第五章 地下水
第五章 地下水
裂隙主要是地壳运动对岩石造成破坏而形成的，岩石成岩时及在地表 遭受风化也会形成裂隙。 岩石的裂隙率一般比松散泥积物的孔隙率小得多。裂隙率常小于3%
溶隙：溶隙是可溶岩（如石灰岩）在地下水流长期溶蚀下形
成的空隙
溶隙率
Vk nk 100% V
5.1.1 地下水及含水层
①岩浆岩中成岩裂隙水发育 ②多为层状裂隙水，在一定范围内互相连通； ③多属潜水，也可是承压水；
构造裂隙水 特征：
①构造应力分布均匀，形成层 状构造裂隙水；构造应力分布 不均匀，形成脉状构造裂隙水 ②可以是潜水，也可是承压水 ③渗透性各向异性；
脉状裂 隙水 层状裂 隙水
岩溶水
赋存和运移于可溶岩（如石灰岩、白云岩、大理岩、石 膏、岩盐等）的溶隙溶洞（洞穴、管道、暗河）中的地 下水，又称喀斯特水。
主要胶体成分
a.以碳、氢、氧为主的有机质通常以胶体方式存在于地下水中； b.很难以离子状态溶于水的化合物也以胶体形式存在于地下水中， 主要有Fe(OH)2、Al(OH)3、SiO2
岩石中的裂隙具有一定的方向性，因而裂隙岩石的导水性具有 明显的各向异性
按成因分为： 风化裂隙水、成岩裂隙水、构造裂隙水 风化裂隙水 特征：
①多为层状裂隙水； ②水平方向透水性均匀，垂直 方向随深度减弱； ③多属潜水，也有上层滞水； ④大气降水补给；明显季节性 循环交替；以泉的形式排泄
成岩裂隙水
特征：
正地形
负地形
5.2.4 孔隙水、裂隙水及岩溶水
孔隙水
—广泛分布于第四纪松散沉积物中的地下水
潜水深埋带 溢出带 下沉带
洪积物中地下水
冲积物中地下水
上游：厚度不大，由河水补给，水量丰富水质好 中游：上层构成隔水层，下层为承压水 下游：上部通常为埋藏很浅的潜水，下部为多层承压水
工程地质学第五章-地下水
硬 度
M C2 2 a g 2 H3 C O M Ca3 3 g C C H 2 O O O C2 O
2021/永8/2 久硬度：煮沸时未发生碳酸盐沉淀的那部分Ca2＋、Mg2＋含量 44
②根据硬度对地下水进行分类：
极软水、软水、微硬水、硬水、极硬水
5、地下水的侵蚀性
地下水对混凝土的侵蚀破坏类型包括分解性侵蚀、结晶性侵蚀和分解结晶
如挖排水、截水沟，筑挡水坝，开凿输
水隧洞改道等等。
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5、泉：地下水在地表的天然出露
泉的类型按补给源可分为三类：包气带泉、潜水泉、 自流水泉，按水头性质分为上升泉和下降泉，按出露 原因分为侵蚀泉、接触泉和断层泉。
河谷切割到潜水含水层时，潜水出露成侵蚀下降泉。河 谷切穿承压含水层的隔水顶板时，承压水喷涌成泉，称 为侵蚀上升泉。透水性不同的岩层接触，地下水沿接触 面出露称为接触泉。断层使承压含水层被隔水层阻挡， 当断层导水时沿地面出露的承压水称为断层泉。
隔水层(aquiclude)： 不透水但可含水的岩土层。
含水层的形成条件：
一是岩石中要有空隙存在，并充满足
够数量的重力水；二是这些重力水能够在 岩石空隙中自由运动。
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3、岩土的水理性质
1.含水性
• 容水度:岩土空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。
C、H、O为主的有机质
2、氢离子浓度
氢离子浓度是指水的酸碱度，用PH值表示：PH = lg[H+]
根据PH值可将地下水分为5类：
强酸性水、弱酸性水、中性水、弱碱性水、强碱性水
20地21/下8/2水的氢离子浓度为一般酸性侵蚀指标。
工程地质 第5章 地下水及其对工程的影响
断面1
断面2
Q O
h L
H1 H2
O’
A
