第6章 地下水
合集下载
岩土工程渗流：第6章 地下水渗流理论计算
《地下水渗流力学 》
第6章 地下水渗流理论计算
第6章 地下水渗流理论计算
6.1 概 述 6.2 均值透水地基的渗流计算 6.3 多层透水地基渗流计算 6.4 不透水地基上土坝渗流计算 6.5 不透水地基上心墙坝渗流计算 6.6 库水位下降时心墙坝渗流计算（不讲） 补充：均质地基复杂地下轮廓线的渗流近似
1、三向(空间)渗流简化为二向渗流问题进行计算，计算结 果仅能用来分析不受岸边或边墩绕渗影响的断面。 2、岸坡或地基存在的高孔隙水压力，将导致部分坝体或在 泉眼附近的局部区域浸润线的抬高，一般计算方法很难考 虑这些局部因素。 3、在计算中排水设备总是被认为有足够大的排水能力。 4、计算中通常将透水性小于坝体材料50~100倍的材料简化 为不透水材料。 5、土层往往不均匀且有各向异性的性质，坝体的填筑也很 难均一和避免水平成层。
M H1 (2L
)
H
4
L
(6.2.22)
15
各段水头和 流速
第一、第三段水头及 流速公式中包含λ取 值，不易确定。
实际上这两段十分复杂，近似公式只能采用一些变通方法。 第二段可以求解，有一定可靠性。
坝下水头
1
x
H 2 (H1 H4 ) 2M (H1 H4 ) 2L
2L
(6.2.23)
du
1
cu2 c
b2 4ac
11
第一区段：
x L m
水头、流速、流 量公式汇总：
xL
H H1 (H2 H1)e (6.2.4)
vx
K
H x
K
(H1
xL
H2 )e
(6.2.5)
Q K (H1 H2 ) (6.2.9)
(M m)m (6.2.2)
第6章 地下水渗流理论计算
第6章 地下水渗流理论计算
6.1 概 述 6.2 均值透水地基的渗流计算 6.3 多层透水地基渗流计算 6.4 不透水地基上土坝渗流计算 6.5 不透水地基上心墙坝渗流计算 6.6 库水位下降时心墙坝渗流计算（不讲） 补充：均质地基复杂地下轮廓线的渗流近似
1、三向(空间)渗流简化为二向渗流问题进行计算，计算结 果仅能用来分析不受岸边或边墩绕渗影响的断面。 2、岸坡或地基存在的高孔隙水压力，将导致部分坝体或在 泉眼附近的局部区域浸润线的抬高，一般计算方法很难考 虑这些局部因素。 3、在计算中排水设备总是被认为有足够大的排水能力。 4、计算中通常将透水性小于坝体材料50~100倍的材料简化 为不透水材料。 5、土层往往不均匀且有各向异性的性质，坝体的填筑也很 难均一和避免水平成层。
M H1 (2L
)
H
4
L
(6.2.22)
15
各段水头和 流速
第一、第三段水头及 流速公式中包含λ取 值，不易确定。
实际上这两段十分复杂，近似公式只能采用一些变通方法。 第二段可以求解，有一定可靠性。
坝下水头
1
x
H 2 (H1 H4 ) 2M (H1 H4 ) 2L
2L
(6.2.23)
du
1
cu2 c
b2 4ac
11
第一区段：
x L m
水头、流速、流 量公式汇总：
xL
H H1 (H2 H1)e (6.2.4)
vx
K
H x
K
(H1
xL
H2 )e
(6.2.5)
Q K (H1 H2 ) (6.2.9)
(M m)m (6.2.2)
第六章_地下水的化学成分及其形成作用
• 地下水是宝贵的液体矿产： 含大量盐类(如NaCl、KCl)或富集某 些稀散元素(Br、I、B、Sr等)的地下水是
宝贵的工业原料；
某些具有特殊物理性质与化学成分的 水具有医疗意义；
盐矿、油田、金属矿床所形成特定化学元 素的分散晕圈是找矿的重要标志。 污染物在地下水中散布,也会形成晕圈。 这就需要查明有关物质的迁移、分散规律 ,确定矿床或污染源的位置。
8
矿化度与主要离子之间的关系？
四、地下水的总矿化度及化学成分表示式
• 总矿化度的概念： 地下水中所含各种离子、分子与化合物的总量称为总矿 化度(总溶解固体）,以每升水中所含克数（g/L）表示。 • 总矿化度的表征方式： a.习惯上以105 ℃一110 ℃时将水蒸干所得的干涸残余 物总量来表征； b. 在水质简分析中是用分析所得的阴阳离子含量相加， 然后减去HCO3
7
钾离子（K+）： • 钾离子的来源： 含钾盐类沉积岩的溶解； 岩浆岩、变质岩中含钾矿物的风化溶解。 • 低矿化水中含量甚微，高矿化水中较多。 • K+大量地参与形成不溶于水的次生矿物（水云母、蒙脱 石、绢云母），并易为植物所摄取，因此，地下水中K+ 的含量要比Na+少得多。 • K+的性质与Na+相近，含量少，分析比较费事，故一般 情况下，将K+归并到Na+中，不另区分。
硫酸根离子（SO42-）： • 不同矿化程度水中（SO42-）的含量： 高矿化水,含量仅次于Cl-,可达数g/L; 低矿化水,一般含量仅数mg/L; 中等矿化水, SO42-常成为含量最多的阴离子。 • 硫酸根离子（SO42-）来源： 含石膏或其它硫酸盐的沉积岩的溶解。 煤系地层含有黄铁矿；金属硫化物矿床附近。 化石燃料燃烧产生的SO2与氮氧化合物，构成富 含硫酸及硝酸的降水（酸雨）,使地下水中SO42-增 加。
水文地质学基础 第六章 地下水的化学成分及其形成作用.
