第十九章第六節(jié)知識資料地下水（二）

朽木易折，金石可鏤。千里之行，始于足下。第頁/共頁四、地下水對工程的影響地下水對建造工程的不良影響主要有：①地下水位降低時(shí)，使軟土地基產(chǎn)生固結(jié)沉降；②不合理的地下水流動(dòng)會誘發(fā)某些土層浮上流砂現(xiàn)象和機(jī)械潛蝕；③地下水對位于水位以下的巖石、土層和建造物基礎(chǔ)產(chǎn)生浮托作用；④某些地下水對鋼筋混凝土基礎(chǔ)產(chǎn)生腐蝕。（一）地下水下降引起軟土地基沉降在沿海軟土地層中舉行深基礎(chǔ)施工時(shí)，往往需要人工降低地下水位。若降水措施不當(dāng)，會使周圍地基土層產(chǎn)生固結(jié)沉降，輕者造成鄰近建造物或地下管線的不勻稱沉降；重者使建造物基礎(chǔ)下的土體顆粒流失，甚至掏空，地面塌陷，導(dǎo)致建造物開裂、陷落，危及安全使用。（二）動(dòng)水壓力產(chǎn)生流沙和潛蝕流砂是指松散細(xì)顆粒土被地下水飽和后，在動(dòng)水壓力作用下的懸浮流動(dòng)現(xiàn)象。流砂可使基礎(chǔ)發(fā)生滑移、不勻稱下沉、基坑坍塌、基礎(chǔ)懸浮等破壞，_般是驟然發(fā)生的，對巖土工程危害很大。倘若地下水滲流產(chǎn)生的動(dòng)水壓力小于土顆粒的有效重度γ′，即滲流水力坡度小于臨界水力坡度，固然不會發(fā)生流砂現(xiàn)象，但是土中細(xì)小顆粒仍有可能穿過粗顆粒之間的孔隙被滲流帶走。時(shí)光長了，在土層中將形成管狀空洞，使土體結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度降低，壓縮性增強(qiáng)。這種現(xiàn)象稱為機(jī)械潛蝕，將影響建造工程的穩(wěn)定。（三）地下水的浮托作用當(dāng)建造物基礎(chǔ)底面位于地下水位以下時(shí)，地下水對基礎(chǔ)底面產(chǎn)生靜水壓力，即產(chǎn)生浮托力。倘若基礎(chǔ)位于粉土、砂土、碎石土和節(jié)理裂隙發(fā)育的巖石地基上，則按地下水位100%計(jì)算浮托力；倘若基礎(chǔ)位于節(jié)理裂隙不發(fā)育的巖石地基上，則按地下水位%計(jì)算浮托力；倘若基礎(chǔ)位于黏性土地基上，其浮托力較難確切地決定，應(yīng)結(jié)合地區(qū)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)考慮。（四）承壓水對基坑的作用當(dāng)深基坑下部有承壓含水層時(shí)，必須分析承壓水頭是否會沖毀基坑底部的不透水層，形成基坑突涌，通常用壓力平衡概念舉行驗(yàn)算，如圖19-40所示。檢算公式為γwH=γM(19-9)式中：M--基坑開挖后不透水層厚度(m)；H--承壓水頭高于含水層頂板的厚度(m)；γ--土的重度(kN/m3)；γw——水的重度(kN/m3)。當(dāng)M<γwH/γ時(shí)，基坑可能發(fā)生突涌。因此需要保證土層有須要的厚度，應(yīng)滿意M>HKγw/γ，防止基坑突涌。K為安全系數(shù)。圖19-40b)為抽水降低承壓水頭情況。此外，還需考慮地下水對鋼筋混凝土的腐蝕。五、地下水向集水構(gòu)筑物運(yùn)動(dòng)的計(jì)算井是垂向取水構(gòu)筑物，按揭露地下水的類型分為潛水井和承壓水井。按揭露含水層的完整程度和進(jìn)水條件可分為殘破井與非殘破井。還可組合成潛水殘破井、承壓水殘破井及潛水非殘破井、承壓水非殘破井四種形式，如圖19-41～圖19-44所示?，F(xiàn)僅以地下水向殘破井的穩(wěn)定流動(dòng)為例作一推薦。