5.5 地下水运动与动态
二、地下水向集水建筑物运动的计算
基坑开挖时，流入 坑内的地下水和地表水 如不及时排除，会使施 工条件恶化、造成土壁 塌方，亦会降低地基的 承载力。施工排水可分 为明排水法和人工降低 地下水位法两种。
5.5 地下水运动与动态
<4.2 4.2～8.4 8.4～16.8 16.8～25.2
>25.2
meq／L
<1.5 1.5～3.0 3.0～6.0 6.0～9.0
>9.0
mol／L
<7.5×10－4 7.5×104～1.5×108 1.5×10－3～3×10－3 3×10－3～4.5×10－3
>4.5×10－3
5.4地下水分类
1 岩土的空隙性
概念：将岩土空隙的大小、多少、形状、连通程度，以及分布 状况等性质统称为岩土的空隙性。
5.2 地下水的基本概念
1 岩土的空隙性
意义：是地下水赋存场所和运移通道，其多少、大小及其分布规 律，决定着地下水的分布与运动特点
分类：岩土空隙的成因不同
孔隙
裂隙
溶隙
5.2 地下水的基本概念
5.1 概述
1 什么叫地下水
赋存和运移于地面以下岩石空隙中的水。狭义上指赋存于地下水面以下饱和含 水层的水。
2 地下水的功能
地下水是一种宝贵的资源
不工
地下水是地球内部地质演变的信息载体
良程 地地
质质
地下水是极其重要的生态环境因子
现问 象题
地下水是一种很活跃的地质营力
5.2 地下水的基本概念
第五章地下水环评导则与相关环境标准
第五章地下水环境影响评价技术导则与相关水环境标准第一节环境影响评价技术导则一地下水环境1《环境影响评价技术导则一地下水环境》（HJ 610-2011 ）适用于以地下水作为供水水源及对地下水环境可能产生影响的建设项目的环境影响评价。
规划环境影响评价中的地下水环境影响评价可参照执行。
2建设项目分为三类：（l）I 类：指在项目建设、生产运行和服务期满后的各个过起中，可能造成地下水水质污染的建设项目：（2）II 类：指在项目建设、生产运行和服务期满后的各个过程中，可能引起地下水流场或地下水水位变化，并导致环境水文地质问题的建设项目：（3）III类：指同时具备I 类和II 类建设项目环境影响特征的建设项目。
3根据不同类型建设项目对地下水环境影响程度与范围的大小，将地下水环境影响评价工作分为一、二、三级。
4地下水环境影响评价的基本任务包括：（l）进行地下水环境现状评价；（2）预测和评价建设项目实施过程中对地下水环境可能造成的直接影响和间接危害（包括地下水污染、地下水流场或地下水位变化），（3）并针对这种影响和危害提出防治对策，预防与控制地下水环境恶化，保护地下水资源，为建设项目选址决策、工程设计和环境管理提供科学依据。
5四个工作程序：地下水环境影响评价工作可划分为准备阶段、现状调查与工程分析阶段、预测评价及报告编写阶段。
6各阶段主要工作内容（I）准备阶段搜集和研究有关资料、法规文件：了解建设项目工程概况：进行初步工程分析；踏勘现场，对环境状况进行初步调查：初步分析建设项目对地下水环境的影响，确定评价工作等级和评价重点：在此基础上编制地下水环境影响评价工作方案。
(2）现状调查与工程分析阶段开展现场调查、勘探、地下水监测、取样、分析、室内外试验和室内资料分析等，进行现状评价工作，同时进行工程分析。
(3）预测评价阶段进行地下水环境影响预测：依据国家、地方有关地下水环境管理的法规及标准，进行影响范围和程度的评价。
(4）报告编写阶段综合分析各阶段成果，提出地下水环境保护措施与防治对策，编写地下水环境影响专题报告。
第五章 地下水的动态与均衡
的周期性变化，其中季节性变化的影响最大。
地下水动态的 季节变化图。
地下水动态的多年变化图。
（2）水文因素的影响 水文因素的影响，主要是地表水体与地下水的关系。分三 种情况：
a.地表水长期补给地下水；