◆来源： 沉积岩、岩浆岩和变质岩的溶解；海水；
5. K＋ ◆ 地下水中K＋的含量只有Na＋含量的4％～10％。 ◆ 一般将K＋归并到Na＋中进行分析，不另区分。
如Na＋（+ K＋ ）
6. Ca2＋（低矿化水的主要阳离子） ◆ 含量一般不超过数百mg/L ◆来源： ☆碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解； ☆岩浆岩及变质岩中含钙矿物的风化溶解。 7. Mg2＋ ◆ 化学性质及来源与Ca2 ＋相近，但地壳组成中 Mg2＋比较少，因此含量通常较Ca2 ＋少。
化合物的当量=化合物分子量 / 阴（阳）离子价 meg/L＝mg/L /离子的当量
☆德国度（H°） ：相当于1L水中含10mgCa2＋或 7.2mgMg2＋的量。
1 meg/L＝2.8 H°
4.地下水按硬度分类：
地下水类型 极软水 软 水 弱硬水 硬 水 极硬水
硬度（mg/L，以 CaCO3计）
＜75
◆专项分析：
只分析一个或少数几个成分，分析项目根据具体任务确 定。
如：在对地下水质作动态观测时，可只选有代表性的离 子作定期分析；
为判明含水层之间是否有联系时，只需要作个别离子的 分析；
在为寻找饮用水源进行地下水调查时，需进行水中有毒 成分如As（砷）、Pb（铅）、F（氟）等项目的分析。
三、水化学分析资料整理
如：CO2可促进碳酸盐类的溶解。
二、地下水中主要离子成分
◆主要离子共7种： Cl－、SO42－、HCO3－、Na＋、K＋、Ca2＋、Mg2＋
◆占主要地位离子随矿化度（含盐量）的变化： ☆低矿化水以HCO3－及Ca2＋ ，Mg2＋为主； ☆中等矿化水以SO42－及Na＋为主，阳离子也可以
是Ca2＋ ； ☆高矿化水以Cl－及Na＋为主。
5. K＋ ◆ 地下水中K＋的含量只有Na＋含量的4％～10％。 ◆ 一般将K＋归并到Na＋中进行分析，不另区分。
如Na＋（+ K＋ ）
6. Ca2＋（低矿化水的主要阳离子） ◆ 含量一般不超过数百mg/L ◆来源： ☆碳酸盐类沉积物及含石膏沉积物的溶解； ☆岩浆岩及变质岩中含钙矿物的风化溶解。 7. Mg2＋ ◆ 化学性质及来源与Ca2 ＋相近，但地壳组成中 Mg2＋比较少，因此含量通常较Ca2 ＋少。
化合物的当量=化合物分子量 / 阴（阳）离子价 meg/L＝mg/L /离子的当量
☆德国度（H°） ：相当于1L水中含10mgCa2＋或 7.2mgMg2＋的量。
1 meg/L＝2.8 H°
4.地下水按硬度分类：
地下水类型 极软水 软 水 弱硬水 硬 水 极硬水
硬度（mg/L，以 CaCO3计）
＜75
◆专项分析：
只分析一个或少数几个成分，分析项目根据具体任务确 定。
如：在对地下水质作动态观测时，可只选有代表性的离 子作定期分析；
为判明含水层之间是否有联系时，只需要作个别离子的 分析；
在为寻找饮用水源进行地下水调查时，需进行水中有毒 成分如As（砷）、Pb（铅）、F（氟）等项目的分析。
三、水化学分析资料整理
如：CO2可促进碳酸盐类的溶解。
二、地下水中主要离子成分
◆主要离子共7种： Cl－、SO42－、HCO3－、Na＋、K＋、Ca2＋、Mg2＋
◆占主要地位离子随矿化度（含盐量）的变化： ☆低矿化水以HCO3－及Ca2＋ ，Mg2＋为主； ☆中等矿化水以SO42－及Na＋为主，阳离子也可以
是Ca2＋ ； ☆高矿化水以Cl－及Na＋为主。
水文地质学-第6章地下水的补给、排泄和径流
chd-qw 第六章 地下水的补给径流与排泄 9
二、地表水对地下水的补给
1.具备条件 1.具备条件
地表水位高于地下水位。 地表水位高于地下水位。
chd-qw
第六章 地下水的补给径流与排泄
10
河流上游 和中游
chd-qw
第六章 地下水的补给径流与排泄
11
长江瞿塘峡
chd-qw
第六章 地下水的补给径流与排泄
地下水的补给 排泄和径流
地下水的补给、径流、 地下水的补给、径流、排泄这三个环节 就是地下水的循环――即自然界循环中的水 ， 即自然界循环中的水， 就是地下水的循环 即自然界循环中的水 处于地下隐伏阶段的循环。 处于地下隐伏阶段的循环。 基本概念 地下水的补给――含水层从外界获得水量的过 地下水的补给 程。 地下水的排泄――含水层失去水量的过程。 地下水的排泄 地下水的径流――获得水量到失去水量所经历 地下水的径流 的过程。
3.越流补给
越流补给是通过弱含水层的补给（ 越流补给是通过弱含水层的补给（leakage recharge） ） 要弄清谁补给谁： 在水的密度相同时， 要弄清谁补给谁 ： 在水的密度相同时 ， 高水位补 给低水位， 不一定是高的含水层补给低的含水层。 给低水位 ， 不一定是高的含水层补给低的含水层 。
chd-qw 第六章 地下水的补给径流与排泄 4
①入渗过程
a.渗润阶段：降水初期，如果土壤干燥，下 渗润阶段：降水初期，如果土壤干燥， 渗润阶段 渗水主要受静电引力作用， 渗水主要受静电引力作用 ， 受土粒吸附 形成结合水， 结合水的饱和， 形成结合水 ， 结合水的饱和 ， 即本阶层 的结束； 的结束； b.渗漏阶段 ： 随着土壤含水量增大 ， 分子 渗漏阶段： 渗漏阶段 随着土壤含水量增大， 作用力（ 静电引力） 作用力 （ 静电引力 ） 由毛管力和重力作 用取代， 逐渐充填岩土孔隙及下渗， 用取代 ， 逐渐充填岩土孔隙及下渗 ， 直 到重力起主导作用。 到重力起主导作用。 c.渗透阶段：孔隙水分近乎饱和，水主要受 渗透阶段： 渗透阶段 孔隙水分近乎饱和， 重力作用稳定向下流动。 重力作用稳定向下流动。
