第5章 地下水課件

第五章地下水§5.1

地下水概述地下水的基本概念地下水賦存在地表以下巖土空隙中的水。巖土的空隙: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水在巖土中的存在形式：含水層(aquifer)：

能夠給出并透過(guò)相當(dāng)水量的巖土層。隔水層(aquiclude)：

不透水但可含水的巖土層。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(lái)源。巖土的水理性質(zhì)1.含水性容水度:巖土空隙完全被水充滿時(shí)的含水量.持水度:巖土在重力作用下釋水時(shí)仍能保持的含水量.2.給水性:巖土在重力作用下能自由排出的含水量.給水度=容水度－持水度3.透水性:巖土可透過(guò)水的性能.用滲透系數(shù)表示.在水位差作用下，水透過(guò)土體孔隙的現(xiàn)象稱為滲透土壩蓄水后水透過(guò)壩身流向下游地下水的運(yùn)動(dòng)形式:

地下水在土中孔隙或微小裂隙中以不大的速度連續(xù)滲透時(shí)屬層流運(yùn)動(dòng)；而在巖石的裂隙或空洞中流動(dòng)時(shí)，速度較大，會(huì)有紊流發(fā)生，其流線有互相交錯(cuò)的現(xiàn)象。

層流：水質(zhì)點(diǎn)有秩序地呈相互平行而互不干擾的運(yùn)動(dòng)。

紊流：水質(zhì)點(diǎn)相互干擾而呈無(wú)秩序的運(yùn)動(dòng)。4.達(dá)西定律1856年法國(guó)學(xué)者Darcy對(duì)砂土的滲透性進(jìn)行研究水在土中的滲透速度與試樣的水力梯度成正比v=ki達(dá)西定律水力梯度，即沿滲流方向單位距離的水頭損失

水在土中的滲透速度和試樣兩端水面間的水位差成正比，而與滲透長(zhǎng)度成反比q－滲流量（m3/d或cm3/s）；A－試樣截面積（cm2或者m2）

k－滲透系數(shù)（m/d或cm/s），表征巖土透水性能力大小的指標(biāo)。v－滲透流速（m/d或cm/s），它不是地下水的實(shí)際流速，而是在一單位時(shí)間（s）內(nèi)流過(guò)一單位土截面（cm2）的水量（cm3）。i－水力梯度，沿滲流方向單位距離的水頭損失h－試樣兩端的水位差，即水頭損失L－滲透長(zhǎng)度Darcy定律適合于層流（砂土）。砂土的水力梯度與滲透速度呈線性關(guān)系，符合達(dá)西滲透定律。對(duì)于密實(shí)的粘土，由于吸著水具有較大的粘滯阻力，因此，只有當(dāng)水力梯度達(dá)到某一數(shù)值后，克服了吸著水的粘滯阻力以后，才能發(fā)生滲透。我們將這一開(kāi)始發(fā)生滲透時(shí)的水力梯度稱為粘性土的起始水力梯度ib粘性土不但存在起始水力梯度，而且當(dāng)水力梯度超過(guò)起始水力梯度后，滲透速度與水力梯度的規(guī)律還偏離達(dá)西滲透定律而呈非線性關(guān)系。為方便，用虛直線來(lái)描述密實(shí)粘土的滲透速度與水力梯度的關(guān)系，用以下公式表示。在粗粒土中（礫、卵石等），只有在小的水力梯度下，滲透速度與水力梯度才呈非線性關(guān)系，而在較大的水力梯度下，水在土中流動(dòng)進(jìn)入紊流狀態(tài)，滲透速度與水力梯度呈非線性關(guān)系，此時(shí)達(dá)西定律同樣不能適用注意按照達(dá)西定律求出的滲透速度是一種假想的平均流速，它假定水在土中的滲透是通過(guò)土體截面來(lái)進(jìn)行的。實(shí)際上，水在土體中的實(shí)際流速要比用達(dá)西定律求出的流速要大得多。對(duì)于比粗砂更細(xì)的土來(lái)說(shuō)，達(dá)西滲透定律一般是適用的，而對(duì)于粗粒土來(lái)講，只有在水力梯度很小的情況下才能適用。達(dá)西定律適用于層流，不適用于紊流?！?.2

地下水類型及其主要特征地下水類型包氣帶水一、地下水埋藏類型1.包氣帶水位于地面以下潛水位以上的包氣帶中含有的地下水。包括：氣態(tài)水、結(jié)合水、毛細(xì)水、重力水

上層滯水：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。2.潛水(phreaticwater)埋藏在地面以下第一個(gè)穩(wěn)定隔水層之上具自由水面的重力水。特征：與大氣相通，具自由水面，補(bǔ)給區(qū)與分布區(qū)一致，動(dòng)態(tài)受氣候影響較大。潛水面形狀受地形影響。1－砂層2－隔水層3－含水層4－潛水面5－基準(zhǔn)面

