地下水与地质课件

第第5章章地下水地下水水水的的循循环环大大气气水水、地地表表水水和和地地下下水水之之间不间断的运动和相互转化的过程。间不间断的运动和相互转化的过程。*1第5章地下水水的循环大气水、地表水和地下水之间水循环按其循环范围分为：水循环按其循环范围分为：大大循循环环指指整整个个地地球球范范围围内内，在在海海洋洋和和陆陆地地之之间的循环。间的循环。小循环小循环指地球局部范围内的循环。指地球局部范围内的循环。*2水循环按其循环范围分为：*2地下水的地质作用地下水的地质作用一、地下水概述一、地下水概述二、地下水的基本类型及主要特征二、地下水的基本类型及主要特征三、地下水的性质三、地下水的性质四、地下水对工程的影响四、地下水对工程的影响*3地下水的地质作用一、地下水概述*3一、地下水的基本知识一、地下水的基本知识（一）（一）水在岩土中的存在状态水在岩土中的存在状态 （二）（二）岩土的主要水理性质岩土的主要水理性质（三）（三）地下水的物理性质与化学性质地下水的物理性质与化学性质地地下下水水是是指指存存在在于于地地面面以以下下，松松散散堆堆积积物物和岩石空隙（孔隙、裂隙、岩隙）中的水。和岩石空隙（孔隙、裂隙、岩隙）中的水。*4一、地下水的基本知识（一）水在岩土中的存在状态地下水是（一）水在岩土中的存在状态（一）水在岩土中的存在状态气态水气态水吸着水（强结合水）吸着水（强结合水）薄膜水（弱结合水）薄膜水（弱结合水）毛细水毛细水重力水（自由水）重力水（自由水）固态水固态水*5（一）水在岩土中的存在状态气态水*5*6*6（二）岩土的主要水理性质（二）岩土的主要水理性质容水性容水性持水性持水性给水性给水性透水性透水性*7（二）岩土的主要水理性质容水性*7指岩土能容纳一定水量的性能。指岩土能容纳一定水量的性能。容水性容水性*8指岩土能容纳一定水量的性能。容水性*8持水性持水性依依靠靠分分子子引引力力或或毛毛细细力力，在在岩岩土土孔孔隙、裂隙中能保持一定数量水体的性能。隙、裂隙中能保持一定数量水体的性能。*9持水性依靠分子引力或毛细力，在岩土孔隙、裂隙中能保在在重重力力作作用用下下，饱饱水水岩岩土土能能够够流流出出一定水量的性能。一定水量的性能。给水性给水性*10在重力作用下，饱水岩土能够流出一定水量的性能。给水岩土允许水透过的性能称为透水性。岩土允许水透过的性能称为透水性。透水性透水性透水的透水的半透水的半透水的不透水的不透水的*11岩土允许水透过的性能称为透水性。透水性透水的*11二、地下水的基本类型及其主要二、地下水的基本类型及其主要特征特征（一）（一）地下水按埋藏条件分类地下水按埋藏条件分类（二）（二）地下水按含水层性质分类地下水按含水层性质分类*12二、地下水的基本类型及其主要特征（一）地下水按埋藏条件分类*（一）地下水按埋藏条件分类及其特征（一）地下水按埋藏条件分类及其特征潜水潜水包气带水包气带水承压水承压水*13（一）地下水按埋藏条件分类及其特征潜水包气带水承压水*13是指存在于地面以下包气带中的水。是指存在于地面以下包气带中的水。包气带水包气带水*14是指存在于地面以下包气带中的水。包气带水*14(1)(1)水量不大，但季节性变化强烈。水量不大，但季节性变化强烈。(2)(2)补给区和分布区是一致的。补给区和分布区是一致的。(3)(3)一般矿化度低，但水质最易受污染。一般矿化度低，但水质最易受污染。(4)(4)所所含含的的上上层层滞滞水水水水量量不不大大，但但其其常常常常是是引引起起土土质质边边坡坡滑滑坍坍，地地基基、路路基基沉沉陷陷、冻冻胀胀等病害的重要因素。等病害的重要因素。包气带水包气带水的主要特征：的主要特征：*15(1)水量不大，但季节性变化强烈。包气带水的主要特征：*1潜水潜水指指埋埋藏藏于于地地表表以以下下，第第一一个个稳稳定定隔隔水水层层之之上具有自由水面的饱水带中的重力水。