工程地質(zhì)第4章-part2

1、 承壓水等水壓線圖承壓水等水壓線圖是承壓水面上高程相等點的連線圖是承壓水面上高程相等點的連線圖. 等水壓線圖上等水壓線圖上必須附有地形等高線和頂板等高線。必須附有地形等高線和頂板等高線。從承壓水等水壓線圖可獲得如下信息：從承壓水等水壓線圖可獲得如下信息：確定承壓水流向：垂直于等水壓線的方向為承壓水流向，箭頭由高水位線指向低水位線。確定水力坡度：順流向取兩點，兩點間的高差與其水平距離之比為該段的水力坡度。 等水位（壓）線密，水力坡度大； 等水位（壓）疏，水力坡度小。 泉地下水在地表的天然露頭叫泉(地下水的人工露頭叫井)。 (1) 根據(jù)補給源及水流特征分為 1) 上升泉 ; 2) 下降泉 (2)

2、根據(jù)泉水出露原因分為 1) 侵蝕泉; 2) 接觸泉; 3) 斷層泉 (3) 根據(jù)泉水溫度分為 1)冷泉； 2) 溫泉4.1.4 4.1.4 不同巖土介質(zhì)中的地下水不同巖土介質(zhì)中的地下水 孔隙水孔隙水 孔隙水廣泛分布于第四紀松散沉積物中，其分布規(guī)律孔隙水廣泛分布于第四紀松散沉積物中，其分布規(guī)律主要受沉積物的成因類型控制?？紫端钪饕奶攸c是其水主要受沉積物的成因類型控制?？紫端钪饕奶攸c是其水量在空間分布上連續(xù)性好，相對均勻?？紫端话愠蕦訝罘至吭诳臻g分布上連續(xù)性好，相對均勻?？紫端话愠蕦訝罘植迹缓畬又械乃忻芮械乃β?lián)系，具有統(tǒng)一的地下布，同一含水層中的水有密切的水力聯(lián)系，具有統(tǒng)一的

3、地下水面，一般在天然條件下呈層流運動。水面，一般在天然條件下呈層流運動。 洪積物中地下水洪積物中地下水洪積物洪積物是山區(qū)洪流攜帶的碎屑物在山口處堆積而成的。洪積物是山區(qū)洪流攜帶的碎屑物在山口處堆積而成的。洪積物常分布于山谷與平原交接部位或山間盆地的周緣，地形上構(gòu)成常分布于山谷與平原交接部位或山間盆地的周緣，地形上構(gòu)成以山口為頂點的扇形體或錐形體，故稱以山口為頂點的扇形體或錐形體，故稱洪積扇洪積扇或或沖積錐沖積錐。主要分為三個帶：主要分為三個帶：潛水深埋帶潛水深埋帶 潛水溢出帶潛水溢出帶 潛水下沉帶潛水下沉帶洪積扇中地下水洪積扇中地下水 沖積物中地下水沖積物中地下水 河流上游山間盆地常形成砂礫石

4、河漫灘，厚度不大，河流上游山間盆地常形成砂礫石河漫灘，厚度不大，由河水補給，水量豐富水質(zhì)好，可作供水水源。河流中游由河水補給，水量豐富水質(zhì)好，可作供水水源。河流中游河谷變寬，形成寬闊的河漫灘和階地。河漫灘常沉積有上河谷變寬，形成寬闊的河漫灘和階地。河漫灘常沉積有上細細(粉細砂、粘性土粉細砂、粘性土)下粗下粗(砂礫砂礫)的二元結(jié)構(gòu)。有時上層構(gòu)的二元結(jié)構(gòu)。有時上層構(gòu)成隔水層，下層為承壓含水層。河漫灘和低階地的含水層成隔水層，下層為承壓含水層。河漫灘和低階地的含水層常由河水補給，水量豐富，水質(zhì)好，是很好的供水水源。常由河水補給，水量豐富，水質(zhì)好，是很好的供水水源。 裂隙水裂隙水 埋藏于基巖裂隙中的地

