公路工程地质第五章.ppt

第五章 地下水的地质作用一.地下水的概念及其形成 二.地下水的物理性质与化学成分三.地下水的主要类型及其主要特征,学习地下水地质作用的工程意义,地下水既是重要的资源，同时也是影响工程活动的重要因素：地下水与土石相互作用会使土体和岩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，给工程的建筑和正常使用造成危害。如：滑坡、岩溶、潜蚀、土体盐渍化和路基盐胀、多年冻土和季节冻土中冰的富集、地基沉陷、道路冻胀和翻浆等都与地下水的存在和活动有关，地下水还常常给隧道等地下工程的施工和运营带来困难，甚至带来灾害。总之：可造成：软化性-动水压力-静水压力-浮托力-腐蚀性及侵蚀性-淹埋性-胀缩性,地下水与人类的关系,地下水是河流补给来源之一；积极参与水循环；宝贵的自然资源-水源；在某些地区，深层地下水含有较高的矿物质成分，如食盐、芒硝、钾盐、碘、演等，可以提炼作为化学工业的原料；有些矿泉具有医疗上的作用；,地下热水-发电；地下水影响农作物生长，如地下水水位过高易产生盐渍化，不利于农作物生长；地下水产生不良地质地貌现象，如山崩、滑塌、陷穴、溶洞等，若过量的开采和不合理利用地下水，则会造成地面沉降，地下水源遭受污染等。,地下水与人类的关系,水的循环大气水、地表水和地下水之间不间断的运动和相互转化的过程。,水循环按其循环范围分为：大循环指整个地球范围内，在海洋和陆地之间的循环。小循环指地球局部范围内的循环。,水 循 环 的 类 型 及 主 要 环 节,水量平衡原理,水的运动:水循环,受人类影响显著,一.地下水的定义及其形成条件,1.定义 是指储存在地表面以下岩土体空隙（土中的孔隙、岩体中的孔隙和裂隙）中的各种水。地下水的富集必须具备三个条件 有较多的储水空间有充足的补给水源有良好的汇水条件,地下水的有关概念：1）.岩土体空隙：孔隙(松散沉积物或沉积岩颗粒之间的空间)；裂隙(岩体中的破裂)；洞穴(Cave 可溶性岩石溶蚀后形成的空洞)=Vn/V100%式中：，孔隙度(孔隙的数量)；Vn，孔隙体积；V，沉积物或岩石总体积 影响孔隙度的4因素：颗粒粗则低、颗粒形态不规则则低、分选性差则低、胶结好则低。,岩石的空隙,地表10km以上范围，有空隙浅部12km范围，空隙普遍岩石空隙是地下水储存场所，也是渗透通道,空隙的多少、大小及其分布规律,决 定,地下水分布与渗透特点,按成因空隙分：孔隙、裂隙、溶隙,2）.岩土体的透水性:岩土体的透水能力取决于其空隙大小（能否自由透水）、多少与贯通程度（透水多少）透水层：在常压下水能自由通过的地层。隔水层：(不透水层)水不能自由通过的地层含水层：饱含地下水的隔水层。3）.地下水面:某地区内地下彼此连通连续的水 面,为饱水带顶面。地下水位：地下水的出露高度(不同地方地下 水位高度并不同，与地表起伏无关)包气带：地下水面以上部分岩土层空隙中的气 体与大气相通，含不饱和液态水。饱水带：地下水面以下的部分,岩土空隙中充满了水。,岩（石）层按水理性质不同分：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。条件：1、空隙存在并充满足够的水 2、重力水能在空隙中自由运动隔水层不能给出并透过水的岩层。