b.地表水长期排泄地下水（地下水补给地表水）； c.丰水期地表水补给地下水，枯水期地下水补给地表水。 当地表水补给地下水时，地下水位的升高并非在瞬间完成， 而是有一个过程，这种现象称为滞后现象。
（1）确定均衡区。 主要是确定均衡区的范围及边界的位置与性质。 均衡区最好是一个相对独立的地下水系统。均衡区的边界 最好是自然边界。
（2）确定均衡期
一般取一个水文年。 （3）通过野外测定或计算的方法，确定出地下水各均衡要素 值。 （4）通过区域水均衡计算，确定出区内地下水的均衡状态。
一、总的水均衡方程式 水量均衡方程的基本思想是：在均衡期中，均衡区内的 地下水的各种收（+）、支（－）项的代数和等于含水系统 （含水层）中储存水量的变化量。 设某一地区天然状态下： 收入项为A，包括：大气降水量（X）、地表水流入量 （Y1）、地下水流入量（W1）、水汽凝结量（Z1）；
二、地下水动态的形成机理 单次降雨脉冲产生的响应。
多次降雨脉冲的叠加，左图波峰与波峰的叠加，产生更 大的波峰；右图波峰与波谷的叠加产生平缓的复合波形。
Hale Waihona Puke 三、地下水动态的影响因素影响含水系统中地下水动态的因素有两大类，即
外部因素（环境因素）和内部因素。
外部因素包括：气候、水文及人为因素，如大气
降水、地表水、人工补给与排泄和地应力等。
（3）查明各含水层之间的水力联系时，可分层布置观测孔。 （4）需要获得边界地下水动态资料时，观测孔宜在边界有 代表性的地段布置 （5）查明污染源对水源地地下水的影响时，观测孔宜在连 接污染源和水源地的方向上布置。 （6）查明咸水与淡水分界面的动态特征（包括海水入侵）
第五章 地下水的化学成分及其形成
第1节 地下水的化学成分
• 特点 • 水迁移能力很强，但次于Cl-； • 含量由数mg/L~数十g/L。 重碳酸根离子（HCO3-） • 来源 • 来自含碳酸盐的沉积岩与变质岩（如大理岩） CaCO3+ H2O+CO2→2HCO3-+Ca2+ MgCO3+ H2O+CO2→2HCO3-+Mg2+ • 岩浆岩与变质岩地区，主要来自铝硅酸盐矿物 的风化溶解
第1节 地下水的化学成分
细菌成分：如氧化环境中存在的硫细菌、铁细菌； 还原环境中存在的脱硫细菌； 污水中的各种致病细菌等 • 分病源菌和非病源菌 • 细菌分析结果的表示： • 细菌总数：每毫升水或每升水中的细菌总数 • 菌度：含有一条大肠杆菌的水的毫升数 • 检定量：1升水中大肠杆菌的总数
第2节 地下水的主要物理化学性质
第1节 地下水的化学成分
• O2与N2共存---来源于大气并处于氧化环境 • N2单独存在---来源于大气并处于还原环境 • 大气中惰性气体（Ar, Kr, Xe）与N2的比值： （Ar, Kr, Xe）/ N2 = 0.0118 ， 则N2是大气起源 （Ar, Kr, Xe）/ N2 ＜ 0.0118，则N2是生物或变 质起源
第1节 地下水的化学成分
微量组分：Br、I、F、B、Sr等 胶体成分：未离解的化合物，颗粒直径10-7~10-5 主要的有：Fe（OH)3、Al（OH)3 及 HsiO3等 还有：CaCO3、MgCO3 各种硫化物：PbS，CuS，CdS等 有机质胶体 粘土质胶体 胶体的形成： 物理风化使矿物机械破碎磨细形成； 急剧化学反应使溶液过饱和并形成许多结晶中心， 但未来得及结晶而形成。
第3节 地下水化学成分的形成作用
第五章 地下水污染
5.1.3污染源、污染物及污染途径
5.1.3.3地下水污染途径 （１）污染方式 地下水的污染方式可分为直接污染及间接污染两种 直接污染：地下水中污染组分直接来源于污染源，污 染组分在迁移过程中．其化学性质没有任何改变，是地 下水污染的主要方式 间接污染：地下水的污染组分在污染源中的含量并不 高，或低于附近的地下水，或该污染组分在污染源里根 本不存在，它是污水或固体废物淋滤液在地下迁移过程 中，经复杂的物理、化学及生物反应后的产物
