工程地质学第五章地下水ppt课件.ppt

第5章 地下水,1,A,内容提要 5.1概述 5.2地下水的类型及其主要特征 5.3地下水的性质 5.4地下水对工程建筑的影响,2,A,地下水是赋存在地表以下岩土空隙中的水。岩土的空隙:松散沉积物中的孔隙坚硬岩石中的裂隙可溶性岩石中的溶隙,连通性好,分布不均匀,连通性差,5.1概述,1、概念,3,A,地下水分布很广，与人们的生产、生活和工程活动密切相关： 地下水是饮用、灌溉和工业用水的重要来源。 地下水与土和岩石相互作用，使岩土体的强度和稳定性降低，产生各种不良的自然地质现象和工程地质现象。如：滑坡、岩溶、潜蚀、地基沉陷、道路冻胀和翻浆等 若地下水中的侵蚀性化学成分(CO2、SO42-、Cl-)含量过多，会对建筑物基础的混凝土产生侵蚀作用，导致结构破坏。 在工程上必须对地下水问题予以重视，以保证建筑物的安全稳定和正常使用。,4,A,5,A,2、地下水及含水层,地下水有气态、液态和固态三种形式。 根据岩土中水的物理力学性质可将地下水分为：气态水、结合水、毛细水、重力水、固态水以及结晶水和结构水。,6,A,A产生毛细压力，使砂土（主要是细砂、粉砂）具有一定的粘聚力（假粘聚力）；土粒之间由于这种毛细压力而挤紧，土因而具有微弱的粘聚力（毛细粘聚力）。,它指在岩土细小的孔隙和裂隙中，受毛细作用控制的水，它是岩土中三相界面上毛细力作用的结果。,（1）毛细水,7,A,B毛细水会影响土中气体的分布与流通，常常会导致产生封闭气体； C当地下水位埋深变浅时，由于毛细水上升，可助长地基土的冰冻现象；使地下室潮湿；危害房屋基础及公路路面，促使土的沼泽化、盐渍化。,8,A,（2）重力水（自由水）,重力水指存在于岩石颗粒之间，结合水层之外，不受颗粒静电引力的影响，可在重力作用下运动的水。 一般所指的地下水如井水、泉水、基坑水等都是重力水，它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。,9,A,含水层(aquifer)： 能够给出并透过相当水量的岩土层。隔水层(aquiclude)： 不透水但可含水的岩土层。含水层的形成条件： 一是岩石中要有空隙存在，并充满足够数量的重力水；二是这些重力水能够在岩石空隙中自由运动。,10,A,3、岩土的水理性质,1.含水性容水度:岩土空隙完全被水充满时的含水量。持水度:岩土在重力作用下释水时仍能保持的含水量。2.给水性:岩土在重力作用下能自由排出的含水量. 给水度=容水度持水度3.透水性:岩土可透过水的性能.用渗透系数表示。,11,A,在水位差作用下，水透过土体孔隙的现象称为渗透,土坝蓄水后水透过坝身流向下游,12,A,地下水的运动形式:,地下水在土中孔隙或微小裂隙中以不大的速度连续渗透时属层流运动；而在岩石的裂隙或空洞中流动时，速度较大，会有紊流发生，其流线有互相交错的现象。 层流：水质点有秩序地呈相互平行而互不干扰的运动。 紊流：水质点相互干扰而呈无秩序的运动。,13,A,4、达西定律,1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究,水在土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比,水力梯度，即沿渗流方向单位距离的水头损失,14,A,水在土中的渗透速度和试样两端水面间的水位差成正比，而与渗透长度成反比,15,A,q渗流量（m3/d或cm3/s）；A试样截面积（cm2或者m2） k渗透系数（m/d或cm/s），表征岩土透水性能力大 小的指标。 v渗透流速（m/d或cm/s），它不是地下水的实际流速，而是在一单位时间（s）内流过一单位土截面（cm2）的水量（cm3 ）。 i 水力梯度，沿渗流方向单位距离的水头损失 h试样两端的水位差，即水头损失 L渗透长度Darcy定律适合于层流（砂土）。,16,A,5.2 地下水类型及其主要特性,地下水按埋藏条件可分为三大类：即包气带水、潜水、承压水； 根据含水层的空隙性质地下水可分为孔隙水、裂隙水、岩溶水。 