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第四章地下水本讲稿第一页，共六十一页岩土的空隙: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连通性好分布不均匀连通性差本讲稿第二页，共六十一页1.1.孔隙孔隙 孔隙孔隙：岩土颗粒之间的空隙。：岩土颗粒之间的空隙。孔隙度孔隙度：孔隙的发育程度，又称孔隙率。：孔隙的发育程度，又称孔隙率。式中n 孔隙度孔隙度vn 岩土中孔隙的体积岩土中孔隙的体积V 包括孔隙在内的岩土总体积包括孔隙在内的岩土总体积%100=vvnn 孔隙度的大小主要孔隙度的大小主要取决于岩土的密实程度取决于岩土的密实程度及及分选性分选性。此外，颗。此外，颗粒形状和胶结程度对孔隙度也有影响。粒形状和胶结程度对孔隙度也有影响。本讲稿第三页，共六十一页表表5-1 5-1 松散岩石孔隙度参考数值松散岩石孔隙度参考数值岩石名称岩石名称砾砾岩岩砂砂粉砂粉砂粘土粘土孔隙度孔隙度变变化区化区间间（）（）25254040252550503535505040407070本讲稿第四页，共六十一页2.2.裂隙裂隙 裂隙裂隙：岩石受地壳运动及其他内外地质应力作用影响产生的空隙。：岩石受地壳运动及其他内外地质应力作用影响产生的空隙。裂隙的发育程度除与岩石的受力条件有关，还与岩性有关。裂隙的发育程度除与岩石的受力条件有关，还与岩性有关。式中式中kT 裂隙率裂隙率vT 岩石中裂隙的体积岩石中裂隙的体积V 包括裂隙在内的岩石总包括裂隙在内的岩石总 体积体积%100=vvkTT成岩裂隙成岩裂隙分化裂隙分化裂隙构造裂隙构造裂隙裂隙按成因分类裂隙按成因分类 裂隙的发育程度用裂隙的发育程度用裂隙率裂隙率表示：表示：本讲稿第五页，共六十一页常见岩石裂隙率的经验值表常见岩石裂隙率的经验值表本讲稿第六页，共六十一页3.3.溶隙溶隙 溶隙溶隙：可溶性岩石：可溶性岩石(白云岩、石灰岩等白云岩、石灰岩等)经过地下水流长期经过地下水流长期溶蚀作用而形成的空隙。溶蚀作用而形成的空隙。溶隙的发育程度用溶隙的发育程度用溶隙率溶隙率表示：表示：式中kK 溶隙率溶隙率vK 可溶岩中溶隙的体积可溶岩中溶隙的体积V 可溶岩体积可溶岩体积%100=vvkKK本讲稿第七页，共六十一页二、水在岩土中的存在形式本讲稿第八页，共六十一页（1）地下水的物理性质）地下水的物理性质地下水的物理性质有温度、颜色、透明度、气味、味道、导电地下水的物理性质有温度、颜色、透明度、气味、味道、导电性及放射性等。纯净的地下水是无色、无味、无臭、透明的，当含性及放射性等。纯净的地下水是无色、无味、无臭、透明的，当含有某些化学成分、悬浮物等时其物理化学性质就会发生变化。有某些化学成分、悬浮物等时其物理化学性质就会发生变化。通过地下水物理性质的研究，能够初步了解地下水的形成环境、通过地下水物理性质的研究，能够初步了解地下水的形成环境、污染情况及化学成分。污染情况及化学成分。温度温度颜色颜色透明度透明度地地下下水水物物理理性性质质气味气味味道味道导电性导电性变化范围较大一般为无色透明、微浑、浑浊、极浑浊。多半是透明。一般是无味主要取决于地下水的化学成分当含一些电解质时，导电性增强，也受温度影响。本讲稿第九页，共六十一页（2）地下水的化学成分）地下水的化学成分 地下水不是化学成分纯的地下水不是化学成分纯的H2O，而是含有多种化学元素的复杂溶，而是含有多种化学元素的复杂溶液。地下水的化学成分，是在很长的地质历史时期经过各种作用形成的。液。地下水的化学成分，是在很长的地质历史时期经过各种作用形成的。1)地下水中主要离子成分地下水中主要离子成分 主要离子主要离子地地下下水水化化学学成成分分阳离子：阳离子：H H+、NaNa+、K K+、NHNH5 5+、Mg Mg2+2+、CaCa2+2+、FeFe2+2+等。等。阴离子：阴离子：OHOH-、ClCl-、SOSO4 42-2-、NONO2 2-、NONO3 3-、HCOHCO3 3-、COCO3 32-2-、SiOSiO3 32-2-、POPO5 52-2-等。等。主要气体主要气体O O2 2 、N N2 2 、CO CO2 2 、H H2 2S S。胶体成分胶体成分以碳、氢、氧为主的有机质，经常以胶体方式存在于以碳、氢、氧为主的有机质，经常以胶体方式存在于地下水中。很难以离子状态溶于水的化合物也往往以地下水中。