二、地表水对地下水的补给
1.具备条件 1.具备条件
地表水位高于地下水位。 地表水位高于地下水位。
chd-qw
第六章 地下水的补给径流与排泄
10
河流上游 和中游
chd-qw
第六章 地下水的补给径流与排泄
11
长江瞿塘峡
chd-qw
第六章 地下水的补给径流与排泄
地下水的补给 排泄和径流
地下水的补给、径流、 地下水的补给、径流、排泄这三个环节 就是地下水的循环――即自然界循环中的水 ， 即自然界循环中的水， 就是地下水的循环 即自然界循环中的水 处于地下隐伏阶段的循环。 处于地下隐伏阶段的循环。 基本概念 地下水的补给――含水层从外界获得水量的过 地下水的补给 程。 地下水的排泄――含水层失去水量的过程。 地下水的排泄 地下水的径流――获得水量到失去水量所经历 地下水的径流 的过程。
3.越流补给
越流补给是通过弱含水层的补给（ 越流补给是通过弱含水层的补给（leakage recharge） ） 要弄清谁补给谁： 在水的密度相同时， 要弄清谁补给谁 ： 在水的密度相同时 ， 高水位补 给低水位， 不一定是高的含水层补给低的含水层。 给低水位 ， 不一定是高的含水层补给低的含水层 。
chd-qw 第六章 地下水的补给径流与排泄 4
①入渗过程
a.渗润阶段：降水初期，如果土壤干燥，下 渗润阶段：降水初期，如果土壤干燥， 渗润阶段 渗水主要受静电引力作用， 渗水主要受静电引力作用 ， 受土粒吸附 形成结合水， 结合水的饱和， 形成结合水 ， 结合水的饱和 ， 即本阶层 的结束； 的结束； b.渗漏阶段 ： 随着土壤含水量增大 ， 分子 渗漏阶段： 渗漏阶段 随着土壤含水量增大， 作用力（ 静电引力） 作用力 （ 静电引力 ） 由毛管力和重力作 用取代， 逐渐充填岩土孔隙及下渗， 用取代 ， 逐渐充填岩土孔隙及下渗 ， 直 到重力起主导作用。 到重力起主导作用。 c.渗透阶段：孔隙水分近乎饱和，水主要受 渗透阶段： 渗透阶段 孔隙水分近乎饱和， 重力作用稳定向下流动。 重力作用稳定向下流动。
第6章地下水的非稳定渗流运动
=M(H－h)=Ms
则式（6.33）可写成
抖2 1 ?
a( 抖r2
+
? r
) r
?t
（6.34） （6.35）
式（6.35）和（6.10）的形式完全相同，只是其中的势函数不同。
对非完整井，可推导出均质各向异性介质中地下水三维流动的
微分方程为：
2
x 2
2
y 2
2
均衡段内地下水的重量为 G = 2πrdr 鬃M n
r
dr
h
H
h
M
Qr Qr +d(Q r )
e (r, t )
式中 n——空隙率，
n= E 1+ E
\
抖G 抖t
=
2πrdr
(M 鬃 E ) t 1+ E
Q M = M = M = M Vs
1+ E 1+ Va V
V
Vs Vs
\
抖G = ?t
+
1 r
h]= ?h r ?t
对于水平二维无压流动，令 a = khm
（6.5）
则式（6.3）和（6.4）可写成为
（6.4）
抖2h 1 h e ? h
a[ 抖r2 + r
]+ =
r ?t
a[
抖2h 抖r 2
+
1 r
h]= ?h r ?t
式中 a为水位传导系数，m2/d；
• 第二种线性化的方法，是在式（6.2）的两端均乘以h，并 令势函数
pi ) = - bwDp
（6.14）
• 压力p的变化引起水的体积V的变化，但是水的质量m和重
《水文地质学》第6章 盆地水动力和古水动力-xin
第6章地下水动力环境第一节基本概念1．静岩压力（lithostatic pressure）概念：静岩压力是指由上覆沉积物的基质和孔隙空间流体的总重量所引起的压力，也可称作上覆岩层压力。
静岩压力随上覆沉积物的增厚而加大，通常用pr =σ+p来表示。
即：静岩压力(pr )等于颗粒产生的有效压力(σ)与孔隙流体产生的流体压力(p)之和。
正是在有效压力的作用下，沉积物不断被压实而变得致密。
计算公式：pr =Hρrg式中pr————静岩压力H——上覆沉积物的厚度ρr————上覆沉积物的平均总体密度g——重力加速度2 静岩压力梯度概念：静岩压力梯度指当上覆沉积物每增加单位厚度时所增加的压力，用Pa/m 表示。
若上覆沉积物的平均总体密度为2.3×103Kg/m3，则静岩压力梯度为2.3×104Pa/m 。
3 静水压力（hydrostatic pressure ）概念：静水压力是指由静水柱重量所引起的压力。
石油地质学中静水压力通常的含义是由“连通在地层孔隙中的水柱所产生的压力”。
计算公式：p w =H ρw g式中p w ——静水压力H——水覆水柱的高度p w ——水的密度g——重力加速度4 静水压力梯度概念：静水压力梯度是指当上覆水柱增加单位高度时所增加的压力，通常也用每增加1m水柱高时增加的压力，用Pa/m 单位表示。
若取水的密度取1×103Kg/m3，则静水压力梯度约为0.1×105Pa/m。
5 地层压力（formation pressure）概念：地层压力是指作用于地层孔隙空间里的流体上的压力，又称孔隙流体压力,或称孔隙压力如果孔隙中流体是水，则正常的地层压力等于静水压力值。
6 异常地层压力（abnormal pressure）概念：异常地层压力是指高于或低于静水压力值的地层压力.异常高压（surpressure）：高于静水压力值的地层压力.异常低压（subpressure）：低于静水压力值的地层压力.最初人们是从防止钻井事故的角度出发来研究异常压力的，并常常把它看作是一种偶然的和特殊的地质现象。