潛水等水位線圖虛線－潛水等水位線實(shí)線－地形等高線可解決如下問(wèn)題：1確定潛水流向2確定潛水的水力坡度3確定潛水的埋藏深度4確定泉或沼澤的位置5確定潛水與地表水的關(guān)系

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3.承壓水(pressurewater)充滿于兩個(gè)隔水層之間的含水層中承受水壓力的重力水。A－補(bǔ)給區(qū)B－承壓區(qū)C－排泄區(qū)承壓含水層局部H1－初見(jiàn)水位H2－承壓水位H－承壓水頭h－承壓水位埋深

特征：不具自由水面，并承受一定的水頭壓力。分布區(qū)和補(bǔ)給區(qū)不一致。動(dòng)態(tài)變化較穩(wěn)定。不易受地面污染。承壓水等水壓線圖承壓水等水壓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(jiàn)水位）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：

103－91＝12m

承壓水頭為91－83＝8m

含水層埋深為：103－83＝20m二、不同含水層空隙中的地下水1.孔隙水沖積物中的孔隙水

上游河床中砂礫石，是良好的含水層。

中游河漫灘沉積有上細(xì)（粉細(xì)砂、粘性土）下粗（砂礫）的二元結(jié)構(gòu)，上層構(gòu)成隔水層，下層為承壓含水層。

下游濱海平原上部為潛水，埋藏淺不利于工程建設(shè)，下部多層承壓含水層。

洪積物中的孔隙水潛水深埋帶潛水溢出帶潛水下沉帶2.裂隙水按成因：風(fēng)化裂隙水成巖裂隙水構(gòu)造裂隙水按分布產(chǎn)狀：層狀裂隙水脈狀裂隙水3.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。泉：地下水在地表的天然露頭。按水頭性質(zhì)分：上升泉下降泉按出露原因分：侵蝕泉接觸泉溢出泉斷層泉§5.3

地下水的性質(zhì)1.地下水的物理性質(zhì)溫度temperature顏色color透明度transparent嗅味smell味道taste導(dǎo)電性conductivity2.地下水的化學(xué)成分氣體成分O2H2SCO2離子成分Cl-SO4-2HCO3-Na+K+Ca+2Mg+2

化學(xué)性質(zhì)PH值礦化度硬度膠體成分與有機(jī)質(zhì)SiO2Fe(OH)3Al(OH)3§5.4

地下水對(duì)建筑工程的影響地下水位下降引起地基沉降上覆地層應(yīng)力是由土粒骨架和水共同承擔(dān)的，土粒骨架承擔(dān)的那部分應(yīng)力稱為有效應(yīng)力，水承擔(dān)的那部分稱為孔隙水壓力。當(dāng)抽取一部分地下水，造面地下水位下降，孔隙水壓力減小，而有效應(yīng)力增加，導(dǎo)致地基發(fā)生固結(jié)壓縮而產(chǎn)生沉降?？刂品椒ǎ汉侠黹_(kāi)采地下水，多年平均開(kāi)采量不能超過(guò)平均補(bǔ)給量。對(duì)于已發(fā)生嚴(yán)重地面沉降的地區(qū)，對(duì)含水層進(jìn)行回灌可使地面沉降適當(dāng)恢復(fù)，但不可能大量恢復(fù)。動(dòng)水壓力產(chǎn)生流砂和潛蝕1.動(dòng)水壓力——地下水在滲流時(shí)作用于單位體積土骨架上的力2h1h21沿水流方向放置兩個(gè)測(cè)壓管，測(cè)壓管水面高差h土粒對(duì)水流的阻力應(yīng)為土樣面積根據(jù)牛頓第三定律，試樣的總動(dòng)水力J和土粒對(duì)水流的阻力F大小相等，方向相反水流流經(jīng)這段土體，受到土顆粒的阻力，阻力引起的水頭損失為hL滲流作用于單位土體的動(dòng)水壓力為說(shuō)明：動(dòng)水壓力j是滲流對(duì)單位土體的作用力，是一種體積力，其大小與水力坡度成正比，作用方向與滲流方向一致，單位為kN/m3

動(dòng)水壓力的存在，使土體內(nèi)部受力發(fā)生變化，這種變化對(duì)土體穩(wěn)定性有顯著的影響abc動(dòng)水壓力方向與重力一致，促使土體壓密、強(qiáng)度提高，有利于土體穩(wěn)定滲流方向近乎水平，使土粒產(chǎn)生向下游移動(dòng)的趨勢(shì)，對(duì)穩(wěn)定不利動(dòng)水壓力與重力方向相反，當(dāng)動(dòng)水壓力大于土體的有效重度，土粒將被水流沖出2.臨界水力坡度———使土體開(kāi)始發(fā)生滲透變形的水力坡度