通过这两种分类的组合，可得九类不同特点的地下水。见教材p124。,17,A,18,A,孔隙水,裂隙水,19,A,地下水埋藏类型示意图,含水层,承压水井,承压水位,自流水井,隔水层,潜水位,潜水井,20,A,1、包气带水,位于地面以下潜水位以上的包气带中含有的地下水。包括：气态水、结合水、毛细管水、重力水 上层滞水：包气带中聚集在局部隔水层之上的重力水.特征：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。动态变化很不稳定。工程意义：常始料不及涌入基坑。 供水意义不大。 在寒冷地区易引起道路冻胀和翻浆。,21,A,潜水埋藏示意图,2、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,22,A,潜水面的特征,潜水面一般呈倾斜的各种形态的曲面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含水层厚度变大时，潜水面坡度变缓岩层透水性变好时，潜水面坡度变缓,23,A,西藏热水井喷发,24,A,承压水埋藏示意图,3、承压水：埋藏并充满在两个隔水层之间的含水层中的地下水，是一种有压重力水,25,A,（1）裂隙水,埋藏在坚硬岩石裂隙中的地下水称为裂隙水。它主要分布在山区和第四系松散覆盖层下面的基岩中，裂隙的性质和发育程度决定了裂隙水的存在和富水性。 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。,4裂隙水及岩溶水,26,A,构造裂隙是由于岩石受构造运动应力作用所形成的，而赋存于其中的地下水就称为构造裂隙水。,特点：,风化裂隙水的补给来源主要为大气降水，其补给量的大小受气候及地形因素的影响很大，气候潮湿多雨和地形平缓地区，风化裂隙水较丰富，常以泉的形式排泄于河流中。,成岩裂隙为岩石在形成过程中所产生的空隙，一般常见于岩浆岩中。成岩裂隙中的地下水水量有时可以很大，不可忽视，特别是在工程建设时，更应予以重视。,27,A,（2）岩溶水,埋藏于溶隙中的重力水称为岩溶水（喀斯特水）。岩溶水，可以是潜水，也可以是承压水。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。,28,A,特点：空间分布极不均匀，动态变化强烈，流动迅速，排泄集中。,29,A,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。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、截水沟，筑挡水坝，开凿输水隧洞改道等等。,30,A,5、泉：地下水在地表的天然出露,河谷切割到潜水含水层时，潜水出露成侵蚀下降泉。河谷切穿承压含水层的隔水顶板时，承压水喷涌成泉，称为侵蚀上升泉。透水性不同的岩层接触，地下水沿接触面出露称为接触泉。断层使承压含水层被隔水层阻挡，当断层导水时沿地面出露的承压水称为断层泉。,泉的类型按补给源可分为三类：包气带泉、潜水泉、自流水泉，按水头性质分为上升泉和下降泉，按出露原因分为侵蚀泉、接触泉和断层泉。,31,A,6、 地下水的循环：补给、排泄,上层滞水循环：大气降水补给，垂直蒸发、下渗排泄。潜水补给： 大气降水，地表水的补给，含水层之间的补给越流 补给直接补给，凝结水，人工补给。潜水排泄：蒸发，泉的排泄，地表水排泄，人为排泄。承压水补给：大气降水，地表水，潜水。承压水排泄：潜水排泄，泉的排泄，地表水排泄。