06第六章地下水

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水在岩土中的存在形式：
结合水： 强结合水
弱结合水
非结合水：液态水
固态水
毛细水 重力水
气态水
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岩土的水理性质:
1. 含水性
容水度:岩土孔隙完全被水充满时的含水量。 持水度:岩土在重力作用下释水时仍能保持的含水 量。这部分滞留在岩土中的水为结合水和 毛细水。
2. 给水性
岩土在重力作用下能自由排出的含水量。 给水度=容水度－持水度

2
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地下水向井的稳定流动
井的类型： 按其揭露含水层的类型分：
潜水井、承压井
按进水条件分：
完整井、非完整井
图 6—24
井的类型示意图
a—潜水完整井；b、c、d—潜水非完整井；e—承压水完整井；f、 g— 承压水非完整井
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潜水完整井
dy Q＝KAJ＝2πKxy dx
分离变量并积分， x从rw至R，y从hw至H， 得：
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Teton 坝（美国）
1976年6月5日上 午10:30左右， 下游坝面有水渗 出并带出泥土。
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Teton 坝（美国）
11：00左右 洞口不断扩大 并向坝顶靠近， 泥水流量增加
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Teton 坝（美国）
11:30洞口继续向上扩 大，泥水冲蚀了坝基， 主洞的上方又出现一 渗水洞。流出的泥水 开始冲击坝趾处的设 施。
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潜水与地表水的关系
( a )
( b ) 图 6-6 潜水与地表水之间的关系
( c )
来自百度文库
潜水补给河流
河流补给潜水
单侧补给
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承压水 ( pressure water )
充满于两个隔水层之间的含水层中承受水压力 的重力水。
图 6-7 自流盆地剖面图
A－补给区 B－承压区 C－排泄区
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2 H 2 hw Q 1.366K lg R lg rw
( 2 H SW ) SW 1.366K lg R lg rw
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承压水完整井
dy Q＝KAJ=2πKxM dx
分离变量并积分后，得：
Q 2.73K 2.73K
M ( H hw ) lg R lg rw
MSW lg R lg rw
图 6—25 地下水向承压水井的流动
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基坑涌水量计算:
把基坑假想为圆形大井,其引用半径:
F
r 0

F－基坑面积
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第五节 地下水与工程建设
1. 地面沉降 2. 地面塌陷 3. 流砂
4. 管涌
5. 浮托作用
6. 基坑突涌
7. 对混凝土的侵蚀性
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渗流分类
均匀流：渗流速度沿流程不变。 非均匀流：渗流速度沿流程变化。 层流：水质点有秩序地呈相互平行而互不干扰的运动。
紊流：水质点相互干扰而呈无秩序的运动。
稳定流：渗流要素不随时间变化的运动。 非稳定流：渗流要素随时间变化的运动。
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地下水 运动的基本规律
Darcy定律：Q＝KAJ 或V＝KJ (线性) 式中 Q－渗流量m3/d或cm3/s；
H h0 H h0 )( ) Q＝2KAJ＝2KL ( 2 R
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地下水向不完整渗沟的流动：
1) 含水层厚度有限 dy 单侧流量: q kx dx 分离变量并积分， x从c至c+R，y从0至H， 得：q kH
Rc ln c
2)含水层厚度无限 计算同上,但
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现场抽水试验
dy Q 2xyk dx
Q
R
r
H dx 2k ydy h x
R R Q ln 0.732Q lg r r k (H 2 h 2 ) (H 2 h 2 )
图 6—21
潜水完整井抽水试验示意图
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地下水涌水量的计算
地下水向完整渗沟的流动：
裙 房 倒 塌
临江花园大厦
（倾斜10°） 48/65
抢险方案：
对轨道交通4号线区间隧道进行封堵，解除了因险情对整 个隧道区间的威胁 向地下采取注浆压浆技术减少地下流沙的涌动，保护周边 地区的建筑 拆除受险情影响的大楼及裙房
用注浆机不停地把水泥浆注 入地下，加固地面地基，提 高地基承载力