5.1.3污染源、污染物及污染途径
5.1.3.3地下水污染途径 （2）污染途径 Ｃ越流型
一种是潜水污染承压水。通道有：弱透水的隔 水层顶板直接流入、承压含水层顶板的“天窗” 流入、止水不严的套管与孔壁的间隙向下漏入、 未封填死的废弃钻井流入。
被污染的 潜水含水 层向承压 含水层越 流示意图
5.1.3污染源、污染物及污染途径
5.1.3.3地下水污染途径 （2）污染途径 Ｃ越流型
另一种是承压水污染潜水。通道与上一种情况 基本相同。
深层咸水向 上越流通道 示意图
5.1.3污染源、污染物及污染途径
5.1.3.3地下水污染途径 （2）污染途径 Ｄ注入径流型
一种是工业废水地下处理时的地下径流。
由排污井直接注入废水示意图
5.1.3污染源、污染物及污染途径
5.3.1 地下水资源的保护措施 5.3.1.1 防止地下水污染的技术措施 （一）一般性技术措施 3)预防地下水管道渗漏，必要时应建立各 种防渗幕，防止污水渗入地下水中。
工厂下面的层状排水防渗装置
环状防渗幕
5.3.1 地下水资源的保护措施 5.3.1.1 防止地下水污染的技术措施 （一）一般性技术措施 4)废渣必须妥善存放，废渣坑应附底，且坑底 不能低于地下水面；矿山的尾砂矿应尽量堆放在 与含水层隔绝的废矿坑中。 5)污水灌溉农田时必须注意当地条件，只有包 气带土层厚度大，透水性差时才能污灌，要严格 控制污灌量 6)含水层中若已形成危害性大的严重污染带时， 可以采取堵塞成截流措施以限制污染范围。采用 截流装置时，应考虑所排出污水的出路，不允许 将抽出的污染水任意排向地表水体。
第五章 地下水
§5.2 地下水类型及其主要特征
地下水按埋藏条件可分为三大类：即包气带水、 潜水、承压水 。根据含水层的空隙性质，地下水可分为 三个亚类：孔隙水、裂隙水、岩溶水。
二、地下水及含水层 1. 基本概念
地下水的来源：大气降水。降落的水分，一部分渗
入地下，另一部分沿地面汇集于低处，成为河流、湖泊、 海洋的地表水，而地表水也可以通过岸边或谷底渗入地 下。这些渗入的水，就是地下水的主要补给来源。
地下水：存在于地壳表面以下岩土空隙（如岩石裂
隙、溶穴、土孔隙等）中的水称为地下水。
§5.1 地下水概述
一、地下水的地质作用 地下水能降低岩上强度和地基承载力； 对砂性土、粉性土产生潜蚀作用，破坏土体的 结构； 会使粉细砂和粉性土产生流砂现象，影响建筑 物和地下设施的稳定性，甚至引起破坏，同时 给地下工程施工带来许多麻烦; 当深基坑下部有承压水时，若不降低承压水头 压力，可能会冲毁坑底土体造成突涌危害; 地下水对其水位以下的岩土会产生静水压力作 用； 有些地下水会腐蚀钢筋混凝土。
▲矿化度：地下水中所含各种离子、分 子与化合物的总量称为矿化度，以g/L表示。 习惯上用105～110℃温度将地下水样品 蒸干后所得的干涸残余物总量来表示矿化度。 可以将分析所得阴阳离子含量相加，求得 理论干涸残余物总量。
注意: 由于在蒸干时有将近一半的HCO3-了分解 生成CO，及H2O而逸失。所以，阴阳离子相加 时， HCO3只取重量的50％。
毛细水对建筑工程的意义主要有：
（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）。
第5章 地下水
第二节 地下水类型及其主要特征
3. 承压水的补给与排泄 承压水的补给源有大气降水、地表水及潜水； 承压水的排泄方式有：向潜水排泄、泉的排泄及向地表 水排泄。 4. 承压水对工程建设的影响 （1）良好的城市供水水源； （2）基坑突涌； （3）排水比较困难，井深，范围广，水量大。
运动多属于非层流运动。
