地下水及其对工程的影响.ppt

1,第5章 地下水及其对工程的影响,地下水及其对工程的影响,2,第5章 地下水及其对工程的影响,【知识点】,地下水储水条件，埋藏分类，地下水循环；渗透定律、地下水流向集水构筑物运动的计算；典型地貌区地下水分布特征，地下水资源储量计算、开采量评价，地下水化学性质及化学分类，水对建筑材料腐蚀性的判别，地下水对工程的各种作用和影响。,【重点】,地下水赋存特征及其运动特征及与之相关的不良工程地质作用。,【难点】,灵活运用地下水的有关知识分析实际案例中由于地下水的作用而引起的不良工程地质作用及其影响因素。,4,第5章 地下水及其对工程的影响,什么叫地下水,1,赋存和运移于地面以下岩石空隙中的水。狭义上指赋存于地下水面以下饱和含水层的水。,地下水的功能,2,5.1 概述,地下水是一种宝贵的资源（resource）地下水是极其重要的生态环境因子地下水是一种很活跃的地质营力地下水是地球内部地质演变的信息载体,工程地质问题不良地质现象,5,第5章 地下水及其对工程的影响,岩土的空隙性,1,概念：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。,5.2 地下水的基本概念,6,第5章 地下水及其对工程的影响,岩土的空隙性,1,意义：是地下水赋存场所和运移通道，其多少、大小及其分布规律，决定着地下水的分布与运动特点,5.2 地下水的基本概念,分类：岩土空隙的成因不同,孔隙,裂隙,溶隙,7,第5章 地下水及其对工程的影响,概念：松散岩石（如粘土、砂土、砾石等）中颗粒集合体之间存在的空隙，称为孔隙。,5.2 地下水的基本概念,孔隙率（）：某一体积岩石（包括颗粒骨架与空隙在内）中孔隙体积所占的比例。,一、孔隙,8,第5章 地下水及其对工程的影响,一、孔隙,孔隙率的影响因素：,5.2 地下水的基本概念,与颗粒大小有关？,与排列有关？,与分选有关下面试样哪个孔隙度大？哪个小？试样：砾石 砂石 混合样,无关！,完全混合试样时，n混=n砾n砂（请自己推导证明）,影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度。,紧密与疏松！,注意：粘粒形成结构孔隙时，孔隙率将增大很多。,跳转,9,第5章 地下水及其对工程的影响,5.2 地下水的基本概念,不同颗粒大小的试样孔隙度？,返回,10,第5章 地下水及其对工程的影响,5.2 地下水的基本概念,立方体排列,四面体排列,返回,11,第5章 地下水及其对工程的影响,二、裂隙,概念：存在于坚硬岩石中的裂缝状空隙，称为裂隙。由内外地质营力作用产生。,5.2 地下水的基本概念,裂隙率（）：某一体积岩石（包括颗粒骨架与空隙在内）中裂隙体积所占的比例。,12,第5章 地下水及其对工程的影响,5.2 地下水的基本概念,风化（卸荷）裂隙,成岩裂隙,构造裂隙,13,第5章 地下水及其对工程的影响,5.2 地下水的基本概念,14,第5章 地下水及其对工程的影响,三、溶隙,概念：可溶性岩石在地表水和地下水长期溶蚀作用下形成的一种特殊空隙称为溶隙。,5.2 地下水的基本概念,溶隙率（）：某一体积岩石（包括颗粒骨架与空隙在内）中溶隙体积所占的比例。,15,第5章 地下水及其对工程的影响,水在岩石中的存在形式,2,分类：可分为气态水、结合水、重力水、毛细水、固态水以及结晶水和结构水。