很难以离子状态溶于水的化合物也往往以胶体状态存在地下水中，其中分布最广的是胶体状态存在地下水中，其中分布最广的是Fe(OH)Fe(OH)2 2 、Al(OH)Al(OH)3 3及及SOSO2 2。本讲稿第十页，共六十一页2)2)地下水的化学性质地下水的化学性质(1)(1)酸碱度酸碱度氢离子浓度氢离子浓度是指水的酸碱度，用pH值表示。水的类别表5-2 地下水按pH值分类强酸性水弱酸性水中性水弱碱性水强碱性水pH值10.0(2)(2)矿化度矿化度地下水中各种离子、分子与化合物的总量称矿化度。分类表5-3 地下水按矿化度分类淡水弱碱水碱水盐水卤水矿化度/(g/L)50本讲稿第十一页，共六十一页(3)(3)硬度硬度水中钙、镁离子的含量称为水的硬度。总硬度总硬度暂时硬度暂时硬度永久硬度永久硬度水加热沸腾后所损失的Ca2+、Mg2+含量。水加热沸腾后仍然保持在水中的Ca2+、Mg2+含量。分类表5-4 地下水按总硬度分类极软水软水微硬水硬水极硬水总硬度9.0mmol/L德国度25.2本讲稿第十二页，共六十一页地下水的水质 化学性质 PH值矿化度硬度气体成分O2H2SCO2离子成分Cl-SO4-2HCO3-Na+K+Ca+2Mg+2本讲稿第十三页，共六十一页地下水对建筑材料的腐蚀性溶出侵蚀：混凝土中Ca(OH)2成分被水溶解。碳酸侵蚀：含侵蚀性co2的水溶解混凝土中的钙质而使混凝土崩解。硫酸盐侵蚀：水中SO4-2与混凝土作用生成新的化合物，由于体积膨胀而胀裂。酸性侵蚀：PH值低的酸性水对混凝土具腐蚀性。镁盐侵蚀：水中镁盐与混凝土作用后生成化合物溶解于水。本讲稿第十四页，共六十一页三、岩土的水理性质岩土与水接触时，控制水分储存和运移的性质。岩岩土土水水理理性性质质容水性容水性持水性持水性给水性给水性透水性透水性常压下，岩石空隙能够容纳一定水量的性能。饱水岩石在重力作用下排水后，依靠分子力和毛细管力仍然保持一定水分的能力。饱水岩石在重力作用下能够自由排出水的性能。岩土允许水透过的性能。本讲稿第十五页，共六十一页含水层与隔水层形成条件形成条件有较大且连通的穿隙与隔水层组合形成储水空间有充分的补给来源含水层含水层(aquifer)能够透过并能给出相当数量水的岩土层。隔水层隔水层(aquiclude)不能透过或给出水，或者透过或给出的水数量微不足道的岩土层。本讲稿第十六页，共六十一页(1)含水层：能够给出并透过相当数量重力水的岩层。构成含含水层：能够给出并透过相当数量重力水的岩层。构成含水层的条件，一是岩石中要有空隙存在，并充满足够数量的重力水层的条件，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。水；二是这些重力水能够在岩石空隙中自由运动。(2)隔水层：不能给出并透过水的岩层。隔水层有的可以含隔水层：不能给出并透过水的岩层。隔水层有的可以含水，但是不具有允许相当数量的水透过自己的性能。例如粘土，水，但是不具有允许相当数量的水透过自己的性能。例如粘土，它可以储存大量的水，但是不具备给出和透过水的能力，故粘它可以储存大量的水，但是不具备给出和透过水的能力，故粘土常被作为隔水层。土常被作为隔水层。本讲稿第十七页，共六十一页表表5-3 常态下岩石的透水程度常态下岩石的透水程度本讲稿第十八页，共六十一页第一节第一节 地下水的类型地下水的类型含水层含水层空隙性质空隙性质孔隙水孔隙水(松散沉积物孔隙中的水松散沉积物孔隙中的水)裂隙水裂隙水(坚硬基岩裂隙中的水坚硬基岩裂隙中的水)岩溶水岩溶水(可溶岩溶隙中的水可溶岩溶隙中的水)上层滞水上层滞水包气带中局部隔水层上的重力包气带中局部隔水层上的重力水，主要是季节性存在水，主要是季节性存在裸露于地表的裂隙岩层浅部季裸露于地表的裂隙岩层浅部季节性存在的重力水节性存在的重力水裸露的岩溶化岩层上部岩溶通道裸露的岩溶化岩层上部岩溶通道中季节性存在的重力水中季节性存在的重力水潜水潜水各类松散沉积物浅部的水各类松散沉积物浅部的水裸露于地表的各类裂隙岩层中裸露于地表的各类裂隙岩层中的水的水裸露于地表的岩溶化岩层中的水裸露于地表的岩溶化岩层中的水承压水承压水山间盆地及平原松散沉积物深部山间盆地及平原松散沉积物深部的水的水组成构造盆地、向斜构造或单组成构造盆地、向斜构造或单斜断块的被掩覆的各类裂隙岩斜断块的被掩覆的各类裂隙岩层中的水层中的水组成构造盆地、向斜构造或单斜断组成构造盆地、向斜构造或单斜断块的被掩覆的岩溶化岩化岩层中的块的被掩覆的岩溶化岩化岩层中的水水埋藏条件埋藏条件表表5-1 5-1 地下水分类表地下水分类表1、地下水埋藏类型包气带包气带饱水带饱水带地面以下岩土层地面以下岩土层地下水面以上地下水面以上地下水面以下地下水面以下本讲稿第十九页，共六十一页地下水埋藏类型本讲稿第二十页，共六十一页1.1.