5、下水稱裂隙水。埋藏于基巖裂隙中的地下水稱裂隙水。 由于巖石中裂隙大小懸殊，分布不均勻，所以裂隙水的由于巖石中裂隙大小懸殊，分布不均勻，所以裂隙水的埋藏、分布和水動力性質(zhì)都不均勻。裂隙巖石的導(dǎo)水性呈現(xiàn)埋藏、分布和水動力性質(zhì)都不均勻。裂隙巖石的導(dǎo)水性呈現(xiàn)明顯的各向異性。明顯的各向異性。 裂隙水根據(jù)裂隙成因不同，可分為風(fēng)化裂隙水裂隙水根據(jù)裂隙成因不同，可分為風(fēng)化裂隙水、成巖裂成巖裂隙水與構(gòu)造裂隙水。隙水與構(gòu)造裂隙水。 巖溶水巖溶水 賦存并運移于巖溶化巖層賦存并運移于巖溶化巖層(石灰?guī)r、白云巖石灰?guī)r、白云巖)中的水稱中的水稱巖溶水巖溶水(喀斯特水喀斯特水)。 巖溶常沿可溶巖層的構(gòu)造裂隙帶發(fā)育，通過水的

6、溶蝕，巖溶常沿可溶巖層的構(gòu)造裂隙帶發(fā)育，通過水的溶蝕，常形成管道化巖溶系統(tǒng)，并把大范圍的地下水匯集成一個常形成管道化巖溶系統(tǒng)，并把大范圍的地下水匯集成一個完整的地下河系。完整的地下河系。 巖溶水空間分布極不均勻，動態(tài)變化強烈，流動迅巖溶水空間分布極不均勻，動態(tài)變化強烈，流動迅速，排泄集中。速，排泄集中。 4.2 4.2 地下水的水質(zhì)地下水的水質(zhì)4.2.1 4.2.1 地下水的化學(xué)成分地下水的化學(xué)成分 地下水不是純水，是化學(xué)成分十分復(fù)雜的天然溶液。組成地下水不是純水，是化學(xué)成分十分復(fù)雜的天然溶液。組成成殼的成殼的87種穩(wěn)定元素中，在地下水中已發(fā)現(xiàn)種穩(wěn)定元素中，在地下水中已發(fā)現(xiàn)70余種。余種。 （

7、1）主要的氣體成分：）主要的氣體成分：O2、N2、CO2和和H2S （2）主要的離子成分有）主要的離子成分有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HCO3- （3）還有）還有NH4+、Fe2+、Fe3+、Al3+、NO2-、NO3-、HSiO-l 地下水化學(xué)成分的分析資料整理：地下水化學(xué)成分的分析資料整理：l 庫爾洛夫式：庫爾洛夫式： 陰離子毫克當(dāng)量%（含量10%由大到小順序排列） 陽離子毫克當(dāng)量%（含量10%由大到小順序排列） 根據(jù)庫爾洛夫式可對水進行命名，也便于將不同水進行比較。命名時，含量25%毫克當(dāng)量的參加命名， 先讀陰離子，后讀陽離子；先讀含量少的，后讀含量多的。 例

8、：根據(jù)水分析資料，某溫泉水的總礦化度3.27g/L，各主要離子成分的毫克當(dāng)量百分數(shù)如下：CL-占84.76%，SO42-占14.34%，HCO3-占0.78%；Na+占71.63%，Ca2+27.78%，Mg2+占0.59%。H2S為20.8mg/L，游離CO2為31mg/L，H2SO3為700mg/L，水溫52。用庫爾洛夫式表示。 CL84.76 SO414.34 Na71.63 Ca27.78 命名為：氯化鈣鈉水l 地下水化學(xué)類型的分類：地下水化學(xué)類型的分類：l 舒卡列夫分類：舒卡列夫分類：根據(jù)地下水中六種主要離子（K+合并于Na+中）及礦化度劃分，含量25%毫克當(dāng)量的陰、陽離子進行組合，

9、分為49型水。礦化度分為4組：A組1.5g/L，B組1.5-10g/L ，C組10-40g/L ，D組40g/L。微量元素、氣體成分、礦化度（g/L)水溫H 2SO 3 0.7H2S 0.021 CO 2 0. 031M 3.27t。52地下水水質(zhì)分析地下水水質(zhì)分析地下水水質(zhì)分析：簡分析、全分析與專門分析地下水水質(zhì)分析：簡分析、全分析與專門分析3 3種種地下水水質(zhì)分析結(jié)果表示方法地下水水質(zhì)分析結(jié)果表示方法庫爾洛夫式庫爾洛夫式4.2.2 4.2.2 地下水的化學(xué)性質(zhì)地下水的化學(xué)性質(zhì) 酸堿度酸堿度(pH(pH值值) )地下水的酸堿度指的是氫離子濃度，常以地下水的酸堿度指的是氫離子濃度，常以pHpH

