工程地質(zhì)賴天文地下水

1、主講人：余云燕 教授蘭州交通大學(xué)巖土與地下工程系2022/8/291第4章 地下水4.1 地下水的基本知識(shí) 4.1.1 暫時(shí)流水的地質(zhì)作用地下水及其賦存介質(zhì) 4.1.2 水再巖土中的存在形式 4.1.3 地下水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律4.2 地下水的物理性質(zhì)及化學(xué)成分 4.2.1 地下水的物理性質(zhì) 4.2.2 地下水的化學(xué)成分及分類4.3 地下水的類型4.4 地下水對(duì)土木工程的影響2022/8/292概 述水的循環(huán)大氣水、地表水和地下水之間不間斷的運(yùn)動(dòng)和相互轉(zhuǎn)化的過程。2022/8/293 水循環(huán)按其循環(huán)范圍分為： 大循環(huán)指整個(gè)地球范圍內(nèi)，在海洋和陸地之間的循環(huán)。 小循環(huán)指地球局部范圍內(nèi)的循環(huán)。2022

2、/8/2944.1 地下水的基本知識(shí)地下水是指埋藏和運(yùn)移在地表以下巖土空隙中的水。松散沉積物中的孔隙堅(jiān)硬巖石中的裂隙可溶性巖石中的溶隙連通性好分布不均勻連通性差巖土的空隙：4.1.2 地下水及其賦存介質(zhì)2022/8/295巖土中的各種空隙(據(jù)邁因策爾修改補(bǔ)充)1 分選良好，排列疏松的砂；2 分選良好，排列緊密的砂；3 分選不良，含泥、砂的礫石；4 經(jīng)過部分膠結(jié)的砂巖；5 具有結(jié)構(gòu)性孔隙的粘土；6 經(jīng)過壓縮的粘土；7 具有裂隙的巖石；8 具有溶隙及溶穴的可溶巖2022/8/2964.1.2 水在巖土中的存在狀態(tài)毛細(xì)水結(jié)合水氣態(tài)水固態(tài)水強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水重力水2022/8/2972022/8/298

3、地表以下一定深度內(nèi)存在著地下水面。地下水面以上，稱為包氣帶（zone of aeration）；地下水面以下，稱為飽水帶（zone of saturation）圖4.2 包氣帶和飽水帶2022/8/299含水層 ： 給出并透過相當(dāng)水量的巖土層。隔水層： 不透水但可含水的巖土層。滯水層：弱透水的巖土層。含水層的形成條件： 巖土層有較大空隙；為隔水層所限；有補(bǔ)給來源。2022/8/2910地下水在孔隙中的運(yùn)動(dòng)屬于層流，遵循達(dá)西滲透定律:滲流水量 Q = K A I滲透速度 v = K I4.1.2 地下水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律地下水運(yùn)動(dòng)層流 產(chǎn)生連續(xù)水流紊流 具有渦流性質(zhì)，各流線相互交錯(cuò)混合流 是層流和紊

4、流同時(shí)出現(xiàn)的流動(dòng)形式自然條件下，地下水流動(dòng)時(shí)阻力較大，流速較小，絕大多數(shù)屬于層流運(yùn)動(dòng)，但在巖土的洞穴及大裂隙中地下水的運(yùn)動(dòng)多屬于非層流運(yùn)動(dòng)2022/8/29114.2.1 地下水的物理性質(zhì)溫度顏色透明度嗅味口味相對(duì)密度導(dǎo)電性放射性4.2 地下水的物理性質(zhì)和化學(xué)成分2022/8/2912(1) 溫度 地下水的溫度與其埋藏深度、地下補(bǔ)給條件及地質(zhì)條件有關(guān)。分為七類：過冷水（0）、極冷水（04）、冷水（420）、溫水（2037）、熱水（3742）、極熱水（42100）、過熱水（100）。(2)顏色地下水的顏色決定于水中的化學(xué)成分及懸浮物，而純水是無色的。地下水的物理性質(zhì)2022/8/2913(3)透