第二节 地下水类型及其主要特征
地下水按照埋藏条件可以分为包气带水、潜水和承压水 三类；按照含水层的空隙性质可分为孔隙水、裂隙水和岩溶 水三类。
第二节 地下水类型及其主要特征
5.2.1 包气带水 处于地表面以下潜水位以上的包气带岩土层中，包括土 壤水、沼泽水、上层滞水以及基岩风化壳(粘土裂隙)中季节 性存在的水。主要特征是受气候控制，季节性明显，变化大， 雨季水量多，旱季水量少，甚至干涸。包气带水对农业有很 大意义，对工程建筑有一定影响。
第二节 地下水类型及其主要特征
承压斜地
第二节 地下水类型及其主要特征
承压含水层在同一区域内均可在不同深度有着若干层 同时存在的情况，它们之间的水头高度与地形和构造二者 有关。 当地形和构造一致时称为正地
形。下部含水层压力高，若有裂隙
穿透上下含水层，下部含水层的水 通过裂隙补给上部含水层。如山东
济南的承压斜地，地下水通过近20m厚的第四系覆盖层出
水下施工。若潜水对施工有危害，宜用排水、降低水位、隔离(包括冻结法
等)等措施处理。
第二节 地下水类型及其主要特征
5.2.3 承压水 承压水是指埋藏并充满在两个稳定隔水层之间的含水层 中的地下水，是一种有压重力水。
第二节 地下水类型及其主要特征
1. 承压水的形成 最适宜形成承压水的地质构造有向斜构造盆地和单斜构 造。 承压盆地 此类承压水的水 位受到气候及地形的 控制，往往有较好的 径流条件。
工程地质学第5章地下水课件
5.2 地下水的类型
5.2.1 地下水按埋藏条件分类及其特征 2.潜水
（3）潜水面的表示方法和意义
潜水面的形态和特征通常可以用等水位线图和水文地质剖面图来表示。
5.2 地下水的类型
潜水等水位线图就是潜水面上标高相等各点的连线图，绘制时将 研究地区的潜水人工露头和天然露头的水位等高的各点即为等水位线 图。它有以下用途：
5.3 地下水的性质 5.3.2 地下水的化学性质
5.3 地下水的性质
5.3.2 地下水的化学性质
2.地下水的化学性质 （1）地下水的酸碱性
地下水类型 强酸性水 弱酸性水 中性水 弱碱性水
pH值
＜5
5～7
7
7～9
强碱性水 ＞9
（2）地下水的总矿化度 地下水所含各种离子、分子及化合物的总量称为总矿化度，以g/L表示。
5.1 地下水的基本概念
5.1.2 含水层与隔水层 表5-3 常态下岩石的透水程度
5.2 地下水的类型及其特征
按照地下水的埋藏条件可分为三大类： ➢ 包气带水 ➢ 潜水 ➢ 承压水；
按照含水介质类型可分为三大类： ➢ 孔隙水 ➢ 裂隙水 ➢ 岩溶水
地下水的综合分类
含水介质
类型
孔隙水
裂隙水
岩溶水
5.2 地下水的类型
5.2.2 地下水按含水介质类型分类及其特征
2.裂隙水
赋存并运移于各种岩溶空隙中的地下水称为岩溶水（喀 斯特水）。岩溶水，可以是潜水也可以是承压水。一般来说， 在裸露的石灰岩分布区的岩溶水主要是潜水；当岩溶化岩层 被其他岩层所覆盖时，岩溶潜水可能转变为岩溶承压水。
在土木工程建筑地基内有岩溶水活动,不但在施工中会 有突然涌水事故发生，而且对建筑物的稳定性也有很大影响。 因此，在建筑场地和地基选择时应进行工程地质勘察，针对 岩溶水的情况，用排除、截源、改道等方法处理，如挖排水 沟，筑挡水坝，开凿输水隧洞改道等等。
河北工程大学 土木工程学院 工程地质 第五章_地下水
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6. 构造裂隙水
●其发育程度既取决于岩石本身的性质，也取决于 边界条件及构造应力分布等因素。 ●分为层状构造裂隙水和脉状构造裂隙水。 ●可以是潜水，也可以是承压水 ●裂隙各有自己独立的系统：补给源、径流及排 泄条件，水位不一致。 ●渗透性常常显示各向异性。 26
5
3.