水量小；渗透性差，如粘土,地球上的水以气态、液态和固态三种形式存在于空中、地表与地下，成为海洋水、河流水、湖泊水、沼泽水、土壤水、地下水、冰川水、大气水以及存在于动、植物有机体内的生物水。这些水体，通过水循环组成了一个统一的相互联系的包围地球的水圈。在这其中，海水构成水圈的绝大部分，海水量约占地球总水量的96%97%；其次为分布在极地及陆地上的冰川固态水，约为3x1016 m3；而陆地上的河、湖、土壤水、地下水等约为4x1012 m3，水体分布很广，但其所占比重却很小。,2.地下水的存在方式,本章要研究的地下水存在状态主要指：,气态水吸着水（强结合水）薄膜水（弱结合水）毛细水重力水（自由水）固态水,岩土体中的地下水,二.地下水的物理性质和化学成分,主要介绍：物理性质：包括温度、颜色、透明度、嗅（气味）、味（味道）和导电性等。主要化学成分：地下水中常见的成分 地壳中分布广、含量高的元素，如O、Ca、Mg、Na、K等在地下水中最常见。氢离子浓度 指水的酸碱度，以PH值表示。总矿化度 水中离子、分子和各种化合物的总称称为总矿化度。表示水的矿化程度。通常以105-110温度下将水蒸干后所得的干涸残余物的含量来确定。水的硬度 水中、的总含量称为总硬度。,1.地下水的物理性质,1）温度：地下水的温度与其埋藏深度、补给条件及地质条件等有关。35m以内地下水之温度随昼夜气温变化 一般 50m以内地下水之温度随年度季节气温变化 50m以下地下水之温度随深度变化,地下水按其温度可分为,2）颜色：地下水的颜色取决于其化学成分及悬浮物3）透明度：取决于地下水所含物质（矿物质、有机质、胶体物）类型及多少 透明的：无悬浮物及胶体，60cm水深可见3mm粗线 微浊的：有少量悬浮物，大于30cm水深可见3mm粗线 混浊的：有较多悬浮物，小于20cm水深可见3mm粗线 极浊的：有大量悬浮物或胶体，似乳状，水深很小，即是在5cm内也看不清3mm粗线。,4）气味：取决于水中所含某些气体或有机质及温度高低：H2S臭鸡蛋味 腐殖质霉味5）味道：取决于其化学成分 6）比重：取决于各种成分含量，多在1.01.37）导电性：取决于地下水所含电解质（离子）的数量和性质（电价离子价），数量越多，离子价越高，导电性强。8）放射性：取决于地下水中的气态镭射气（氢）及少量放射性盐类,2.地下水的化学成分 1）.自然界中绝大多数元素在地下水中均被发现，这既取决于各元素在地壳中的含量，也取决于各元素的溶解度。其中O、K、Na、Ca、Mg、Cl等以离子状态大量存在于水中。O、K、Na、Ca、Mg克拉克值大,溶解度也大，水中含量就高。Cl克拉克值小,但溶解度大,故水中含量高 Si，Fe克拉克值大,但溶解度小,故水中含 量就小。,2）地下水的主要化学成分,N2、O2、CO2、CH4、H2S及放射性气体等,离 子,阳离子:H+、Na+、K+、NH4+、Mg2+、Ca2+、Fe2+、Fe3+、Mn2+等阴离子:OH-、Cl-、HCO3-、NO2-、SO42-、CO32-、SiO32-、PO43-等,Fe2O3、Al2O3、H2SiO3等,化合物,气 体,总矿化度指地下水中所含的各种离子、分子及化合物的总量。,3）地下水的总矿化度,地下水按矿化度分类：,含有对人体有益矿物质的水称为矿泉水,按pH值分类,4）地下水的氢离子浓度,5）地下水的硬度：地下水中Ca+和Mg+的含量称为总硬度；将水煮沸后损失的硬度称为暂时硬度，总硬度与暂时硬度之差为永久硬度。