《水的地质作用》PPT课件.ppt

,第三章 地 下 水,工程地质学,5.1地下水概述5.2地下水类型及其主要特征5.3地下水的性质5.4地下水对建筑工程的影响,退出,地表水的地质作用,洪积层,1、定义：是由山洪急流在山麓沟口处由于搬运能力降低而将携带的碎屑物质堆积下来形成的。（常成扇形）,2、洪积扇的平面形态：单个沟口的洪积层前弧向外的扇形。当附近有多个沟口，而洪积扇规模逐渐扩大与之相邻组成洪积裙。,洪积层的工程地质性质：1、物质组成：石块、碎屑、泥沙。2、组构：颗粒大小不均，棱角较分明，磨圆较差，不规则交错层理，发育为透镜体。3、物理力学性质：靠近山坡沟口的粗碎屑沉积地段（上段）颗粒大，空隙大，透水性强，地下水埋藏较深，压缩性小，稳定性好，是良好的天然地基。,河流地质作用,一条河流从河源到河口一般可分为三段：上游、中游和下游,上游：多位于高山峡谷中，急流险滩多，河道较直，流量不大但流速很高，河谷横断面多成“V”字形。中游：河谷较宽广，河漫滩和河流阶地发育，横断面多成“U”字形。下游：多位于平原地区，流量大而流速较低，河谷宽广，河曲发育，在河口处易形成三角洲。,3.1 地下水概述,自然界的水分布于大气圈、水圈、岩石圈之中，分别称为大气水、地表水、地下水，三者是相互联系的统一体。,地下水是积存并运动于岩土空隙中的水，是重要的自然资源，也是地质环境的重要组成部分之一，且能影响环境的稳定性。地下水直接影响到土木工程中的地基承载力、滑坡、沉降、地面塌陷等，地下水位高低、水量大小、化学成分等亦直接影响到基础工程的设计和施工。,空隙类型,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、溶洞,岩土的空隙：通常将岩土空隙的大小、多少、形状、连通程度以及分布状况等性质统称为岩土的空隙性。岩土的空隙是地下水存在的空间。,空隙率,岩土孔隙率的大小，主要与颗粒的形状、排列情况及颗粒的分选性和压密、胶结情况有关。松散沉积物的孔隙率一般很大，可达20%-60%,孔隙：松散沉积物是由大小不等的颗粒组成的，颗粒间普遍存在着孔隙,沉积物的孔隙率范围,孔隙率,裂隙主要是地壳运动对岩石造成破坏而形成的，岩石成岩时及在地表遭受风化也会形成裂隙。岩石的裂隙率一般比松散泥积物的孔隙率小得多。裂隙率常小于3%,裂隙：存在于坚硬岩石中的裂缝状空隙称裂隙,裂隙率,溶隙：溶隙是可溶岩（如石灰岩）在地下水流长期溶蚀下形成的空隙,溶隙率,地下水及含水层,土中水根据物理力学性质分类,土中水,结晶水,结合水,自由水,弱结合水,强结合水,气态水,液态水,固态水,毛细水,重力水,毛细水(Capillary Water),毛细水上升高度,地面冻胀,沼泽地（湿地）,c.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，促使土沼泽化，盐渍化,毛细水对建筑工程意义,a.产生毛细压力,b.对土中气体的分布和流通有一定影响，产生封闭气体,结合水（Absorbed Water）,重力水(Gravity Water),完全在重力作用下而运动的水。可以传递静水压力；产生浮托力、孔隙水压力；流动的水会产生动水压力；有溶解能力，导致土成分和结构的破坏。,岩土的水理性质,1.岩土的含水性,容水性岩土能容纳一定水量的性能。衡量指标：容水度。持水性岩土在重力作用下仍能保持一定水量的性能。衡量指标：持水度，表明的是岩土中结合水的含量。,2.岩土的给水性,岩土在重力作用下向外释放水量的性质和能力，给水度。