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隐患与险情
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武汉丹水池堤防抢险
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上海轨道交通4号线事故
2003年7月1日凌晨4 点，正在施工中的上 海市地铁四号线区间 隧道浦西联络通道发 现渗水，随后出现大 量流沙涌入，引起地 面大幅沉降；上午九 点左右，地面建筑八 层楼房发生倾斜，其 裙房部分倒塌。由于 报警及时，所有人员 均已提前撤出，因而 无人员伤亡，受其影 响的周围楼房里的市 民们也已全部撤出。
A－过水断面 K－渗透系数m/d或cm/s，
表征岩土透水性能大小的指标。
还与水的粘滞性有关。 V－渗透流速m/d或cm/s Darcy定律适合于层流（砂土）。
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紊流（砾石土）运动规律：V＝KJ1/2 (非线性) 黏性土运动规律：V＝K（J-Jo） 式中Jo为起始水力
坡降
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渗透系数的确定：
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1998 洪水
µ Î ø Ñ 1% É ½ ¢ þ 3% ±° À ¶ 5% Æ Ë ä û 11% Â ¶ © ´ 14% Í Æ Ñ Â 16%
¹ Ó Ü ¿ 50%
µ Î ø Ñ É ½ ¢ þ ±° À ¶ Æ Ë ä û Â ¶ © ´ Í Æ Ñ Â ¹ Ó Ü ¿
1998年洪水中各种险情6000余处
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泉：地下水在地表的天然露头 按水头性质分：
1. 上升泉 2. 下降泉
按出露原因分：
1. 侵蚀泉 2. 接触泉 3. 断层泉
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第四节 地下水的运动
渗流 过水断面 A 渗透流速 V=Q/A 实际流速 u=Q/A’
V<u
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水力坡降 J＝－dH/dL
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流网：由等水头线与流线正交组成的网格
采用传统方式拆除 破坏楼房7月2日
潜水员身穿 70kg 潜水 服，潜入地下进行封堵， 确保大厦地基不渗水 49/65
受地面沉降影响，董 家渡外马路段长约30米的 7月3日新险情 防汛墙，发生沉陷、倾斜、 开裂。此时，正值上海汛 期开始，上千名武警官兵 奉命紧急出动，用沙袋和 身躯，在浦江边筑起“U” 字型围堤，将长江抗洪的 经典场景再现！
武警官兵分几队，一组负责 装沙，一组负责沙包传递
武警官兵有的抛填沙包 筑堤，有的跳进黄浦江 排险堵漏。
武警官兵火速奔赴现场抢险救灾
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给沙堤内侧安置大型钢制桩
24小时筑起长160m，高 2m，伸入黄浦江约10m 的弧形临时堤坝，控制 了险情
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渗透破坏: 青海沟后水库的溃 口—
3. 透水性
岩土可透过水的性能，用渗透系数表示。
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含水层(aquifer)：
给出并透过相当水量的岩土层。
隔水层(interlayer)：
不透水但可含水的岩土层。
滞水层：弱透水的岩土层。
含水层的形成条件：岩土层有较大空隙；为隔水层所限；
有补给来源。
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第二节 地下水的水质
气体成分 O2 H2S CO2 离子成分 ClSO4 HCO3Na+ K+ Ca+2 Mg+2 化学性质 pH值
图 6-3 地下水埋藏示意图 1－沙层; 2－隔水层; 3－含水层; 4－潜水面; 5－基准面
T-潜水埋藏深度;M-含水层厚度;H-潜水位
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潜水等水位线图
可解决如下问题：
1 确定潜水流向 2 确定潜水的水力坡度 3 确定潜水的埋藏深度 4 确定潜水与地表水的关系
虚线－潜水等水位线
实线－地形等高线
下游 滨海平原上为潜水，埋藏浅不利于工程建设，下
部多层承压含水层。
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洪积物中的孔隙水
潜水深埋带 潜水溢出带 潜水下沉带
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裂隙水 按成因：
•风化裂隙水 •成岩裂隙水 •构造裂隙水
按埋藏条件：
•面状裂隙水 •层间裂隙水 •脉状裂隙水
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岩溶水
特点：空间分布极
不均匀，动态变化 强烈，流动迅速， 排泄集中。
特征：接近地表，接受大气降水补给，以蒸发形式或
向隔水底板边缘排泄。动态变化很不稳定。
工程意义：常始料不及涌入基坑。
供水意义不大。 在寒冷地区易引起道路冻胀和翻浆。
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潜水(