水文地质学基础 第6章 地下水的化学成分及其形成作用
该地区地下水中的水质--矿化度是高（TDS）？还是低？ 水中以哪种阴、阳离子为主？
Company Logo
6.2.1
溶滤作用——结果
长期、强烈溶滤作用的结果，地下水以低矿化度的难溶离子为主， HCO3—Ca水 或 HCO3—Ca Mg 这是由溶滤作用的阶段性决定！在由多种盐类组成的岩石中： 早期，Cl盐最易溶于水中→随水带走，岩土贫Cl盐 继续作用，较易溶SO42-盐类被溶入中→随水带走，贫SO42-盐类 持续,（岩土中）只剩较难溶的碳酸盐类。 因此，分析溶滤作用及其地下水的成分特征： ① 要从地质历史发展的眼光（角度）来理解—它是地质历史长期作用 的结果 ② 地下水是不断运动的—溶解的组分会被带去（岩土组分变化） 前期溶滤作用—溶滤什么组分，水中获得相应组分 后期溶滤作用—长期强烈溶滤作用的结果是难溶成分的低矿化水
盐、钾盐）的溶解、变质岩风化溶解，海水影响，人为
污染 中等矿化度的常见离子： SO42-：沉积盐类溶解、金属硫化物的氧化、火山喷发 H2S气体氧化、人类活动—燃烧煤产生大量SO2，SO2 氧化
后形成之，大气中SO42-过高时，降“酸雨”
Company Logo
1.0 L水
0.5L水
蒸发（2） 0.25L 1400mg/L
蒸发（3） 0.125L 2800mg/L
0.25L 水
Company Logo
6.2.2
浓缩作用
浓缩作用（过程）: 水份失去过程→盐分相对浓集，化学成分的变化 （实际上与上述理想模式是不同的） 地下水在蒸发过程中，水分失去还有补充；盐分积累也有
地下水中CO2增加，水对碳酸盐岩的溶解、结晶岩风 化溶解能力愈强！
Company Logo
6.1.1
Company Logo
6.2.1
溶滤作用——结果
长期、强烈溶滤作用的结果，地下水以低矿化度的难溶离子为主， HCO3—Ca水 或 HCO3—Ca Mg 这是由溶滤作用的阶段性决定！在由多种盐类组成的岩石中： 早期，Cl盐最易溶于水中→随水带走，岩土贫Cl盐 继续作用，较易溶SO42-盐类被溶入中→随水带走，贫SO42-盐类 持续,（岩土中）只剩较难溶的碳酸盐类。 因此，分析溶滤作用及其地下水的成分特征： ① 要从地质历史发展的眼光（角度）来理解—它是地质历史长期作用 的结果 ② 地下水是不断运动的—溶解的组分会被带去（岩土组分变化） 前期溶滤作用—溶滤什么组分，水中获得相应组分 后期溶滤作用—长期强烈溶滤作用的结果是难溶成分的低矿化水
盐、钾盐）的溶解、变质岩风化溶解，海水影响，人为
污染 中等矿化度的常见离子： SO42-：沉积盐类溶解、金属硫化物的氧化、火山喷发 H2S气体氧化、人类活动—燃烧煤产生大量SO2，SO2 氧化
后形成之，大气中SO42-过高时，降“酸雨”
Company Logo
1.0 L水
0.5L水
蒸发（2） 0.25L 1400mg/L
蒸发（3） 0.125L 2800mg/L
0.25L 水
Company Logo
6.2.2
浓缩作用
浓缩作用（过程）: 水份失去过程→盐分相对浓集，化学成分的变化 （实际上与上述理想模式是不同的） 地下水在蒸发过程中，水分失去还有补充；盐分积累也有
地下水中CO2增加，水对碳酸盐岩的溶解、结晶岩风 化溶解能力愈强！
Company Logo
6.1.1
第六章地下水
1
2
3
4
5
6
重力水的特点：能传递静水压力；具有溶解固体物质的能力；无 抗剪强度；流动时，产生动水压力，能带走土中细颗粒 地下水对工程建筑的影响：地下工程施工时，对基坑开挖，排水 等方面均产生很大影响 二.含水层与隔水层 （一）含水层 透水：水在岩土体空隙中流动的性能 含水层：能透水又饱含重力水的岩土层 常见的含水层：砂层，粉砂层，碎石层，块石层 含水层的构成要具备的条件： 1.具有良好的储水空间，即空隙大，孔径大，空隙连通性好；含 水层上下左右要有隔水层防止漏空 2.具有良好的补给来源 （二）隔水层
20
(二)管涌(潜蚀):在渗透水流的作用下,土中细颗粒在粗颗粒形成 的孔隙中移动,以致流失,最终导致土体中形成贯 通的流动通道,造成土体坍塌 易于发生管涌的土层:不均匀的砂土层 管涌处理措施: 1.基坑外排水 2.打板桩 3.保护渗流出口 (1)汲水井:在过滤管与井壁之间充填反滤层 (2)土石坝:垂直截渗;水平铺盖 4.改良土石性质
7
隔水层：相对不透水的岩土层 常见的隔水层：粘土层，完整致密的岩石 三.地下水的补给与排泄 补给：含水层从外界获得水量的过程 排泄：含水层耗失水量的过程 径流：地下水由补给区到排泄区流动的过程 ＃ 补给与排泄是含水层与外界进行水量和盐分交换的过 程，径流则是含水层内部水量和盐分的交流过程
8
四.地下水的形成条件 1.地质条件 岩性：岩土体中空隙大小，数量，连通情况 构造：构造发育程度，越发育，裂隙越多，越连通，透水性能越 好，储水越多 2.气候条件 影响地下水水量 3.地貌条件 水由高向底处流动，故低洼地区，地下水埋藏浅，水量大； 高处埋藏深，水量小。一般平原，山前区易于储水，山区很难储 存大量的地下水 4.人为因素：过量开采地下水，导致地下水水位降低，水量减少
水文地质学基础第六章地下水
水文地质学基础第六章地下水
■地下水不是纯的H2O，而是天然溶液，含有各种组分。 ■水是良好的溶剂，在空隙中运移时，可溶解岩石中的成分。在自然界