,砾石及砂性土的给水度,达西定律,1856年法国学者Darcy对砂土的渗透性进行研究,结论：水在岩土中的渗透速度与试样的水力梯度成正比,渗透试验,水力梯度，即沿渗流方向单位距离的水头损失,3.岩土的透水性,岩土允许重力水渗透的能力称为透水性，常用渗透系数表示,透水性取决于空隙度、空隙大小、空隙连通性。空隙较大，且相互连通的岩石，地下水可以在岩石中流动。有些岩石虽有很高空隙度，但空隙不连通的岩石和空 隙过小，且连通性不好的粘土和泥岩，地下水也很难在其中流动,1.含水层饱含重力水而又能给出水(透水)的岩层2.透水层可以透水，渗透系数较大的地层。但(目前)不一定含水3.隔水层相对不透水的岩层。它可以是饱水的粘土层，也可以是致密完整的基岩,岩土体透水性类型,3.2 地下水类型及其主要特征,5.2.1 地下水类型,地下水起源分类,渗入水,埋藏水,凝结水,原生水,大气降水冰雪溶水地表水渗入地下聚集的水,水蒸气凝结后渗入地下的水,地史时期沉积物空隙中被封闭保存下来的水，又称古水,岩浆中析出的结晶水和水汽又称岩浆水,靠静电和分子引力吸附于岩土颗粒表面，不受重力影响,吸着水,薄膜水,毛细水,重力水,受重力影响可自由流动。是地下水的主要赋存状态和水源,受表面张力作用保存于毛细管中的水，易被植物吸收,吸着水表面厚度超过几百个水分子直径的薄层状水,按赋存状态分类,包气带水,潜 水,承 压 水,地下水埋藏条件分类,根据含水层空隙性质不同分类,孔隙水,裂隙水,岩溶水(喀斯特水),土壤水 土壤中未饱和的水；上层滞水 存在于包气带中，局部隔水层之上的重力水,贴近地表的气态水、土壤颗粒水吸附毛细水分子。这些水虽可连结起来成为液体，但因是充填在细微的孔隙中而不能自由运动,包气带水,气态水结合水重力水毛细水,包气带,饱水带,重力水(结合水),特征：分布区与补给区一致；受气候控制，季节性明显，变化大，雨季雨量多，旱季雨量少，对农业影响很大，对工程影响不大,埋藏在地表以下第一层较稳定隔水层以上具有自由水面的重力水。此水层的自由水面称为潜水面。潜水面上任一点的标高称为潜水位。潜水面与地表面的形态具有相似性。,潜 水,潜水面形态的变化规律,受地形和河流位置的影响,受底板隔水层高度变化的影响,受含水介质渗透性变化的影响,潜水面的表示方法,1.水文地质剖面图法2.等水位线图法,水文地质剖面图法,等水位线图法,潜水的补给和排泄,补给源主要有：大气降水、地表水、深层地下水及凝结水排泄方式：垂直排泄(水分消耗，含盐量增加，矿化度增高，甚至改变水的化学类型)、水平排泄,根据等水位线图法可以解决下列实际问题,确定潜水流向计算潜水的水力坡度I确定潜水与地表水之间的关系确定潜水的埋藏深度,埋藏在两个稳定隔水层之间的重力水。它的运动受到上下隔水层的约束和水压的作用。打井穿过上面的隔水层时，承压水就可向上涌出来，稳定水位高于初见水位。分布区与补给区不一致，水质、水量、水温受气候影响小，随季节变化不明显，不易受污染,承压水(层间水),承压水蓄水构造,1.向斜构造盆地(自流盆地)2.单斜构造(自流斜地),自流盆地,自流斜地,承压水面的表示方法,1.水文地质剖面图法2.等水压线图法,水文地质剖面图法,等水压线图法,根据等水压线图法可以解决下列实际问题,承压水位距地表的深度承压水头大小承压水的流向,承压水的补给和排泄,补给：补给区直接裸露于地表，接受降水的补给；当含有几个承压水层时，根据正地形或负地形提供的条件形成补给关系排泄：排泄区直接裸露于地表，以泉的形式排泄；承压水位高于潜水位时，向潜水排泄；正地形或负地形条件下，形成向上或向下的排泄。