JG當(dāng)土顆粒的重力與動(dòng)水力相等時(shí)，土顆粒不受任何力作用，好像處于懸浮狀態(tài)，這時(shí)的水力坡度即為臨界水力坡度或

在工程計(jì)算中，將土的臨界水力坡度除以某一安全系數(shù)Fs(2～3)，作為允許水力坡度[i]。設(shè)計(jì)時(shí)，為保證建筑物的安全，將滲流逸出處的水力坡度控制在允許坡度[i]內(nèi)流砂——當(dāng)自下而上的動(dòng)水壓力等于土的有效重度時(shí)，土顆粒之間的壓力為零。此時(shí)土顆粒處于懸浮狀態(tài)而失穩(wěn)，該現(xiàn)象稱為流砂現(xiàn)象。潛蝕——地下水流在一定的水力坡度下產(chǎn)生比較大的動(dòng)水壓力，沖刷、挾走巖土中細(xì)小顆粒或溶蝕巖土體，使其內(nèi)孔隙逐漸增大，形成洞穴，導(dǎo)致巖土結(jié)構(gòu)松散或破壞的現(xiàn)象。機(jī)械潛蝕——靠水力搬運(yùn)方式?jīng)_刷、挾走巖土中細(xì)小顆粒。產(chǎn)生機(jī)械潛蝕的條件包括巖土體有適宜的顆粒組成和地下水有足夠的動(dòng)水壓力條件兩個(gè)方面。顆粒細(xì)小，均勻的松散狀粉細(xì)砂，易遭受機(jī)械潛蝕?；瘜W(xué)潛蝕——地下水溶解或與巖土體發(fā)生化學(xué)作用，從而導(dǎo)致巖土體不斷被破壞。化學(xué)潛蝕作用的強(qiáng)弱取決于巖土體的可溶性、地下水的化學(xué)成分和地下水的流動(dòng)性等因素。地下水的浮托作用

地下水不僅對(duì)水位以下的土體產(chǎn)生靜水壓力和浮托力，并對(duì)建筑物基礎(chǔ)產(chǎn)生浮托力承壓水對(duì)基坑的作用

當(dāng)基坑下部有承壓水層時(shí)，開(kāi)挖基坑減小了底板隔水層的厚度，當(dāng)隔水層較薄經(jīng)受不住承壓水頭壓力，承壓水頭壓力就會(huì)沖毀基坑底板，這種現(xiàn)象稱為基坑突涌地下水對(duì)鋼筋混凝土的腐蝕溶出侵蝕：混凝土中Ca(OH)2成分被水溶解。碳酸侵蝕：含侵蝕性co2的水溶解混凝土中的鈣質(zhì)而使混凝土崩解。硫酸鹽侵蝕：水中SO4-2與混凝土作用生成新的化合物，由于體積膨脹而脹裂。酸性侵蝕：PH值低的酸性水對(duì)混凝土具腐蝕性。鎂鹽侵蝕：水中鎂鹽與混凝土作用后生成化合物溶解于水。防滲處理措施1.水工建筑物滲流處理措施

水工建筑物的防滲工程措施一般以“上堵下疏”為原則，上游截滲、延長(zhǎng)滲徑，下游通暢滲透水流，減小滲透壓力，防止?jié)B透變形①垂直截滲主要目的:延長(zhǎng)滲徑，降低上、下游的水力坡度，若垂直截滲能完全截?cái)嗤杆畬樱罎B效果更好。垂直截滲墻、帷幕灌漿、板樁等均屬于垂直截滲②設(shè)置水平鋪蓋上游設(shè)置水平鋪蓋，與壩體防滲體連接，延長(zhǎng)了水流滲透路徑粘土鋪蓋③設(shè)置反濾層砂墊層水位加筋土工布回填中粗砂拋石棱體設(shè)置反濾層，既可通暢水流，又起到保護(hù)土體、防止細(xì)粒流失而產(chǎn)生滲透變形的作用。反濾層可由粒徑不等的無(wú)粘性土組成，也可由土工布代替，上圖為某河堤基礎(chǔ)加筋土工布反濾層④排水減壓

粘性土含水層減壓井為減小下游滲透壓力，在水工建筑物下游、基坑開(kāi)挖時(shí)，設(shè)置減壓井或深挖排水槽2.基坑開(kāi)挖防滲措施①工程降水

采用明溝排水和井點(diǎn)降水的方法人工降低地下水位原地下水位明溝排水原水位面一級(jí)抽水后水位二級(jí)抽水后水位多級(jí)井點(diǎn)降水在基坑內(nèi)（外）設(shè)置排水溝、集水井，用抽水設(shè)備將地下水從排水溝或集水井排出