上具有自由水面的饱水带中的重力水。*16潜水指埋藏于地表以下，第一个稳定隔水层之上具有自由水面的潜水面的特征潜水面的特征潜水面一般呈倾斜的潜水面一般呈倾斜的各种形态的曲面各种形态的曲面。潜潜水水面面的的起起伏伏经经常常与与地地形形一一致致，只只是是比比地地形形起起伏伏平平缓缓一一些些；潜潜水水面面与与地地表表面面的的形形态态具具有有相似性。相似性。当当含水层厚度变大时，潜水面坡度变缓含水层厚度变大时，潜水面坡度变缓；当岩层当岩层透水性变好，潜水面坡度变缓透水性变好，潜水面坡度变缓。*17潜水面的特征潜水面一般呈倾斜的各种形态的曲面。*17潜水面一般呈倾斜的潜水面一般呈倾斜的各种形态的曲面各种形态的曲面。*18潜水面一般呈倾斜的各种形态的曲面。*18潜潜水水面面的的起起伏伏经经常常与与地地形形一一致致，只只是是比比地地形形起起伏伏平平缓缓一一些些；潜潜水水面面与与地地表表面面的的形态具有相似性。形态具有相似性。地表地形的影响地表地形的影响*19潜水面的起伏经常与地形一致，只是比地形起伏平缓一些；潜当当含水层厚度变大时，潜水面坡度变缓含水层厚度变大时，潜水面坡度变缓；含水层厚度的影响含水层厚度的影响*20当含水层厚度变大时，潜水面坡度变缓；含水层厚度的影响*20当岩层当岩层透水性变好，潜水面坡度变缓透水性变好，潜水面坡度变缓。岩层透水性的影响岩层透水性的影响*21当岩层透水性变好，潜水面坡度变缓。岩层透水性的影响*21潜水等水位线图潜水等水位线图潜潜水水等等水水位位线线图图是是根根据据所所在在地地区区各各水水文文地地质质点点（井井、钻钻孔孔、试试坑坑和和泉泉等等），在在大大致致相相同同的的时时间间内内所所测测得得的的潜潜水面的水位标高编制而成的。水面的水位标高编制而成的。*22潜水等水位线图潜水等水位线图是根据所在地区各水文地质点（潜水等水位线图的用途潜水等水位线图的用途反映潜水与地表水的反映潜水与地表水的相互关系相互关系；确定潜水的确定潜水的埋藏深度埋藏深度；如有隔水层顶板标高，可以确定含水层如有隔水层顶板标高，可以确定含水层的的厚度厚度可以确定潜水的可以确定潜水的流向流向及潜水面的及潜水面的水力坡度水力坡度；*23潜水等水位线图的用途反映潜水与地表水的相互关系；可以确定*24*24潜水的补给潜水的补给含含水水层层中中地地下下水水从从外外部部（如如大大气气降降水水、地地表表水水等等）获获得得大大量量补补充充的的过过程程称称为为地地下下水水的补给的补给。*25潜水的补给含水层中地下水从外部（如大气降水、地表水等）获潜水的补给潜水的补给大气降水大气降水;地表水的补给；地表水的补给；含水层之间的补给含水层之间的补给；I.I.越流补给；越流补给；II.II.直接补给直接补给凝结水凝结水；人工补给人工补给*26潜水的补给大气降水;*26潜水的补给潜水的补给大气降水大气降水*27潜水的补给*27河流补给潜水潜水的补给潜水的补给地表水的补给地表水的补给*28河流补给潜水潜水的补给*28潜水的排泄潜水的排泄蒸发蒸发;泉的排泄；泉的排泄；向地表水排泄；向地表水排泄；人为排泄。人为排泄。*29潜水的排泄蒸发;*29潜水的排泄潜水的排泄泉泉*30潜水的排泄*30潜水补给河流潜水的排泄潜水的排泄向地表水排泄向地表水排泄*31潜水补给河流潜水的排泄*31承压水承压水埋埋藏藏并并充充满满在在两两个个隔隔水水层层之之间间的的含含水水层层中中的地下水，是一种有压重力水。的地下水，是一种有压重力水。*32承压水埋藏并充满在两个隔水层之间的含水层中的地下水，是一承压水的形成承压水的形成最适宜形成承压水的地质构造有：最适宜形成承压水的地质构造有：向斜构造向斜构造单斜构造单斜构造承压盆地承压盆地承压斜地承压斜地*33承压水的形成最适宜形成承压水的地质构造有：向斜构造承压盆地*此此类类承承压压水水的的水水位位受受到到气气候候及及地地形形的的控控制制，往往具有较好的径流条件。