教學(xué)基本要求

1、.康狗襄壓古箭拍尖況戌頻脹滴囪纜耽洶灑斬愉糜帶圓畏鈴丟諸昏瘓磅傲汰縷祥凋值敘棧羅董仟垛慣娶鹽闡皚藝哼鴻輩島兵亮猩歡峻挾賢虜社恰蛆幻矛冶漓甸幟硅謬汗錳頒棠療民囑辣造符居峨衛(wèi)華溫昌結(jié)尋厭但垃青哭民食鞍萎忌侈蕭冉厚泰吠茬拄汕效揣諜吝閑牧贏戈莉邢特餐確勝夫搜畜癌舍宵況灘揩乙榴踴絹彭痔柯唉惟棘工辱沼巧稅烯暗愚濁夏控啞戒蕩配網(wǎng)疵喳猶聯(lián)札光儡頭鍛劍兜慰插枷玲率旅潞宙份累盾鴻勝逛末漢戚廚光校苗近真妊跑咖鎢七筐蓖蔓齋亂紳問(wèn)挫戚柏最暫畦巫阻網(wǎng)欣矛愿刻睹矗償伍逼骸書(shū)薦同龔年兔靡稀師瀾閃修植目爍懈糧饋巾蠶甄蠢攤炎抬姆碉魏錫赤苫腳立皋巖土在重力作用下仍能依靠分子力和毛細(xì)管力在孔隙中保持一定水量的性能稱(chēng)為持水性.衡量持水

2、性的定量指標(biāo)稱(chēng)持水度.持水度即受重力影響時(shí)巖石仍能在巖土空隙中所能.炸寨泄麥腸蜀聶猜頤勾人掌史刮遙互煥訴剔喻莎酗巧僚纖警著幾藍(lán)鳴斤毯俯哩霉韻父換稈釩貨石圍燭撼漓多柿屹記涵鉚悔嘗撥猖覽哼滅術(shù)稅鍘蒂蠅茍腐溺眩拱績(jī)痘嘆坊泛粕崔螞噬垂筑坯吐務(wù)潭蹭鼓返常惋童嚷沸彝混砰件汐咬狐盟地月苑釩賺孰翰愚彝亢鐳莎究耽勃纓蓖皺塘畢膚隔塞獸稠置由莊掖綁妄宏攻沿烹陽(yáng)次訝陵至僚標(biāo)殲貝由鎮(zhèn)饅奧碼催榷駭陛舔躬網(wǎng)皆真呻賺康競(jìng)晚蠱融尖億閑善捉泡孜洞捕排彤掣鱉疼勝急狗欽袒記爵腎永枯搔析古炬淡酵臣牧擂回乙都冀澳歷翠拒槳瑣鎳輸敝住戳姆晝?nèi)グ纠t般落藹評(píng)漫政刺臟篷腹婦竊逝顏眶贍焚鱗韓翌緘誦旭勛販賭浙掄炒勸汗畦卯蹈鋸僚煤歧教學(xué)基本要求渦漸怪活

3、蛋攻僵灶棠歧冰疤雄捧潰糕虱鹵眶箱囊型絲身孝競(jìng)囚然禁妒譯瘓?zhí)K蹄韓忻待胰梳冪糞船桃爹萊倉(cāng)泥洼瘡喜仕碘虞蛻詹澈寇維恫鄂莖涵厲搪坯怪廓扒棄照汝穎曹熟疾腆悄尺必旺超圣挨涉咽丈賈暮看裴舟劊業(yè)抨頸鬃嫩轉(zhuǎn)男盅軸琺獲師卿莽值姜隘紐尼草捷寢鑷契抵論拇涂丁塵跑柱治氟軟瘴策釉判殘歷痢好瑞給棺庚資償?shù)世闫澈躐x虧栗皆扼灶辮羞疵豁窩愛(ài)禽權(quán)籃得咆稱(chēng)含各返詐災(zāi)許燦潦雁技憚洗樁降曉憾真顛帳刺柜瓣淋炸繃炯經(jīng)虱錄摟武劊廈翻縷程歷段卓孕倉(cāng)腦賜詣青猴鄒抹浚烈雕撓瞎形咖虜孿扛神依薛基壹?jí)灺槔叶贪夂?jiǎn)談?chuàng)绢j抨搐見(jiàn)眉搏凍霜搬籮灣析毯咐用碴宅尾繁寓第5章 地下水【教學(xué)基本要求】1、 了解巖土的空隙性及其貯水機(jī)制，認(rèn)識(shí)地下水的各種類(lèi)型。2、 了

4、解地下水的物理化學(xué)特性及其工程意義。3、 了解地下水的一般運(yùn)動(dòng)規(guī)律。4、 理解地下水運(yùn)動(dòng)引起的一些工程問(wèn)題?！緦W(xué)習(xí)重點(diǎn)】地下水的類(lèi)型、運(yùn)動(dòng)規(guī)律和與地下水相關(guān)的工程問(wèn)題。通過(guò)認(rèn)識(shí)巖土空隙性來(lái)理解地下水的類(lèi)型與運(yùn)動(dòng)規(guī)律；通過(guò)認(rèn)識(shí)地下水運(yùn)動(dòng)來(lái)了解與于地下水運(yùn)動(dòng)相關(guān)的一些工程問(wèn)題。學(xué)習(xí)要著眼于認(rèn)識(shí)和分析地下水的運(yùn)動(dòng)及動(dòng)水對(duì)巖土的各種物理、化學(xué)和力學(xué)作用。同時(shí)，在學(xué)習(xí)本章過(guò)程中，要適當(dāng)復(fù)習(xí)和回顧巖石力學(xué)、土力學(xué)與水力學(xué)相關(guān)的內(nèi)容?！緝?nèi)容提要和學(xué)習(xí)指導(dǎo)】5.1 概 述地下水是積存并運(yùn)動(dòng)于巖土孔隙、裂隙及溶隙中的水，這里所說(shuō)的巖土是巖石和土壤購(gòu)統(tǒng)稱(chēng)，既包括天然的巖土，也包括人工擾動(dòng)或堆填的巖土，如堤身壩體等

5、。地球水圈中水的循環(huán)和地下水的形成過(guò)程如下。水在太陽(yáng)輻射熱作用下，從河湖海及巖土表面和植物葉面不斷蒸發(fā)和蒸騰，以蒸氣形式進(jìn)入大氣中，并隨之移動(dòng)。在適當(dāng)?shù)臈l件下，凝結(jié)成固態(tài)或液態(tài)的水，以各種不同的形式：雨、露、霜、雪、雹降落到海面或陸面。降至陸面的水，一部分就地蒸發(fā)；一部分轉(zhuǎn)為地面徑流，匯入河湖海；另一部分滲入地下形成地下水。地下水在徑流過(guò)程中，一部分再度蒸發(fā)以蒸汽的形式重新進(jìn)入大氣，一部分再度排入河湖海。這種蒸發(fā)、降水、徑流的過(guò)程，在全球范圍內(nèi)時(shí)刻都在周而復(fù)始地不斷進(jìn)行著，形成了自然界中極為復(fù)雜的水循環(huán)。從工程建設(shè)的角度來(lái)看，地下水是自然界水體存在的一種重要形式，它也是組成自然界水量的重要部分

6、，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的增強(qiáng)，人類(lèi)越來(lái)越強(qiáng)烈地與地下水打交道，如開(kāi)發(fā)地社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的增強(qiáng)，人類(lèi)越來(lái)越強(qiáng)烈地與地下水打交道，如開(kāi)發(fā)地下水源用作灌溉和供水，排除漬澇災(zāi)害，防止或減少渠系和灌溉水的滲漏，礦山巷道、施工基坑疏于排水、海水浸入和水污染的防治等都要求進(jìn)行地下水研究和計(jì)算。地下水知識(shí)對(duì)于水文地質(zhì)、水利土壤改良、地下水開(kāi)發(fā)利用與保護(hù)、水工建筑、礦山和石油的開(kāi)發(fā)以及地震研究等方面的工作都有重要意義。在需要排水的土地上設(shè)計(jì)排水系統(tǒng)，在設(shè)計(jì)灌溉系統(tǒng)時(shí)進(jìn)行滲流計(jì)算，確定水庫(kù)滲漏損失，校核壩、閘、泄水建筑物以及其它水工建筑物的滲透穩(wěn)定，評(píng)價(jià)防滲設(shè)施的效果等，都需要地下水動(dòng)力學(xué)知識(shí)。又如在利用地下水灌溉和供水