重力水-----受重力控制的地下水
当岩石、土层的空隙完全被水饱和时，粘 土颗粒之间除结合水以外的水都是重力水，它 不受静电引力的影响，而在重力作用下运动， 可传递静水压力。
重力水的工程意义：
静水压力 动水压力 浮托力 溶解能力--岩土产生化学潜蚀
6
☆ 含水层：能够给出并透过相当数量 重力水的岩层或土层，称为含水层。 ☆ 隔水层：是指那些不能给出并透过 水的岩层、土层，或者这些岩土层给出与透 过水的数量是微不足道的。 ☆构成含水层的条件： 1.岩土中要有空隙存在，并充满足够数 量的重力水； 2.这些重力水能够在岩土空隙中自由运 动。
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▲矿化度：地下水中所含各种离子、分子 与化合物的总量称为矿化度，以g/L表示。 习惯上用105～110℃温度将地下水样品蒸 干后所得的干涸残余物总量来表示矿化度。 可以将分析所得阴阳离子含量相加，求得 理论干涸残余物总量。
注意: 由于在蒸干时有将近一半的HCO3-了分解生 成CO，及H2O而逸失。所以，阴阳离子相加时， HCO3 只取重量的50％。
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自流水泉（上升泉）：主要靠承压水补给， 动态稳定，年变化不大，主要分布在自流盆地 及自流斜地的排泄区和构造断裂带上。
33
§5.3 地下水的性质
一、地下水的物理性质 地下水的物理性质有：温度、颜色、透明 度、气味、味道、导电性及放射性。 地下水物理性质的研究，使我们能初步了 解地下水的形成环境、污染情况及化学成分， 这为利用地下水提供了依据。
5第五章地下水运动的基本规律
第五章地下水运动的基本规律5. 1 港流基本概念渗流一地卞水在岩石空隙中的运动称为渗流（渗透，地下径流）。
渗流场一发生渗流的区域。
层流运动——水的质点作有秩序的、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。
稳定流一各个运动要素（水位、流速、流向等）不随时间改变的水流运动。
非稳定流——运动要素随时间变化的水流运动。
地卜•水总是从能量校高处流向能量较低处。
能态差异是地卜水运动的驱动力。
地下水的机械能包括动能和势能，水力学中用总水头（hydiaulic head）H表示，水总是从总水头高的地方流向总水头低的地方。
5. 2重力水运动的基本规律1.达西定律（Darcy'sLaw）1856年达西通过实验得到达西定律。
实验在砂柱中进行（P36：图4-1），根据实验结果（流量）：Q=KA（H r H2）/L=KAI（5.1）式中：Q为渗透流童（出口处流量，即通过砂柱各断面的体枳流量）：A为过水断面的面积（砂柱的横断面积，包括砂颗粒和孔隙面积）；Hi比分别为上、卜•游过水断面的水头：L为渗透途径（上、卜•游过水断面的距离）：图5. 1I为水力梯度;达西实验装置示意图（据Bear, 1979）K 为渗透系数。
由水力学：Q=vA达西定律也可以另一种形式表达（流速）: 由公式（5.1）及Q=\A 得：v=KI式中：£ --- 渗透流速，m/d, cm/s ；K ----- 渗透系数，m/d, cm/s ：I —水力梯度，无量纲（比值）。
具体到实际问题：计算流量:H _ HQ = Kw ------- (单位一•般为：m 3/d, L/s)L微分形式:式中：负号表示水流方向与水力梯度方向相反，水流方向（坐标方向）：由水位高一 低: 而水力梯度方向：由等水位线低一高。
或V = -KVH ,式中：K 一为渗透系数张最:gradH = 二更i+更了+更二西。
da dy &L若用标量表示，V 的三个分最分别为:得到 v=Q/A （对地下水也适用）(5.2)(5.3)v=-KdHK. —k = -KgradH ■ dz在三维空间中（向量形式）:Vy= ~K - dy—K 罗**■ dz2. 渗透流速（V ） （seepage velocity, Daicy velocity ）与实际流速（u ）渗透流速一水流通过整个过水断面（包括砂砾和孔隙）的流速。
工程地质学第五章-地下水
• • •
• Darcy定律适合于层流（砂土）。
5.2 地下水类型及其主要特性
地下水按埋藏条件可分为三大类：即包气带
水、潜水、承压水；