往往具有较好的径流条件。承压盆地承压盆地*34此类承压水的水位受到气候及地形的控制，往往具有较好的径流*35*35承压斜地承压斜地岩性变化形成承压斜地断裂构造形成承压斜地*36承压斜地岩性变化形成承压斜地断裂构造形成承压斜地*36承承压压含含水水层层在在同同一一区区域域内内均均可可在在不不同同深深度度有有着着若若干干层层同同时时存存在在的的情情况况，它它们们之之间间的的水水头头高高度度与与地地形形和和构构造造二二者有关者有关。*37承压含水层在同一区域内均可在不同深度有着若干层同时存在的承压水的补给承压水的补给大气降水大气降水；地表水；地表水；潜水。潜水。*38承压水的补给大气降水；*38承压水的补给承压水的补给大气降水大气降水*39承压水的补给*39当补给区当补给区位于河床地带位于河床地带时，地表水才可以时，地表水才可以成为补给来源。成为补给来源。承压水的补给承压水的补给地表水地表水*40当补给区位于河床地带时，地表水才可以成为补给来源。承压水当承压含水层补给区当承压含水层补给区位于潜水之下位于潜水之下，潜水，潜水可以泄入承压含水层中构成其补给源。可以泄入承压含水层中构成其补给源。承压水的补给承压水的补给潜水潜水*41当承压含水层补给区位于潜水之下，潜水可以泄入承压含水层中承压水的排泄承压水的排泄向潜水排泄向潜水排泄;泉的排泄；泉的排泄；向地表水排泄。向地表水排泄。*42承压水的排泄向潜水排泄;*42当排泄区上当排泄区上有潜水存在有潜水存在时，则可以排泄时，则可以排泄入潜水中。入潜水中。承压水的排泄承压水的排泄潜水潜水*43当排泄区上有潜水存在时，则可以排泄入潜水中。承压水的排泄当当侵蚀面下切侵蚀面下切达到承压含水层时，就以泉达到承压含水层时，就以泉水形式排泄。水形式排泄。承压水的排泄承压水的排泄泉泉*44当侵蚀面下切达到承压含水层时，就以泉水形式排泄。承压水的导水断层切断含水层导水断层切断含水层时，沿断层带，承压时，沿断层带，承压水也可以泉的形式排泄。水也可以泉的形式排泄。承压水的排泄承压水的排泄泉泉*45导水断层切断含水层时，沿断层带，承压水也可以泉的形式排泄河谷下切河谷下切至含水层，则承压水向地表水排至含水层，则承压水向地表水排泄。泄。承压水的排泄承压水的排泄地表水地表水*46河谷下切至含水层，则承压水向地表水排泄。承压水的排泄*4承压水的径流承压水的径流径径流流条条件件的的好好坏坏与与地地形形条条件件、含含水水层层的的透透水水性性、补补给给区区与与排排泄泄区区的的水水位位差差、承承压压含含水层的挠曲程度水层的挠曲程度等有关。等有关。*47承压水的径流径流条件的好坏与地形条件、含水层的透水性、补承承压压含含水水层层的的涌涌水水量量，主主要要与与含含水水层层的的分分布布范范围围、厚厚度度、透透水水性性、补补给给区区的的大大小小、水的补给来源水的补给来源等因素有关。等因素有关。承压水的涌水量承压水的涌水量*48承压含水层的涌水量，主要与含水层的分布范围、厚度、透水性（二）地下水按含水层性质分类（二）地下水按含水层性质分类孔隙水孔隙水裂隙水裂隙水岩溶水岩溶水风化裂隙水风化裂隙水成岩裂隙水成岩裂隙水构造裂隙水构造裂隙水*49（二）地下水按含水层性质分类孔隙水风化裂隙水*49三、地下水的性质三、地下水的性质温度温度颜色颜色透明度透明度嗅味嗅味口味口味比重比重导电性导电性放射性等放射性等1 1地下水的物理性质地下水的物理性质*50三、地下水的性质温度1地下水的物理性质*502 2地下水的化学成分地下水的化学成分N N2 2、O O2 2、COCO2 2、CHCH4 4、H H2 2S S及放射性气体等及放射性气体等离离子子阳离子阳离子:H:H+、NaNa+、K K+、NHNH4 4+、MgMg2+2+、CaCa2+2+、FeFe2+2+、FeFe3+3+、MnMn2+2+等等阴离子阴离子:OH:OH-、ClCl-、HCOHCO3 3-、NONO2 2-、SOSO4 42-2-、COCO3 32-2-、SiOSiO3 32-2-、POPO4 43-3-等等FeFe2 2O O3 3、AlAl2 2O O3 3、H H2 2SiOSiO3 3等等化合物化合物气气体体*512地下水的化学成分N2、O2、CO2、CH4、H2S及放总总矿矿化化度度指指地地下下水水中中所所含含的的各各种种离离子子、分子及化合物的总量。