,含水层中水从外部获得大量补充的过程称为地下水的补给,32,A,潜水的补给与排泄,大气降水,河流补给潜水,泉,潜水补给河流,33,A,承压水（自流水）的循环,承压水的形成：向斜构造和单斜构造承压水的补给区和分布区不一致补给区远小于分布区,径流条件的好坏与地形条件、含水层的透水性、补给区与排泄区的水位差、承压含水层的挠曲程度等有关,最适宜形成承压水的地质构造有：,向斜构造单斜构造,承压盆地承压斜地,34,A,承压盆地：水位受到气候及地形的控制，往往具有较好的径流条件,岩性变化形成承压斜地,断裂构造形成承压斜地,35,A,承压水的补给与排泄,36,A,用途：潜水流向水力坡度潜水与地表水关系潜水埋深潜水出露点含水层厚度给排水工程,潜水等水位线图：潜水面上标高相等各点的连线图,37,A,承压水等水压线图：承压水面上高程相等点的连线图,用途：流向，水力坡度，初见水位，水位埋深，水头,38,A,5.3 地下水的性质,39,A,1、温度：2、颜色：3、透明度：4、气味：5、味道：6、导电性：,一、地下水的物理性质,由于地下水形成的环境不同，其温度变化范围很大；常随埋藏深度不同而异，埋藏越深、水温越高。,主要受气候条件和地热控制,纯净的地下水是无色的，当含有某些化学成分或悬浮物质时，会带有一定颜色。,纯净的地下水是透明的，但含有有机质、矿物质及胶体时，地下水将变得浑浊不清。,地下水一般是无嗅无味的，当含有气体或有机质时，会具有特殊的气味。,主要取决于地下水的化学成分,取决于电解质的数量和性质，离子含量 多，离子价数 高，导电性越强,40,A,过冷水（低于0），冷水（020），温水（2142），热水（43100），过热水(高于100),41,A,仙人泉,药水神泉,42,A,O2、Ca、Mg、Na、K等元素在地下水中最常见，其溶解度各不相同，多以离子、化合物分子和气体状态存在于地下水中。,主要离子成分主要气体成分胶体成分与有机质,二、地下水的化学成分,1、常见成分,阳离子Na、K、Ca2、Mg2阴离子Cl、SO42、HCO3,O2、N2、CO2、H2S,Fe2O3、Al2O3、H2SiO3C、H、O为主的有机质,2、氢离子浓度,氢离子浓度是指水的酸碱度，用PH值表示：PH = lgH+ 根据PH值可将地下水分为5类：强酸性水、弱酸性水、中性水、弱碱性水、强碱性水地下水的氢离子浓度为一般酸性侵蚀指标。,43,A,3、总矿化度(M),水中离子、分子和各种化合物的总量称为总矿化度,通常以在105110温度下将水蒸干后剩余干涸物的含量来确定。,表示方法：,根据总矿化度对地下水进行分类：,4、水的硬度,地下水中Ca2和Mg2的总含量称为总硬度,暂时硬度：永久硬度：,总硬度,由于煮沸而减少的那部分Ca2、Mg2的含量,煮沸时未发生碳酸盐沉淀的那部分Ca2、Mg2含量,水煮沸后，水中一部分Ca2、Mg2的重碳酸盐因失去CO2而生成碳酸盐沉淀下来，使水中的Ca2、Mg2含量减少。,3、总矿化度(M),44,A,根据硬度对地下水进行分类：,极软水、软水、微硬水、硬水、极硬水,5、地下水的侵蚀性,地下水对混凝土的侵蚀破坏类型包括分解性侵蚀、结晶性侵蚀和分解结晶复合性侵蚀。,分解性侵蚀：,是指Ca(OH)2和CaCO3使砼分解破坏的作用,一般酸性侵蚀：,水中H与Ca(OH)2起反应使砼发生破坏,碳酸性侵蚀：,由于CaCO3在侵蚀性CO2作用下溶解使砼遭受破坏,45,A,主要是硫酸盐侵蚀，是含有硫酸盐的水与砼发生反应，在砼的孔洞中形成石膏和硫酸铝盐晶体；由于结晶膨胀作用使砼的强度降低以致破坏。,结晶侵蚀常与分解性侵蚀相伴发生，后者往往更能促进其进行复合性侵蚀主要是水中Mg2+、NH4+、Cl、SO42、HCO3等与砼发生反应使其强度降低以致破坏。,结晶性侵蚀：,分解结晶复合性侵蚀,生成硫酸铝盐的反应式为：,晶体,石膏是形成硫酸铝盐的中间产物。,46,A,地基沉降、流砂、潜蚀、地下水的浮拖作用、基坑突涌、钢筋混凝土腐蚀,1、地基沉降,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，导致建筑物开裂而危及生命和财产安全。,在进行建筑基础施工时，为避免基坑内蓄水给施工造成不便， 常需降低地下水位；若降水不当，会使地基土产生固结沉降：,漏斗对称时，容易引起地基沉降；漏斗不对称时，容易使上部建筑或地下管线产生不均匀沉降、甚至开裂。