水循环过程中，地下水与大气圈、水圈与生物圈同时发生着水量和化 学成分的交换。 ■ 物理性质：温度、颜色、嗅、味、密度、导电性、放射性。 ■ 化学性质：气体成分、离子成分、胶体物 质、有机质等。 ■ 水是岩石中元素迁移、分散与富集的载体。研究许多地质作用时都不 能不涉及地下水的化学作用。 ■ 不同的用水目的在利用地下水时，对水的质量有一定要求 （如：饮用水、锅炉用水、地下水对混凝土的侵蚀性等） ■ 研究地下水的化学成分与作用必须与地下水的流动条件结合
摩尔百分数） ■分式后：水温（oC) ■特点是直观、表示简单也较全面，可以反映水的成因类
型（常用方法）
6.1 地下水的化学成分
一、地下水中常见的气体成分
■ 氧（O2）、氮（N2）、二氧化碳（CO2）硫化氢 （H2S）、甲烷（CH4）
常见气体成分与地下水所处环境和地下水来源有关
二、地下水中主要离子成分
■地下水中含量多的有七种离子 ● 阴离子： HCO3-、 SO42- 、 Cl阳离子： Ca2+ 、 Mg2+ 、 K+ 、 Na+
地下水是如何保持它的溶解能力的？
地下水的流动（交替）性：
■ 地下水的径流速度和交替强度（ V 与Q ）
●停滞与流动很缓慢的地下水，溶解能力最终会降为零，溶滤作用 停止。
●水如果流动速度快，水交替（更新）迅速，CO2，O2不断被补 充，低TDS水不断更新—溶解能力已降低的水
■如果某地区地下水流动很快，水交替（循环）迅速，溶 滤作用很强烈，长期作用下去，地下水水化学特征如何？
■地下水不是纯的H2O，而是天然溶液，含有各种组分。 ■水是良好的溶剂，在空隙中运移时，可溶解岩石中的成分。在自然界
水循环过程中，地下水与大气圈、水圈与生物圈同时发生着水量和化 学成分的交换。 ■ 物理性质：温度、颜色、嗅、味、密度、导电性、放射性。 ■ 化学性质：气体成分、离子成分、胶体物 质、有机质等。 ■ 水是岩石中元素迁移、分散与富集的载体。研究许多地质作用时都不 能不涉及地下水的化学作用。 ■ 不同的用水目的在利用地下水时，对水的质量有一定要求 （如：饮用水、锅炉用水、地下水对混凝土的侵蚀性等） ■ 研究地下水的化学成分与作用必须与地下水的流动条件结合
摩尔百分数） ■分式后：水温（oC) ■特点是直观、表示简单也较全面，可以反映水的成因类
型（常用方法）
6.1 地下水的化学成分
一、地下水中常见的气体成分
■ 氧（O2）、氮（N2）、二氧化碳（CO2）硫化氢 （H2S）、甲烷（CH4）
常见气体成分与地下水所处环境和地下水来源有关
二、地下水中主要离子成分
■地下水中含量多的有七种离子 ● 阴离子： HCO3-、 SO42- 、 Cl阳离子： Ca2+ 、 Mg2+ 、 K+ 、 Na+
地下水是如何保持它的溶解能力的？
地下水的流动（交替）性：
■ 地下水的径流速度和交替强度（ V 与Q ）
●停滞与流动很缓慢的地下水，溶解能力最终会降为零，溶滤作用 停止。
●水如果流动速度快，水交替（更新）迅速，CO2，O2不断被补 充，低TDS水不断更新—溶解能力已降低的水
■如果某地区地下水流动很快，水交替（循环）迅速，溶 滤作用很强烈，长期作用下去，地下水水化学特征如何？
第6章 地下水及其对工程的影响_重庆大学_工程地质_课件
1) 水泥和骨料材料的选择 2) 掺入高效活性矿物掺料 3) 掺入高效减水剂 4) 掺加防腐剂 5）建筑混凝土内配钢筋应采用未锈蚀的新钢筋， 钢筋出露部分应做防锈处理。 6）建筑用型钢和钢管需要做防腐处理。
24
6.3 地下水对工程的影响 6.3.1 土的渗透性 地下水在岩土空隙中的运动称为渗流(渗透)。 砂土是粒状固体颗粒与孔隙的集合体，土孔隙的存 在给非结合水（主要是重力水）提供了在水头差作 用下发生渗流的可能条件。土的渗透性是指土体被 水渗透的能力，它是土体渗透性、强度和变形特性 三大主要性质之一，是土体有别于其他致密工程材 料如钢材和混凝土等的独特性质。土的渗透性和土 中渗流对土体的强度和变形性能局有重要影响。
5
3. 承压水 1）承压水的概念 承压水是充满于两个稳定隔水层之间的含水层中具有静水压力的重 力水，如未充满则称无压层间水。承压水有上下两个稳定的隔水层，上 面的称为隔水顶板，下面的称为隔水底板。顶、底板之间的垂直距离为 含水层的厚度。
6
2）承压水的埋藏类型 承压水的形成主要取决于地质构造。形成承压水的地质构造主要是 向斜构造和单斜构造。 a.向斜构造
6.2.2
地下水化学性质
地下水的化学成分可以影响岩土的强度，从 而造成对建筑工程的侵蚀及其他危害。 1.地下水中常见的成分 地下水含有多种元素，有的含量大，有的含量 甚微。地壳中分布广、含量高的元素，如O、Ca、 Mg、Na、K等在地下水中最常见。有的元素如Si、 Fe等在地壳中分布很广，但在地下水中却不多；有 的元素如Cl等在地壳中极少，但在地下水中却大量 存在。这是因为各种元素的溶解度不同的缘故。所 有这些元素是以离子、化合物分子和气体状态存在 于地下水中，而以离子状态为主。
25
1.达西渗透定律 达西(H．Darcy)于1856年用如图7-9的试验装置，在稳定流和层流 条件下，用粗颗粒土进行了大量的渗透试验，测定水流通过土试样单位 截面积的渗流量，获得了渗流量与水力梯度的关系，从而得到渗流速度 与水力梯度(或水头能量损失)和土的渗透性质的基本规律，即渗流的基 本规律——达西渗透定律。
24
