力的确定方法：静水环境，可通过阿基米德公式计算。再根据基础埋置深度及地层条件进行调整或折减。,地下水对岩土体的浮托力,地下水位以下土的重度一律取有效重度。,工程地质 第5章 地下水,五、基坑突涌,基坑下伏承压含水层时，基坑开挖减小了底部隔水层的厚度。隔水层较薄经受部不住承压水头压力时，承压水冲破基坑底板的现象。 底板安全厚度的验算处理措施：降压,工程地质 第5章 地下水,六、地下水对钢筋混凝土的腐蚀,1、结晶类腐蚀：体积膨大，硫酸腐蚀（SO4) 2、分解类腐蚀：碳酸腐蚀(CO2) 3、结晶分解复合腐蚀,所以为了评价地下水对建筑结构的腐蚀性，必须现场采取水样进行分析，并根据水样的化学分析结果，对照国家标准岩土工程勘察规范进行地下水侵蚀性评价，评价时还应当考虑建筑物场地的环境类别和含水层的透水性。,工程地质 第5章 地下水,思考题和习 题,1）什么叫孔隙度？孔隙度大与孔隙大有区别吗？2）坚硬的花岗岩、砂岩、灰岩的空隙特征有何异同点？（可以通过查阅资料和文献回答） 3) 习题5.2(P61) 4) 习题5.3(P61) 5）习题5.4(P61) 6）习题5.8(P61),