上层滞水上层滞水(perch ground water)指在包气带内局部隔水层上指在包气带内局部隔水层上积聚的具有自由水面的重力水称积聚的具有自由水面的重力水称为上层滞水，也可称包气带滞水为上层滞水，也可称包气带滞水(图图5-2)。图5-2 包气带水和潜水示意图A 包气带水 B 潜水 h 潜水面的埋藏深度 H 潜水厚度 上层滞水的动态很不稳定。上层滞水的动态很不稳定。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.本讲稿第二十一页，共六十一页2.潜水(phreatic water)1砂层 2隔水层 3含水层4潜水面 5基准 面 埋藏在地面以下第一个稳定隔水层之上具自由水面的重力水。特征：与大气相通，具自由水面，补给区与分布区一致，动态受气候影响较大。潜水面形状受地形影响。本讲稿第二十二页，共六十一页大气降水大气降水地表水地表水潜水的潜水的补给来源补给来源凝结水凝结水深层地下水深层地下水最主要的补给来源最主要的补给来源径流排泄径流排泄蒸发排泄蒸发排泄潜水的潜水的排泄排泄含水层之含水层之间的排泄间的排泄以泉、渗流等形式泄出地表以泉、渗流等形式泄出地表或流入地表水或流入地表水通过包气带或蒸发进入大气通过包气带或蒸发进入大气通过导水断层、天窗越流通过导水断层、天窗越流排泄排泄潜水等位线图潜水等位线图：潜水面上高程相等各点的连线潜水面上高程相等各点的连线(图图5-3a)。本讲稿第二十三页，共六十一页潜水与地表水的关系潜水补给河流潜水补给河流河流补给潜水河流补给潜水单侧补给单侧补给本讲稿第二十四页，共六十一页潜水等水位线图可解决如下问题：1 确定潜水流向2 确定潜水的水力坡度3 确定潜水的埋藏深度4 确定潜水与地表水的关系 虚线潜水等水位线 实线地形等高线潜水的自由水面为潜水面；潜水面上任一点的高程为该点的潜水位；潜水的自由水面为潜水面；潜水面上任一点的高程为该点的潜水位；自地面某点至潜水面的距离为该点潜水的埋藏深度；从潜水面至隔自地面某点至潜水面的距离为该点潜水的埋藏深度；从潜水面至隔水底板的距离为潜水含水层厚度水底板的距离为潜水含水层厚度本讲稿第二十五页，共六十一页图图5-3 5-3 潜水等位线图及水文地质剖面图潜水等位线图及水文地质剖面图1 1砂土砂土 2 粘土粘土 3 地形等高线地形等高线 4 潜水等位线潜水等位线 5 5河流及流向河流及流向 6 6潜水流潜水流向向 7 7 潜水面潜水面 8 8下降泉下降泉 9 9钻孔钻孔(剖面图剖面图)1010钻孔钻孔(平面图平面图)1111 钻孔钻孔编号编号 1212剖面线剖面线本讲稿第二十六页，共六十一页3、承压水(pressure water)充满于两个隔水层之间的含水层中承受水压力的重力水。A A补给区补给区 B B承压区承压区 C C排泄区排泄区本讲稿第二十七页，共六十一页 特征：不具自由水面，并承受一定的水头压力。分布区和补给区不一致。动态变化较稳定。不易受地面污染。承压含水层局部H1初见水位 H2承压水位H承压水头 h承压水位埋深 本讲稿第二十八页，共六十一页承压水等水位线图本讲稿第二十九页，共六十一页如图中A点：地形标高103m，承压水位91m，含水层顶板标高83m。则承压水位埋深为：1039112m 承压水头为91838 m 含水层埋深为：1038320m承压水等水位线图可确定下列重要指标：承压水位埋深承压水头大小含水层埋深（初见水位）本讲稿第三十页，共六十一页图5-4 承压含水层1含水层 2 隔水层 3 自流井 4 非自流井 5干井 6潜水位 7 承压水位 8地下水流向 9上升泉 A补给区 B 承压区 C排泄区 D自流区 h 承压水位埋深 M承压含水层厚度 H1 初见水位 H2 承压水位 H承压水头 OO基准面本讲稿第三十一页，共六十一页等水压线图：等水压线图：承压水面上高程相等点的连线图。图5-5 等水压线图及水文地质剖面图a)等水压线图 b)水文地质剖面图1地形等高线图 2 顶板等高线 3等水压线 4 承压水位线 5承压水流向 6自流区 7 井 8含水层 9隔水层 10干井 11 非自流井 12自流井本讲稿第三十二页，共六十一页4、不同岩土介质中的地下水1 1）孔隙水孔隙水埋藏于松散岩土孔隙中的重力水。