第十九章第六節(jié)知識資料地下水（一）

朽木易折，金石可鏤。千里之行，始于足下。第頁/共頁第六節(jié)地下水地下水是埋藏在地表以下巖、土體空隙中各種狀態(tài)的水，它是地球上水體的重要組成部分。地下水與大氣降水、地表水之間的不斷互相轉(zhuǎn)化，構(gòu)整天然界的水循環(huán)。地下水是重要的天然資源，也是地質(zhì)環(huán)境組成部分之一。地下水對工程建造物會產(chǎn)生許多危害，例如，降低地基土的承載力，引起地面塌陷、巖溶、滑坡等不良地質(zhì)病害。因此對地下水的研究異常重要。一、滲透定律地下水在巖土空隙中的流動稱為滲流（滲透）。因為地下水在巖土的空隙中的運動極其復雜，在工程實踐中需要對地下水流加以簡化，用假想的模型代替真切的水流，即不考慮滲流途徑的迂回蜿蜒，只考慮主流流向；不考慮巖層的顆粒骨架，假想水流彌漫空隙和顆粒骨架占有的所有空間。為了使這種假想的水流能準確反映真切水流情況，必須符合：對同一過水斷面，假想水流的流量等于通過該斷面的真切水流的流量；作用于隨意面積上的假想水流的壓力等于真切水流的壓力；假想水流在隨意體積內(nèi)所受的阻力和真切水流所受的阻力相同。地下水在巖土空隙中滲流時，水的質(zhì)點作有序、互不混雜的流動，稱層流運動。水的質(zhì)點作無序、互相混雜的流動，稱紊流運動。水在滲流場內(nèi)運動，各個運動要素（水位、流速、流向等）不隨時光改變時稱為穩(wěn)定流，運動要素隨時光改變時稱為非穩(wěn)定流。（一）線性滲透定律（達西定律）1856年，法國水利學家達西通過大量的實驗，取得線性滲透定律。實驗是在裝有砂的圓筒中舉行的（見圖19-34）。水由筒的上端參加，流經(jīng)砂柱，由下端流出。上游用溢水設備控制水位，使實驗過程中的水頭一直保持不變。在圓筒的上下端各設一根側(cè)壓管，分離測定上下兩個過水斷面的水頭，下端出口處設管嘴以測定流量。按照實驗結(jié)果得到下列關(guān)系式Q=kWI(19-5)式中及圖中：Q一一滲流量（出口處流量，即單位時光內(nèi)通過砂柱各過水斷面的滲流量）(m3/d或cm3/s)；W一一過水斷面面積（相當于砂柱橫斷面面積）（m2或cm2）；h一一水頭損失(h=H1-H2，即上下游過水斷面的水頭差)(m或cm)；L一一滲流距離（上下游過水斷面的距離）(m或cm)；k——滲透系數(shù)(m/d或cm/s)；I——水力坡度（相當于h/L，即水頭差除以滲流距離），表示水頭的變化特征。由水力學知，通過某一斷面的流量Q等于流速v與過水斷面面積W的乘積，即Q=Wv(19-6)式中：v——滲流速度(m/d)。據(jù)此，達西定律可表示如下v=k·I(19-7)式(19-7)表明，滲流速度與水力坡度的一次方成正比，故達西定律又稱為線性滲透定律。在天然條件下，地下水的實際流速很小，絕大多數(shù)情況下，地下水運動符合線性滲透定律，因此達西定律的適用范圍很廣。它不僅是水文地質(zhì)定量計算的基礎(chǔ)，還是定性分析各種水文地質(zhì)過程的重要根據(jù)，。但在巖石的洞穴及大裂隙中的地下水運動多屬于非層流運動。（二）非線性滲透定律（哲才定律）當?shù)叵滤趯挻蟮目障吨幸韵喈斂斓乃俣冗\動時，展示紊流運動。此時，滲透順從哲才定律(19-8)式中：k--紊流時的含水層滲透系數(shù)。式(19-8)表明滲透速度與水力坡度的1/2次方成正比。二、地下水的賦存、補給、徑流、排泄邏輯(一)地下水的賦存1．地下水的賦存形式水在地表以下巖土空隙中以各種不同的形式存在著。按其物理力學性質(zhì)的不同，可分為氣態(tài)水、吸著水、薄膜水、毛細管水、重力水、固態(tài)水等。