,三.地下水主要的类型,地下水按存在形式分类：气态水液态水固态水地下水按埋藏条件分类：上层滞水潜水承压水地下水按含水层性质分类：孔隙水裂隙水溶隙水,地下水分类表,根据埋藏条件分类1.包气带水：包括气态水、结合水、毛细管水、过路重力水、上层滞水(局部隔水层中蓄的水)2.潜水：地面下第一个稳定隔水层上的饱和水 潜水层厚度=潜水面至下伏隔水层顶板的距离 潜水埋藏深度=潜水面至地表的距离 潜水面的特征：波状起伏、随季节而变化。3.承压水：充满于二个隔水层中间的含水层中的地下水。承受着一定的静水压力，形成环境主要为向斜盆地。,地下水的补给与排泄1.含水层失去水量称排泄，含水层从外界获得水称补给。流动的地下水称地下径流。它从补给区向排泄区流动。2.补给来源：大气降水、地表水。3.地下水的露头：地下水的人工露头为井 天然露头为泉（上升急喷的泉即喷泉，重力向下者为下降泉）。台湾和云南有“蝴蝶泉”;南京有“珍珠泉”、“江南,1)、地下水的补给含水层自外界获得含水量的过程 主要的补给来源有：（1）大气降水补给：最主要来源，补给数量与降水性质、植物覆盖、地形、地质构造、包气带厚度及岩石透水性有关。暴雨、连绵细雨不同。（2）地表水补给河流、湖泊、水库与海洋等（3）含水层之间的补给：透水“天窗”或断层、弱透水层（4）人工补给 一般在山区地下水补给地表水，而在平原区地表水补给地下水；丰水期地表水补给地下水；枯水期地下水补给地表水。,2)、地下水的排泄含水层失去水量的过程 主要的排泄方式有：（1）蒸发：土壤蒸发、植物蒸发（2）泉水：山区与平原，上升泉与下降泉（3）向地表水排泄（4）含水层之间的排泄（5）人工排泄,3)、地下水的径流 地下水由补给区流向排泄区的过程 地下水的循环：补给区径流区 排泄区 径流包括(1).径流方向、(2).径流速度、(3).径流量、地下水的成分、性质及其地质作用等都与径流有关。,(1)水量不大，但季节性变化强烈。(2)补给区和分布区是一致的。(3)一般矿化度低，但水质最易受污染。(4)所含的上层滞水水量不大，但其常常是引起土质边坡滑坍，地基、路基沉陷、冻胀等病害的重要因素。,1）.上层滞水-存在于饱气带内局部隔水层上的重力水。其主要特征如下：,2).潜 水,定义：地表下面第一个连续隔水层之上具有自由表面的含水层中的水称为潜水。埋藏条件：在距地表较深的饱水带内的第一个连续隔水层上的含水层。补给径流排泄：以大气降水和地表水的下渗补给，由水位高处向水位低处流动，排泄有以蒸发为主的垂直排泄，水平方向上流到其它含水层及地表低处的水平排泄。特征：范围较大，水量较多。分布区与补给区一致。具有连续的自由水面潜水面（形状与地形相似，但比地形平缓）受气候、水文因素的影响较大，动态变化较不稳定。工程特征：对工程的危害视潜水的埋藏深度及所处岩石的土体性质决定（液化）。,潜水,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。当含水层厚度变大时，潜水面坡度变缓；当岩层透水性变好，潜水面坡度变缓。,潜水补给情况,3).承压水,定义：充满于两个隔水层之间的含水层中的地下水称为承压水。埋藏条件：在距地表很深的两个隔水层之间的含水层。向斜构造，单斜构造。补给径流排泄：含水层出露地表较高处的补给区接受大气降水。