(1)潛水井的涌水量計(jì)算法國水利學(xué)家裘布依，首先應(yīng)用達(dá)西定律研究了含水層在均質(zhì)、等厚、廣泛分布、隔水底板水平、地下水處于穩(wěn)定流的條件下，呈層流運(yùn)動(dòng)地緩慢流向殘破井的運(yùn)動(dòng)邏輯，并通過實(shí)驗(yàn)取得了潛水井的涌水量計(jì)算公式為(19-10)式中：Q一一井涌水量(m3/d)；H一一潛水層厚度(m)；hw一一動(dòng)水位至隔水底板的距離(m)；rw一一井半徑(m)；R一一影響半徑(m)；k——滲透系數(shù)(m/d)。R值可按照抽水實(shí)驗(yàn)或查表求得，也可按照實(shí)驗(yàn)公式R=2Sw（Hk）1/2算出。(2)承壓水井的涌水量計(jì)算(19-11)式中：M--承壓含水層厚度(m)；Sw--井內(nèi)水位降深。R值可按照抽水實(shí)驗(yàn)或查表求得，也可按經(jīng)驗(yàn)公式R=lOSwKl/2算出，其他符號同前。承壓水井抽水時(shí)產(chǎn)生的降臨漏斗不在含水層中，而是在隔水頂板范圍內(nèi)，如圖19-42所示。六、地下水的化學(xué)成分和化學(xué)性質(zhì)（一）地下水的化學(xué)成分地下水是化學(xué)成分十分復(fù)雜的天然溶液。組成地殼的87種穩(wěn)定元素中，在地下水中已發(fā)現(xiàn)70余種。地下水中主要的氣體成分有02、N2、C02和H2S，主要的離子成分有K+、Na+、Ca2+、Mg2+、Cl-、SO42-、HC03-。此外，地下水中還有NH4+、Fe2+、Fe3+、Al3+、N02-、N03-等，以及眾多的微量元素。（二）地下水的化學(xué)性質(zhì)1．酸堿度（pH值）地下水的酸堿度常以pH值表示。pH值是水的氫離子濃度以10為底的負(fù)對數(shù)值，即pH=-lg(H+)。當(dāng)[H+]為10-7時(shí)，pH=7，說明水為中性；pH<7，為酸性；pH>7，為堿性。地下水多呈弱酸性、中性和弱堿性，pH值普通在6.5～8.5之間。據(jù)pH值，地下水可分為五類（見表19-12）。地下水按pH值分類表19-12分類強(qiáng)酸性水弱酸性水中性水弱堿性水強(qiáng)堿性水pH值<5.05．O～6.46.5～8.08.1～10.0>10.02．礦化度(M)存在于地下水中的離子、分子與化合物的總含量稱礦化度，以g/L或mg/L為單位。礦化度通常以在105～110℃下將水蒸千后所得的干涸殘余物之分量表示，也可利用陰陽離子和其他化合物含量之總和概略表示礦化度，但其中重碳酸根離子含量只取一半計(jì)算。據(jù)國家《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》，要求礦化度小于lg/L。據(jù)礦化度把地下水分為五類（見表19-13）。地下水按礦化度分類表19-13分類淡水微咸水咸水鹽水鹵水礦化度(g/L)<11～33～1010～50>50【例19-31】每升地下水中以下成分的總量，稱為地下水的總礦化度：A.各種離子、分子與化合物B．所有離子C．所有陽離子D．Ca+、Mg+離子解地下水中各種離子、分子與化合物的總量稱礦化度，以g/L或mg/L為單位。答案：A3．硬度地下水的硬度是指水中所含鈣、鎂離子的數(shù)量。硬度可分為總硬度、暫時(shí)硬度和永久硬度。總硬度是水中Ca2+、Mg2+的總量，暫時(shí)硬度指水加熱沸騰后所損失的Ca2+、Mg2+含量。此時(shí)仍保持在水中的Ca2+、Mg2+含量稱永遠(yuǎn)硬度。因此，總硬度等于暫時(shí)硬度與永遠(yuǎn)硬度之和。硬度表示的主意常見的有兩種，即mmol/L和德國度。1mmol/L等于2.8德國度，1德國度相當(dāng)于7.1mg/LCa2+或4.3mg/LMg2+。