山前倾斜平原孔隙水山前倾斜平原孔隙水河谷地区孔隙水河谷地区孔隙水按松散沉积按松散沉积物的成因类物的成因类型及地貌条型及地貌条件差异划分件差异划分冲积平原孔隙水冲积平原孔隙水山间盆地孔隙水山间盆地孔隙水黄土地区孔隙水黄土地区孔隙水沙漠地区孔隙水沙漠地区孔隙水本讲稿第三十三页，共六十一页 典型的冲洪积扇，自出山口至平原沿着纵向可分为三个水文地质带。深埋带深埋带、溢出带溢出带和垂直交替带垂直交替带(图5-6)。图5-6 洪积物中地下水分布示意图深埋带 溢出带 垂直交替带 1 砾卵石 2砂 3粉质粘土及粉土 4 基岩 5水位本讲稿第三十四页，共六十一页埋藏分布极不均匀透水性各个方向呈各向异性特征特征动力性质比较复杂风化裂隙水风化裂隙水成岩裂隙水：成岩裂隙水：赋存在成岩裂隙中的地下水赋存在成岩裂隙中的地下水分类分类构造裂构造裂隙水隙水主要接受大气降水的补给，常以主要接受大气降水的补给，常以泉的形式排泄于河流中。泉的形式排泄于河流中。以以分布不均匀、水力联系不好分布不均匀、水力联系不好为其特征。在各为其特征。在各种地下工程中，构造裂隙水的涌水量、水位、种地下工程中，构造裂隙水的涌水量、水位、水温与水质往往变化很大。这是由于构造裂隙水温与水质往往变化很大。这是由于构造裂隙的分布密度、方向性、张开性、延伸性极不均的分布密度、方向性、张开性、延伸性极不均一所造成的。一所造成的。由于岩石受构造运动应力作用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所形成的，而赋存于其中的地下水就称为构造裂隙水。造裂隙水。赋存在风化裂隙中的水赋存在风化裂隙中的水2 2）裂隙水裂隙水埋藏于基岩裂隙中的地力水。本讲稿第三十五页，共六十一页3）岩溶水）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。一般来说，在裸露的石灰岩分布区的岩溶水主要是潜水；当岩溶化岩层被其他岩层所覆盖时，岩溶潜水可能转变为岩溶承压水。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，如挖排水沟，筑挡水坝，开凿输水隧洞改道等等。本讲稿第三十六页，共六十一页 岩溶水岩溶水赋存和运移于可溶岩的地下水。岩溶上层滞水岩溶上层滞水岩溶潜水岩溶潜水岩溶水岩溶水分类分类岩溶承压水岩溶承压水 岩溶水的分布主要受岩溶作用规律的控制受岩溶作用规律的控制。5、泉 地下水在地表的天然露头叫泉天然露头叫泉，人工露头称为井人工露头称为井。泉是地下水的一种重要的排泄方式。是可以直接用作工业和生活供水的重要水源。本讲稿第三十七页，共六十一页上升泉上升泉根据补给源及水流特征分下降泉下降泉侵蚀泉侵蚀泉接触泉接触泉断层泉断层泉冷泉冷泉温泉温泉根据泉水出露原因分根据泉水温度分为承压水补给，在出露口附近是自下而上运动。为潜水及上层滞水补给，在出露口附近是自上而下运动。侵蚀下降泉(图5-7a)侵蚀上升泉(图5-7b)泉水温度大致相当于或略低于当地年平均气温。泉水温度高于当地年平均气温。多由深层自流水补给。与岩浆活动和地下深处地热的影响有关。透水性不同的岩层接触，地下水流受阻沿接触面出露地表(图5-7c)。地下水沿断层面上升，在地面高程低于承压水位处出露成泉(图5-7d)。泉泉水水分分类类本讲稿第三十八页，共六十一页图5-7 泉的形成本讲稿第三十九页，共六十一页地下水的补给、径流与排泄过程是地下水的循环。地下水以大气降水、地表地下水的补给、径流与排泄过程是地下水的循环。地下水以大气降水、地表水、人工补给等各种形式获得补给，在含水层中流过一段路程，然后又以泉、蒸水、人工补给等各种形式获得补给，在含水层中流过一段路程，然后又以泉、蒸发等形式排除地表，如此周而复始的过程便形成了地下水的循环。发等形式排除地表，如此周而复始的过程便形成了地下水的循环。6、地下水的补给、径流与排泄地下水的补给、径流与排泄1）地下水的补给）地下水的补给含水层自外界获得水量的过程称做补给含水层自外界获得水量的过程称做补给(1)大气降水补给：大气降水是地下水的最主要补给来源。大气降水补给：大气降水是地下水的最主要补给来源。(2)地表水补给：地表水体指的是河流、湖泊、水库与海洋等，地表水体可地表水补给：地表水体指的是河流、湖泊、水库与海洋等，地表水体可能补给地下水，也可能排泄地下水，这主要取决于地下水水位与地下水水位之间的能补给地下水，也可能排泄地下水，这主要取决于地下水水位与地下水水位之间的关系。关系。