5、明度純水是透明的，然而天然水中因含有泥砂、腐殖質(zhì)及浮游藻類等能使水體產(chǎn)生渾濁。如渾濁來自生活污水或工業(yè)廢水的排泄，則往往是有害的。由于固體與膠體懸浮物的含量不同，其透明度就不同。 根據(jù)透明程度可將地下水分為四級(jí)： 透明的； 微濁的； 混濁的； 極濁的。地下水的物理性質(zhì)2022/8/2914(4) 嗅味純水無嗅味，含一般礦物質(zhì)時(shí)也無味。水中的氣味取決于它所含的某些氣體或有機(jī)物質(zhì)。如：H2S氣體使水具有臭雞蛋味，腐殖質(zhì)使水有霉味，F(xiàn)e2+使水具有有鐵腥味。水的氣味與水溫有很大關(guān)系，往往在煮沸時(shí)氣味更為顯著。我國(guó)飲用水標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定需在20及60時(shí)無異臭和異味。(5)口味純水淡而無味，地下水的味道取決于水

6、中溶解的鹽類和有機(jī)質(zhì)。地下水的物理性質(zhì)2022/8/2915(6)比重（相對(duì)密度）地下水的比重決定于其中所溶解的鹽類的含量，溶解的越多，地下水的比重就越大。純水比重為1.0，最大時(shí)可達(dá)成 1.21.3。(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)量與性質(zhì)。離子含量越多，離子價(jià)越高，則水的導(dǎo)電性越強(qiáng)。(8) 放射性地下水的放射性取決于其中放射性物質(zhì)的含量，一般來說，地下水在一定程度上都具有放射性。地下水的物理性質(zhì)2022/8/2916 4.2.2.1 地下水的化學(xué)成分其化學(xué)成分以離子、分子和氣體三種狀態(tài)出現(xiàn)：以離子狀態(tài)出現(xiàn)的有：H+、Na+、K+、NH4+、Mg2+、Ca2+、Fe2+、

7、Fe3+、Mn2+等陽離子和OH、Cl、HCO3、NO2、SO42、CO32、SiO32、PO43等陰離子。以分子狀態(tài)出現(xiàn)的有：Fe2O3、Al2O3、H2SiO3等，多以沉淀物或膠體形式存在。以氣體狀態(tài)出現(xiàn)的有：N2、O2、CO2、CH4、H2S及放射性氣體等。4.2.2 地下水的化學(xué)成分及分類2022/8/2917N2、O2、CO2、CH4、H2S及放射性氣體等離 子陽離子:H+、Na+、K+、NH4+、Mg2+、Ca2+、Fe2+、Fe3+、Mn2+等陰離子:OH-、Cl-、HCO3-、NO2-、SO42-、CO32-、SiO32-、PO43-等Fe2O3、Al2O3、H2SiO3等氣

8、體分子4.2.2 地下水的化學(xué)成分及分類4.2.2.1 地下水的化學(xué)成分2022/8/2918總礦化度指地下水中所含的各種離子、分子及化合物的總量。它是用水在105110溫度下烘干后稱得的干涸殘?jiān)椭亓縼肀硎镜?。（g/L）地下水按化學(xué)成分分類按總礦化度分類地下水類型淡水弱半咸水強(qiáng)半咸水咸水鹽水總礦化度（g/L）1133101050502022/8/2919地下水的硬度指水中所含鈣、鎂離子的總含量。總硬度水中所含鈣、鎂離子總量。暫時(shí)硬度可由煮沸去掉的鈣、鎂離子含量。永久硬度煮沸后能保留下來的鈣、鎂離子的含量。按硬度分類總硬度 = 暫時(shí)硬度 永久硬度2022/8/2920我國(guó)常用的表示硬度的方法有

9、兩種：I德國(guó)方法：硬度1相當(dāng)于每升溶液中含0.357毫克當(dāng)量的鈣、鎂離子；II原蘇聯(lián)方法：用每升水溶液中所含鈣、鎂離子的毫摩爾數(shù)。2022/8/2921地下水類型強(qiáng)酸性水弱酸性水中性水弱堿性水強(qiáng)堿性水pH值55777 99按pH值分類PH值為水中H+濃度的負(fù)對(duì)數(shù)值。PH=lgH+地下水一般多為弱堿性水。2022/8/29224.3 地下水的類型4.3.1 地下水按埋藏條件分類及其特征4.3.2 地下水按含水層性質(zhì)分類及其特征2022/8/2923 地下水的綜合分類 類型2022/8/29244.3.1 地下水按埋藏條件分類及其特征潛水包氣帶水承壓水2022/8/2925是指存在于地面以下包氣帶