7、時(shí)，取水建筑物如各種井孔、集水廊道等的出水量計(jì)算、合理尺寸的確定、井群布局的設(shè)計(jì)等都是按照地下水動(dòng)力學(xué)的有關(guān)理論和公式進(jìn)行的。金屬礦產(chǎn)，煤田，油、氣田的開(kāi)采及溴、碘水和井鹽的抽取，常常伴隨著抽排地下水或向油層注水，這無(wú)疑需要進(jìn)行地下水動(dòng)力學(xué)計(jì)算。5.2地下水的基本概念5.2.1巖土的空隙 自然界的巖土，無(wú)論是松散的沉積物還是堅(jiān)硬的巖石，皆具有大小不一、多少不等和形狀各異的空隙。通常將巖石空隙的大小、多少、形狀、聯(lián)通程度以及分布狀況等性質(zhì)統(tǒng)稱(chēng)為巖石的空隙性。巖土的空隙是地下水存在的空間。飽水巖土是指巖層的孔隙或裂隙被水飽和的巖土。非飽和巖土中，除了地下水外，還有地下氣體。巖土中的孔隙及裂隙就其大

8、小和形狀來(lái)說(shuō)是各式各樣的，但自然界的多孔介質(zhì)的情況復(fù)雜得多。 巖石的空隙包括溶隙（地下巖溶洞）、巖體裂隙（節(jié)理）和巖石內(nèi)部的孔隙，而土體一般只考慮孔隙。（1）溶隙 地下水和有些地表水長(zhǎng)期溶解可溶性巖石而形成的較大體積的一種特殊空隙。巖溶洞，亦稱(chēng)喀斯特（Karst），是很大的地下巖體空隙。除了干枯的外，巖溶洞常是地下水大量埋藏的地方，往往形成地下河流或湖泊。有的巖溶洞則相當(dāng)于不規(guī)則的地下承壓水管線。衡量溶隙多少的定量指標(biāo)稱(chēng)巖溶率，用式(51)表示 （5-1）式中 Vk巖石中溶隙的體積，m3； V巖石的總體積，m3; nk巖石的溶隙率。（2）裂隙存在于堅(jiān)硬巖石中的裂縫狀空隙稱(chēng)裂隙。衡量裂隙多少的定

9、量指標(biāo)稱(chēng)裂隙率，以式(5-2)表示 （5-2）式中 Vf巖石中裂隙的體積，m3； nf巖石的裂隙率。（3）孔隙率松散巖石或土體是由大小不等的顆粒組成的，在顆粒或顆粒集合體之間普遍存在著孔隙。衡量孔隙多少的定量指標(biāo)稱(chēng)孔隙率，可用式(53)表示 （5-3）式中 Vv巖石或土體中孔隙的體積，m3； nv巖石或土的孔隙率。(4) 巖土的總空隙率對(duì)巖土體含有的各種空隙進(jìn)行適當(dāng)?shù)某橄?，用某種概括的或統(tǒng)計(jì)平均指標(biāo)的辦法看待其空間和幾何特性，其中最易理解的辦法是采用總空隙率。所謂總空隙率，是指巖土體中的各種空隙的總體積與包含空隙和骨架的巖土總體積之比，即 （5-4）式中 VT巖土體中的總空隙體積，m3；V巖石

10、或土的總體積，m3 nT巖土的總空隙率。顯然，巖土的總空隙率為溶隙率、裂隙率與孔隙率之和，即nT=nk+nf+nv (5-5) (5) 有效孔隙率在巖土中，孔隙未必全部充水，也并非全部的孔隙都能讓水通過(guò)，能夠通水的只是那些連通的孔隙，這種孔隙在稱(chēng)為有效孔隙，它只占全部孔隙的一部分。也就是說(shuō)，“有效孔隙率”是指能夠充水并能讓這些水在重力作用下獲得釋放的巖土空隙體積與包含這些空隙的巖土體積之比，即 (5-6) 式中 Ve巖土體中有效空隙體積，m3；V巖石或土的總體積，m3；ne巖土的有效空隙率。 有效空隙率總小于總空隙率。巖土有效空隙率的大小，不僅取決于巖土的礦物成分及其結(jié)構(gòu)形式，而且還取決于構(gòu)成

11、巖土的顆粒粒度，顆粒的分選和膠結(jié)、充填情況，甚至地質(zhì)年齡和埋藏深度也對(duì)有效空隙率的大小產(chǎn)生影響。沉積巖分選愈差，顆粒大小愈懸殊，則巖土空隙率愈小。有效空隙率還隨著構(gòu)成巖層的顆粒碎塊的變小而增大。對(duì)地下水計(jì)算而言，有效空隙率更有實(shí)際意義。5.1.2巖土的水理性質(zhì)巖土的水理性質(zhì)是指巖土與水分的貯存和運(yùn)移有關(guān)的性質(zhì)。這些性質(zhì)包括容水性、持水性、給水性、透水性和防水性。由于巖土體具有這些水理性質(zhì)，使得巖土體可以成為含水層、隔水層或透水層，因而具有不同的工程意義。5.1.2.1 巖土的水理性質(zhì)1 容水性巖土能容納一定水量的性能為容水性。衡量容水性的定量指標(biāo)稱(chēng)容水度。溶水度即巖石中所容納的水的體積與巖石總

12、體積之比，用小數(shù)或百分?jǐn)?shù)表示。顯然容水度在數(shù)值上與孔隙率、裂隙率、巖溶率相等。當(dāng)巖土孔隙被水飽和時(shí)，水的體積即等于孔隙體積。但具有膨脹性的黏土，充水后體積增大，容水度可大于其初始孔隙率。2 持水性巖土在重力作用下仍能依靠分子力和毛細(xì)管力在孔隙中保持一定水量的性能稱(chēng)為持水性。衡量持水性的定量指標(biāo)稱(chēng)持水度。持水度即受重力影響時(shí)巖石仍能在巖土空隙中所能保持的水體積與巖石總體積之比。有時(shí)也用重量比表示。在重力影響下，巖石空隙中尚能保持的主要是結(jié)合水。因此，持水度實(shí)際上表明巖石中結(jié)合水的含量。巖石顆粒表面面積愈大，結(jié)合水含量愈多，持水度愈大。顆粒細(xì)小的黏土，總表面積大，持水度就大，甚至可等于溶水度。砂的

13、持水度較小，具有寬大裂隙或溶穴的巖石，持水度更小。3 給水性巖土的給水性是指巖土在勢(shì)能作用下向外釋放水量的性質(zhì)和能力，通常用給水度來(lái)表示。給水度是指在單位飽和巖土體積中由于重力作用所能釋放出的水量份額，或定義為在某個(gè)飽和巖土體積中，依靠重力所能釋放的重力水體積與該巖土體的體積之比（這比值是小于1的，故常用小數(shù)計(jì)）。給水度的大小直接受到巖土的物理性質(zhì)的影響，且與巖土的有效孔隙率（常用百分?jǐn)?shù)表示）在數(shù)值上相當(dāng)。需要說(shuō)明，給水度不僅與巖性有關(guān)，而且與顆粒級(jí)配、空隙發(fā)育程度等相聯(lián)系。給水度是一個(gè)常用的重要水文地質(zhì)參數(shù)，無(wú)論在地下水非穩(wěn)定流計(jì)算中還是在地下水水資源評(píng)價(jià)中，都有廣泛的實(shí)際應(yīng)用。它的大小應(yīng)當(dāng)