,5.2 地下水的基本概念,A强结合水;B 弱结合水;C 重力水,毛细水,16,第5章 地下水及其对工程的影响,含水层与含水岩系,3,一、基本概念含水层：可透过并给出相当数量重力水的岩层隔水层：不能透过与给出水或透过与给出的水量微不足 道的岩层透水层：能透过但不能储存水的岩层弱透水层：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,5.2 地下水的基本概念,定义中的模糊概念“相当水量，微不足道，较大水力梯度”等严格的“是与非”的逻辑思维，在很多情况下是相对的和模糊的概念相对性的意义：从实际应用角度来看划分的相对的性相当水量满足需要就可以了。如在某处一口井出水量80m3/d，作为1万人的供水，非含水层；作为饮料厂、装瓶生产则为含水层。又如一个小泉水流量0.11/s8.6m3/d，大厂非，村用是。从理论意义来看微不足道微不足道，有时空尺度的制约。如华北平原早期地下水开采就是典型的例子，深层水与浅层水的开采有一粘土隔水层；后开采深层，水量大，水位降低快，浅层水向深层“越流”-粘土层成为“透水层”。现在进行水文地质计算、模拟时，不再简单二分了，而是用模糊学的研究方法，给个隶属度1，0之间，可以为 0.8,0.7,0.3,表示“透水性”？,概念的相对性,18,第5章 地下水及其对工程的影响,5.2 地下水的基本概念,时间上的相对性,19,第5章 地下水及其对工程的影响,5.2 地下水的基本概念,构成含水层的条件,二、,岩层中要有空隙(储水空间)的存在，并充满足够数量的重力水；重力水能够在岩层中自由运动；要满足一定的地质构造条件。,20,第5章 地下水及其对工程的影响,5.2 地下水的基本概念,含水段和含水岩系,三、,地下水含水系统：是指由隔水或相对隔水岩层圈闭的，具有统一水力联系的含水岩系,冲洪积平原地下水含水系统,21,第5章 地下水及其对工程的影响,地下水的物理性质,1,地下水比重、温度、颜色、透明度、味道、气味、导电性及放射性等物理特性的总和。,5.3地下水物理性质和化学成分,水中的物质及颜色,地下水的气味与其中存在物质的,22,第5章 地下水及其对工程的影响,5.3地下水物理性质和化学成分,地壳表层分带：(1)变温带(2)常温带(3)增温带地下水的温度受其赋存与循环所处的地温控制（1）变温带的浅埋地下水显示微小的水温季节变化。（2）常温带中的地下水水温与当地年平均气温很接近。（3）增温带中的地下水，其水温随其赋存与循环深度的加大而升高，可成为热水乃至蒸汽。,温度,23,第5章 地下水及其对工程的影响,地下水的化学成分,2,5.3地下水物理性质和化学成分,24,第5章 地下水及其对工程的影响,地下水的化学性质,3,5.3地下水物理性质和化学成分,（1）总矿化度：指水中离子、分子和各种化合物的总量，以g/L表示。,计算方法：,按化学分析所得的全部离子、分子及化合物总量相加求得；将水样在105110温度下蒸干后所得的干涸残余物的重量来表示。,25,第5章 地下水及其对工程的影响,地下水的化学性质,3,5.3地下水物理性质和化学成分,（2）地下水的酸碱性（pH值）：以溶液中H浓度的负对数来表示溶液的酸碱性，称为溶液的pH值,地下水按酸碱度的分类,26,第5章 地下水及其对工程的影响,地下水的化学性质,3,5.3地下水物理性质和化学成分,（3）地下水硬度：总硬度、暂时硬度、永久硬度,地下水硬度分类表,表示方法：,德国度、meq/L、mol/L当前国标采用的硬度单位是换算成CaCO3时的总量，用mg/l表示,27,第5章 地下水及其对工程的影响,概述,1,主要依据含水介质的类型（赋存空间）埋藏条件（赋存部位）,5.4地下水分类,地下水分类表,28,第5章 地下水及其对工程的影响,5.4地下水分类,包气带水,饱水带水,稳定水位线,承压水,潜水,上层滞水,埋藏条件、空隙性质,29,第5章 地下水及其对工程的影响,上层滞水,1,分布于包气带中局部不透水层或弱透水层表面的重力水,5.4地下水分类,（一）形成条件,（二）特点,（三）工程意义,（1）局部隔水层或弱透水层；（2）隔水层产状要水平，或接近水平；（3）隔水层分布有一定范围。