(3)含水层之间的补给：深部与浅部含水层之间的可以通过各种通道如构造含水层之间的补给：深部与浅部含水层之间的可以通过各种通道如构造带、带、“天窗天窗”或或“越流越流”进行互为补给。进行互为补给。(4)人工补给：包括灌溉水，工业与生活废水排入地下，以及专门为增加人工补给：包括灌溉水，工业与生活废水排入地下，以及专门为增加地下水量的人工方法补给。地下水量的人工方法补给。本讲稿第四十页，共六十一页2)地下水的径流地下水的径流地下水由补给区流向排泄区的过程叫径流。地下水由补给区流地下水由补给区流向排泄区的过程叫径流。地下水由补给区流经径流区，流向排泄区的整个过程构成地下水循环的全过程。地下经径流区，流向排泄区的整个过程构成地下水循环的全过程。地下水径流包括径流方向、径流速度与径流量。水径流包括径流方向、径流速度与径流量。地下水补给区与排泄区的相对位置与高差决定着地下水径流的地下水补给区与排泄区的相对位置与高差决定着地下水径流的方向与径流速度；含水层的补给条件与排泄条件愈好、透水性愈强，方向与径流速度；含水层的补给条件与排泄条件愈好、透水性愈强，则径流条件愈好。径流条件好的含水层其水质较好。此外，地下水则径流条件愈好。径流条件好的含水层其水质较好。此外，地下水的埋藏条件亦决定地下水径流类型：潜水属无压流动；承压水属有的埋藏条件亦决定地下水径流类型：潜水属无压流动；承压水属有压流动。压流动。本讲稿第四十一页，共六十一页含水层失去水量的过程称做排泄。地下水排泄的方式有：蒸发、含水层失去水量的过程称做排泄。地下水排泄的方式有：蒸发、泉水溢出、向地表水体排泄、含水层之间的排泄和人工排泄等。泉水溢出、向地表水体排泄、含水层之间的排泄和人工排泄等。(1)蒸发：通过土壤蒸发与植物蒸发的形式而消耗地下水的过程叫蒸发：通过土壤蒸发与植物蒸发的形式而消耗地下水的过程叫蒸发排泄。蒸发排泄。(2)泉水：泉是地下水天然露头，是地下水排泄的主要方式之一。泉水：泉是地下水天然露头，是地下水排泄的主要方式之一。(3)向地表水排泄：当地下水位高于河水位时，若河床下面没有向地表水排泄：当地下水位高于河水位时，若河床下面没有不透水岩层阻隔，那么地下水可以直接流向河流补给河水。不透水岩层阻隔，那么地下水可以直接流向河流补给河水。(4)含水层之间的排泄：一个含水层通过含水层之间的排泄：一个含水层通过“天窗天窗”、导水断层、越流等、导水断层、越流等方式补给，而对前一个含水层来说是排泄。方式补给，而对前一个含水层来说是排泄。(5)人工排泄：抽取地下水作为供水水源和基坑抽水降低地下水位等，人工排泄：抽取地下水作为供水水源和基坑抽水降低地下水位等，都是地下水的人工排泄方式。层来说是排泄。都是地下水的人工排泄方式。层来说是排泄。3)地下水的排泄地下水的排泄本讲稿第四十二页，共六十一页第二节 地下水运动的基本规律层流：层流：地下水运动时，水质点有秩序地呈相互平 行而互不干扰的运动。湍流：湍流：水质点相互干扰而呈无秩序的运动，称湍 流(也称紊流)。图5-8 渗透实验装置或(5-4)一、线性渗透定律 Darcy定律本讲稿第四十三页，共六十一页式中Q 渗流量(m3/d或cm3/s);A 过水断面面积(m2或cm2);H 水头损失(m或cm);L 渗流距离(m或cm);k 渗透系数(m/d或cm/s);J 水力坡度；v 渗流速度(m/d或cm/s)式(5-4)表明，渗流速度与水力坡度的一次方成正比，故Darcy定律又称为线性渗透定律。二、非线性渗透定律 当地下水在宽大的空隙中以相当快的速度运动时，呈现湍流。此时，渗透服从A.Chezy定律。即渗透速度与水力坡度的1/2次方成正比。(5-6)本讲稿第四十四页，共六十一页第三节 地下水对土木工程的影响一、地下水位下降引起的地基沉降地下水位下降往往会引起地表塌陷、地面沉降、海水入侵、地裂缝的产生和复活以及地下水源枯竭、地下水位下降往往会引起地表塌陷、地面沉降、海水入侵、地裂缝的产生和复活以及地下水源枯竭、水质恶化等一系列不良现象。水质恶化等一系列不良现象。（1）地表塌陷）地表塌陷:岩溶发育地区，由于地下水位下降时改变了水动力条件，在断裂带、岩溶发育地区，由于地下水位下降时改变了水动力条件，在断裂带、褶皱轴部、溶蚀洼地、河床两侧以及一些土层较薄而土颗粒较粗的地段，产生塌陷。褶皱轴部、溶蚀洼地、河床两侧以及一些土层较薄而土颗粒较粗的地段，产生塌陷。（2）地面沉降）地面沉降:地下水位下降诱发地面沉降的现象可以用有效应力原理加以解释。地下水地下水位下降诱发地面沉降的现象可以用有效应力原理加以解释。