,过量抽取地下水，会形成漏斗状的弯曲水位：,由于土层的不均匀性和边界条件的复杂性,5.4 地下水对工程建筑的影响,47,A,2、流砂,地下水在渗流过程中受到土体的阻力，相应地，水对土体产生反力，称为。,动水力：,流砂：,出现流砂时的水力坡度称为“临界水力坡度”或“临危梯度” (icr),渗流自下而上时，动水力可以抵消土的部分重力，使土颗粒间的压力减小；当自下而上的动水力等于土的浮重度时，土粒之间将毫无压力，土粒处于悬浮状态，这种现象称为。,i icr时，产生流砂。,减小或消除基坑内外地下水的水头差降低水位法增长渗流路径打板桩在渗流出口处用透水材料覆盖压重以平衡动水力加重法其它方法：水下挖掘、冻结、化学加固等,流砂是一种不良的工程地质现象,，防治流砂的原则主要是：,48,A,49,A,机械潜蚀：当土中渗流的i icr时，虽然不会诱发流砂现象，但土中细小颗粒仍有可能穿过粗颗粒之间的孔隙被渗流挟带而走，时间长了，在土层中将形成管状空洞，使土体结构破坏，这种现象称为“机械潜蚀”或“管涌”。化学潜蚀：是指地下水溶解土中的易溶成分，使土颗粒间的结合力和土的结构破坏，土粒被水冲走，形成洞穴的现象。,3、潜蚀,潜蚀可分为机械潜蚀和化学潜蚀两种。,危害：地下水的潜蚀作用，会使地基土体强度降低、压缩性增大，从而产生地表塌陷，影响工程建筑的稳定性。,机械潜蚀和化学潜蚀这两种作用一般是同时进行的。,堵截地表水流入土层；阻止地下水在土层中流动；改造土的性质；减小地下水的流速和水力坡度。,对潜蚀的处理措施：,50,A,基坑的流砂或管涌,坝基的流砂或管涌,管涌,51,A,当基坑下伏有承压含水层时，开挖基坑减小了上部土层及隔水层的厚度；当上部土层及隔水层较薄经受不住承压水头的压力作用时，水头压力会冲破基坑底板，这种现象称为。 为避免基坑突涌的发生，必须验算基坑底层的安全厚度；若不满足，应设法降低承压水位(头)。,4、地下水的浮托作用,当建筑物基础底面在地下水位以下时，地下水将对其产生向上的浮拖力，引起基础板底的内力变化，因此，在确定地基承载力设计值时，地下水位以下一律取浮(有效)密度。,5、基坑突涌,52,A,6. 地下水对钢筋混凝土的腐蚀地下水的腐蚀影响建筑材料的耐久性,结晶类腐蚀 地下水中离子SO42-与混凝土中的Ca(OH)2 起反应，生成二水石膏结晶体CaSO42H2O，这种石膏再与水化铝酸钙CaOAl2O36H2O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。,53,A,分解类腐蚀,由于地下水中含有超量CO2时混凝土中的CaCO3被溶解而受腐蚀，即为分解类腐蚀。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-，NO3-，Cl-和Mg2+离子的含量超过一定数量时，与混凝土中的Ca(OH)2发生反应，Ca(OH)2与镁盐作用的生成物中，除Mg(OH)2不易溶解外，CaCl2则易溶于水并随之流失。硬石膏CaSO4一方面与混凝土中的水化铝酸钙反应生成水泥杆菌；另一方面，硬石膏遇水生成二水石膏。二水石膏在结晶时体积膨胀，破坏混凝土的结构。,54,A,腐蚀性评价标准：举例,1.环境类型水对混凝土结构腐蚀评价 场地环境类型：类 硫酸盐（SO42-）含量2006.21 mg/L，腐蚀性等级：强 镁盐（Mg2+）含量23.95 mg/L，腐蚀性等级：无 盐（NH4+）含量29.20 mg/L，腐蚀性等级：无 苛性碱（OH-）含量0 mg/L，腐蚀性等级：无 总矿化度含量21640.00mg/L，腐蚀性等级：中2.受地层渗透性影响的水对混凝土结构腐蚀性评价 场地地层渗透性类型：强透水型 pH值：9.58，腐蚀性等级：无 侵蚀性CO2含量：0mg/L，腐蚀性等级：无3.地下水对钢筋混凝土结构中的钢筋的腐蚀性评价 Cl-含量：11478.69 mg/L，腐蚀性等级：强,55,A,