,（1）补给、径流与排泄特点（2）水量小，不稳定，季节变化明显；（3）埋藏浅，易蒸发，易污染，水质较差。,（1）供水意义不大（2）使地基土的强度减弱；（3）易引起道路的冻胀和翻浆；（4）其水位变化大，常给工程带来困难。,30,第5章 地下水及其对工程的影响,潜水,2,潜水是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,5.4地下水分类,（一）基本术语,（1）潜水面；（2）潜水位；（3）埋藏深度；（4）潜水含水层的厚度,（二）特点,（1）为无压水；（2）水动力特征；（3）补给特征；（4）水循环与动态特征（5）水质特征,31,第5章 地下水及其对工程的影响,潜水,2,潜水是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,5.4地下水分类,（三）潜水面及其表示方法,潜水等水位线图,剖面图,潜水等水位线图,水文地质剖面图,平面图,用途,影响因素,32,第5章 地下水及其对工程的影响,潜水,2,潜水是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,5.4地下水分类,1）决定潜水流向2）求水力坡度3）潜水埋藏深度4）潜水与地表水的互补关系 5）确定泉水点与沼泽的位置6）选取合理的给水、排水的位置,地形等高线,潜水位等高线,B,A,潜水等水位线图,用途,影响因素,地形、岩性、地表水体、人为因素、气候,33,第5章 地下水及其对工程的影响,潜水,2,潜水是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,5.4地下水分类,（四）潜水对工程的影响,1.对建筑物稳定性有影响；2.如流砂，基坑突涌等。3.重要的生活用水，农业灌溉水源。4.处理方案：建筑物地基最好选在潜水位深的地带或者使用浅埋基础；对地基的施工有影响时，可采取排水、降低水位，隔离或冻结法施工等措施。,34,第5章 地下水及其对工程的影响,潜水,2,充满于上下两个稳定隔水层之间的含水层中的有压重力水,5.4地下水分类,（一）基本术语,（见右下图）,（二）特点,（1）具有承压性；（2）赋存特点（3）补给特点；（4）水循环交替动态特点（5）水质特点,35,第5章 地下水及其对工程的影响,5.4地下水分类,（三）等水压线图,（1）含义：将许多钻孔揭露的承压水位相同的点连成线，叫等水压线，由等水压线组成的平面图即为等水压线图。（2）特点:想象的面，虚构的线,（3）用途,同潜水,（四）对工程的影响,（1)是良好的城市供水水源。（2)基坑突涌。（3)排水比较困难，井深，范围广，水量大。,36,第5章 地下水及其对工程的影响,地下水运动的基本规律,1,地下水在岩土空隙中的运动,5.5 地下水运动与动态,（一）达西定律,Company Logo,Q,Q 渗流量；砂柱断面面积；h 水头损失（m）；L 渗流途径；K与试样有关的比例常数。,第5章 地下水及其对工程的影响,地下水向集水建筑物运动的计算,二、,5.5 地下水运动与动态,略，参考相关教材,38,第5章 地下水及其对工程的影响,地下水动态,2,在与环境相互作用下，含水层各要素(如水位、水量、水化学成分、水温等)随时间变化的规律,5.5 地下水运动与动态,思考？影响地下水位变化（动态特征）因素有哪些,39,第5章 地下水及其对工程的影响,地下水补给,1,指含水层从外界获得水量的过程。