6.3 地下水对工程的影响 6.3.1 土的渗透性 地下水在岩土空隙中的运动称为渗流(渗透)。 砂土是粒状固体颗粒与孔隙的集合体，土孔隙的存 在给非结合水（主要是重力水）提供了在水头差作 用下发生渗流的可能条件。土的渗透性是指土体被 水渗透的能力，它是土体渗透性、强度和变形特性 三大主要性质之一，是土体有别于其他致密工程材 料如钢材和混凝土等的独特性质。土的渗透性和土 中渗流对土体的强度和变形性能局有重要影响。
5
3. 承压水 1）承压水的概念 承压水是充满于两个稳定隔水层之间的含水层中具有静水压力的重 力水，如未充满则称无压层间水。承压水有上下两个稳定的隔水层，上 面的称为隔水顶板，下面的称为隔水底板。顶、底板之间的垂直距离为 含水层的厚度。
6
2）承压水的埋藏类型 承压水的形成主要取决于地质构造。形成承压水的地质构造主要是 向斜构造和单斜构造。 a.向斜构造
6.2.2
地下水化学性质
地下水的化学成分可以影响岩土的强度，从 而造成对建筑工程的侵蚀及其他危害。 1.地下水中常见的成分 地下水含有多种元素，有的含量大，有的含量 甚微。地壳中分布广、含量高的元素，如O、Ca、 Mg、Na、K等在地下水中最常见。有的元素如Si、 Fe等在地壳中分布很广，但在地下水中却不多；有 的元素如Cl等在地壳中极少，但在地下水中却大量 存在。这是因为各种元素的溶解度不同的缘故。所 有这些元素是以离子、化合物分子和气体状态存在 于地下水中，而以离子状态为主。
25
1.达西渗透定律 达西(H．Darcy)于1856年用如图7-9的试验装置，在稳定流和层流 条件下，用粗颗粒土进行了大量的渗透试验，测定水流通过土试样单位 截面积的渗流量，获得了渗流量与水力梯度的关系，从而得到渗流速度 与水力梯度(或水头能量损失)和土的渗透性质的基本规律，即渗流的基 本规律——达西渗透定律。
土木工程地质5-第六章地下水
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、粘性土）下粗 （砂砾）的二元结构，上层构成隔水层，下层为承 压含水层。
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。
上游
中游
下游
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 上部粘性土中潜水 下部砂砾石中承压水
此外，还有宁波市、常州市、苏州市、无锡市、嘉兴市、杭州市、台湾的屏东、彰化、云林、嘉义、 台中和台北等6个县（市），均发生了不同程度的地面沉降。
天 津 市 地 面 沉 降
天 津 市 地
面 沉
降
西 安 市 地 面 沉 降
西 安 市 地 面 沉 降
地面塌陷
渗透变形
1.流土(流砂)——在渗流作用下，局部土体表面隆起，或某一范围内土粒群同时 发生移动的现象。
潜水的补给 ——大气降水
潜水的补给 ——地表水的补给
河流补给潜水
潜水的排泄
⑴蒸发; ⑵泉的排泄； ⑶向地表水排泄； ⑷人为排泄。
潜水的排泄 ——泉
潜水的排泄 ——向地表水排泄
潜水补给河流
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
潜水与地表水的关系
潜水补给河流
河流补给潜水
单侧补给
承压水 埋藏并充满于两个隔水层之间的含水层
中承受水压力的重力水。
H1－初见水位 H2－承压水位
H－承压水头 h－承压水位埋深
承压水 (pressure water)的主要特征：
6第六章 地下水的化学成分及其形成作用
第六章 地下水的化学成分及其形成作用6．1 概 述地下水不是化学纯的H 2O ，而是一种复杂的溶液。
天然：人为：人类活动对地下水化学成分产生影响。
地下水的化学成分是地下水与环境、以及人类活动长期相互作用的产物。
一个地区地下水的化学面貌，反映了该地区地下水的历史演变。
水是最为常见的良好溶剂，可溶解、搬运岩土中的某些组分。
水是地球中元素迁移富集的载体。
利用地下水，各种行业对水质都有一定的要求→进行水质评价。
6．2 地下水的化学特征1．地下水中主要气体成分O 2 、N 2 、CO 2 、CH 4 、H 2S 等。
1）O 2 、N 2地下水中的O 2 、N 2主要来源于大气。
地下水中的O 2含量多→说明地下水处于氧化环境。
在较封闭的环境中O 2耗尽，只留下N 2，通常说明地下水起源于大气，并处于还原环境。
2）H 2S 、甲烷（CH 4）地下水中出现H 2S 、CH 4 ，其意义恰好与出现O 2相反，说明→处于还原的地球化学环境。
3）CO 2CO 2主要来源于土壤。
化石燃料（煤、石油、天然气）→CO 2（温室气体）→温室效应→全球变暖。
地下水中含CO 2愈多，其溶解碳酸盐岩的能力便愈强。
2．地下水中主要离子成分7大离子：Cl -、SO 42-、HCO 3-、Na +、K +、Ca 2+、Mg 2+。
低矿化水中（M<1 ~ 2g/L ）：HCO 3-、Ca 2+、Mg 2+为主（难溶物质为主）；发生化学反应岩石圈水圈交换化学成分中矿化水中（M=2 ~ 5g/L ）：SO 42-、Na +、Ca 2+为主； 高矿化水中（M>5g/L ）：Cl -、Na +为主（易溶物质为主）。
造成这种现象的主要原因是水中盐类溶解度的不同： １）Cl -主要出现在高矿化水中，可达几g/L ~ 100g/L 以上。
来源：① 来自沉积岩氯化物的溶解；② 来自岩浆岩中含氯矿物的风化溶解； ③ 来自海水；④ 来自火山喷发物的溶滤；⑤ 人为污染：工业、生活污水及粪便中含有大量Cl -，因此居民点附近矿化度不高的地下水中，如Cl -含量超过寻常，则说明很可能已受到污染。