10、中的水（土壤水和上層滯水）包氣帶水2022/8/2926 土壤水 概念:包氣帶表層土壤中的氣態(tài)水、結(jié)合水、毛細(xì)水和下滲的重力水統(tǒng)稱為土壤水。主要特征:受氣候控制，季節(jié)性明顯，變化大，雨季水量多，旱季水量少，甚至干涸。應(yīng)用:土壤水不能直接被人們?nèi)〕鰬?yīng)用，但對(duì)農(nóng)作物和植物有重要作用。2022/8/2927 上層滯水 概念: 包氣帶中聚集在局部隔水層之上的重力水。 特征： 接近地表，接受大氣降水補(bǔ)給，以蒸發(fā)形式或 向隔水底板邊緣排泄。動(dòng)態(tài)變化很不穩(wěn)定。工程意義：常始料不及涌入基坑。 供水意義不大。 在寒冷地區(qū)易引起道路凍脹和翻漿。2022/8/2928潛水指埋藏于地表以下，第一個(gè)穩(wěn)定隔水層之上具有自

11、由水面的飽水帶中的重力水。2022/8/29291. 潛水與大氣相通，具自由水面，為無壓水；2. 潛水的補(bǔ)給區(qū)與分布區(qū)一致，直接接受大氣降水補(bǔ) 給，旱季時(shí)，常以蒸發(fā)形式排泄給大氣；3. 潛水的動(dòng)態(tài)受氣候影響較大，具有明顯的季節(jié)性變化特征； 4. 潛水易受地面污染影響。 潛水2022/8/2930潛水面的特征 潛水面一般呈傾斜的各種形態(tài)的曲面。 潛水面的起伏經(jīng)常與地形一致，只是比地形起伏平緩一些；潛水面與地表面的形態(tài)具有相似性。當(dāng)含水層厚度變大時(shí)，潛水面坡度變緩；當(dāng)巖層透水性變好，潛水面坡度變緩。2022/8/2931 潛水面一般呈傾斜的各種形態(tài)的曲面。2022/8/2932 潛水面的起伏經(jīng)常與

12、地形一致，只是比地形起伏平緩一些；潛水面與地表面的形態(tài)具有相似性。地表地形的影響2022/8/2933當(dāng)含水層厚度變大時(shí)，潛水面坡度變緩；含水層厚度的影響2022/8/2934當(dāng)巖層透水性變好，潛水面坡度變緩。巖層透水性的影響2022/8/2935潛水等水位線圖潛水等水位線圖是根據(jù)所在地區(qū)各水文地質(zhì)點(diǎn)（井、鉆孔、試坑和泉等），在大致相同的時(shí)間內(nèi)所測(cè)得的潛水面的水位標(biāo)高編制而成的。2022/8/2936潛水等水位線圖的用途 反映潛水與地表水的相互關(guān)系； 確定潛水的埋藏深度； 如有隔水層頂板標(biāo)高，可以確定含水層的厚度 可以確定潛水的流向及潛水面的水力坡度；2022/8/29372022/8/293

13、8潛水的補(bǔ)給含水層中地下水從外部（如大氣降水、地表水等）獲得大量補(bǔ)充的過程稱為地下水的補(bǔ)給。2022/8/2939潛水的補(bǔ)給 大氣降水; 地表水的補(bǔ)給； 含水層之間的補(bǔ)給； I.越流補(bǔ)給；II.直接補(bǔ)給 凝結(jié)水； 人工補(bǔ)給2022/8/2940潛水的補(bǔ)給大氣降水2022/8/2941河流補(bǔ)給潛水潛水的補(bǔ)給地表水的補(bǔ)給2022/8/2942潛水的排泄 蒸發(fā); 泉的排泄； 向地表水排泄； 人為排泄。2022/8/2943潛水的排泄泉2022/8/2944潛水補(bǔ)給河流潛水的排泄向地表水排泄2022/8/2945承壓水埋藏并充滿在兩個(gè)隔水層之間的含水層中的地下水，是一種有壓重力水。2022/8/294

14、6潛水與地表水的關(guān)系潛水補(bǔ)給河流河流補(bǔ)給潛水單側(cè)補(bǔ)給( a )( b )( c )2022/8/2947承壓水的形成最適宜形成承壓水的地質(zhì)構(gòu)造有：向斜構(gòu)造單斜構(gòu)造承壓盆地承壓斜地2022/8/2948此類承壓水的水位受到氣候及地形的控制，往往具有較好的徑流條件。承壓盆地2022/8/29492022/8/2950承壓斜地巖性變化形成承壓斜地?cái)嗔褬?gòu)造形成承壓斜地2022/8/2951承壓含水層在同一區(qū)域內(nèi)均可在不同深度有著若干層同時(shí)存在的情況，它們之間的水頭高度與地形和構(gòu)造二者有關(guān)。2022/8/2952承壓水的補(bǔ)給 大氣降水； 地表水； 潛水。2022/8/2953承壓水的補(bǔ)給大氣降水2022