,5.6 地下水补给、径流、排泄,（1）蒸发（2）泉水（3）向地表水泄流（4）人工排泄（开采）（5）含水层之间的补给,地下水的补给来源有：,40,第5章 地下水及其对工程的影响,地下水排泄,2,地下水的排泄指含水层失去水量的过程。,5.6 地下水补给、径流、排泄,（1）大气降水（2）地表水（3）凝结水补给（4）人工补给（5）等含水层之间的补给,地下水的补给来源有：,41,第5章 地下水及其对工程的影响,地下水径流,3,地下水由补给区流向排泄区的过程叫径流。,5.6 地下水补给、径流、排泄,（1）径流方向（2）径流速度（3）径流量,42,第5章 地下水及其对工程的影响,孔隙水,1,分布在第四纪各种不同成因类型的松散沉积物中的重力水。,5.7 不同介质中的地下水,（一）特点1分布均匀，连续性好，水量也较大。2成层状分布，水力联系密切，水交替条件较好，同一层水具有统一的水面；3一般呈层流状态，符合达西定律；4孔隙水的分布特征，直接受沉积物影响。,43,第5章 地下水及其对工程的影响,（二）主要含水层成因类型1洪积层孔隙含水层,Company Logo,地形地貌 地形高，陡（扇顶）地形低缓（扇缘）水动力条件 水流集中 分散 流速快（高能区）慢（低能区）,形成作用 溶滤作用 浓缩作用 矿化度（TDS）低 中 高 成分与类型 HCO3 SO4 Cl,动态 变幅 大 小 均衡 整体、统一的均衡区景观（环境）缺水区 泉，沼泽 盐渍化区,46,第5章 地下水及其对工程的影响,（二）主要含水层成因类型2冲积层孔隙含水层,Company Logo,古现代河道 河间洼地地形 高 低岩性（粒度）粗 细,地下水埋深 深 浅补给条件 好 差排泄 径流 蒸发排泄,水化学作用 溶滤作用 浓缩作用水型 HCO3 Cl,矿化度（TDS）TDS 低 TDS 高,49,第5章 地下水及其对工程的影响,（二）主要含水层成因类型3黄土高原的地下水,Company Logo,Company Logo,塬中 塬边（杖地）水位埋深 中 大 较小 补 给 有利于 不利于 排 泄 弱 较强，强 水化学 溶滤 浓缩 矿化度 中 矿化度大有利打井取水区为塬中心，或边坡地带,50,第5章 地下水及其对工程的影响,裂隙水,2,埋藏并运移于各种岩石裂隙中的地下水。,5.7 不同介质中的地下水,分布不均匀 有的地方打井有水，有的地方无水水力联系不统一性 裂水含水系统的迭置与独立渗透的各向异性 KXKY,特点：,51,第5章 地下水及其对工程的影响,裂隙水,2,分类：风化裂隙水、构造裂隙水、成岩裂隙水,5.7 不同介质中的地下水,构造裂隙,象鼻山,第5章 地下水及其对工程的影响,岩溶水,3,指储存和运动于可溶性岩石中的各种空洞、裂隙中的重力水,5.7不同介质中的地下水,Company Logo,岩溶水的奇特又使人无可耐何消积不利,华北的大多数煤层，下伏O2灰岩水承压水头之高，带来开采风险巨大云南、广西、贵州省岩溶山区，缺水严重，阻碍发展，生活赤贫现象岩溶区的库水渗漏，处理困难在基本建设中，地下施工，燧道施工困难重重,九马山,第5章 地下水及其对工程的影响,岩溶水,3,指储存和运动于可溶性岩石中的各种空洞、裂隙中的重力水,5.7 不同介质中的地下水,Company Logo,岩溶发育的基本条件,1、可溶岩层的存在2、可溶岩必须透水3、水具侵蚀性4、水的流动性,第5章 地下水及其对工程的影响,5.7 不同介质中的地下水,岩溶的特点：,1、岩溶水的分布特点；2、补给特点；3、排泄特点4、运动特点；5、动态特点；6、水化学特点,第5章 地下水及其对工程的影响,地基沉降,1,5.8 地下水的不良工程地质作用,（1）松散沉积层中进行深基础施工时，人工降低地下水位使周围土层 产生固结沉降。