phreatic water
)
埋藏在地面以下第一个 稳定隔水层之上具自由水 面的重力水。
特征:与大气相通，具自 由水面，补给区与分布区 一致，动态受气候影响较 大。潜水面形状受地形影 响。
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承压含水层局部
特征：不具自由水面，
并承受一定的水头压力。分 布区和补给区不一致。动态 变化较稳定。不易受地面污 染。
H1－初见水位 H－承压水头 H2－承压水位 h－承压水位埋深
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承压水等水位线图
(a)
图 6—11 （a）等水压线图；（b）水文地质剖面
(b)
1-地形等高线；2-承压含水层顶板等高线；3-等水压线 ；4承压水位线；5-承压水流向；6-自流区； 7-井；8-含水层；9-隔水层；10-干井；11-非自流井；12-自流井
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室内变水头渗透试验
dQ a dh
dQ qdt kIAdt k h Adt l
h adh k Adt l h2 dh kA t 0dt h1 h al
h1 kA ln t h2 al
图 6—20 变水头渗透试验
k
h al ln 1 At h2
基坑突涌
隔水层的安全厚度：
据 H W H 0
得
H
w H0
若不满足上述厚度， 需降水，使基坑中心 承压水位降深满足：
（H 0 S） W H
则：S H 0 H W
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渗透变形 (seepage deformation)
管涌：单个土颗粒发生独立移动的现象。 多发生在不均匀的砂砾土中。 流土：一定体积的土粒同时发生移动的现象。 多发生在均质砂土层和粉土层中。
沟后水库沙砾石面板坝失事实录 建于1989年 71米高 265米长 1993年8月7日垮坝 死亡300余人
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Teton 坝（美国）
损失：
直接8000万美元，起诉 5500起，2.5亿美元，死 14人，受灾2.5万人，60 万亩土地，32公里铁路
原因：
渗透破坏－水力劈裂
概况：
土坝，高90m，长1000m， 建于1972-75年，1976年6 月失事
水。
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第三节 地下水的类型
图 6-2 地下水的类型
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地下水埋藏类型
图 6-1 地下水埋藏示意图 1－承压水位; 2－潜水位; 3－隔水层; 4－含水层;
A-承压水井;B-自流水井;C-潜水井
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上层滞水(
perch ground water )
包气带中聚集在局部隔水层之上的重力水。
矿化度
硬度
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地下水对建筑材料的腐蚀性
溶出侵蚀：混凝土中Ca(OH)2成分被水溶解。
碳酸侵蚀：含侵蚀性CO2的水溶解混凝土中的钙质而使
混凝土崩解。
硫酸盐侵蚀：水中SO4-2与混凝土作用生成新的化合物，
由于体积膨胀而胀裂。
酸性侵蚀：pH值低的酸性水对混凝土具腐蚀性。
镁盐侵蚀：水中镁盐与混凝土作用后生成化合物溶解于
第六章 地下水
主要内容
第一节 地下水的概念
第二节 地下水的水质 第三节 地下水的类型 第四节 地下水的运动
第五节 地下水与工程建设
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第一节 地下水的概念
赋存在地表以下岩土空隙中的水。
岩土的空隙:
1. 松散沉积物中的孔隙
2. 坚硬岩石中的裂隙
连通性好 分布不均匀 连通性差
3. 可溶性岩石中的溶隙
1. 据土的粒度分析资料计算. 2. 室内测定
1) 常水头试验（适用于砂土）
2) 变水头试验 （适用于黏性土）
3. 现场测定
1) 渗水试验 2) 抽水试验
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室内常水头渗透试验
由达西公式：
H Q qt kIAt k At l
得土样的渗透系数为：
Ql k HAt
图 6—19 常水头渗透试验
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承压水等水位线图可确定 下列重要指标：
• 承压水位埋深 • 承压水头大小 • 含水层埋深（初见水位）
如图中A点：
地形标高103m，承压水位91m，含 水层顶板标高83m。 则承压水位埋深为：103－91＝12m 承压水头为: 91－83＝8 m 含水层埋深为：103－83＝20m
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武汉市（汉口）水文地质剖面
长江一级阶地
土层厚30～50m 典型二元结构
K随深度呈对数增大
上部黏性土中潜水 下部砂砾石中承压水
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不同含水层空隙中的地下水
冲积物中的孔隙水 上游 河床中砂砾石，是良好的含水层。
中游 河漫滩沉积有上细（粉细砂、黏性土）下粗（砂
砾）的二元结构，上层构成隔水层，下层为承压含水层。