15、/8/2954當(dāng)補(bǔ)給區(qū)位于河床地帶時(shí)，地表水才可以成為補(bǔ)給來源。承壓水的補(bǔ)給地表水2022/8/2955當(dāng)承壓含水層補(bǔ)給區(qū)位于潛水之下，潛水可以泄入承壓含水層中構(gòu)成其補(bǔ)給源。承壓水的補(bǔ)給潛水2022/8/2956承壓水的排泄 向潛水排泄; 泉的排泄； 向地表水排泄。2022/8/2957當(dāng)排泄區(qū)上有潛水存在時(shí)，則可以排泄入潛水中。承壓水的排泄?jié)撍?022/8/2958當(dāng)侵蝕面下切達(dá)到承壓含水層時(shí)，就以泉水形式排泄。承壓水的排泄泉2022/8/2959導(dǎo)水?dāng)鄬忧袛嗪畬訒r(shí)，沿?cái)鄬訋?，承壓水也可以泉的形式排泄。承壓水的排泄?022/8/2960河谷下切至含水層，則承壓水向地表水排泄。承壓水的排泄

16、地表水2022/8/2961承壓水的徑流徑流條件的好壞與地形條件、含水層的透水性、補(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū)的水位差、承壓含水層的撓曲程度等有關(guān)。2022/8/2962承壓含水層的涌水量，主要與含水層的分布范圍、厚度、透水性、補(bǔ)給區(qū)的大小、水的補(bǔ)給來源等因素有關(guān)。承壓水的涌水量2022/8/2963如圖中A點(diǎn)：地形標(biāo)高103m，承壓水位91m，含水層頂板標(biāo)高83m。則承壓水位埋深為：103912m 承壓水頭為: 91838 m含水層埋深為：1038320m承壓水等水位線圖可確定下列重要指標(biāo)： 承壓水位埋深 承壓水頭大小 含水層埋深（初見水位）承壓水 ( pressure water )2022/8/296

17、4武漢市（漢口）水文地質(zhì)剖面長(zhǎng)江一級(jí)階地土層厚3050m典型二元結(jié)構(gòu)K 隨深度呈對(duì)數(shù)增大上部黏性土中潛水下部砂礫石中承壓水2022/8/29654.2.2 地下水按含水層性質(zhì)分類及其特征孔隙水裂隙水巖溶水風(fēng)化裂隙水成巖裂隙水構(gòu)造裂隙水2022/8/2966 沖積物中的孔隙水孔隙水（ Pore water ）裂隙水（Fracture water ）2022/8/2967巖溶水特點(diǎn)：空間分布極不均勻;動(dòng)態(tài)變化強(qiáng)烈;流動(dòng)迅速;排泄集中。2022/8/2968巖溶水溶洞2022/8/2969地面沉降地面塌陷流砂管涌浮托作用基坑突涌對(duì)混凝土的侵蝕性4.4 地下水對(duì)土木工程的影響Uplift pressu

18、reHHh2022/8/2970 耗時(shí)4年，花費(fèi)2000萬元，國(guó)土資源部南京地質(zhì)礦產(chǎn)研究所主持的長(zhǎng)三角地區(qū)地下水資源與地質(zhì)災(zāi)害調(diào)查評(píng)價(jià)顯示，由于過量開采地下水形成“地面沉降”，造成長(zhǎng)三角地區(qū)經(jīng)濟(jì)損失近3150億元。其中:上海，2900億元；蘇錫常，469億元；浙江嘉興，85億元 調(diào)查顯示：在長(zhǎng)三角（長(zhǎng)江以南）10萬平方公里的范圍內(nèi)，因?yàn)殚L(zhǎng)期超采地下水，引起了區(qū)域性地面沉降與地裂縫等地質(zhì)災(zāi)害，區(qū)內(nèi)1/3范圍內(nèi)累計(jì)沉降已超200毫米，面積近1萬平方公里。其中上海市區(qū)、江蘇蘇錫常地區(qū)、浙江杭嘉湖等地已經(jīng)形成三個(gè)區(qū)域性沉降中心，最大累計(jì)沉降量分別達(dá)到2.63、1.08、0.82米，形成了三個(gè)大“漏斗”