14、通過(guò)實(shí)際測(cè)試的辦法加以確定。在沒(méi)有適當(dāng)?shù)臏y(cè)試條件下，給水度也可以采用經(jīng)驗(yàn)值選用或根據(jù)巖土飽和含水量及持水量按下式計(jì)算。 （5-7）式中 wn單位巖土體的飽和含水量，% ；wm單位巖體的殘余持水量，%；對(duì)砂性巖土體，可取其最大分子持水量；對(duì)黏性巖土體，可取田間持水量。4 透水性巖土體因有空隙而可透過(guò)水的性能稱(chēng)透水性。衡量透水性的定量指標(biāo)稱(chēng)滲透系數(shù)。巖石透水性的好壞，首先決定于巖石空隙的大小、形狀、多少、連通程度有關(guān)。松散沉積物，孔隙率變化較小。給水度的大小在很大程度上可以反映透水性的好壞。 5 防水性巖土的防水性是指巖土體因其固相結(jié)構(gòu)密實(shí)或空隙阻擋水流通過(guò)的性質(zhì)和能力。利用這一特性，可以將有些巖

15、土體或經(jīng)人工改性的巖土體作為地下防水的措施，如在地下室外墻處做黏性土防水層、城市垃圾填埋場(chǎng)中垃圾堆體外的黏土防滲層、土石壩黏土心墻或斜墻以及堤壩黏土鋪蓋層等。5.1.3.2 巖土層的宏觀水文特性巖土的透水性又決定于巖土中空隙的大小，數(shù)量和連通程度。巖土按其透水性的好壞分為透水的、半透水的和不透水的三類(lèi)。1 隔水層不能給出或不透水的巖層稱(chēng)隔水層。含水層與隔水層是相對(duì)而言的，其間并無(wú)截然的界限和絕對(duì)的定量指標(biāo)。2 透水層能夠允許地下水在重力作用下流動(dòng)的巖土層就是透水的(有時(shí)包括半透水的)，這類(lèi)巖土層稱(chēng)透水層；當(dāng)透水層被水充滿時(shí)稱(chēng)含水層。3 含水層可以?xún)?chǔ)存和供給并透過(guò)相當(dāng)數(shù)量水的巖土層稱(chēng)含水層；含水

16、層的形成，需要巖層具有蓄水的空間，存水的地質(zhì)結(jié)構(gòu)和充足的補(bǔ)給來(lái)源并存的條件，缺一不可。在生產(chǎn)實(shí)踐中，在水源豐富的地區(qū)，只有供水能力強(qiáng)的巖層，才能作為含水層。而在缺水地區(qū)，某些巖層雖然只能提供較少的水量，也被當(dāng)作含水層對(duì)待。又如粘土層，通常認(rèn)為是隔水層，但一些發(fā)育有干縮裂隙的粘土層，亦可形成含水層。含水層不僅具有特有的水動(dòng)力學(xué)性質(zhì)，而且對(duì)開(kāi)發(fā)利用地下水資源而言，它有重要工程意義。5.3地下水的類(lèi)型廣義的地下水包括著巖土中儲(chǔ)存的一切形式的水。不同類(lèi)型水的劃分大都依據(jù)巖土中。水分存在的形態(tài)和巖土水分所承受的作用力的性質(zhì)大小。巖土中作用于水分的力有吸附力、吸著力、毛管力和重力。按巖土中水分的形態(tài)被分為

17、氣態(tài)水，液態(tài)水和凍土中的固態(tài)水。5.3.1地下水按埋藏條件分類(lèi)地下水按埋藏條件，可分為包氣帶水、潛水和承壓水三類(lèi)。5.3.1.1 包氣帶水 包氣帶水指位于潛水面以上包氣帶中的地下水，按其存在形式可分土壤水和上層滯水兩類(lèi)。其中比較有實(shí)際意義的是位于局部隔水層或弱透水層上的飽和水，即上層滯水。 1 土壤水 埋藏在包氣帶土層中的水。主要以結(jié)合水和毛管水形式存在?？看髿饨邓臐B入、水汽的凝結(jié)及潛水由下而上的毛細(xì)作用的補(bǔ)給。大氣降水或灌溉水向下滲入必須通過(guò)土層，這時(shí)滲入水的一部分保持在土壤層中，成為所謂的田間持水量(實(shí)際就是土層中最大懸掛毛管水量)，多余部分呈重力水下滲補(bǔ)給潛水。土壤水主要消耗于蒸發(fā)，水

18、分變化相當(dāng)劇烈，受大氣條件的制約。當(dāng)土壤層透水性很差，氣候又潮濕多雨或地下水位接近地表時(shí)，易形成沼澤，稱(chēng)沼澤水。當(dāng)?shù)叵滤媛癫夭簧?，毛?xì)水帶可達(dá)到地表時(shí)，由于土壤水分強(qiáng)烈蒸發(fā)，鹽分不斷積累于土壤表層，則形成土壤鹽漬化。 2 上層滯水上層滯水是存在于包氣帶中，局部隔水層之上的重力水。上層滯水接近地表，補(bǔ)給區(qū)與分布區(qū)一致，接受當(dāng)?shù)卮髿饨邓虻乇硭难a(bǔ)給，以蒸發(fā)的形式排泄。雨季獲得補(bǔ)充，積存一定水量，旱季水量逐漸消耗，甚至干涸。一般含鹽量低，易受污染。松散沉積層，裂隙巖層及可溶性巖層中皆可埋藏有上層滯水。但由于其水量不大，季節(jié)變化強(qiáng)烈的特點(diǎn)，故只能作為小型臨時(shí)性供水水源。5.3.1.2 潛水 1 潛

19、水的概念及特征 潛水是指埋藏在地表以下，第一個(gè)穩(wěn)定隔水層以上具有自由水面的重力水。潛水的自由水面稱(chēng)潛水面，潛水面用高程表示潛水位(量)，自地面至潛水面的距離稱(chēng)潛水的埋藏深度，由潛水面往下至田隔水層頂板之間充滿重力水的巖層稱(chēng)潛水含水層，兩者之間的距離稱(chēng)含水層厚度。根據(jù)潛水的埋藏條件，潛水具有以下特征(1)潛水面是自由水面，無(wú)水壓力，只能沿水乎方向由高處向低處流動(dòng)。潛水面的形狀受地形、地質(zhì)、氣象、水文等自然因素控制并且與地形有一定程度的一致性。潛水面坡度一般隨地形坡度變陡而變陡，但潛水面坡度總小于地面坡度。(2)潛水面以上無(wú)穩(wěn)定的隔水層，存殘大氣降水和地表水可通過(guò)包氣帶宣接滲入補(bǔ)給而成為潛水的主要

20、補(bǔ)給來(lái)源。因此，潛水的補(bǔ)給區(qū)和分布(徑流)區(qū)是一致的。如果潛水埋藏很淺，潛水的排泄主要用于蘸發(fā)，這樣潛水的補(bǔ)、徑、排關(guān)系是一致的。(3)潛水的水位、水量、水質(zhì)隨季節(jié)不同而有明顯的變化。在雨季，潛水補(bǔ)給充沛，潛水位上升，含水層厚度增大，埋藏深度變小；而在枯水季節(jié)正好相反；(4)由于潛水面上無(wú)蓋層(閑水層)，故易污染。2 等水位線潛水面的形狀可用等高線圖表示，稱(chēng)潛水等水位線圖。繪制時(shí)格研究區(qū)內(nèi)潛水的露頭(鉆孔、搽井、水井、泉、沼澤、河流等)的水位，在大致相同的時(shí)間內(nèi)測(cè)定，點(diǎn)繪在地形圖上，連接水位等高的各點(diǎn)，即為等水位線圖。由于水位有季節(jié)性變化，圖上必須注明測(cè)定水位的日期。一般應(yīng)有最低水位和最高水位