地表水的下渗补给，径流承压区（可由低处向高处流动）至出露地表较低的含水层排泄区排泄。特征：分布区与补给区不一致；地下水呈压，无自有水面；受气候、水文等因素影响较小，动态变化较稳定。对工程影响：深基坑及隧道开挖涌水、淹没。,压力水头高度,补给区,承压区,排泄区,自溢区,承压斜地,岩性变化形成承压斜地,断裂构造形成承压斜地,4).裂隙水,定义：埋藏在基岩裂隙中的地下水。特点：分布不均，水力联系很复杂。按裂隙水附存介质的不同分类：脉状裂隙水层状裂隙水按基岩裂隙成因的不同划分为：风化裂隙水：在基岩山区分布十分广泛，对边坡工程影响很大，常常是边坡失稳和浅层滑坡形成的重要原因。成岩裂隙水：成岩裂隙水可以是潜水，也可以是承压水。构造裂隙水：构造裂隙水一般水量比较丰富，常常是良好的供水水源，但对隧道施工往往造成危害，如产生突然涌水事故等。,5).岩溶水,定义：赋存与运移于可溶岩的空隙、裂隙以及溶洞中的地下水叫岩溶水。特征：岩溶水分布具有不均匀性，由于岩溶分布和发育的不均匀性，岩溶含水层的富水性极不均匀；水力联系密切，由于地下溶洞与溶洞、溶洞与溶蚀裂隙之间相互连通，使得岩溶水具有密切的水力联系和较强的传递能力；水量动态多变，随季节变化大。,6).泉 水,定义：地下水在地表的天然集中出露称为泉。按出露原因分类：侵蚀泉：河谷切割到潜水含水层时，为侵蚀下降泉；切穿承压含水层的隔水顶板时，为侵蚀上升泉。接触泉：透水性不同的岩层相接触，地下水流受阻，沿接触面出露，称为接触泉。断层泉：断层使承压含水层被隔水层阻挡，当断水层导水时，地下水沿断层上升，在地面标高低于承压水位处出露，称为断层泉。按泉水的温度分类：冷泉：温度大致相当于或略低于当地平均气温。温泉：温度高于当地地平均气温。,泉,四.地下水的地质作用,地下水的潜蚀作用:,地下水的搬运作用；,以化学溶运为主，机械搬运为副。,地下水的沉积作用:,机械沉积,化学沉积,过饱和沉积,泉华：沉淀在泉水出口处的疏松多孔的物质,1、地下水的潜蚀作用 地下水在运动过程中对周围岩石的破坏作用称为地下水的潜蚀作用。由于地下水的化学成分较复杂，常含有较多CO2和各种溶剂，因而化学潜蚀作用显著。地下水的运动特征：地下水的垂直运动与岩溶地形在包气带，地下水主要作垂直运动，因而岩溶地形也沿垂直方向发育，主为有溶沟、石芽、落水洞、溶斗等。地下水的水平运动与岩溶地形 在潜水面附近，地下水作近于水平方向运动，因而溶蚀作用沿水平方向发展。岩石经溶蚀后形成水平方向延伸的溶洞。,2、地下水的搬运作用要为化学搬运，化学搬运物的成分和数量，取决于地下水渗流区的岩石性质和风化程度。流经灰岩地区的地下水，含HCO3-、Ca2+、Mg2+较多。在干旱及半旱地区，因化学风化较弱，只有极易迁移的K+、Na+、Cl-、SO42-等离子。在湿热气候区，化学风化作用强烈而彻底，地下水搬运的物质除上述物质以外，可有较多的SiO2、Al(OH)3、Fe(OH)3等胶体物质。地下水的溶运能力，与水温、压力、运移速度、酸碱度及CO2含量有关。一般来说，温度高、压力大、流速快、CO2和酸类物质含量高时,其溶运能力强；反之，则较弱。,3、地下水的沉积作用 溶洞沉积物 在灰岩区，当溶有重碳酸钙的地下水渗入溶洞时，压力突然降低，水中溶解 的CO2逸出，形成CaCO3沉淀。地下水在洞顶渗出形成悬挂的锥状沉积物称石钟乳；地下水 滴至洞底形成向上增长的笋状沉积物称石笋；当石钟乳和石笋连接在一起时称 为石柱；它们统称为钟乳石。