10、值表示值表示 礦化度礦化度(M)(M) 地下水中各種離子、分子與化合物的總量稱地下水中各種離子、分子與化合物的總量稱礦化度，以礦化度，以g/lg/l或或mg/lmg/l為單位為單位地下水按pH值分類分分類類強強酸酸性性水水弱弱酸酸性性水水中中性性水水弱弱堿堿性性水水強強堿堿性性水水pH值值10.0地下水按礦化度分類分分類類淡淡水水微微咸咸水水咸咸水水鹽鹽水水鹵鹵水水礦礦化化度度， g g/ /l l 5 50 0 硬度 水中鈣、鎂離子的含量稱水的硬度。水中鈣、鎂離子的含量稱水的硬度。 硬度可分為總硬度、暫時硬度和永久硬度。硬度可分為總硬度、暫時硬度和永久硬度。 總硬度是水中總硬度是水中CaCa

11、2+2+、MgMg2+2+的總量，等于暫時硬度加永久硬度的總量，等于暫時硬度加永久硬度 暫時硬度指水加熱沸騰后所損失的暫時硬度指水加熱沸騰后所損失的CaCa2+2+、MgMg2+2+含量，此時仍含量，此時仍保持在水中的保持在水中的CaCa2+2+、MgMg2+2+含量稱永久硬度。因此，。含量稱永久硬度。因此，。 硬度表示方法：硬度表示方法： （1 1）mmol/lmmol/l （2 2）德國度）德國度 ，1mmol/l=2.81mmol/l=2.8德國度，德國度，1 1德國度相當(dāng)于德國度相當(dāng)于7.1mg/l Ca7.1mg/l Ca2+2+或或4.3mg/l 4.3mg/l MgMg2+ 2+

12、 。生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準規(guī)定水的硬度以。生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準規(guī)定水的硬度以CaCO3CaCO3的的mg/lmg/l表示，表示，地下水按總硬度分類分分 類類極極軟軟水水軟軟水水微微硬硬水水硬硬水水極極硬硬水水m mm mo ol l/ /l l 9 9. .0 0總總硬硬度度德德國國度度 2 25 5. .2 24.2.3 4.2.3 地下水對混凝土的侵蝕性地下水對混凝土的侵蝕性 地下水的侵蝕類型：地下水的侵蝕類型： 溶出侵蝕溶出侵蝕 碳酸侵蝕碳酸侵蝕 硫酸鹽侵蝕硫酸鹽侵蝕 一般酸性侵蝕一般酸性侵蝕 鎂鹽侵蝕鎂鹽侵蝕 4.3 4.3 地下水的運動地下水的運動4.3.1 4.3.1 滲流的基本概念滲流

13、的基本概念 滲流滲流地下水在巖土體空隙中的運動地下水在巖土體空隙中的運動 過水?dāng)嗝?、滲流速度與實際流速過水?dāng)嗝妗B流速度與實際流速 過水?dāng)嗝孢^水?dāng)嗝娲怪睗B流方向的含水層截面，它包括巖垂直滲流方向的含水層截面，它包括巖土層的空隙和顆粒骨架在內(nèi)的全部截面積。土層的空隙和顆粒骨架在內(nèi)的全部截面積。 實際過水?dāng)嗝鎸嶋H過水?dāng)嗝媸窃摂嗝嬷械叵滤鲃拥目紫睹娣e。是該斷面中地下水流動的孔隙面積。 滲流滲流( (滲透滲透) )速度速度地下水流在某過水?dāng)嗝嫔系钠骄叵滤髟谀尺^水?dāng)嗝嫔系钠骄魉俜Q，用流速稱，用v v表示，單位為表示，單位為m/dm/d或或cm/scm/s，即，即A A過水?dāng)嗝婷娣e，過水?dāng)嗝婷娣e，

14、m m2 2或或cmcm2 2；Q Q滲流量，滲流量，m m3 3/d/d或或cmcm3 3/s/s。AQv 真實流速真實流速是地下水在過水?dāng)嗝嬷锌障恫糠謱嶋H流動的是地下水在過水?dāng)嗝嬷锌障恫糠謱嶋H流動的平均速度，用平均速度，用u u表示，單位為表示，單位為m/dm/d或或cm/scm/s，AA斷面中水實際流動的孔隙面積，斷面中水實際流動的孔隙面積，m m2 2或或cmcm2 2; ;n ne e有效孔隙度，百分數(shù)。有效孔隙度，百分數(shù)。 有效孔隙度有效孔隙度指水實際流動的孔隙體積與土體積之比。指水實際流動的孔隙體積與土體積之比。對于粗粒土來說，對于粗粒土來說，n ne e近似于孔隙度近似于孔隙度