生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定水的硬度以CaCO3的mg/L表示，要求小于450mg/L。按照總硬度將地下水分為五類(見表19-14)。地下水按總硬度分類表19-14分類極軟水軟水微硬水硬水極硬水mmol/L<1.51.5～3．03．O～6.06．O～9．O>9．O總硬度德國度<4.24.2～8.48.4～16.81618～25.2>25.2七、地下水對建造材料腐蝕性判別（一）腐蝕類型硅酸鹽水泥遇水硬化，并且形成Ca(OH)2、水化硅酸鈣CaOSiO2·l2H20、水化鋁酸鈣CaOAl203·6H20等，這些物質(zhì)往往會受到地下水的腐蝕。按照各種化學(xué)腐蝕所引起的破壞作用，將腐蝕類型分為以下三種。1．結(jié)晶類腐蝕倘若地下水中的離子的含量超過規(guī)定值，離子將與混凝土中的Ca(OH)2起反應(yīng)，生成二水石膏結(jié)晶體CaSO4·2H2O，它再與水化鋁酸鈣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成水化硫鋁酸鈣（又稱水泥桿菌）。因?yàn)樗鄺U菌結(jié)合了許多結(jié)晶水，而其體積比化合前增大無數(shù)，約為原體積的221.86%，這樣在混凝土中產(chǎn)生很大的內(nèi)應(yīng)力，而使其結(jié)構(gòu)遭到破壞。2．分解類腐蝕地下水中含有C02和HCO3-，CO2與混凝土中的Ca(OH)2作用，生成碳酸鈣沉淀因?yàn)镃aCO3不溶于水，它可填充混凝土的孔隙，在混凝土周圍形成一層保護(hù)膜，能防止Ca(OH)2的分解，但是當(dāng)?shù)叵滤械腃O2的含量超過一定數(shù)值，而HC03-離子的含量過低時(shí)，則超量的C02再與CaCO3反應(yīng)，生成重碳酸鈣Ca(HCO3)，并溶于水，即上述這種反應(yīng)是可逆的，當(dāng)C02含量增強(qiáng)時(shí)，平衡被破壞，反應(yīng)向右舉行，固體CaCO3繼續(xù)分解；當(dāng)C02含量變少時(shí)，反應(yīng)向左移動(dòng)，固體CaCO3即沉淀析出。倘若CO2和HC03-的濃度平衡時(shí)，反應(yīng)就停止。所以，當(dāng)?shù)叵滤蠧O2的含量超過平衡時(shí)所需的數(shù)量時(shí)，混凝土中的CaCO3就被溶解而受腐蝕，這就是分解類腐蝕。超過平衡濃度的CO2叫侵蝕性C02。地下水中侵蝕性的C02越多，對混凝土的腐蝕越強(qiáng)。地下水流量、流速都很大時(shí)，CO2易補(bǔ)充，平衡難建立，因而腐蝕加快。另一方面，HCO3-離子含量越高，對混凝土腐蝕性越弱。倘若地下水的酸度過大，即pH值小于某一數(shù)值，那么混凝土中的、Ca(OH)2也會分解，異常是當(dāng)反應(yīng)生成物為易溶于水的氯化物時(shí)，對混凝土的分解腐蝕更強(qiáng)烈。3．結(jié)晶分解復(fù)合類腐蝕當(dāng)?shù)叵滤蠱g2+、NH4+Cl-、SO42-、NO3-離子含量超過一定含量時(shí)，與混凝土中的Ca(OH)2發(fā)生一系列反應(yīng)，例如Ca(OH)2與鎂鹽作用的生成物中，除Mg(OH)2不易溶解外，CaCl2則易溶解于水，并隨之流失；硬石膏CaSO4一方面與混凝土中的水化鋁酸鈣反應(yīng)另一方面硬石膏遇水生成二水石膏二水石膏結(jié)晶時(shí)，體積膨脹，破壞混凝土結(jié)構(gòu)。