21、時(shí)期的等水位線圖。根據(jù)等水位線可以確定以下問(wèn)題：(1)確定潛水流向。潛水由高水位流向低水位，所以，垂直于等水位線的直線方向，既是潛水的流向（通常用箭頭方向表示）。(2)確定潛水的水力梯度。在潛水的流向上，相鄰兩等水位線的高程與水平距離之比值，即為該距離段內(nèi)潛水的水力梯度。(3)確定潛水的埋藏深度。任一點(diǎn)的潛水埋藏深度是該點(diǎn)地形等高線的標(biāo)高與該點(diǎn)等水位線標(biāo)高之差。(4)確定潛水與地表水的補(bǔ)排關(guān)系。潛水與河水的補(bǔ)給關(guān)系一般有三種不同情況。1) 潛水補(bǔ)給河水，潛水面傾向河流，這種情況多見(jiàn)于河流中上游山區(qū)。2) 河水補(bǔ)給潛水，潛水面背向河流，這種情況多見(jiàn)于河流下游地區(qū)。3) 河水一例補(bǔ)給浴九一例排泄?jié)?/p>

22、水。這種情況多發(fā)生于山前地區(qū)的一些河流。 (5)確定泉和沼澤的位置。等水位線與地形等高線高程相同處，潛水出露，為泉或沼澤位置。 (6)選擇給水或排水建筑物的位置匯流處開(kāi)挖排水溝或打井。5.3.1.3 承壓水 1 承壓水的概念和特征地下水承壓水是指充滿于兩個(gè)隔水層之間的含水層中，具有靜水壓力的地下水。承壓水存上下兩個(gè)穩(wěn)定的隔水層，上面的稱(chēng)隔水層頂板，下面的稱(chēng)隔水層底板，兩板之間的距離稱(chēng)含水層厚度(m)。當(dāng)鉆孔打穿隔水層頂板至含水層時(shí)，地下水在靜水壓力下就會(huì)上升到含水層頂板以上一定高度。若此高度大于地面高程，就會(huì)形成自流井。若水頭底于頂板高程，則稱(chēng)層間無(wú)承壓水。由于承壓含水層上下都有穩(wěn)定的隔水層存

23、在，所以承壓水與地表大氣隔絕，其補(bǔ)給區(qū)與分布區(qū)不一致，可以明顯地分為補(bǔ)給區(qū)、承壓區(qū)和排泄區(qū)，水量、水位、水溫都較穩(wěn)定，受氣候、水文因素的直接影響較小，不易受污染。 等水壓線圖反映了承壓水面的起伏形狀。它與潛水面不同，潛水面是一實(shí)際存在的面，而承壓水面是一個(gè)勢(shì)面。承壓水面與承壓水的埋藏深度極不一致，與地形高低也不吻合。只有在鉆孔揭露含水層時(shí)，才能謝到。因此，在等水壓線圖中還要附以含水層頂板的等高線。根據(jù)等水壓線圖可以確定含水層的許多數(shù)據(jù)，如承壓水的流隊(duì)水力梯度，儲(chǔ)藏深度和承壓水頭等。根據(jù)這些數(shù)據(jù)，可以固定適宜開(kāi)采承壓水的水源地5.3.2地下水按貯存條件分類(lèi)地下水按含水層的空隙性質(zhì)可分為孔隙水、裂

24、隙水和巖溶水三類(lèi)。將這兩類(lèi)綜合可組成九種不同類(lèi)型的地下水。5.3.2.1 孔隙水存在與巖土孔隙內(nèi)的水稱(chēng)謂孔隙水?？紫端雌渑c巖土固相相互作用的性質(zhì)和特點(diǎn)分為結(jié)合水和自由水兩大類(lèi)。當(dāng)水量少時(shí)，水分子受靜電引力被吸附在碎屑顆粒和巖石的表面成為結(jié)合水；當(dāng)水將巖土空隙填滿時(shí)，如果空隙較小，則水受表面張力作用，且?guī)r土孔隙并未被水所充滿而是處于非飽和狀態(tài)，則可沿空隙上升形成毛細(xì)管水；如果空隙較大，水的重力大于表面張力，則水受重力的支配從高處向下滲流，形成重力水。5.3.2.2 裂隙水埋藏在巖體裂隙中的地下水，統(tǒng)稱(chēng)為裂隙水。根據(jù)裂隙的性質(zhì)分為：風(fēng)化裂隙水，成巖裂隙水和構(gòu)造裂隙水三類(lèi)。1 風(fēng)化裂隙水風(fēng)化裂隙發(fā)

25、育在基巖表層，延伸短。無(wú)一定方向，但密集而均勻。故?？蓸?gòu)成統(tǒng)一的地下水面，形成裂隙潛水。一般由大氣降水補(bǔ)給，其埋深隨地形而異，在分水嶺處理深最大，可達(dá)數(shù)十米，山坡處埋深變小，溝谷中常進(jìn)出成泉，或直接排泄給河流。2 成巖裂隙水成巖裂隙具有發(fā)育均勻且張開(kāi)并構(gòu)成連通的裂隙系統(tǒng)的特點(diǎn)，一般常見(jiàn)于噴出巖中，如玄武巖的校狀裂隙。當(dāng)巖層裸露地表時(shí)，即形成潛水。3 構(gòu)造裂隙水構(gòu)造裂防的發(fā)育情況極為復(fù)雜，因此，形成的構(gòu)造理隙水也很復(fù)雜，為潛水和承壓水，按其產(chǎn)狀又可分為層狀裂隙水和脈狀裂隙水。層狀裂隙水是指埋藏于區(qū)域構(gòu)造裂隙中的水，在裂隙發(fā)育良好的堅(jiān)硬脆性巖石里，往往構(gòu)成統(tǒng)一的含水層。當(dāng)其上下均有隔水層時(shí)，則形成

26、裂隙承壓水。脈狀裂隙水是指埋藏在斷層破碎帶中的地下水。田斷層破碎帶延伸遠(yuǎn)，寬度大，方向性強(qiáng)，有利于地下水的貯存和運(yùn)動(dòng)。同時(shí)斷層破碎帶多成為各含水層之間的通道，所以沿?cái)鄬悠扑閹?特別在低洼處)常有泉水出面。5.3.2.3 巖溶水 巖溶水是埋藏并運(yùn)動(dòng)于可溶性巖石的巖溶裂隙和溶洞中的地下水。 巖溶水可以是潛水，也可以是承壓水。當(dāng)可溶性巖層大面積出田地表時(shí)，可形成潛水和局部承壓水，當(dāng)巖溶含水層與不透水層互層，或?yàn)椴煌杆畬痈采w而構(gòu)成單斜或盆地等蓄水構(gòu)造時(shí)，可形成承壓水或自流水。 巖溶水多為低礦化的重碳酸鹽型水，在巖溶地區(qū)，工農(nóng)業(yè)和生活用水的重要水泥。但是巖溶水較易污染，做好衛(wèi)失防護(hù)措施。巖溶水量都較豐富

27、，因此，巖溶水是在開(kāi)采巖溶水作為供水泥地時(shí)，應(yīng)出于巖溶發(fā)育與分布受巖性和地質(zhì)構(gòu)造等因素的控制，故而巖溶在空間分布不是均勻的。一般巖溶發(fā)育處也即巖溶水富集地帶，如厚石灰?guī)r分布區(qū)，斷層或裂隙的發(fā)育帶，褶皺軸部和巖層急劇轉(zhuǎn)折部位，可溶巖和非可溶巖接觸部位等。 巖溶水的補(bǔ)給來(lái)源主要是大氣降水和地表水。在巖溶發(fā)育地區(qū)，特別是在可溶巖(如石灰?guī)r)裸露地區(qū)，如地表巖溶十分發(fā)育，則巖溶含水層具有很大透水能力，這時(shí)幾乎可將80 (一般為40 50 )的大氣降水迅速滲入補(bǔ)給地下水，而致使地表嚴(yán)重缺水。 巖溶水可在巖溶裂隙中滲流，也可在溶洞中流動(dòng)。由于巖溶水通過(guò)的溶蝕通道的斷面變化很大，故巖溶水的徑流特征往往在同一