地下水位的下降减小了土中的孔隙水压力，从而增加了土颗粒间的有效应力，有效应力的增加要引位的下降减小了土中的孔隙水压力，从而增加了土颗粒间的有效应力，有效应力的增加要引起土的压缩。起土的压缩。（3）海）海(咸咸)水入侵水入侵:天然状态下，陆地的地下淡水向海洋排泄，含水层保持较高的水头，天然状态下，陆地的地下淡水向海洋排泄，含水层保持较高的水头，淡水与海水保持某种动态平衡，因而陆地淡水含水层能阻止海水入侵。如果大量开发陆地地淡水与海水保持某种动态平衡，因而陆地淡水含水层能阻止海水入侵。如果大量开发陆地地下淡水，引起大面积地下水位下降，可能导致海水向地下水含水层入侵，使淡水水质变坏。下淡水，引起大面积地下水位下降，可能导致海水向地下水含水层入侵，使淡水水质变坏。（4）地裂缝的产生与复活）地裂缝的产生与复活:近年来，在我国很多地区发现地裂缝，西安是地裂缝发近年来，在我国很多地区发现地裂缝，西安是地裂缝发育最严重的城市。据分析这是地下水位大面积大幅度下降而诱发的。育最严重的城市。据分析这是地下水位大面积大幅度下降而诱发的。（5）地下水源枯竭、水质恶化）地下水源枯竭、水质恶化:盲目开采地下水，当开采量大于补给量时，地下水资盲目开采地下水，当开采量大于补给量时，地下水资源会逐渐减少，以致枯竭，造成泉水断流、井水枯干、地下水中有害离子量增多、矿化源会逐渐减少，以致枯竭，造成泉水断流、井水枯干、地下水中有害离子量增多、矿化度增高。度增高。本讲稿第四十五页，共六十一页二、地下水的渗透破坏（1）渗透力）渗透力水流动时，水对单位体积土的骨架作用的力，称为动水力水流动时，水对单位体积土的骨架作用的力，称为动水力（kN/m3）。动水力是水流对土体施加的体积力，与水流受到土骨架的）。动水力是水流对土体施加的体积力，与水流受到土骨架的阻力大小相等而方向相反。土体所受的渗透力是由动水头转化而得到的。阻力大小相等而方向相反。土体所受的渗透力是由动水头转化而得到的。渗透力则是一个积极的破坏力，它与渗透破坏的程度成直接的比例关系。渗透力则是一个积极的破坏力，它与渗透破坏的程度成直接的比例关系。（2）地基沉降）地基沉降在松散沉积层中进行深基础施工时，往往需要人工降低地下水位。在松散沉积层中进行深基础施工时，往往需要人工降低地下水位。若降水不当，会使周围地基土层产生固结沉降，轻者造成邻近建筑物若降水不当，会使周围地基土层产生固结沉降，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，导致建筑物开裂和危及安全作用。至掏空，导致建筑物开裂和危及安全作用。本讲稿第四十六页，共六十一页（3）渗透变形）渗透变形土的渗透变形类型主要有土的渗透变形类型主要有流土流土和和管涌管涌两种基本型式。两种基本型式。流土是指在向上的渗透水流作用下，表层土局部范围内的土体或颗粒群流土是指在向上的渗透水流作用下，表层土局部范围内的土体或颗粒群同时发生悬浮、移动的现象。同时发生悬浮、移动的现象。管涌是指在渗透水流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动、管涌是指在渗透水流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动、以至流失，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷的现象称以至流失，最终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷的现象称为管涌。管涌破坏一般有段时间发展过程，是一种渐进性质的破坏，也称为管涌。管涌破坏一般有段时间发展过程，是一种渐进性质的破坏，也称之为潜蚀现象。之为潜蚀现象。流土是土的整体遭受破坏，而管涌则是单个土粒在土体中移动和带流土是土的整体遭受破坏，而管涌则是单个土粒在土体中移动和带出。出。本讲稿第四十七页，共六十一页一般可用渗透力与土体浮重度二者的合力判别土的渗透变形趋势或渗透的稳定性。在渗流出口附近的土体，当发生向上的渗流时，如果向上的渗透力克服了向下的重力时，土体就会发生浮起或流土破坏，土体处于流土临界状态的坡降为临界水力坡降：土渗透变形的发生和发展过程有其内因和外因，内因是土的颗土渗透变形的发生和发展过程有其内因和外因，内因是土的颗粒组成和结构；外因是水力条件，即作用于土体渗透力的大小。粒组成和结构；外因是水力条件，即作用于土体渗透力的大小。