19、。蘇錫常地區(qū)因不均勻沉降，目前已發(fā)生22處地裂縫地質(zhì)災(zāi)害。長(zhǎng)三角地區(qū)已成為中國(guó)發(fā)生地面沉降現(xiàn)象最具典型意義的地區(qū)之一。 過度開采地下水長(zhǎng)三角如何應(yīng)對(duì)地面沉降？ (2005-03-29 06:05:39來源: 新華網(wǎng))2022/8/2971中國(guó)科學(xué)院院士薛禹群在2004科學(xué)發(fā)展報(bào)告中指出，自20世紀(jì)八十年代以來，我國(guó)地面沉降已由沿海城市向大面積區(qū)域性擴(kuò)展，形成了以長(zhǎng)江三角洲地區(qū)和黃淮海平原地區(qū)為中心的兩大沉降區(qū)。目前，我國(guó)有近50個(gè)城市發(fā)生了地面沉降，全國(guó)沉降面積48655平方公里，年均直接經(jīng)濟(jì)損失1億元以上。最近20年來，全國(guó)地下水開采量平均以每年25億立方米的速度增加，華北、西北地區(qū)城市利用

20、地下水比例分別高達(dá)72%和66%，不少地區(qū)已屬超量開采。如果不考慮極值，依目前的沉降速度，到2050年，海平面將會(huì)上升40厘米70厘米，長(zhǎng)三角很可能就此桑田變滄海。2022/8/2972 滲透變形 (seepage deformation)管涌：?jiǎn)蝹€(gè)土顆粒發(fā)生獨(dú)立移動(dòng)的現(xiàn)象。 多發(fā)生在不均勻的砂礫土中。流土：一定體積的土粒同時(shí)發(fā)生移動(dòng)的現(xiàn)象。 多發(fā)生在均質(zhì)砂土層和粉土層中。2022/8/29732022/8/2974基坑突涌隔水層的安全厚度：據(jù)得若不滿足上述厚度，需降水，使基坑中心承壓水位降深滿足：則：2022/8/29751998 長(zhǎng)江大洪水1998年洪水中各種險(xiǎn)情6000余處2022/8/

21、2976 隱患與險(xiǎn)情2022/8/2977武漢丹水池堤防搶險(xiǎn)2022/8/2978上海軌道交通4號(hào)線事故 2003年7月1日凌晨4點(diǎn)，正在施工中的上海市地鐵四號(hào)線區(qū)間隧道浦西聯(lián)絡(luò)通道發(fā)現(xiàn)滲水，隨后出現(xiàn)大量流沙涌入，引起地面大幅沉降；上午九點(diǎn)左右，地面建筑八層樓房發(fā)生傾斜，其裙房部分倒塌。由于報(bào)警及時(shí)，所有人員均已提前撤出，因而無人員傷亡，受其影響的周圍樓房里的市民們也已全部撤出。臨江花園大廈 （傾斜10） 裙 房 倒 塌2022/8/2979搶險(xiǎn)方案1.封堵軌道交通4號(hào)線區(qū)間隧道，解除了因險(xiǎn)情對(duì)整個(gè)隧道區(qū)間的威脅2.向地下注漿壓漿,減少地下流沙的涌動(dòng)，保護(hù)周邊地區(qū)的建筑3.拆除受險(xiǎn)情影響的大樓

22、及裙房用注漿機(jī)不停地把水泥漿注入地下，加固地面地基，提高地基承載力潛水員身穿 70kg 潛水服，潛入地下進(jìn)行封堵，確保大廈地基不滲水采用傳統(tǒng)方式拆除破壞樓房7月2日2022/8/29807月3日新險(xiǎn)情 受地面沉降影響，董家渡外馬路段長(zhǎng)約30米的防汛墻，發(fā)生沉陷、傾斜、開裂。此時(shí)，正值上海汛期開始，上千名武警官兵奉命緊急出動(dòng)，用沙袋和身軀，在浦江邊筑起“U”字型圍堤，將長(zhǎng)江抗洪的經(jīng)典場(chǎng)景再現(xiàn)！武警官兵火速奔赴現(xiàn)場(chǎng)搶險(xiǎn)救災(zāi)武警官兵有的拋填沙包堤，有的跳進(jìn)黃浦江排險(xiǎn)堵漏。2022/8/2981給沙堤內(nèi)側(cè)安置大型鋼制樁 24小時(shí)筑起長(zhǎng)160m,高2m，伸入黃浦江約10m的弧形臨時(shí)堤壩，控制了險(xiǎn)情2022/8/2982建于1989年71米高265米長(zhǎng)1993年8月7日垮壩死亡300余人滲透破壞: 青海溝