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
d．承压水面的特征
承压水面即承压水的水压面，简称水压面。与潜水面不 同，而承压水面不是一实际存在的面。 承压水面的表示方法:等水压线图，即测压水位标高相 同点的连线。
6.2 地下水的分类及特征
潜水与承压水的比较
潜 水 承压水 定 埋藏在第一个隔水层之上 埋藏在上下两个隔水层之间， 义 的地下水 承受一定压力的地下水 补 大气降水和地表水 潜水 给
v 渗透速度(m/d)
k 渗透系数
I 0 初始水力坡度
6.4 地下水对土木工程的影响
对土木工程不良影响的地下水包括毛细水和重力水．
6.4.1毛细水对土木工程的影响
毛细水主要存在于直径为0.5~0.002mm大小的孔隙中。 毛细水对土木工 程的影响主要有：
1. 产生毛细压力:对于砂性土特别是细砂、粉砂，由于毛细压 力作用使砂性土具有一定的粘聚力（称假粘聚力）。
饱水带水与包气带水的分界面就是潜水面，如水井水面、 泉水面。潜水面不是一个平面，而是一个凹凸不平的起伏面， 常随地形的起伏而相应起伏。潜水在重力的作用下一般从高 处往低处流，以近水平方向流动为主。
6.2 地下水的分类及特征
b.潜水面的形状及其影响因素潜水面的形状潜水面地下水的运动方向
6.2 地下水的分类及特征
6.2 地下水的分类及特征
地下水的分类有两种：一种是根据地下水的某种单一的 因素或某一种特征进行分类，如按硬度分类、按地下水起源 分类等；另一种是根据地下水的若干特征综合考虑进行分类， 如按地下水埋藏条件分类。
6.2 地下水的分类及特征
6.2.1地下水按起源的分类
渗入水 凝结水-绝对湿度 埋藏水 岩浆水 饱和湿度
(5) 味道
地下水味道主要取决于地下水的化学成分。含NaCl的水 有咸味；含CaCO3的水清凉爽口；含Ca(OH)2和Mg(HCO3)2 的水有甜味，俗称甜水；当MgCl2和MgSO4存在时，地下水 有苦味。
6.1 地下水的物理性质和化学成分
6.1.2地下水的化学成分
地下水中含有各种气体，离子，胶体物质及有机物质 等．自然界中存在的元素，绝大多数已经在地下水中发现．
6.2 地下水的分类及特征
6.2.2地下水按埋藏条件和含水性质分类
1.按地下水埋藏条件分类
分为包气带水、潜水和承压水．
2.按含水层的性质分类
分为孔隙水、裂隙水、岩溶水（喀斯特水）
Pore water（孔隙水）
Fracture water（裂隙水）
6.2 地下水的分类及特征
表6.2.1地下水分类表 地下水 孔隙水 土壤水及季节性的 局部隔水层以上的 重力水 各种成因类型的松 散沉积物中的水 由松散沉积物构成 的山间盆地、山间 平原及平原中的深 层水 裂隙水 裂隙岩层中局部隔水 层上部季节性存在的 水 裸露于地表的裂隙岩 层中的水 构造盆地、向斜或单 斜构造中层状裂隙岩 层中的水、构造破碎 带中的水、独立裂隙 系统中的脉状水 岩溶水（喀斯特水） 可溶岩层中季节性 存在的悬挂水 裸露的可溶岩层中 的水 构造盆地、向斜或 单斜构造的可溶岩 层中的水
6.1 地下水的物理性质和化学成分
(3)透明度
地下水多半是透明的。当水中含有矿物质、机械混合物、 有机质及胶体时，地下水的透明度就改变。可分为透明的、 微浑的、浑浊的、极浑浊的几种。
(4)气味
地下水一般无味，但当其中含有一些特定成分时，具有 一定的气味。如含腐植质时，具“沼泽”味；含硫化氢时具 有臭鸡蛋味。
6.2 地下水的分类及特征
承 压 井 湖 自 流 井 潜 水 井
潜水
隔水层
承压水 隔水层
6.2 地下水的分类及特征
b.承压水的蓄水构造
是指能够储存地下水的地质构造，即含水层与隔水层 相互组合而形成的储存地下水的地质环境． 承压水蓄水构造分为三个组成部分，即补给区、承压区、 Pressure-bearing 排泄区．
6.4 地下水对土木工程的影响
2. 地下水位下降引起的岩土工程问题
(1)地表塌陷
(2)地面沉降 (3)海（咸）水入侵 (4)地裂缝的产生与复活 (5)诱发不良地质现象 (6）地下水源枯竭、水质恶化
6.4 地下水对土木工程的影响
3. 地下水的渗透破坏
(1)潜蚀
渗透水流在一定水力坡度条件下产生较大的动水压力冲 刷、挟走细小颗料或溶蚀岩土体，使岩土体中孔隙不断增大， 甚至形成洞穴，导致岩土体结构松动或破坏，以致产生地表 裂隙、塌陷、影响工程的稳定。
(ⅱ)等水位线图法：绘制等水位线。 根据等水位线图可以确定：潜水流向、潜水水力坡度、 潜水与河水的补排关系、潜水含水层厚度、潜水埋藏深度、 地下水取水工程位置以及推断含水层岩性或厚度的变化。
6.2 地下水的分类及特征
6.2 地下水的分类及特征
(2)承压水
a.概念
是指埋藏在两个稳定隔水层之间的含水层中具有静水压 力的重力水，故又称无压层间水。在适宜的地形条件下，当 钻孔打到含水层时，水便喷出地表，形成自喷水流，故又称 为自流水． 特点：a.补给区与分布区不一致；b.污染小，水质好； c.动态变化小，蒸发量小；d.排泄方式；e.承压水形成的有 利构造：（山有多高，水有多高）向斜﹑单斜。 承压水受两隔水层所限，位置低的水体受位置高的水体 的静压力，这种压力常称水头压力。承压水的运动一般为从 补给区流向排泄区。
包气带水
潜水
承压水
6.2 地下水的分类及特征
6.2.3各类地下水的特征
（1）包气带水 是指埋藏在包气带中的地下水。包气带意指岩 石空隙未被地下水充满的地带。分为土壤水、上层 滞水和毛细水.