若地下水沿洞壁渗出，可形成帷幕状的沉积物，称为石幔。泉华沉积物 当泉水流出地表时，因压力降低、温度升高，地下水中的矿物质发生沉淀，沉淀在泉口的疏松多孔物质叫泉华。成分为CaCO3时，称为钙华或石灰华；以SiO2为主时称为硅华。泉华可堆积成锥状、台阶状或扇状地貌。,一).地下水的侵蚀作用及喀斯特1.侵蚀(潜蚀)：机械冲刷(水冲力小,故颗粒细);化学溶蚀(对象是可溶性岩石)。2.喀斯特karst：含二氧化碳的地下水对灰岩进行的以化学溶蚀为主、机械冲刷为辅的地质作用及其地貌称之。中国译为岩溶。喀斯特地区，风景优美，石林壮观。以下结构名称自学a.溶沟、石牙：表面溶蚀冲刷，形成沟槽（溶沟）、突起（石牙，发育成石林）。b.落水洞：地表向下与地下河相连的近直立的洞穴。二组直立裂隙交会处最易形成。c.溶斗(漏斗)：深度较小的凹坑，可连地下河。,d.干谷、盲谷：河床中的落水洞，使下游断流成干 谷；上游下蚀且流水入洞成为盲谷。e.峰丛、峰林、孤峰f.溶洞：石灰岩地区的地下洞.层面、节理面、断裂 面最易发育。地壳上升潜水面下降溶洞干涸。溶洞一般形成于大片石灰岩分布区，如瑶林仙境、灵山幻境、宜兴善卷洞（上洞、中洞为干洞，下洞 有水可通舟楫）。g.溶蚀谷地、天然桥：地下暗河暴露地表,为溶蚀谷 地.未塌陷部分叫天然桥。h.喀斯特洼地、喀斯特平原：溶斗扩大形成洼地，进一步发展则成为喀斯特平原（地壳稳定、侧向 溶蚀充分）。,3.影响岩溶（karst）发育的因素a.气候：潮湿、降雨量大、常年气温高。b.岩石：可溶性岩石，纯的石灰岩更好。c.构造：断层、节理发育有利于karst的形成。d.流水：溶蚀性强、流动性好，有利于karst 的形成。e.环境：地质环境稳定,有利于karst的形成。二).地下水的搬运及沉积作用1.搬运：在地下进行。其余与河流无异。2.沉积：机械沉积、化学沉积，后者重要。2.1 引起化学沉积的因素：压力降低、水温 降低、水分蒸发，CaCO3浓度增加而沉淀。,2.2 沉积方式孔隙沉积产物像胶结块。裂隙具梳状构造的方解石脉。溶洞钟乳石，石钟乳:同心环状的空心体。石笋:同心环状实心体。流水中的CaCO3沉淀石帘、石瀑布。温泉泉华，包括钙硅华即石灰华、硅华。地下水的开发利用1.寻找更多更好的地下水。2.要求科学开采（上海过量开采，造成地面下降；后向地下注水，地面回升）。3.中科院桂林岩溶研究所、中科院水文研究所,五.地下水对工程的影响：地下水对工程的影响主要取决于水的质、量、水环境、水压力（静压、渗压）及地下水引起环境变化等方面。1.地下水是一种资源：工程拌和、养生、降温、冲洗清理用之，施工人员、设备用之。2.地下水也是一种危害,主要表现为:岩土体的软化性；动水压力；静水压力；有效应力浮托力；冻融性；胀缩性；腐蚀性；掩埋性；堵塞作用等。,1.化学成分对工程的影响,氢离子浓度：氢离子浓度为一般酸性侵蚀指标。酸性侵蚀可分解水泥混凝土中的CaCO3成分，使水泥混凝土强度下降。总矿化度：高矿化水能降低混凝土的强度，腐蚀钢筋，促使混凝土分解，故拌和混凝土时不允许用高矿化水，在高矿化水中的混凝土建筑亦应注意采取防护措施。,2.地下水对混凝土的侵蚀作用,分解性侵蚀 是指酸性水溶液氢氧化钙以及侵蚀性碳酸溶液碳酸钙而使混凝土分解破坏的作用。结晶性侵蚀 主要是硫酸性侵蚀，是含硫酸盐的水与混凝土发生反应，在混凝土的孔洞中形成石膏和硫酸铝盐晶体。