15、n n；對細粒土，；對細粒土，n ne en n，可用，可用給水度給水度表示。表示。 式中式中n ne e或或都總是小于都總是小于1 1，故可知滲流速度小于實際流速。，故可知滲流速度小于實際流速。en-AQAQu uvunve 或或 水力坡度水力坡度 滲流中某一點的水力坡度滲流中某一點的水力坡度J J可定義為通過該點單位滲流可定義為通過該點單位滲流途徑上的水頭損失途徑上的水頭損失 11土壤層土壤層 22含水層含水層 33隔水層隔水層 44水頭降落曲線水頭降落曲線 水頭降落曲線和水力坡度水頭降落曲線和水力坡度dLdHJ 流網(wǎng)流網(wǎng) 流網(wǎng)流網(wǎng)在滲流場某一典型剖面或平面上，由一系列在滲流場某一典型剖面

16、或平面上，由一系列等水頭線與流線組成的網(wǎng)絡(luò)等水頭線與流線組成的網(wǎng)絡(luò) 等水頭線等水頭線滲流斷面中水頭值相等點的連線滲流斷面中水頭值相等點的連線 流線流線是滲流斷面中某一瞬時的一些線是滲流斷面中某一瞬時的一些線，線上各水，線上各水質(zhì)點在此瞬時的流向均與此線相切質(zhì)點在此瞬時的流向均與此線相切 等水頭線與流線必須正交。等水頭線與流線必須正交。11含水層含水層 22隔水層隔水層 33分流線分流線 44潛水面潛水面 55等水頭線等水頭線 66流線流線 河間地塊的流網(wǎng)河間地塊的流網(wǎng) (1) (1) 剖面上不同地點地下水的流向不同，由分水嶺到河剖面上不同地點地下水的流向不同，由分水嶺到河谷，流向從向下到接近水

17、平再向上；谷，流向從向下到接近水平再向上； (2) (2) 由分水嶺到河谷，流線越來越密集，流量增大，地由分水嶺到河谷，流線越來越密集，流量增大，地下徑流加強。因此，在河谷或近山地區(qū)，流入基坑的水量比下徑流加強。因此，在河谷或近山地區(qū)，流入基坑的水量比其它地方多；其它地方多； (3) (3) 在河谷或近山地區(qū)，基坑越深，坑底承受的水頭壓在河谷或近山地區(qū)，基坑越深，坑底承受的水頭壓力越大。力越大。流網(wǎng)在各向同性介質(zhì)中為正交網(wǎng)；在各向異性介質(zhì)中為斜交網(wǎng)。流網(wǎng)的類型：流網(wǎng)的類型：a)均質(zhì)各向同性介質(zhì)中的流網(wǎng)（圖示）均質(zhì)各向同性介質(zhì)中的流網(wǎng)（圖示）均質(zhì)：在同一含水層中，各處的滲透系數(shù)相等。各向同性：含

18、水層中任一點的滲透系數(shù)在各個方向無變化。1）在河渠附近的流網(wǎng)：）在河渠附近的流網(wǎng)：地表水體的斷面看作等水位面，地表水的濕周是一條等水位線。2）承壓含水層：）承壓含水層：隔水邊界無水量通過，流線平行隔水邊界。3）無入滲補給和蒸發(fā)排泄時：）無入滲補給和蒸發(fā)排泄時：潛水面是一條流線。4）有入滲補給時：潛水面既不是流線，也不是等水位線。 均質(zhì)各向同性介質(zhì)中流網(wǎng)示意圖b)非均質(zhì)介質(zhì)中的流網(wǎng)（如圖示）非均質(zhì)介質(zhì)中的流網(wǎng)（如圖示）:非均質(zhì)：在同一含水層中，各處的滲透系數(shù)不相等。各向異性：含水層中任一點的滲透系數(shù)在各個方向有變化。兩層平行等厚滲透系數(shù)分別為兩層平行等厚滲透系數(shù)分別為K1、K2的巖層，的巖層，K

19、2=3K1：等水位線間隔一致，流線密度K2為為K1的三倍的三倍 。流線通過不同滲透性的兩套地層流線通過不同滲透性的兩套地層 K2=3K1，等水位線密度K1為K2的三倍，流線相等。含水層中有強滲透性透鏡體時含水層中有強滲透性透鏡體時：流線向其匯聚。含水層中有弱滲透性透鏡體時含水層中有弱滲透性透鏡體時：流線將饒流。 非均質(zhì)介質(zhì) 流網(wǎng)圖三、滲流的分類三、滲流的分類1 1、均勻流與非均勻流、均勻流與非均勻流 沿流程滲流速度不變的滲流稱為均勻流，否則是非均勻流2、有壓流與無壓流：、有壓流與無壓流：有壓流：滲流場中任一點處的壓強都不為大氣壓強（一般大于大氣壓強）的滲流為有壓流。無壓流：具有自由表面且表面壓