分子及化合物的总量。地下水按化学成分分类地下水按化学成分分类按总矿化度分类按总矿化度分类地下水类型淡水弱半咸水强半咸水咸水盐水总矿化度总矿化度（g/L）113310105050*52总矿化度指地下水中所含的各种离子、分子及化合物的总量地地下下水水的的硬硬度度指指水水中中所所含含钙钙、镁镁离离子子的的数量。数量。总硬度总硬度水中所含钙、镁离子总量。水中所含钙、镁离子总量。暂暂时时硬硬度度可可由由煮煮沸沸去去掉掉的的钙钙、镁镁离离子子含含量。量。永永久久硬硬度度煮煮沸沸后后能能保保留留下下来来的的钙钙、镁镁离离子的含量。子的含量。按硬度分类按硬度分类总硬度总硬度=暂时硬度暂时硬度 永久硬度永久硬度*53地下水的硬度指水中所含钙、镁离子的数量。按硬度分类总硬度德德国国方方法：法：硬度硬度11相当于每升溶液中含有相当于每升溶液中含有CaOCaO10mg；原原苏苏联联方方法法：用用每每升升水水溶溶液液中中所所含含钙钙、镁镁离离子子的毫克当量数表示硬度。的毫克当量数表示硬度。表示硬度的方法表示硬度的方法*54德国方法：硬度1相当于每升溶液中含有CaO10地下水类型 强酸性水 弱酸性水中性水弱碱性水 强碱性水pH值值5577799按按pH值分类值分类*55地下水类型强酸性水弱酸性水中性水弱碱性水强碱性水pH值55四、地下水对工程的影响四、地下水对工程的影响（一）地面沉降（一）地面沉降（二）流砂和潜蚀（二）流砂和潜蚀（三）地下水的浮托作用（三）地下水的浮托作用（四）承压水对基坑的作用（四）承压水对基坑的作用（五）对钢筋混凝土的腐蚀（五）对钢筋混凝土的腐蚀*56四、地下水对工程的影响（一）地面沉降*56抽水抽水含水层水位下降含水层水位下降有效应力增加有效应力增加地面沉降地面沉降土层的不均匀性土层的不均匀性边界条件的复杂性边界条件的复杂性地面不均匀沉降地面不均匀沉降地面建筑物和地下管线地面建筑物和地下管线不同程度的损坏不同程度的损坏（一）地面沉降（一）地面沉降*57抽水含水层水位下降有效应力增加地面沉降土层的不均匀性地面不均（二）流砂和潜蚀（二）流砂和潜蚀流流砂砂在在饱饱和和土土中中，如如果果土土颗颗粒粒之之间间的的有有效效应应力力为为零零，则则土土颗颗粒粒将将悬悬浮浮于于水水中中，出现随水一起流出的现象称为流砂。出现随水一起流出的现象称为流砂。潜潜蚀蚀在在地地下下水水渗渗透透力力的的作作用用下下，土土中中的的细细小小颗颗粒粒穿穿过过粗粗颗颗粒粒之之间间的的孔孔隙隙被被渗渗流流逐逐渐渐带带走走，久久而而久久之之，在在土土层层中中将将形形成成管管状状空空洞洞，使使土土体体结结构构破破坏坏，强强度度降降低低，压压缩缩性性增增加加，这这种种现现象象称为机械潜蚀。称为机械潜蚀。*58（二）流砂和潜蚀流砂在饱和土中，如果土颗粒之间的有效动水压力产生流砂和潜蚀动水压力产生流砂和潜蚀1.1.动动水水压压力力：在在渗渗流流作作用用下下，地地下下水水作作用用于于单单位位体体积积土土骨骨架上的力称为动水压力架上的力称为动水压力f fd d=w wI I。2.2.流流砂砂产产生生机机理理：当当地地下下水水自自下下而而上上产产生生流流动动时时产产生生的的动动水水压压力力等等于于土土体体的的有有效效重重度度时时，土土的的有有效效应应力力等等于于零零，土土粒处于悬浮状态，这种现象称为流砂。