根据含水层的空隙性质地下水可分为孔隙水、 裂隙水、岩溶水。 通过这两种分类的组合，可得九类不同特点 的地下水。见教材p124。
裂隙水
孔隙水
含水层
承压水井 自流水井 潜水井 承压水位 潜 水 位
6、 地下水的循环：补给、排泄
上层滞水循环：大气降水补给，垂直蒸发、下渗排泄。 潜水补给： 大气降水，地表水的补给，含水层之间的补给①越流 补给②直接补给，凝结水，人工补给。 潜水排泄：蒸发，泉的排泄，地表水排泄，人为排泄。 承压水补给：大气降水，地表水，潜水。 承压水排泄：潜水排泄，泉的排泄，地表水排泄。
承压水面上高程相等点的连线图
用途：流向，水力坡度，初见水位，水位埋深，水头
5.3 地下水的性质
一、地下水的物理性质
1、温度：主要受气候条件和地热控制
由于地下水形成的环境不同，其温度变化范围很大； 常随埋藏深度不同而异，埋藏越深、水温越高。 纯净的地下水是无色的，当含有某些化学成分或悬浮物质时， 2、颜色： 会带有一定颜色。 纯净的地下水是透明的，但含有有机质、矿物质及胶体时， 3、透明度： 地下水将变得浑浊不清。 地下水一般是无嗅无味的，当含有气体或有机质时，会具有特殊 4、气味：
特点：空间分布极不均匀，动态变化强 烈，流动迅速，排泄集中。
在土木工程建筑地基内有岩溶水活 动，不但在施工中会有突然涌水的事故 发生，而且对建筑物的稳定性也有很大 影响。因此，在建筑场地和地基选择时 应进行工程地质勘察，针对岩溶水的情 况，用排除、截源、改道等方法处理， 如挖排水、截水沟，筑挡水坝，开凿输 水隧洞改道等等。
地下水的补给、排泄与径流
– 强径流带的意义
• 三、径流强度、居留时间和水质的关系
地下水的补给、排泄与径流
四、地下水径流量计算
1. 地下水径流模数（Mc）
• 每平方公里含水层面积上地下水的流量。升/秒·平方公里。
Mc
（一株大的植物，犹如一台生物抽水机）
成年树木的耗水 能力
饥饿草原护田对潜水位的影响
地下水的补给、排泄与径流
第三节 地下水的径流
地下水的补给、排泄与径流
一、径流方向、强度的影响因素
• 径流的定义：地下水由补给区向排泄区流动的过程称作径 流。 最简单的情况下，含水层自一个集中补给区流向集 中排泄区，具有单一径流方向。
•2、标准退水曲线法 –具体步骤： •确定标准退水线：图5-30 •确定洪峰段 •确定起涨点A和退水点B •将标准退水线绘于过程线上（图5-29）求出基流
–适用：河流与潜水无直接水力联系、地下水径流不受河水涨落影响。 –优点：一定程度反映了地下水泄流规律
•3、库捷林分割法（图5-31） –适用：河水与潜水有直接水力联系 –原理：枯水期，河流由地下水泄流组成，洪水期，地下水泄 流为零。
地下水的补给、排泄与径流
对于潜水来说， 山区地下水的 循环属于渗 入—径流型
干旱半干旱地区地形低平的细土堆积平原，径流很弱。 属于渗入—蒸发型
地下水的补给、排泄与径流
•径流强度
• 可用单位时间通过单位断面的流量表示，即以渗透流速 衡量。
• 根据达西定律V=KI 故径流强度与 含水层的透水性成正比 补绐区及排泄区之间的水位差成正比 与补给区到排泄区的距离成反比 与含水系统的构造有关 • 构造开启程度，图5-36 • 断层的导水性，图5-37
第五章地下水的地质作用
第五章地下水的地质作用一、概述定义：以各种形式埋藏在地表下面土中孔隙、岩石孔隙和裂隙种的水，称为地下水。
研究地下水意义：全地球表层的地下水量估计4亿立方km。
1、地下水是改造地壳表层的地质动力，它的地质作用可以形成千奇百怪的地质景观供人们欣赏；同时是一种重要的矿产，是人畜饮用、农业灌溉及工业供水的重要水源之一。
它不仅可以形成矿产，同时还可以利用它找到矿产。
2、在对人类有利的同时，它还具有不利的一面。
如：1降低岩土体的强度与稳定性，表现：地基沉降，沙土液化，边坡失稳；2道路冻胀与翻浆：温差较大的寒冷地区；3潜蚀作用：冲蚀水颗粒，溶蚀。
3破坏岩土体的整体性，降低其强度和稳定性。
4地下开挖（基坑、隧道）涌水5侵蚀性地下水对工程的腐蚀作用。
6同时还会产生静水、动水压力－对挡墙、桥墩。
二、地下水的形成条件－形成环境（一）地下水的来源：1渗透水：大气降水、冰雪融水、地面流水（江、河、湖、海）等从地面渗入地下积聚成。
2凝结水：水蒸汽凝结成水滴后渗于地下。
3岩浆水：（原生水）地下岩浆活动形成的水（结晶水、水气）。
4埋藏水：（古水）地史中沉积物空隙中的水，被封闭保存下来。