本讲稿第四十八页，共六十一页 在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土或无粘性土，只要满足渗在自下而上的渗流逸出处，任何土，包括粘性土或无粘性土，只要满足渗透水力坡度大于临界水力坡度这一水力条件，均要发生流土，因此，只要用透水力坡度大于临界水力坡度这一水力条件，均要发生流土，因此，只要用流网求出渗流溢出处水力坡度流网求出渗流溢出处水力坡度i i，再求出临界水力坡降值后，即可按下列条件，判，再求出临界水力坡降值后，即可按下列条件，判别流土发生的可能性：。若别流土发生的可能性：。若i i，则土体处于稳定状态；，则土体处于稳定状态；i i，土体处于流土状态；，土体处于流土状态；i i =，土体处于临界状态。，土体处于临界状态。流土是工程上绝对不允许发生的，设计时要保证有一定的安全系数，把流土是工程上绝对不允许发生的，设计时要保证有一定的安全系数，把逸出水力坡度限制在允许水力坡度逸出水力坡度限制在允许水力坡度 i i 以内，即以内，即式中 Fs为流土安全系数，取2.02.5。工程上为防止渗透变形的发生，通常从两个方面采取措施：一工程上为防止渗透变形的发生，通常从两个方面采取措施：一是减小水力坡度，可以通过降低水头或增加渗径的办法来实现；二是减小水力坡度，可以通过降低水头或增加渗径的办法来实现；二是在渗流逸出处加盖压重或设反滤层，或在建筑物下游设置减压井、是在渗流逸出处加盖压重或设反滤层，或在建筑物下游设置减压井、减压沟等，使渗透水流有畅通的出路。减压沟等，使渗透水流有畅通的出路。本讲稿第四十九页，共六十一页三、动力压力产生的流砂现象 地下水自下向上渗流，当向上的渗流力克服了土体向下的重力，则土体地下水自下向上渗流，当向上的渗流力克服了土体向下的重力，则土体发生浮起而处于悬浮状态失去稳定，土粒随之流动。这种现象称为发生浮起而处于悬浮状态失去稳定，土粒随之流动。这种现象称为流砂流砂。此现象多发生在饱和粉细砂以及粉土层中。一般是突发性，对工此现象多发生在饱和粉细砂以及粉土层中。一般是突发性，对工程危害很大。程危害很大。土的渗透变形对岩土工程危害极大，所以在可能发生土土的渗透变形对岩土工程危害极大，所以在可能发生土的渗透变形的地区施工时，应尽量利用其上面的土层作为天然地基，的渗透变形的地区施工时，应尽量利用其上面的土层作为天然地基，也可利用桩基穿透流砂层。总之，要尽量避免水下大开挖施工，一般也可利用桩基穿透流砂层。总之，要尽量避免水下大开挖施工，一般常采用下面方法防治：常采用下面方法防治：人工降低地下水位人工降低地下水位打板桩打板桩水下挖掘水下挖掘其它如化学加固法、冻结法、爆炸法、加重其它如化学加固法、冻结法、爆炸法、加重法等。法等。处理流处理流砂方法砂方法本讲稿第五十页，共六十一页 人工降低地下水位人工降低地下水位：使地下水位降至可产生流砂的地层之：使地下水位降至可产生流砂的地层之下，然后再进行开挖；下，然后再进行开挖；打板桩打板桩：其目的一方面是加固坑壁，另一方面是改善：其目的一方面是加固坑壁，另一方面是改善地下水的径流条件，即增长渗透路径，减小地下水水力地下水的径流条件，即增长渗透路径，减小地下水水力坡度及流速；坡度及流速；水下开挖水下开挖：在基坑开挖期间，使基坑中始终保持足够水头，：在基坑开挖期间，使基坑中始终保持足够水头，尽量避免产生流砂的水头差，增加基坑侧壁的稳定性；尽量避免产生流砂的水头差，增加基坑侧壁的稳定性；用冻结法、化学加固法、爆炸法等处理岩土层，提高用冻结法、化学加固法、爆炸法等处理岩土层，提高其密实度，减小其渗透性。其密实度，减小其渗透性。本讲稿第五十一页，共六十一页四、管涌现象和潜蚀作用 在渗透水流作用下，土中的细在渗透水流作用下，土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动，以至流失；随着土的孔隙不断扩以至流失；随着土的孔隙不断扩大，渗透速度不断增加，较粗的大，渗透速度不断增加，较粗的颗粒也相继被水流逐渐带走，最颗粒也相继被水流逐渐带走，最终导致土体内形成贯通的渗流管终导致土体内形成贯通的渗流管道，造成土体塌陷，这种现象称道，造成土体塌陷，这种现象称为管涌。管涌破坏一般有个时间为管涌。管涌破坏一般有个时间发展过程，是一种渐进性质的破发展过程，是一种渐进性质的破坏。坏。通过坝基的管涌通过坝基的管涌本讲稿第五十二页，共六十一页 在自然界中，在一定条件下同样会发生上述渗透破坏作用，为了与人类工程活动所引起的管涌相区别，通常称之为潜蚀潜蚀。