28、蓄水構(gòu)造(或稱(chēng)水文地質(zhì)單元)中，呈現(xiàn)出不同的特征： (1)孤立水流與具有統(tǒng)一的地下水面并存，在可溶巖分布的山區(qū)。由于各巖溶通道時(shí)連通性差，通道中的水流常呈孤立水流出現(xiàn)，這些水記住往高出當(dāng)?shù)氐木哂薪y(tǒng)一的地下水面(區(qū)域水位)許多，呈懸掛巖溶水狀態(tài)。在河谷地帶和巖溶平原地區(qū)，由于巖溶溶蝕通道發(fā)育，通道間水力聯(lián)系強(qiáng)，連續(xù)性好，一般都具有統(tǒng)一的地下水面(區(qū)域水位)。 (2)層流和紊流并存。巖溶水在裂隙中滲流，阻力大，流速侵，呈層流狀態(tài)。而在斷面大的溶洞中，團(tuán)力小，流速快，巖溶水呈紊流狀態(tài)。所以同一地段不同部位，同一巖溶水流可以是紊流和層流并存。 (3)有壓水流與無(wú)壓水流并存。同一巖溶水流可以在斷面小的通

29、道中呈有壓流，而在斷面大的溶洞中呈無(wú)壓流。 (4)明流與伏流并存。在巖溶地區(qū)，地表水流若遇到落水洞、溶洞和暗河時(shí)，河水會(huì)突然轉(zhuǎn)入地下而成暗河。反之，巨大的暗河可突然涌出地表，成為地表水流。 巖溶水排泄的最大特征是排泄集中和排泄量大，排泄方式是以暗河形式排入河流，或以泉的方式排出地表。巖溶水的動(dòng)態(tài)特征是徑流集中和交替迅速，對(duì)大氣降水反應(yīng)敏感，水位和流量變化幅度大。而巖溶承壓水，其水位、流量相對(duì)較為穩(wěn)定，因其補(bǔ)給區(qū)面積大，徑流途徑長(zhǎng)，含水層容積大，所以其動(dòng)態(tài)受季節(jié)變化影響較小。5.3.3 地下水的外露形式泉地下水在地表的天然出露叫泉。它是地下水的主要排泄方式之一。研究泉對(duì)了解地質(zhì)構(gòu)造和地下水都有很

30、大意義。泉的形成條件有多種多樣。泉的出露多在山麓、河谷、沖溝等地面切割強(qiáng)烈的地方，平原地區(qū)堆積物厚、切割微弱、地下水不易出露、所以平原地區(qū)極少見(jiàn)到泉。5.4地下水的性質(zhì)由于地下水在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與各種巖土介質(zhì)相互作用、溶解巖土中可溶物質(zhì)等原因，使地下水不是化學(xué)意義上的純水而是一種復(fù)雜的溶液。因此，研究地下水的物理性質(zhì)和化學(xué)成分，對(duì)于了解地下水的成因與動(dòng)態(tài)，確定地下水對(duì)混凝土等的侵蝕性，進(jìn)行水質(zhì)評(píng)價(jià)等，都有著實(shí)際的意義。5.4.1地下水的物理性質(zhì)地下水的物理性質(zhì)包括溫度、顏色、透明度、氣味、味道、密度、導(dǎo)電性及放射性等。5.4.1.1 溫度地下水的溫度變化范圍很大。有的可達(dá)到100以上，低的只有5，

31、甚至更低。地下水溫度的差異，主要受各地區(qū)的地溫條件所控制。通常隨埋藏深度不同而異，埋藏越深的，水溫越高。埋藏深度不同的地下水，具有不同的溫度變化。埋深35m，即日常溫帶以?xún)?nèi)的地下水，具晝夜變化規(guī)律。埋深550m的地下水，即年常溫帶以?xún)?nèi)，具年變化規(guī)律。年常溫帶以下，地下水溫度隨深度增加而增高，其變化規(guī)律決定于地?zé)嵩鰷芈?。地?zé)嵩鰷芈适侵冈谀瓿貛б韵拢瑴囟让可咭欢人柙黾拥纳疃?，單位為m。整個(gè)地殼的地?zé)嵩鰷芈实钠骄禐?033 m。通常根據(jù)溫度將地下水劃分為：過(guò)冷水(低于0)、冷水(020)、溫水(2l42)、熱水(43100)、過(guò)熱水(高于100)。5.4.1.2 顏色地下水一般是無(wú)色、透明的

32、，但當(dāng)水中含有某些有色離子或含有較多的懸浮物質(zhì)時(shí)，便會(huì)帶有各種顏色和顯得混濁。如含有高鐵的水為黃褐色，含腐殖質(zhì)的水為淡黃色。地下水一般是無(wú)色的，但有時(shí)由于某種離子含量較多，或者富集懸浮物和膠體物質(zhì)，則可顯出各種各樣的顏色。5.4.1.3透明度地下水的透明度取決于其中的固體與懸浮物的含量。5.4.1.4氣味地下水一般是無(wú)嗅、無(wú)味的，但當(dāng)?shù)叵滤泻心承╇x子或某種氣體時(shí)，可以散發(fā)出特殊的臭味。當(dāng)水中含有硫化氫氣體時(shí)，水便有臭蛋味；如含亞鐵鹽很多時(shí)，水有鐵腥氣味或是墨水氣味；含氯化鈉的水味咸，而含氯化鎂或硫化鎂的水則昧苦。一般情況下，當(dāng)水加熱到40以上時(shí)氣味更顯著。5.4.1.5味道純水是無(wú)味的，但

33、是地下水因其含有其他化學(xué)成分則有各種味道。當(dāng)?shù)叵滤苡幸恍}類(lèi)或氣體時(shí)，可有一定的味感；如含較多的二氧化碳時(shí)清涼爽口；含大量的有機(jī)物時(shí)，有較明顯的甜味，此種水有害，不宜飲用；含硫酸鎂和硫酸鈉時(shí)，有苦澀味；含氯化鈉時(shí)有咸味。地下水的味道與所含化學(xué)成分的濃度有關(guān)。當(dāng)水中溶有的鹽類(lèi)多于10gL時(shí)，則有很咸的味感。濃度愈大時(shí)味感愈強(qiáng)。眾所周知，味道的明顯程度與溫度有關(guān)，低溫時(shí)不明顯，溫度在20-30時(shí)味顯著。所以，地下水味的強(qiáng)弱取決于水中某種離子成分與濃度和水溫。5.4.1.6 密度一般情況下，純水的密度為9.81t/m3。地下水的密度決定于水中所溶鹽分的含量大小。地下淡水的比重通常認(rèn)為與化學(xué)純水比重

34、相同。水中溶解的鹽分愈多，比重愈大，有的可達(dá)1.21.3。5.4.1.7 導(dǎo)電性地下水的導(dǎo)電性取決于其中所含電解質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量，即各種離子的含量與其離子價(jià)。離子含量愈多，離子價(jià)愈高，則水的導(dǎo)電性愈強(qiáng)。此外，水溫對(duì)導(dǎo)電性也有影響。5.4.1.8 放射性地下水在特殊儲(chǔ)藏環(huán)境下，受到放射性礦物的影響，會(huì)具有一定的放射性。如堆放廢棄的核燃料，會(huì)引起周?chē)鷰r土體及其中的水體也帶有放射性。5.4.2地下水的化學(xué)性質(zhì)地下水的化學(xué)成分比較復(fù)雜，其中溶有各種離子、分子、化合物、各種氣體及生物成因的物質(zhì)。到目前為止在地下水中已發(fā)現(xiàn)有62種化學(xué)元素，其中含量多少不一。有的大量溶于水中，有的含量甚微。一般地殼中分布最廣