(1)氣態(tài)水。它和空氣一起充填在非飽和的巖土孔隙中。它可由濕度相對大的地方向濕度相對小的地方移動。巖土溫度降低到露點時，氣態(tài)水便凝結(jié)成液態(tài)水。(2)吸著水。被分子力吸附在巖土顆粒周圍形成極薄的水膜稱為吸著水。其吸附力可超過一萬個大氣壓力，故又稱為強結(jié)合水。該水的密度比普通水大一倍左右，可以抗剪切，但不傳遞靜水壓力，-78℃時仍不結(jié)冰。在外界土壓力作用下，吸著水不能移動，但當超過105℃時，才干將吸著水排除。黏性土僅含吸著水時展示為固體狀態(tài)。砂土也可含有極微量的吸著水。(3)薄膜水。受分子力的作用包圍在吸著水外面的一薄層水稱為薄膜水，也稱為弱結(jié)合水。其厚度大于吸著水的厚度。薄膜水在外界土壓力下可以變形，可以由膜相對厚處向薄處移動，其抗剪強度較小，因蒸發(fā)薄膜水可由土中逸出地表。黏性土和黏土質(zhì)巖石的一系列物理力學性質(zhì)都與薄膜水有關(guān)。(4)毛細管水（非結(jié)合水）。因為毛細管力支持充填在巖土毛細孔隙和毛細裂隙中的水稱為毛細管水。它同時受毛細管力和重力的作用，當毛細管力大于水的重力時，毛細管水就升高。因此，地下水面以上普遍形成一層毛細管水帶。毛細管水能垂直上下運動，能傳遞靜水壓力。(5)重力水。在重力作用下，能在巖土孔隙中運動的水稱為重力水，即常稱的地下水。它不受分子力的影響，可以傳遞靜水壓力。重力水又稱為自由水。(6)固態(tài)水。指常壓下當巖土體溫度低于零度時，巖土孔隙中的液態(tài)水（甚至氣態(tài)水）凝結(jié)成的冰（冰夾層、冰錐、冰晶體等），稱為固態(tài)水。固態(tài)水在土中起到膠結(jié)作用，形成凍土，提高了土的強度。但解凍后土的強度往往低于凍結(jié)前的強度。因為巖土孔隙中的液態(tài)水改變?yōu)楣虘B(tài)水時其體積膨脹，使土的孔隙增大，結(jié)構(gòu)變得松散，故解凍后的土壓縮性增大，其強度降低。2．巖土的水理性質(zhì)巖土的水理性質(zhì)是指與地下水的賦存和運移有關(guān)的巖土性質(zhì)。主要包括含水性、給水性和透水性。(1)表示含水性的主意是采用容水度和持水度。容水度是指巖土空隙徹低被水彌漫時的含水量，即巖土空隙中所能容納的最大的水的體積與巖土體積之比，以小數(shù)或百分數(shù)表示。持水度是指在重力作用下，巖土體空隙中所保持的水的體積與巖土體積之比。(2)給水性是指飽和巖土體在重力作用下，能自由排出一定水量的性能，用排水度（排出水的體積與巖土體積之比）表示。(3)透水性是指巖土體允許水透過的性能，用滲透系數(shù)表示。（二）地下水的補給、徑流、排泄邏輯1．地下水的補給地下水的補給是指含水層自外界獲得水量的作用過程。其補給來源主要有大氣降水、地表水、含水層之間補給及人工補給等。。(1)大氣降水補給。大氣降水補給是地下水的主要補給來源。但大氣降水補給地下水的數(shù)量與降水性質(zhì)、植物籠罩、地形、地質(zhì)構(gòu)造、包氣帶厚度及巖石的透水性等密切相關(guān)。普通來說，時光短的暴雨對補給地下水不利，而連綿細雨能大量補給地下水。(2)地表水的補給。當?shù)乇硭乃桓哂诘叵滤粫r，地表水補給地下水。(3)含水層之間補給。深部與淺層含水層之間的隔水層若受斷裂構(gòu)造的影響，使地下含水層發(fā)生水力聯(lián)系時，或隔水層為弱透水層時，地下水便會由水位高的含水層流向低水位的含水層。(4)人工補給。如灌溉水、工業(yè)及生活廢水排入地下，專門人工主意增強地下水量的補給等。2．