,正地形,负地形,孔隙水、裂隙水及岩溶水,孔隙水,广泛分布于第四纪松散沉积物中的地下水,洪积物中地下水,冲积物中地下水,上游：厚度不大，由河水补给，水量丰富水质好中游：上层构成隔水层，下层为承压水下游：上部通常为埋藏很浅的潜水，下部为多层承压水,按成因分为：风化裂隙水、成岩裂隙水、构造裂隙水,裂隙水,埋藏在基岩裂隙中的地下水,风化裂隙水,特征：多为层状裂隙水；水平方向透水性均匀，垂直方向随深度减弱；多属潜水，也有上层滞水；大气降水补给；明显季节性循环交替；以泉的形式排泄,岩石中的裂隙具有一定的方向性，因而裂隙岩石的导水性具有明显的各向异性,成岩裂隙水,特征：岩浆岩中成岩裂隙水发育多为层状裂隙水，在一定范围内互相连通；多属潜水，也可是承压水；,构造裂隙水,特征：构造应力分布均匀，形成层状构造裂隙水；构造应力分布不均匀，形成脉状构造裂隙水可以是潜水，也可是承压水渗透性各向异性；,脉状裂隙水,层状裂隙水,岩溶水,赋存和运移于可溶岩（如石灰岩、白云岩、大理岩、石膏、岩盐等）的溶隙溶洞（洞穴、管道、暗河）中的地下水，又称喀斯特水。,按埋藏条件分为：岩溶上层滞水、岩溶潜水、岩溶承压水,特点：是分布极不均匀 大气降水是主要的补给来源，在可溶性岩层裸露于地表的补给区，入渗补给有两种方式：灌式补给，渗入式补给 岩溶水可通过一个泉或泉群集中排泄；排泄时形成一些特殊的泉，如反复泉、多潮泉 岩溶水水位动态变化幅度大而且变化快。岩溶泉往往雨季流量急增，而雨后又骤减，无压水流与承压水流并存，层流与紊流并存，以层流为主。岩溶含水系统一般水量丰富、水质优良，常作大中型供水源。位于岩溶水分布地区的矿坑，容易产生突然大量涌水，甚至造成淹矿事故。,地下水天然露头，是地下水或含水层通道露出地表形成的，是地下的主要排泄方式之一,泉,侵蚀泉接触泉溢出泉断层泉,泉的类型按补给源分为,包气带泉,上层滞水补给，水量小，季节变化大，动态不稳定,按出露条件分,下降泉(潜水泉),潜水补给，动态稳定，有季节性变化规律,上升泉(自流水泉),承压水补给，动态稳定，年变化不大,侵蚀下降泉,侵蚀上升泉,接触下降泉,接触上升泉,断层泉,溢出泉,3.3 地下水的性质,5.3.1 地下水的物理性质,温度受气候和地质条件控制，01000C颜色取决于化学成分及悬浮物，含Ca2+、Mg2+的水为蓝色；含Fe2+的水为灰蓝色；含Fe3+的水为褐黄色透明度地下水多为半透明气味含有气体或有机质，具有一定气味。味道主要取决于地下水化学成分。含Nacl有咸味；含CaCO3的水清凉可口；含Ca(OH)2和Mg(HCO)2的水有甜味；含Mgcl2和MgSO4的水有苦味导电性含有一些电解质时，导电性增强,地下水的化学特征,阳离子：H+、Na+、K+、NK4+、Ca2+、Mg2+、Fe2+。阴离子：OH-、Cl-、SO42-、NO2-、NO3-、HCO3-、CO32-、SiO32-、PO42-其中最多的是Na+、K+、Ca2+、Mg2+和Cl-、SO42-、HCO3-,主要离子成分,地下水中常见盐类的溶解度（00C，g/L）,4.Cl 来源于沉积岩中所含岩盐或其它氯化物的溶解；岩浆岩中含氯矿物的风化溶解；海水；火山喷发物的溶滤；工业、生活污水及粪便中大量氯5.SO42-来源于含石膏或其它硫酸盐的沉积岩的溶解；硫和硫化物的氧化6.HCO3-来源于含碳酸盐类沉积物岩的溶解；岩浆岩和变质岩中含铝硅酸盐矿物的风化溶解,1.Na+、K+来源于含钠盐、钾盐的沉积岩的溶解；岩浆岩和变质岩中含钠、钾矿物的风化溶解2.Ca2+来源于含钙碳酸盐类沉积物和石膏沉积物的溶解；岩浆岩和变质岩中含钙矿物的风化溶解3.Mg2+来源于含镁碳酸盐类沉积物岩；岩浆岩和变质岩中含镁矿物的风化溶解,主要气体成分,O2、N2、CO2及H2S,以入渗补给为主，与大气圈关系密切的地下水含O2、N2较多地下水处在与大气隔绝的环境中，当有机质存在时，SO4还原生成H2S，如封闭地质构造的油田水中浅部地下水：植物根系的呼吸作用及有机质残骸的发酵作用，会在包气带水中形成CO2，深部地下水：含碳酸盐类的岩石，在深部高温影响下，会分解生成CO2，近代工业的发展，人为产生的有CO2显著增加,主要胶体成分,a.