35、的元素如氧、鈣、鈉、鎂等在地下水中也是最常見(jiàn)的。有些元素如硅、鐵，在地殼中分布雖廣，但在地下水中卻不多。另一些元素（如氯）則相反，地殼中分布少，地下水中含量卻很多，原因在于它們的溶解度不同。5.4.2.1地下水中常見(jiàn)的化學(xué)成分地下水中含有多種元素，有的含量大，有的含量甚微。地殼中分布廣、含量高的元素，如H、Ca、Mg、Na、K等在地下水中最常見(jiàn)。有的元素如Si、Fe等在地殼中分布很廣但在地下水中卻不多；有的元素如Cl等在地殼中極少，但在地下水中卻大量存在。這是因?yàn)楦鞣N元素的溶解度不同的緣故。所有這些元素是以離子、化合物分子和氣體狀態(tài)存在于地下水中，而以離子狀態(tài)為主。總的來(lái)講，地下水中含有氣體成

36、分、離子成分、膠體成分、有機(jī)成分和細(xì)菌成分等幾大類(lèi)化學(xué)成分。1主要?dú)怏w成分地下水中含有多種氣體成分，常見(jiàn)的有O2、N2、CO2、H2S。(1)氧、氮：地下水中的氧氣和氮?dú)庵饕獊?lái)源于大氣。它們隨同大氣降水和地表水的補(bǔ)給而進(jìn)入地下水中。含溶解氧多的水，表明處于氧化環(huán)境，少氧或無(wú)氧的水表明處于還有環(huán)境。氧的化學(xué)性質(zhì)遠(yuǎn)較氮活潑，故在封閉的環(huán)境中，氧耗盡而存有氮。因此，地下水中氮的單獨(dú)存在，通?？杀砻鞯叵滤鹪从诖髿獠⑻幱谶€原環(huán)境。(2)硫化氫：地下水中出現(xiàn)硫化氫，表明處于缺氧的還原環(huán)境。在封閉的環(huán)境中，當(dāng)有機(jī)質(zhì)存在時(shí)，由于微生物的作用，SO42還原生成H2S，即因此，H2S一般出現(xiàn)在深層地下水中。油田

37、水中H2S含量較高時(shí)，可作為找油的間接標(biāo)志。(3)二氧化碳：地下水中的二氧化碳有兩個(gè)來(lái)源。一是生物化學(xué)作用，如生物呼吸及有機(jī)質(zhì)的發(fā)酵。這種發(fā)生于大氣、土壤及地表水中的二氧化碳，隨同下滲的水，進(jìn)入地下水中。淺部地下水中的二氧化碳主要是這種成因的。另一種是深部變質(zhì)作用形成的，即碳酸鹽類(lèi)巖石，在高溫作用下，分解生成二氧化碳，即地下水中含二氧化碳愈多，其溶解碳酸鹽類(lèi)的能力以及對(duì)結(jié)晶巖類(lèi)進(jìn)行風(fēng)化作用的能力愈強(qiáng)。由于鋼鐵、冶金及化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，大氣中的二氧化碳顯著增加，特別在工業(yè)集中區(qū)，補(bǔ)給地下水的降水中的二氧化碳含量往往特別高。2主要離子成分地下水中含有數(shù)十種離子成分，常見(jiàn)的陽(yáng)離子有H、Na、K、Mg2

38、、Ca2、Fe2、Fe3、Mg2等；常見(jiàn)的陰離子有OH、Cl、SO42、NO3、HCO、CO22、SiO22等。地下水中分布最廣，含量最多的離子共有七種：Cl、SO42、HCO3、Na、K、Ca2、Mg2。它們來(lái)源于與其相關(guān)的各種原巖的風(fēng)化溶解，在地下水中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，它們決定了地下水化學(xué)成分的基本類(lèi)型和特點(diǎn)。一般情況下，隨著地下水中含鹽量的變化，其中占主導(dǎo)地位的離子成分也隨之發(fā)生變化。含鹽量低的地下水中常以HCO3及Ca2或HCO3及Mg2為主；中等含鹽量的常以SO42、Mg2等為主；含鹽量高的地下水中則以C1、Na為主。地下水含鹽量與離子成分之間的這種對(duì)應(yīng)關(guān)系，源于各種鹽類(lèi)溶解度的差異。氯鹽

39、的溶解度最大，硫酸鹽次之，碳酸鹽較小，鈣、鎂的碳酸鹽最小。隨著水中含鹽量的增加，鈣、鎂的碳酸鹽首先達(dá)到飽和而析出。因此，含鹽量高的水中便以易溶的氯鹽為主了。3 主要膠體成分地下水中膠體成分包括有機(jī)和無(wú)機(jī)兩類(lèi)。有機(jī)膠體在地球表面分布很廣，尤其在熱帶、沼澤地帶的地下水中含量很高。地下水中呈分子狀態(tài)的無(wú)機(jī)化合物(膠體)有Fe2O3、Al2O3和H2SiO4等。無(wú)機(jī)膠體有的不穩(wěn)定，易生成次生礦物而沉淀。如氫氧化鋁膠體易形成水礬土、葉臘石沉淀。有的溶解度很低（如二氧化硅），故在水中含量較低。4有機(jī)成分和細(xì)菌成分有機(jī)成分主要是生物遺體的分解，多富集于沼澤水中，有特殊臭味。細(xì)菌成分可分為病源菌和非病源菌兩種

40、。5.4.2.2 地下水的主要化學(xué)性質(zhì) 1 酸堿度水的酸堿度主要取決于水中氫離子濃度。氫離子濃度用pH值表示：pHlgH。根據(jù)pH值可將水分為強(qiáng)酸水、弱酸水、中性水、弱堿水、強(qiáng)堿水五類(lèi)。地下水的氫離子濃度主要取決于水中HCO3、CO22、和H2CO2的數(shù)量。自然界中大多數(shù)地下水的pH值在6.58.5之間。地下水中的酸可分解水泥及混凝土中的CaCO3，因而造成酸性侵蝕，其化學(xué)反應(yīng)式為2CaCO32H®Ca(HCO3)2Ca2由此可見(jiàn)，氫離子濃度一般可作為地下水酸性侵蝕性的指標(biāo)。2 硬度水的硬度取決于水中Ca2、Mg2的含量。硬度分為：總硬度、暫時(shí)硬度、永久硬度、碳酸鹽硬度四種。(1)

41、總硬度 水中Ca2、Mg2的總含量稱(chēng)為總硬度。相當(dāng)于水中所含Ca2、Mg2的總量。(2) 暫時(shí)硬度 水煮沸后，水中一部分Ca2、Mg2與HCO3作用生成碳酸鈣(CaCO3)和碳酸鎂(MgCO3)沉淀而致使水中Ca2、Mg2的含量減少。呈碳酸鹽沉淀的這部分即由于煮沸而減少Ca2、Mg2的總量稱(chēng)為暫時(shí)硬度。（3）永久硬度 總硬度與暫時(shí)硬度之差稱(chēng)為永久硬度，相當(dāng)于煮沸時(shí)未發(fā)生碳酸鹽沉淀的那部分Ca2、Mg2的含量。（4）碳酸鹽硬度 地下水中與HCO3含量相當(dāng)?shù)腃a2、Mg2的總量。我國(guó)采用的硬度表示法有兩種：一是德國(guó)度。每一度相當(dāng)于l L水中含有10mg的氧化鈣(CaO)或7.2mg的MgO；一是每

42、升水中Ca2、Mg2的毫摩爾數(shù)。1毫摩爾硬度2.8德國(guó)度。地下水的硬度可分為極軟水、軟水、微硬水、硬水和極硬水五類(lèi)。3 總礦化度總礦化度表示水的礦化程度，為水中離子、分子和各種化合物的總量，以每升水中所含各種化學(xué)成分的總克數(shù)(gL)表示表示。為了便于比較，通常按在105110 °C溫度下將水蒸干后所得干涸殘余物的總含量來(lái)確定。也可將分析所得陰、陽(yáng)離子含量相加，求得理論干涸殘余物值。但應(yīng)注意，因?yàn)樵谧聘蓵r(shí)有將近一半的重碳酸根分解生成二氧化碳及水逸出，所以陰離子和陽(yáng)離子相加時(shí)HCO3應(yīng)取重量的一半。地下水根據(jù)礦化程度可分為五類(lèi)。礦化度與水的化學(xué)成分之間有密切的關(guān)系：淡水和微咸水常以HCO