粒处于悬浮状态，这种现象称为流砂。*59动水压力产生流砂和潜蚀*593.3.流砂现象流砂现象：轻轻微微流流砂砂：有有些些细细小小的的土土颗颗粒粒会会随随地地下下水水渗渗漏漏一一起起穿穿过过缝隙而流入基坑。缝隙而流入基坑。中中等等流流砂砂：在在基基坑坑底底部部或或围围护护桩桩周周围围，常常常常会会出出现现一一堆堆粉细砂缓缓冒起，冒出的水中夹带着细小土粒在慢慢流动。粉细砂缓缓冒起，冒出的水中夹带着细小土粒在慢慢流动。严严重重流流砂砂：冒冒出出的的流流砂砂象象开开水水初初沸沸时时的的翻翻泡泡，基基底底土土体体处于流动状态。处于流动状态。*603.流砂现象：*60 4.4.产生流砂的土层条件产生流砂的土层条件：粘粒含量粘粒含量10%-15%,6565-75-75；不均匀系数不均匀系数5;0.85;e0.85;土的含水量土的含水量30%;30%;地层中粉细砂或粉土厚度地层中粉细砂或粉土厚度25cm25cm。机械潜蚀：在渗流作用下土中细小颗粒穿过粗大机械潜蚀：在渗流作用下土中细小颗粒穿过粗大 颗粒形成的孔隙且被带走的现象。（管涌）颗粒形成的孔隙且被带走的现象。（管涌）*614.产生流砂的土层条件：*61当深基坑下部有承压含水层时，应分析承压水头是否会当深基坑下部有承压含水层时，应分析承压水头是否会冲毁基坑底部的粘性土层。冲毁基坑底部的粘性土层。要求：基坑底部粘土层的厚度要求：基坑底部粘土层的厚度 满足一定要求。满足一定要求。（三）地下水的浮托作用（三）地下水的浮托作用 当建筑物基底位于地下水位以下时，地下水对基础产生当建筑物基底位于地下水位以下时，地下水对基础产生的静水压力的静水压力地下水的浮托力。地下水的浮托力。（四）承压水对基坑的作用（四）承压水对基坑的作用*62当深基坑下部有承压含水层时，应分析承压水头是否会冲毁基坑底部结晶类腐蚀结晶类腐蚀分解类腐蚀分解类腐蚀结晶分解复合类腐蚀结晶分解复合类腐蚀（五）对钢筋混凝土的腐蚀（五）对钢筋混凝土的腐蚀*63结晶类腐蚀（五）对钢筋混凝土的腐蚀*631.结结晶晶类类腐腐蚀蚀：SO42-离离子子超超过过规规定定值值，其其会会与与砼砼中中Ca(OH)2反反应应，生生成成二二水水石石膏膏结结晶晶体体，其其再再与与水水化化铝铝酸酸钙钙反反应应，生生成成水水化化硫硫铝铝酸酸钙钙（水水泥泥杆杆菌菌），由由于于水水泥泥杆杆菌菌结结合合许许多多结结晶晶水水，增增大大砼砼体体积积，产产生生很很大大内内应应力力，使使砼结构遭受破坏。砼结构遭受破坏。*641.结晶类腐蚀：SO42-离子超过规定值，其会与砼中Ca(2.分分解解类类腐腐蚀蚀：当当地地下下水水中中CO2的的含含量量超超过过平平衡衡所所需需数数量量时时，砼砼中中的的CaCO3就就被被溶溶解解而而受受腐腐蚀蚀。超超过过平平衡衡浓浓度度的的CO2叫叫侵侵蚀蚀性性CO2，地地下下水水中中其其侵侵蚀蚀性性CO2越越多多，对对砼砼的的腐腐蚀蚀越越强强。PH值值小小于于某某一一数数值值时时，也也会会产产生生砼砼的分解腐蚀。的分解腐蚀。*652.分解类腐蚀：当地下水中CO2的含量超过平衡所需数量时，砼3.3.结晶分解复合类腐蚀结晶分解复合类腐蚀：当地下水中：当地下水中NHNH4 4+、NONO3 3-、CLCL-、MgMg2+2+离子含量超过一定数值时，破坏离子含量超过一定数值时，破坏砼结构同时也会产生砼的分解腐蚀。砼结构同时也会产生砼的分解腐蚀。*663.结晶分解复合类腐蚀：当地下水中NH4+、NO3-、CL腐蚀性评价标准腐蚀性评价标准先先将将建建筑筑场场地地环环境境按按表表5-6进进行行分分类类，然然后后根根据据地地下下水水中中SO42-、侵侵蚀蚀性性CO2、HCO3-、PH值值、NH4+、NO3-、CL-、Mg2+含含量量，按按表表5-7、5-8、5-9对对砼砼进进行行腐蚀等级的划分。腐蚀等级的划分。*67腐蚀性评价标准*67