分解结晶复合性侵蚀 主要是水中弱盐基硫酸盐离子的侵蚀，如Mg2+、NH4+、C1-、SO42-、NO3-等含量很多时，与混凝土发生化学反应，使混凝土力学强度降低，甚至破坏。,（1）溶出侵蚀：硅酸盐水泥遇水硬化，生成Ca（OH）2，水化硅酸钙（2CaO.SiO2.12H2O）.水化乳酸钙（2CaO.Al203.6H2O）等，地下水流动使Ca(OH)2及CaO成分不断溶解带走，结果使混凝土强度下降。地下水中HCO3-含量关系很大。Ca(OH)2+Ca(HCO3)2=2CaCO3+2H2O CaCO3不溶于水，既可充填混凝土空隙，又在混凝土表面形成一个保护层，防止Ca(OH)2溶出，当HCO3-含量低于2mg/l时，地下水具侵蚀性。,（2）碳酸侵蚀：水中含CO2(称游离CO2)，水中CO2与混凝土中CaCO3的化学反应是一种可逆反应：CaCO3+CO2+H2O=Ca(CO3)2=Ca2+2HCO3-CO2增加减少，反应方向改变，只有达到平衡时，化学反应停止进行，此时所需称平衡CO2，当游离CO2平衡CO2，则超出部分称侵蚀性CO2,使混凝土中溶解。,（3）硫酸侵蚀：一般SO42-250mg/l时,生成石膏CaSO4.2H2O，体积膨胀到原来1.5倍，石膏可继续与含水铝酸钙作用生成含31H2O的含水硫铝酸钙，体积增大为原来的2.2倍，在混凝土中产生很大应力，混凝土严重溃裂，现场称水泥细菌，反应式如下：3(CaSO4.2H2O)+3CaO.Al2O3.6H2O+19H2O=3CaO.Al2O3.31CaSO4.3H2O 当使用含水铝酸钙极少的水泥时，可提高水泥抗硫酸盐侵蚀的能力，当SO42-含量3000mg/l，不具硫酸侵蚀。,（4）一般酸性侵蚀：PH较小时，混凝土中Ca(OH)2与酸反应，生成Ca盐，如CaCl2、CaSO4、Ca(NO3)2等，若生成物易溶于水，则混凝土不侵蚀，一般PH1000mg/l时有侵蚀性，而地下水中Mg2+含量很少1000mg/l。,实例：青海铬盐厂因使用了含硫酸盐的地下水作工程用水，使桩基础、柱与其他构件遭受腐蚀，损失3000多万。,3.地下水与工程,1)、地基沉降 深基础施工时，人工降水 控制不当，地基土产生固结沉降后果：不均匀沉降；土颗粒流失，掏空2)、流砂（与动水压力有关），当地下水动水压力大于土粒的浮重度时，就会产生流砂。工程地质现象地下水位以下开挖基坑、埋设地下管道、打井等工程活动引起,易发生在细砂、粉砂、粉质粘土等土中。危害：土体流动，使地表塌陷、地基破坏。防治：浅埋 桩基穿过流砂 若开挖流砂层，处理方法：人工降低地下水位 打板桩 冻结法 地下挖掘（机械）：避免水头差,3)、潜蚀对建筑工程的影响 机械潜蚀：土粒在地下水压力作用下受到冲刷，将细粒冲走，使土的结构破坏，形成洞穴的作用 化学潜蚀：地下水融解土中的易溶盐分，破坏土粒间结合力和土的结构，土粒被水冲走，形成洞穴。危害：破坏地基土的强度，形成空洞，产生地表塌陷、影响基础稳定 措施：堵截地下水流入土层，阻止地下水在土层中流动。设置反滤层、改造土的性质、减小地下水流速及水力坡度,4)、地下水的浮托作用 建筑物基础地下水对岩石、土体也有浮托力5)、基坑突涌 若不满足安全厚度M，则降水6)、地下水对钢筋混凝土的腐蚀地下水中某些离子或原子含量过大，会同混凝土发生化学反应。,