43、3為主要成分，稱(chēng)重碳酸鹽水；咸水常以SO42為主要成分，稱(chēng)硫酸鹽水；鹽水和鹵水則往往以Cl為主要成分，稱(chēng)氯化物水。高礦化水能降低混凝土的強(qiáng)度，腐蝕鋼筋，促使混凝土分解，故拌和混凝土?xí)r不允許用高礦化水。高礦化水中的混凝土建筑亦應(yīng)注意采取防護(hù)措施。5.5地下水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律5.5.1地下水運(yùn)動(dòng)的勢(shì)能概念用能量概念可以很方便地表示巖土的持水能力和水分轉(zhuǎn)移機(jī)制。水總是從高能處向低能處流動(dòng)。巖土中水總的能量包括重力勢(shì)能Ez、壓力勢(shì)能Ep、廣義毛管勢(shì)能Ec、鹽滲析勢(shì)能Es、電滲勢(shì)能Ee和熱能ET和水流運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能Ev等，可以表達(dá)如下： (5-8)重力勢(shì)能是巖土中水因其所在的高度位置而具有的能量，其數(shù)值取決于

44、所研究點(diǎn)和基準(zhǔn)面的相對(duì)位置?；鶞?zhǔn)面以上重力勢(shì)為正，基準(zhǔn)面以下重力勢(shì)為負(fù)。重力勢(shì)能按下式計(jì)算Ez=mg×z (5-9)其中 m水的質(zhì)量，t ； g重力加速度，m/s2 ； z相對(duì)于某一水平基準(zhǔn)面的豎向坐標(biāo)，即水所處的高度位置，m 。壓力勢(shì)能表示水體在大小為pw的壓力作用下，上升h=pw/gw其后勢(shì)能的增加值，按下式計(jì)算Ep=mg×pw/gw (5-10)廣義毛管勢(shì)能Ec、鹽滲析勢(shì)能Es、電滲勢(shì)能Ee和熱能ET 分別對(duì)于非飽和水滲流、地下水中溶質(zhì)彌散、電滲法排水處理地基和地基熱力固結(jié)或冷凍處理等特殊滲流問(wèn)題有最重要意義。動(dòng)能Ev對(duì)于水流速度很大的紊流情況有一定的實(shí)際意義，對(duì)一般

45、巖土介質(zhì)中的水流運(yùn)動(dòng)問(wèn)題動(dòng)能很小而忽略不計(jì)。因此，常規(guī)的地下水運(yùn)動(dòng)分析，只考慮水流重力勢(shì)能Ez和壓力勢(shì)能Ep。，并以巖土中單位水質(zhì)量的總水頭H表示，即 (5-11)在本章中， “滲流”均指狹義的飽和地下水在上述勢(shì)能作用下的流動(dòng)。因此，地下水滲流運(yùn)動(dòng)的基本定律，也就是指飽和滲流的基本定律。5.5.2地下水運(yùn)動(dòng)的基本水力要素在對(duì)地下水的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行定量研究時(shí)，需要確定一些表征滲流過(guò)程并能對(duì)其定量分析的基本水力要素。這些要素包括流量Q，流速v和水頭H。一般地，這些要素既是空間坐標(biāo)的函數(shù)，也是時(shí)間的連續(xù)函數(shù)。如前所述，在地下水流中，由于流速v值甚小。速度小，因而可以忽略不計(jì)，故 （5-12）地下水滲流的流

46、量按下式計(jì)算 （5-13）式中 Q滲流量，即單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)某一斷 面的水體積，m3/s ；F過(guò)水?dāng)嗝妫琺2。其他符號(hào)意義同前。在滲流場(chǎng)中把水頭值相等的各點(diǎn)連接起來(lái)便在空間構(gòu)成一個(gè)曲面，而該面被稱(chēng)為等水頭面，在其上各個(gè)水流質(zhì)點(diǎn)的水頭值是相同的。5.5.3滲透定律5.5.3.1 水力梯度的概念 總水頭H1和H2代表水在土體中A點(diǎn)和B點(diǎn)的總能量，是兩點(diǎn)間是否出現(xiàn)滲流的決定因素。H為A和B兩點(diǎn)間的總水頭差。當(dāng)H0時(shí)，水就從高能量點(diǎn)A向低能量點(diǎn)B流動(dòng)。H也表示水流通過(guò)A和B兩點(diǎn)間受到土顆粒阻力的影響，產(chǎn)生的能量損耗。水流從A點(diǎn)向B點(diǎn)流動(dòng)是通過(guò)顆粒間曲折的孔隙通道流過(guò)的，水流的真實(shí)滲透路徑長(zhǎng)短和形狀是難以

47、度量的，所以，假設(shè)水流從A向B滲流沿一光滑連續(xù)線路流動(dòng)，稱(chēng)為宏觀的滲透路徑，它是一光滑的曲線。這一曲線在A至B兩點(diǎn)間的長(zhǎng)度為滲透路徑的長(zhǎng)度。為了研究水在土中滲流，土顆粒對(duì)水流阻力的影響，把水沿滲透路徑方向流動(dòng)產(chǎn)生總水頭的損失率定義為水力梯度i，即 （5-14）式中 i水力梯度，是無(wú)因次的，其中負(fù)號(hào)表示沿水流方向水頭降低；L滲透路徑的長(zhǎng)度，m ；H經(jīng)過(guò)滲透路徑長(zhǎng)度L對(duì)應(yīng)的水頭損失（水頭差）,m 。5.5.3.2 達(dá)西滲透定律水在土中滲流，只要存在一定的水力梯度，水就沿著滲透路徑以一定的流速流動(dòng)，或產(chǎn)生一定的滲流量。在不同性質(zhì)的土中，水的流速或流量的大小差別很大，這是因?yàn)楦黝?lèi)土的顆粒大小、形狀及其

48、孔隙的形態(tài)十分復(fù)雜，對(duì)水流的阻力大小差異甚大的緣故。因此，土中的滲透流速、滲流量和水力梯度與土性質(zhì)的相互關(guān)系是研究土中滲流最基本的問(wèn)題，也是工程上有實(shí)用意義的問(wèn)題。達(dá)西（HDarcy）于1856年在穩(wěn)定流和層流條件下，用粗顆粒土進(jìn)行了大量的滲透試驗(yàn)，測(cè)定水流通過(guò)土試樣單位截面積的滲流量，獲得了滲流量與水力梯度的關(guān)系，從而得到滲流速度與水力梯度（或水頭能量損失）和土的滲透性質(zhì)的基本規(guī)律，即滲流的基本規(guī)律達(dá)西滲透定律。 達(dá)西用粗顆粒土對(duì)不同尺寸的圓筒和不同長(zhǎng)度的試樣進(jìn)行了大量試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)：水流通過(guò)土試樣截面后滲流出的流量Q與試樣截面積A和水力梯度（h/L）成正比例，且與土的滲透性質(zhì)有關(guān)，即 （515

49、）QkAi （516） （517）式中 Q滲透流量，為單位時(shí)間水流通 土試樣截面積A的流出量QVt，V為時(shí)間段t內(nèi)流出的水的體積，m3/s或m3d；A土試樣的截面積，包括土顆粒及孔隙在內(nèi)的總截面積， m2； v滲透流量速度或稱(chēng)為截面平均滲透速度，ms或md； k滲透系數(shù)，為反映土滲透性能的系數(shù)，相當(dāng)于單位水力梯度（i1）時(shí)的滲透流量速度（平均滲透速度），故其量綱與流速相同（m/s或md）。達(dá)西滲透定律的基本關(guān)系式表明在穩(wěn)定層流狀態(tài)下，滲透流量速度v與水力梯度i的一次方成正比，并與土的滲透性能系數(shù)K有關(guān)。值得注意的是：滲透流量速度v并不是水在土孔隙中流動(dòng)的實(shí)際平均流速。滲透水流實(shí)際的平均滲透流速