潜蚀作用有机械机械的和化学化学的两种。这两种作用往往是同时存在的。土中粗颗粒所构成的孔隙直径必须大于细颗粒的直径，一般不均匀系数10的土才会发生管涌管涌发管涌发生条件生条件在渗流逸出部位铺设反滤层是防止管涌破坏的有效措施。降低水力梯度，如打板桩。防治防治管涌管涌渗流力能够带动细颗粒在孔隙间滚动或移动几何条件：几何条件：水力条件：水力条件：几何条件：几何条件：改变水力条件：改变水力条件：改变几何条件：改变几何条件：本讲稿第五十三页，共六十一页五、承压水对基坑产生的基坑突涌 基坑突涌基坑突涌：当基坑下伏有承压含水层时，开挖基坑所留底板经受：当基坑下伏有承压含水层时，开挖基坑所留底板经受不住承压水头压力作用而被承压水顶裂或冲毁的现象。不住承压水头压力作用而被承压水顶裂或冲毁的现象。隔水层安全厚度：隔水层安全厚度：HMWgg(5-7)式中H 承压水头承压水头(m);g g W 水的重度水的重度(kN/m3);g g 土的重度土的重度(kN或或cm3);本讲稿第五十四页，共六十一页图5-9 基坑底粘土层最小厚度图5-10 抽水降低承压水头 防止基坑突涌，可对承压水层进行预先排水，以降低承压水头防止基坑突涌，可对承压水层进行预先排水，以降低承压水头(图图5-10)。降低后的基坑中心承压水位。降低后的基坑中心承压水位Hw必须满足下式：必须满足下式：ggMwHw则ggMwHw(5-8)本讲稿第五十五页，共六十一页五、地下水对钢筋混凝土的腐蚀1.1.结晶类腐蚀结晶类腐蚀地下水中SO42-混凝土中Ca(OH)2二水石膏结晶体CaSO42H2O水化铝酸钙CaOAl2O36H2O水化硫铝酸钙(水泥杆菌)结合了许多结晶水，体积约比原来增大221.86%,在混凝土中产生很大的应力，破坏混凝土的结构。2.2.分解类腐蚀分解类腐蚀 地下水中含有地下水中含有CO2和和HCO3-,CO2与混凝土中的与混凝土中的Ca(OH)2作用，生成碳酸钙作用，生成碳酸钙沉淀。沉淀。本讲稿第五十六页，共六十一页Ca(OH)2+CO2=CaCO3 +H2O 碳酸钙不溶于水，会在混凝土周围形成一层保护膜，防止碳酸钙不溶于水，会在混凝土周围形成一层保护膜，防止Ca(OH)2的分解。的分解。但是当地下水中但是当地下水中CO2超过一定数值，而超过一定数值，而HCO3-离子含量过低，则超量的离子含量过低，则超量的CO2再再与与CaCO3反应，生成重碳酸钙反应，生成重碳酸钙Ca(HCO3)2并溶于水，即：并溶于水，即：CaCO3+H2O+CO2 Ca2+2HCO3-如果地下水酸度过大，则会发生一般腐蚀：如果地下水酸度过大，则会发生一般腐蚀：CaOH2+2H+=Ca2+H2O3.3.结晶分解复合类腐蚀结晶分解复合类腐蚀本讲稿第五十七页，共六十一页 当地下水中当地下水中NH5+、NO3-、Cl-和和 Mg2+离子的含量超过一定数量时，与混离子的含量超过一定数量时，与混凝土中的凝土中的 Ca(OH)2 发生反应，例如：发生反应，例如：MgSO4+Ca(OH)2 Mg(OH)2 +CaSO4 MgCl2 +Ca(OH)2 Mg(OH)2 +CaCl2 Ca(OH)2 与镁盐作用的生成物中，除与镁盐作用的生成物中，除 Mg(OH)2 不易溶解外，不易溶解外，CaCl2 则易溶于水，并随之流失；硬石膏则易溶于水，并随之流失；硬石膏 CaSO4 一方面与混凝土中的水化铝酸钙反一方面与混凝土中的水化铝酸钙反应生成水泥杆菌：应生成水泥杆菌：3CaO Al2O3 6H2O 3CaSO4 25H2O 3CaO Al2O3 3CaSO4 31H2O 另一方面，硬石膏遇水后生成二水石膏：另一方面，硬石膏遇水后生成二水石膏：CaSO4 十十 2H2O CaSO4 2H2O 二水石膏在结晶时，体积膨胀，破坏混凝土的结构。二水石膏在结晶时，体积膨胀，破坏混凝土的结构。综上所述，地下水对混凝土建筑物的腐蚀是一项复杂的物理化学过程，综上所述，地下水对混凝土建筑物的腐蚀是一项复杂的物理化学过程，在一定的工程地质与水文地质条件下，对建筑材料的耐久性影响很大。在一定的工程地质与水文地质条件下，对建筑材料的耐久性影响很大。本讲稿第五十八页，共六十一页腐蚀性评价标准腐蚀性评价标准根据各种化学腐蚀所引起的破坏作用，将根据各种化学腐蚀所引起的破坏作用，将SO42-离子的含量归纳为结晶类腐蚀性离子的含量归纳为结晶类腐蚀性的评价指标；将侵蚀性的评价指标；将侵蚀性CO2，HCO3-离子和离子和pH值归纳为分解类腐蚀