20、強為大氣壓強的滲流為無壓流。3、層流與紊流：、層流與紊流：地下水在巖石空隙中滲流時，水的質(zhì)點有秩序、互不混雜有規(guī)則的運動稱為層流；否則為紊流。 4、穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流：、穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流：滲流場中 任一點處的運動要素（壓強、速度等）不隨時間變化的滲流稱為穩(wěn)定流，例如水頭：H=f(x,y,z)；否則為非穩(wěn)定流，例如水頭：H=f(x,y,z,t)。5、一維流、二維流、三維流：、一維流、二維流、三維流：一維流：一維流：在滲流場中，速度向量與任一坐標(biāo)軸相一致的滲流稱為一維流。二維流：滲流場中，速度向量與某一坐標(biāo)平面平行的滲流稱為二維流。三維流：滲流場中，速度向量不與某一坐標(biāo)平面或軸線平行的滲流為三維流。

21、地下水的層流與紊流示意圖（2）達西定律的適用條件）達西定律的適用條件上限：上限：近年來研究表明，達西定律并非適用于所有的層流，當(dāng)雷諾數(shù)Re（Re=Vd/）增大，水流的慣性作用增強到不可忽略不計時，盡管水流仍保持層流狀態(tài)，但滲流速度與水力坡度之間卻不在是線性關(guān)系，此時達西定律不適用。因此與粘滯力相比慣性力較小而可忽略不計是達西定律的一個適用條件。通過大量實驗研究表明：只要根據(jù)平均粒徑計算的雷諾數(shù)小于1-10之間的某個值，達西定律就是適用的。下限：下限：由于巖石空隙中存在結(jié)合水，所以地下水在其中運動時，必須在一定水力坡度的作用下，才能突破結(jié)合水開始運動，此水力坡度叫起始水力坡度。有些學(xué)者 把水流運

22、動開始與線性滲透定律相符時的水力坡度作為達西定律適用范圍的下限。 雷諾數(shù)圖雷諾數(shù)圖二、非線性滲透定律二、非線性滲透定律 通過大量實驗得知，當(dāng)?shù)叵滤疄槲闪鬟\動時，地下水運動服從哲才定律，即滲流速度與水力坡度的平方根成正比：V= KI 1/2。4.3.2 4.3.2 地下水運動的基本定律地下水運動的基本定律 線性滲透定律線性滲透定律DarcyDarcy定律定律kAJLHkALHHkAQ 12kJV Q滲流量，滲流量，cm3/s；A過水?dāng)嗝婷娣e，過水?dāng)嗝婷娣e，cm2；H水頭損失，水頭損失，cm；L滲流距離，滲流距離，cm；k滲透系數(shù)，滲透系數(shù)，m/d或或cm/s；J水力坡度。水力坡度。 非線性滲透定

23、律非線性滲透定律ChezyChezy定律定律 當(dāng)?shù)叵滤趯挻蟮目障吨幸韵喈?dāng)快的速度運動時，當(dāng)?shù)叵滤趯挻蟮目障吨幸韵喈?dāng)快的速度運動時，呈現(xiàn)紊流運動，即滲透速度與水力坡度的呈現(xiàn)紊流運動，即滲透速度與水力坡度的1/21/2次方成正比次方成正比JkV D a c r y D a c r y 定 律 應(yīng) 用 舉 例定 律 應(yīng) 用 舉 例 水文地質(zhì)計算剖面，水文地質(zhì)計算剖面，含水層為潛水層，含水層為潛水層，隔水底板水平，隔水底板水平，L L500m500m，R R70m70m，H H4.5m4.5m，h h0 00.5m0.5m，k k6.8m/d6.8m/dRhHkLRhHhHkLkAJQooo22222 )d/m(.Q32297170505450086 4.3.3 4.3.3 地下水向井的穩(wěn)定流動地下水向井的穩(wěn)定流動 井是垂向取水井是垂向取水( (排水排水) )構(gòu)筑物構(gòu)筑物 按揭露地下水的類型分為潛水井與承壓水井按揭露地下水的類型分為潛水井與承壓水井 按揭露含水層的完整程度和進水條件分