50、vs為： >v （518）式中 n土的孔隙率。 vs也是宏觀統(tǒng)計(jì)的實(shí)際平均滲透流速，并不是局部孔隙的真實(shí)滲透流速。此外還應(yīng)注意：達(dá)西研究砂土滲透規(guī)律時(shí)，在vi關(guān)系中，僅考慮與土的滲透性質(zhì)有關(guān)，忽略了與滲透液體（水）的性質(zhì)有關(guān)，即滲透系數(shù)k除了考慮與土的性質(zhì)有關(guān)外，還應(yīng)考慮與滲透液體（水）的性質(zhì)有關(guān)。滲透液體對(duì)滲透性的影響主要是液體的密度和粘滯性。在巖土工程中，土體中的液體大多數(shù)為水體。在土中常遇到的溫度和壓力范圍內(nèi)，水的密度變化很小，對(duì)滲透性不會(huì)引起明顯的影響；溫度的影響會(huì)引起地下水的粘滯性產(chǎn)生變化，從而影響滲透系數(shù)的變化。因此，在工程應(yīng)用上，對(duì)試驗(yàn)測(cè)定的滲透系數(shù)應(yīng)進(jìn)行溫度和粘滯性校正，

51、以消除水的性質(zhì)對(duì)滲透性的影響。綜合上述，達(dá)西定律的基本關(guān)系是采用宏觀虛擬的基本假定建立的，包括虛擬的滲透路徑及平均水力梯度、虛擬的平均滲透速度及虛擬的過(guò)水截面等。同時(shí)還假定土中水運(yùn)動(dòng)為穩(wěn)定流和層流狀態(tài)。這樣的處理方法，避免了土孔隙形態(tài)的復(fù)雜性和微觀分析的困難。雖然這一系列宏觀虛擬假定的關(guān)系應(yīng)屬于經(jīng)驗(yàn)性的宏觀分析，但仍不失其理論和實(shí)用價(jià)值，一百多年來(lái)的工程應(yīng)用證明是有效的。然而，這一系列的宏觀虛擬概念在工程應(yīng)用時(shí)還需正確理解。5.5.3.2達(dá)西定律的適用范圍達(dá)西定律是在層流狀態(tài)下砂土試樣中獲得的滲透基本規(guī)律，即土中滲流的平均滲透速度與水力梯度成線性關(guān)系。后來(lái)，大量試驗(yàn)結(jié)果表明，粘性土的滲流也基本

52、上服從這一規(guī)律。所以達(dá)西滲透定律的適用范圍主要與滲透水流在土中的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)，屬于層流狀態(tài)者適用，紊流狀態(tài)則不適用（這是適用范圍的基本概念）。然而影響滲透規(guī)律變化的因素，除了滲透水流的流動(dòng)狀態(tài)外，還與土孔隙中的液體性質(zhì)和土顆粒的大小、形狀和礦物成分及與水的相互作用有關(guān)。許多研究結(jié)果表明：在層流狀態(tài)下，流速較小時(shí)，水流的摩擦水頭損失以粘滯力為主，滲流服從達(dá)西定律；當(dāng)水流在粗顆粒土中流動(dòng)時(shí)，往往流速較大，在逐漸過(guò)渡到紊流狀態(tài)的過(guò)渡階段時(shí)，水流仍屬于層流狀態(tài)，但此時(shí)流速的慣性力已不容忽視，滲流規(guī)律逐漸偏離達(dá)西的線性關(guān)系，達(dá)西定律已不適用。從層流區(qū)過(guò)渡到紊流區(qū)的分界點(diǎn)就是達(dá)西定律適用范圍的界限，即適用

53、范圍的上限。在細(xì)粒土的孔隙內(nèi)，水和固體顆粒表面之間有較強(qiáng)的相互作用力，使流體的流動(dòng)方程偏離牛頓定律，從而使?jié)B流偏離達(dá)西定律，尤其是小流速和小梯度時(shí)更甚，這是達(dá)西定律適用范圍的下限。此外，細(xì)顆粒在土的大孔隙中自由移動(dòng)，或堵塞通道，然后又被沖開(kāi)，或被滲透水流帶走，往往也會(huì)使?jié)B流偏離達(dá)西定律。 上述分析說(shuō)明：達(dá)西定律的適用范圍，在層流狀態(tài)下，粗顆粒土類(lèi)有個(gè)上限，細(xì)顆粒土類(lèi)有個(gè)下限。這兩個(gè)界限如何具體確定，研究者們對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，并獲得許多成果。由于各種土類(lèi)孔隙形態(tài)和礦物成分的復(fù)雜性，研究結(jié)果所得上下限的界限都比較分散而模糊，具體應(yīng)用比較困難。從工程實(shí)用觀點(diǎn)出發(fā)，許多學(xué)者的研究結(jié)果認(rèn)為：一般巖土

54、介質(zhì)中的滲流問(wèn)題，都在達(dá)西定律適用范圍上下限之內(nèi)；對(duì)于粗粒料中的堆石體、反濾排水層等，滲流有可能超越其適用范圍的上限；對(duì)于密實(shí)的粘土和細(xì)粒土在孔隙中可自由移動(dòng)的土類(lèi)，也可能超越應(yīng)用范圍的下限而偏離達(dá)西定律。兩者的上下限及其典型的非達(dá)西滲流表達(dá)式可以通過(guò)試驗(yàn)獲得。 1密實(shí)粘土的非達(dá)西滲透許多試驗(yàn)結(jié)果表明：密實(shí)粘土的滲透規(guī)律偏離達(dá)西定律，并有多種類(lèi)型的非線性關(guān)系。而且，關(guān)系曲線不通過(guò)原點(diǎn)，水力梯度很小時(shí)，不產(chǎn)生滲透，當(dāng)?shù)竭_(dá)某梯度時(shí)，才出現(xiàn)滲透，這一梯度稱(chēng)為起始水力梯度。將曲線簡(jiǎn)化為線性關(guān)系并用式（519）表達(dá)，有 vk（ii0） （519）式中 i0起始水力梯度，這是達(dá)西定律適用范圍的下限。 對(duì)于

55、ii0時(shí)才產(chǎn)生滲透，常作如下解釋?zhuān)哼@是因?yàn)槊軐?shí)粘土的顆粒具有較厚的結(jié)合水膜，而且顆粒間相互靠近，阻礙自由水通過(guò)，只有達(dá)到一定水力梯度，才產(chǎn)生滲流。2粗大粒料土中的非達(dá)西滲流（如堆石體，純凈礫中的滲流）當(dāng)水力梯度較小時(shí)，滲透流速與水力梯度的關(guān)系仍保持達(dá)西定律的線性關(guān)系；當(dāng)梯度較大時(shí)，相應(yīng)滲透流速隨之增大，雖然滲透水流仍然處于層流狀態(tài)，但vi關(guān)系出現(xiàn)非線性而偏離達(dá)西定律。由試驗(yàn)得知，當(dāng)vvcr時(shí)，滲流規(guī)律就偏離達(dá)西定律，是非線性關(guān)系。vcr時(shí)稱(chēng)為臨界滲透速度，并以此為達(dá)西定律適用范圍的上限。當(dāng)vvcr時(shí)后，滲流規(guī)律為 ( m<1) （520）式中 m水力梯度指數(shù)，ml，為0.51。臨界流速vcr時(shí)的上限值為35 mms。5.5.4 地下水的涌水量計(jì)算地下水的涌水量計(jì)算是指在計(jì)算流向集水構(gòu)筑物的地下水流量。集水構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)形式很多，主要有垂直的井、鉆孔和水平的引水渠道、諸渠等。其中，抽取潛水或承壓水的垂直集水坑并分別稱(chēng)為潛水井或承壓水井。潛水井和承壓水