以碳、氢、氧为主的有机质通常以胶体方式存在于地下水中；b.很难以离子状态溶于水的化合物也以胶体形式存在于地下水中，主要有Fe(OH)2、Al(OH)3、SiO2,酸碱度,氢离子浓度PH值来衡量,强酸性水PH9；,硬 度,取决于水中Ca2+、Mg2+的含量,总硬度水中所含Ca2+、Mg2+的总量暂时硬度水煮沸后，水中一部分Ca2+、Mg2+与HCO3-作用生成CaCO3和MgCO3沉淀，这部分Ca2+、Mg2+的总量永久硬度总硬度暂时硬度碳酸盐硬度地下水中HCO3-与Ca2+、Mg2+含量相当的总量,1德国度1L水中含有10mg的CaO或7.2mg MgO,地下水中所含各种离子、分子与化合物的总量(g/L),矿化度,地下水按总矿化度的分类,习惯上以1051100C时将水灼干所得的干涸残余物总量叫总矿化度,3.4 地下水对建筑工程的影响,地下水位下降引起软土地基沉降,在软土层中进行深基础施工时，往往需要人工降低地下水，降水措施不当，会引起周围地基土层固结沉降，造成邻近建筑物或地下管线不均匀沉降，或导致建筑物基础下的土粒流失，导致建筑物开裂，天津地最大沉降量达2.16m,上海康乐路十二层大楼，采用箱基础，开挖深度微5.5m，采用钢板桩外加井点降水，抽水6天后，各沉降观测点的沉降量,降水期间，距基坑610m处，旧民房有裂缝。,动水压力产生流土和潜蚀,机械潜蚀：动水压力冲刷带走细粒化学潜蚀：溶解地下水中盐分，带走土粒,流土(流砂),细小颗粒在动水压力作用下产生悬浮流动,动水压力,土有效重度,临界水力坡度,管涌(潜蚀),基准面,H1,Z1,H2,Z2,容许水力坡度,地下水的浮托作用,当地下建筑设施或建筑物的基础底面位于地下水位以下时，地下水对其产生浮力作用；当地下水埋藏较浅，建筑地下室或地下构筑物存在上浮问题的时候，要进行抗浮验算。一般抗浮稳定性验算：局部抗浮 1.05F浮力-0.9G自重0 整体抗浮 1.2F浮力-0.9G自重0,承压水对基坑稳定的影响,在有深部承压水层的地基中进行深基坑开挖时，要考虑开挖导致的局部隔水层的厚度减小的不利影响，防止隔水层较薄经受不住承压水头压力作用而被承压水冲破。承压水的水头压力冲破基坑底板这种工程地质现象称为基坑突涌,承压含水层,承压含水层,粘土层,粘土层,H,H,M,M,Hw,抽水井,要使基坑开挖安全，必须,基坑底部粘土层厚度,含水层顶板承压水头,或降水使得,地下水对混凝土的腐蚀,1.结晶类腐蚀,地下水中含有的化学成分对地下建筑材料如混凝土等具有腐蚀作用,腐蚀类型,SO42-Ca(OH)2,CaSO4.2H2OCaO.Al2O3.6H2O,水化硫铝酸钙,2.分解类腐蚀,3.结晶分解复合类腐蚀,当CO2含量超过一定数值,CaCO3 CO2Ca+2HCO3-,MgSO4Ca(OH)2=Mg(OH)2 CaSO4MgCl2Ca(OH)2=Mg(OH)2 CaCl2,分解流失,腐蚀性评价标准,1.将SO42-离子的含量归纳为结晶类腐蚀性的评价指标2.将CO2、HCO3-离子和PH值归纳为分解类腐蚀性的评价指标3.将Mg2+、NH4+、Cl、SO42-、NO3-离子含量归纳为结晶分解类腐蚀性的评价指标,混凝土侵蚀场地环境类别,本 章 结 束,返回,退出,上一页,