地下水的徑流地下水由補給區(qū)流向排泄區(qū)的過程叫徑流。地下水的徑流包括徑流方向、徑流速度、徑流量。其中徑流方向和徑流速度取決于補給區(qū)與排泄區(qū)的相對位置與高差。含水層的補給條件越好、透水性越強，則徑流條件越好。普通山區(qū)地勢陡峻，地下水的水力坡度比平原大，所以地下水的徑流條件優(yōu)于平原。徑流條件好的含水層的水質(zhì)較好。地下水的埋藏條件決定地下水的徑流類型，潛水屬于無壓流動，承壓水屬于有壓流動。3．地下水的排泄地下水的排泄方式有蒸發(fā)、以泉的形式溢出或直接排入地表水、含水層之間排泄及人工排泄等。蒸發(fā)排泄與地下水的埋深、氣候條件、巖性有關(guān)。在干旱、半干旱地區(qū)地下水蒸發(fā)強烈，常是地下水排泄的主要形式。泉是地下水的天然露頭，又是地下水排泄的主要方式之一。按照補給含水層的性質(zhì)可將泉水分為升高泉和下降泉兩類。升高泉排泄承壓水，下降泉排泄?jié)撍?。當?shù)叵滤桓哂诤铀粫r，地下水可泄入河流。當兩個含水層之間發(fā)生水力聯(lián)系時，地下水可從一個含水層排泄到另一個含水層。抽取地下水作生活供水、基坑排水等為人工排泄地下水。三、地下水埋藏分類地下水按埋藏條件可分為包氣帶水、潛水和承壓水三種類型，按含水層的空隙性質(zhì)又可分為孔隙水、裂隙水、巖溶水，見表19-11。地下水分類表表19-11地下水亞類水頭的樸給區(qū)與分的基本類型孔隙水裂隙水巖溶水性質(zhì)布區(qū)的關(guān)系動態(tài)特征成因包氣帶水土壤水、局部隔水層上的上層滯水、多年凍土帶水、沼澤水基巖風化殼（黏土裂隙）中時節(jié)性存在的水垂直滲入帶中時節(jié)性及常常性存在的水無壓水補給區(qū)與分布區(qū)一致受時節(jié)變化影響，普通為暫時性水基本上是滲入形成，局部凝結(jié)形成續(xù)上表地下水亞類水頭的補給區(qū)與分的基本類型孔隙水裂隙水巖溶水性質(zhì)布區(qū)的關(guān)系動態(tài)特征成因潛水坡積、洪積、沖積、湖積、冰磧和冰水沉積物中的水，當常常出露或臨近地表時，成為沼澤水、沙漠和海濱沙丘水基巖上部裂隙、破碎帶中的水裸露巖融化巖層中的水常常為無壓水補給區(qū)與分布區(qū)一致受氣象因素變化影響顯然，普通水位升降決定地表水的滲入和蒸發(fā)是滲入形成承壓水松散沉積物構(gòu)成的向斜和盆地——自流盆地中的水、松散沉積物構(gòu)成的單斜和山前平原——自流斜地中的水構(gòu)造盆地、向斜、單斜巖層中層狀裂隙水、構(gòu)造斷裂帶及不規(guī)矩裂隙中的深部水構(gòu)造盆地或向斜、單斜巖融化巖層中的水承壓水補給區(qū)與分布區(qū)不一致受氣候影響不顯然、穩(wěn)定，水位的升降決定于水壓的傳遞滲入和構(gòu)造形成（一）包氣帶水包氣帶水處于地表面以下、潛水位以上的包氣帶巖土層中，主要靠大氣降水和地表水的補給，與大氣圈關(guān)系密切，易蒸發(fā)或逐漸下滲到潛水中舉行排泄。包氣帶水的主要特征是受氣候控制，時節(jié)性顯然，變化大，雨季水量多，旱季水量少，甚至干涸。包氣帶水對工程建造有一定影響。（二）潛水潛水是埋藏在地表以下第一個延續(xù)穩(wěn)定的隔水層以上，具有自由水面的重力水。如圖19-35所示。普通存在于第四系松散堆積物的孔隙中，形成孔隙水，也可以充填于基巖的裂隙和溶洞中，形成裂隙潛水和巖溶潛水。潛水的補給來源主要是大氣降水、地表水、深層地下水及凝結(jié)水。大氣降水和地表水可直接滲入補給，成為潛水的主要補給來源。