（2）抽水井的滤网和砂滤层设计不合理或施工质量差，抽水时细小颗粒同地下水一起带出地面周围地面土层不均匀沉降造成地面建筑物和地下管线损坏。（3）抽水时在水周围形成降水漏斗使周围建筑物或地下管线产生不均匀沉降，甚至开裂。,第5章 地下水及其对工程的影响,流砂,2,5.8 地下水的不良工程地质作用,流砂：将因在向上的渗流力作用下，粒间有效应力为零时，颗粒群发生悬浮、移动的现象。,主要发生在颗粒级配均匀的 饱和细、粉砂和粉土层 中。它的发生一般是突发性的，对工程危害极大,（1）动水力大于土粒的浮重度（2）水力坡度大于临界水力坡度,产生的条件：,第5章 地下水及其对工程的影响,流砂,2,5.8 地下水的不良工程地质作用,危害：流砂土体流动地表塌陷或建筑物地基破坏。,（1）人工降低地下水位（2）打板桩（3）冻结法（4）水下挖掘,处理方法：,第5章 地下水及其对工程的影响,潜蚀,3,5.8 地下水的不良工程地质作用,（1）机械潜蚀：土粒在地下水的动水力作用下受到冲刷，将细粒土冲走，使土的结构破坏，形成洞穴的作用。由人类工程活动所引起的这种现象又叫管涌。,（2）化学潜蚀：指地下水溶解土中的易溶盐分，使土粒间的结合力和土的结构破坏，土粒被水带走，形成洞穴的作用,防治方法：（1）堵截地表水流入土层；（2）阻止地下水在土层中流动，或减小流速和水力坡度；（3）设置反滤层，改造土的性质。,第5章 地下水及其对工程的影响,地下水的浮托作用,4,5.8 地下水的不良工程地质作用,当建筑物基础底面位于地下水位以下时，地下水对基础底面产生静水压力，即产生浮托力,（1）如果基础位于粉性土、砂性土、碎石土和裂隙发育的岩石地基上，则按地下水位100计算浮托力；（2）如果基础位于裂隙不发育的岩石地基上，则按地下水位50计算浮托力；（3）如果基础位于粘性土地基上，其浮托力较难确切地确定，应结合地区的实际经验考虑。,第5章 地下水及其对工程的影响,基坑突涌,5,5.8 地下水的不良工程地质作用,指基坑底部承压水隔水顶板厚度因基坑开挖而变薄后，不足以抵抗承压水头压力作用时，承压水头压力冲破基坑底板的工程地质现象。,安全厚度M应满足：,第5章 地下水及其对工程的影响,地下水的腐蚀性,6,5.8 地下水的不良工程地质作用,地下水某些成分含量过多时，对混凝土、可溶性石料，管道、钢铁等都有侵蚀危害的现象。,第5章 地下水及其对工程的影响,地下水的腐蚀性,6,5.8 地下水的不良工程地质作用,地下水某些成分含量过多时，对混凝土、可溶性石料，管道、钢铁等都有侵蚀危害的现象。,（一）结晶类腐蚀,1当地下水中含过多的SO-24时。与砼作用生成二水石膏,硬石膏二水石膏使体积增大31%，产生0.15MPa的膨胀压力，破坏砼。,2当硫酸根浓度不大时，与砼中的铝酸三钙起作用生成水化硫铝酸钙,水化硫铝酸钙结合着很多的化合水，体积可膨胀近2.5倍，破坏力很大。,分解性腐蚀判定标准见教材,第5章 地下水及其对工程的影响,地下水的腐蚀性,6,5.8 地下水的不良工程地质作用,地下水某些成分含量过多时，对混凝土、可溶性石料，管道、钢铁等都有侵蚀危害的现象。,（二）分解类侵蚀,分解性腐蚀判定标准见教材,主要由于水中的pH值低、HCO3-及腐蚀性CO2（过多的游离）等成分引起的分解破坏作用。硅、酸盐水泥遇水生成Ca(OH)2，它与HCl、H2SO4、HNO3反应,第5章 地下水及其对工程的影响,地下水的腐蚀性,6,5.8 地下水的不良工程地质作用,地下水某些成分含量过多时，对混凝土、可溶性石料，管道、钢铁等都有侵蚀危害的现象。,（三）结晶分解复合类侵蚀,复合类腐蚀判定标准见教材,