上层滞水一般特点：分布范围小，厚度小，水 量少；大气降水或凝结水补给；以蒸发或沿隔水层 外缘外泄；动态不稳，季节性变化大；易污染． 包气带中的地下水以吸着水、薄膜水、毛细水 为主，而重力水较少。包气带水主要作垂直方向上 的运动，如重力水常由上向下运动、毛细水由下向 上运动。
1.地下水中主要气体成分
O2、N2、H2S、及CO2等。一般情况下，地下水中气体 含量不高，每公升水中只有几毫克到几十毫克。
2.地下水中主要离子成分
地下水中分布最广、含量较多的离子共七种，即：氯离 子、硫酸根离子、重碳酸根离子、钠离子、钾离子、钙离子 及镁离子。
3.地下水中主要离子成分
SiO2 Fe(OH)3 Al(OH)3
6.4 地下水对土木工程的影响
产生的条件:
（1）岩土性质：潜蚀一般是在颗粒大小极不均匀的岩土中发 生的。
（2）水动力条件：潜蚀的发生必须具有较大的水头梯度，这 种水头梯度又是由水动力条件来决定的。 （3）具有释放潜蚀颗粒的空间 防治措施: (1)降低水力坡度 (2)反滤层
6.4 地下水对土木工程的影响 (2)流砂
6.3 地下水的运动规律
6.3.1 达西定律－线性渗透定律
1856年，法国水力学家达西通过大量的实验，得到地下 水线性渗透定律，即达西定律：
Q kAi i ( H1 H 2 ) / L
(6.3.1) (6.3.2)
式中Q——单位时间内的渗透流量(出口处流一即为通 过砂柱各断面的流量),m3/d; A——过水断面面积,m2 H1——上游过水断面的水头,m; H2——下游过水断面的水头,m; L——渗透途径（上下游过水断面的距离），m； i——水力坡度（即水头差除以渗透途径）； k——渗透系数，m/d。
排 蒸发，出露为泉 出 ①有自由水面 主 ②水从高处向低处渗流 要 ③水量不稳定 特 ④埋藏较浅、水质易受污 征 染
转化为潜水，出露为泉
①有承压水面，承受压力 ②水的运动取决于压力大小， 可从低处向高处渗流 ③水量较稳定 ④埋藏较深、水质不易受污 染
6.3 地下水的运动规律
广义角度讲，地下水的运动包括包气带水的运动和饱水 带水的运动两大类． 渗流:地下水在岩土空隙中的运动,也称为渗透。 层流运动：在岩土空隙中渗流时，水质点的有秩序的， 互不混杂的流动。 紊流运动：水的质点无秩序的，互相混杂的流动。作紊 流运动时，水流所受阻力比层流状态大，消耗的能量较多。 在宽大的空隙中，水的流速度较大时，容易呈紊流运动。
第六章 地下水
内容提要 一．地下水的物理性质和化学成分 二．地下水的分类和特征 三．地下水的运动规律 四．地下水对土木工程的影响
地下水的基本概念：
地下水(ground water)：存在于地壳岩石裂隙 或土壤空隙中的水，即广泛埋藏于地表以下的各种 状态的水，统称为地下水．
6.1 地下水的物理性质和化学成分
6.6.1地下水的物理性质
1.地下水的温度
地下水的温度受气候和地质条件的控制。分为过冷水 （<0℃）、冷水（0-20℃）、温水（20-42℃）、热水（42100℃）、过热水（>100℃）几种。
2.地下水的颜色
决定于化学成分及悬浮物。如，含H2S的水为翠绿色； 含Ca2+、Mg2+离子的水为微蓝色；含Fe2+的水为灰蓝色；含 Fe3+的水为褐黄色；含有机腐植质时为灰暗色。含悬浮物的 水，其颜色决定于悬浮物。
流砂得指松散细少颗粒土被地下水饱和后，在 动水压力即水头差的作用下，产生的悬浮流动现象。
6.4 地下水对土木工程的影响
流砂的形成条件
（1）水动力条件：地下水动水压力必须大于颗粒在水中重量 ，才能使颗粒悬浮起来而产生流砂现象。 （2）土石结构：多发生在土体较疏松，孔隙度较大的松散土 中。 （3）胶体颗粒：流砂层土石中是否有胶体颗粒存在是判断真 、假流砂的关键因素。
6.2 地下水的分类及特征
图6.2.1 潜水、承压水和上层滞水
6.2 地下水的分类及特征
土壤水 潜水 埋藏 深度
上层滞水 毛细带水 潜水面 潜水
潜水含水 层厚度
隔水底板
6.2 地下水的分类及特征
(2)潜水
a.概念
潜水是埋藏在饱水带中地表以下第一个具有自由水面的 含水层中的重力水，也称饱水带水。其自由表面称潜水面。 特点：a.赋存方式（有底无顶）；b.补给方式（大气﹑ 江河）；c.排泄方式；d.稳定性；e.易污染