在大多數(shù)情況下潛水的補給區(qū)和分布區(qū)是一致的，因而某些水文要素的變化能很快影響潛水的變化，潛水的水質(zhì)也易受到污染。潛水的自由水面稱潛水面。潛水面上的任一高程稱該點的潛水位。普通情況下，潛水面是一個傾斜面，在重力作用下，總是由水位高處向水位低處流動，形成潛水的徑流。其流速取決于潛水面的坡度和巖土空隙的大小。潛水面的形狀主要受地形控制，基本與地形一致，但比地形平緩。另外，潛水面的形狀也與含水層的透水性及隔水層底板的形狀有關(guān)。在潛水流動的方向上，含水層的透水性增強或含水層厚度增大的地方，潛水面就變得平緩。隔水層底板隆起處，潛水厚度減小。潛水面常以潛水等水位線圖來表示，如圖19-36所示。潛水等水位線圖是繪制在地形圖上的，表示潛水面上標高相等各點的連線圖。利用潛水等水位線圖可以決定潛水的流向、潛水的埋藏深度、潛水與地表水的關(guān)系、計算潛水的水力坡度、決定泉和沼澤的位置、判斷含水層的透水性好壞、含水層厚度變化，并可決定給水和排水工程的位置等。潛水流向——垂直于等水位線，由高等水位線指向低等水位線的方向。潛水的水力坡度——在流動方向上，取隨意兩點的水位高差，除以該兩點間在平面上的實際距離，即為此兩點間的平均水力坡度。潛水的埋藏深度——某一點的地形標高與該點潛水位之差。按照各點的埋藏深度值，可繪制潛水埋藏等深線圖(見圖19-36)。潛水的排泄有三種方式：以泉的形式出露地表、直接排入地表水和通過蒸發(fā)逸人大氣。此外，在一定條件下，還可通過透水通道或弱透水層向鄰近的承壓含水層排泄。潛水的補給、徑流和排泄的無限往復組成了潛水的循環(huán)。（三）泵壓水地表以下彌漫兩個穩(wěn)定隔水層之間具有承壓性質(zhì)的重力水稱為承壓水。其上的隔水層稱承壓頂板，下面的隔水層稱為承壓底板。因為隔水層頂板的存在，普通能顯然地分出補給區(qū)、承壓區(qū)和排泄區(qū)。補給區(qū)大多是含水層出露地表部分，位置比承壓區(qū)和排泄區(qū)高。承壓區(qū)是隔水層頂板以下被水彌漫的含水層部分，排泄區(qū)為承壓水流出地表或流向潛水的部分。當打穿頂板時，所見水位稱初見水位，若地下水位升高到含水層頂板以上某一高度穩(wěn)定不變時的水位稱承壓水位，若承壓水位高出地表，水便溢出或噴出，稱其為自流水。承壓水位與隔水頂板之間的距離稱為水頭。因為承壓水的補給區(qū)和排泄區(qū)不一致，故承壓水的水位、水質(zhì)、水量及水溫等受水文氣象因素的影響較小。基巖地區(qū)的承壓水的形成主要決定于地質(zhì)構(gòu)造條件，即在相宜的條件下，孔隙水、裂隙水和巖溶水均可形成承壓水。最相宜形成承壓水的構(gòu)造是向斜盆地（見圖19-37）和單斜構(gòu)造(見圖19-38)。向斜儲水構(gòu)造又稱承壓盆地，它有顯然的補給區(qū)、徑流區(qū)和排泄區(qū)。單斜儲水構(gòu)造又稱承壓斜地，其形成是含水層巖性發(fā)生相變或尖滅，或含水層被斷層所切。承壓水位面是一個勢面，承受一定的靜水壓力。這個面可以與地面極不吻合。承壓水面在平面圖上用承壓水等水壓線圖表示。該圖是承壓水面上高程相等各點的連線圖，如圖19-39所示。圖上應附有地形等高線和頂板等高線。從該圖上可判斷承壓水的流向、承壓水位埋藏深度、承壓水頭的大小等。承壓水的主要補給取決于埋藏條件。若承壓含水層的補給區(qū)出露在地表時，補給來源多為大氣降水的入滲；若補給區(qū)位于河床或湖沼地帶時，則主要補給來源是地表水體；倘若承壓水位低于潛水位時，潛水可以通過斷裂帶或弱透水層的“天窗”等通道補給承壓水。承壓水的徑流條件主要取決于補給區(qū)和排泄區(qū)的高差、兩者的距離及含水層的透水性，異常是構(gòu)造的開