(二)腐蝕性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)按照各種化學(xué)腐蝕所引起的破壞作用，將S042-離子的含量歸納為結(jié)晶類腐蝕性的評價(jià)指標(biāo)；將侵蝕性C02、HC03-離子和pH值歸納為分解類腐蝕性的評價(jià)指標(biāo)；而將Mg2+、NH4+、Cl-、S042-、NO3-離子的含量作為結(jié)晶分解類腐蝕性的評價(jià)指標(biāo)。同時(shí)，在評價(jià)地下水對建造結(jié)構(gòu)材料的腐蝕性時(shí)，必須結(jié)合建造場地所屬的環(huán)境類別。建造場地按照氣候區(qū)、土層透水性、干濕交替和凍融交替情況區(qū)別為三類環(huán)境，見表19-l5?；炷粮g的場地環(huán)境類別表19-15環(huán)境類別氣候區(qū)土層特性干濕交替冰凍區(qū)（段）I高寒區(qū)干旱區(qū)半干旱區(qū)直接臨水，強(qiáng)透水土層中之地百水，或濕潤的強(qiáng)透水土層有混凝土不論在地面或地下，無干濕交替作用時(shí)，其腐蝕強(qiáng)度比有干濕交替作混凝土不論在地面或II高寒區(qū)干旱區(qū)半干旱區(qū)弱透水土層中的地下水，或濕潤的強(qiáng)透水土層有用時(shí)相對降低地面下，當(dāng)受潮或浸水時(shí)；并處于嚴(yán)重冰凍區(qū)（段）、冰凍區(qū)（段）、或微濕潤區(qū)半濕潤區(qū)直接臨水，強(qiáng)透水土層中的地下水，或濕潤的強(qiáng)透水土層有冰凍區(qū)（段）III各氣候區(qū)弱透水土層無不凍區(qū)（段）備注當(dāng)豎井、隧洞、水壩等工程的混凝土結(jié)構(gòu)一面與水（地下水或地表水）接觸，另一面又裸露在大氣中時(shí)，其場地環(huán)境分類應(yīng)劃分為I類【例19-32】存在于濕交替作用時(shí)，侵蝕性地下水對混凝土的腐蝕強(qiáng)度比無干濕交替作用時(shí)：A.相對較低B．相對較高C．不變D．不一定解有干濕交替作用時(shí)，侵蝕性地下水對混凝土的腐蝕強(qiáng)度比無干濕交替作用時(shí)相對較高，反之則相對較低。答案：B按照各種化學(xué)腐蝕所引起的破壞作用，將評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)分為以下三類，見表19-16～表19-18。結(jié)晶類腐蝕評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表19-16S042-在水中含量(mg/L)腐蝕等級I類環(huán)境II類壞境III類環(huán)境無腐蝕性<250<500<1500弱腐蝕性250～500500～15001500～3000中腐蝕性500～15001500～30003000～6000強(qiáng)腐蝕性>1500>3000>6000分解類腐蝕評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)表19-17pH值侵蝕性C02(mg/L)HC03-(mm0l/L)腐蝕等級ABABA無腐蝕性>6.5>5．O<15<30>1．O弱腐蝕性6.5～5.05.0～4.015～3030～601．O～0.5中腐蝕性5.0～4.04.0～3.530～6060～100<0.5強(qiáng)腐蝕性<4．O<3.5>60>10010A-直接臨水、或強(qiáng)透水土層中的地下水、或濕潤的強(qiáng)透水土層B-弱透水層的地下水或濕潤的弱透水土層結(jié)晶分解復(fù)合類腐蝕評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(單位：mg/L)表19-18I類環(huán)境II類環(huán)境III類環(huán)境腐蝕等級Mg2+、NH4+Cl-、S042-、N03-Mg2+、NH4+Cl-、S042-、N03-