（二）形成条件1）土石条件：1土石体必须有空隙（空隙的大小、多少、连通情况对地下水的形成及储存的影响） 2土体颗粒大小，级配、形状及孔隙度决定透水性（透水层与隔水层及其作用）。
2）构造条件：决定地下水的补、排及径流的情况褶皱构造的情形：背斜、向斜断裂构造的情形：透水性张性>扭性>压性3）气候条件：决定地下水的补给及蒸发量－决定水量4）地貌条件：不仅控制地下水的径流及排泄，而且影响地下水的形成。
5）人为条件：直接影响地下水的水位变化。
（三）地下水的赋存状态1吸着水：靠分子引力及静电引力吸附在土和岩石颗粒表面上的水。
不受重力影响，不被植物吸收。
2薄膜水：包围在吸着水的外层，可以从原处向薄处“移动”，少部分可被植物吸收。
3毛细管水：受表面张力影响，保留在毛细管中，易被植物吸收。
第五章地下水资源
第五章地下水资源计算地下水是水资源的重要组成部分，在区域水资源分析计算中，查清地下水资源的数量、质量及时空分布特点，掌握地下水资源的循环补给规律，了解地下水与地表水之间的转化关系，不仅能为农业生产、水利规划提供科学根据，而且也能为城市规划、工业布局及国防建设等提供可靠的依据。
区域地下水资源分析计算的对象一般指浅层地下水，评价的重点是水量。
多数地区以分析矿化度不大于2g/L的淡水资源为主，有些地区对矿化度2～5g/L的微咸水及大于5g/L的咸水也进行计算与评价。
地下水资源计算的基本方法主要有四大储量法、地下水动力学法、数理统计法及水均衡法等。
水均衡法建立在地下水各补给项、各排泄项和地下含水层蓄变量等区域水平衡分析的基础上，是平原区地下水资源常用的计算方法，本章将主要介绍这种方法。
第一节概述一、地下水的垂直分布地面以下水分在垂直剖面上的分布可以按照岩石空隙中含水的相对比例，以地下水面为界，划分为两个带：饱和带和包气带。
在包气带，岩石的空隙空间一部分被水所占据，还有一部分为空气所占据。
在大多数情况下，饱和带的上部界限，或者是饱和水面，或者覆盖着不透水层，其下部界限则为下伏透水层，如粘土层。
包气带（充气带）从地下水面向上延伸至地面。
它通常可进一步划分为3个带：土壤水带、中间带和毛细管带。
土壤水带的水分形式主要有结合水、毛细水和一些过路性质的重力水。
中间带的水为气态水、结合水和毛细水。
毛细管带内的水分含量随着距潜水面高度的增加而逐渐减少，在毛细管带中，压力小于大气压力，水可以发生水平流动及垂直流动。
饱和带岩石的所有空隙空间均为水所充满，有重力水，也有结合水。
重力水是开发利用的主要对象。
图5.1 地面以下水的分布1．吸湿水它是气态水分子在分子引力和静电引力的作用下吸附在土壤固相颗粒表面的水分（图5.2a）。
吸湿水的水分子与土壤固相表面之间的结合力非常大（大约是3.14×106～1.Ol ×109Pa)，水分不能自由移动，不能被植物吸收利用。
第五章地下水监测
第六节地下水的监测一、意义二、监测内容三、监测工作布置原则四、监测方法五、监测资料的整理和应用一、意义地下水对工程岩土体的强度和变形以及对建筑物稳定性的影响,是极为重要的。
例如,在高层建筑深基坑开挖和支护中,由于地下水的作用,可能会导致坑底上鼓溃决、流砂突涌、支护结构移位倾倒、降水引起周围地面沉降而导致建筑物破坏。
因此在深基坑施工过程中要加强地下水的监测。
地下水也是各种不良地质现象产生的重要因素。
作用于滑坡上的孔隙水压力、浮托力和动水压力,直接影响滑坡的稳定性;饱水砂土的管涌和液化、岩溶区的地面塌陷等,无不与地下水的作用息息相关。
因此要对地下水压力、孔隙水压力准确控制,以保证工程顺利、安全施工和正常运行。
地下水的监测是指对地下水的水位、水量、水质、水压、水温及流速、流向等自然或人为因素影响下随时间或空间变化规律的监测。
地下水的监测应根据岩土工程和建筑物稳定性的需要有目的、有计划、有组织地进行。
一、应进行地下水监测的情况(1)地下水位升降影响岩土稳定性时;(2)地下水位上产生浮力对地下室或构筑物的防潮、防水或稳定性产生较大影响时;(3)施工降水对拟建工程或相邻工程有较大影响时;(4)施工或环境条件改变,造成的孔隙水压力、地下水压力变化,对工程设计或施工有较大影响时;(5)地下水位的下降造成区域性地面沉降;(6)地下水位上升可能使沿途发生软化、湿陷、胀缩时;(7)需要进行污染物运移对环境影响的评价时。
二、监测内容地下水的监测应根据工程需要和水文地质条件确定,主要监测内容有:1、水位监测:查明地下水位(最高、最低水位)、水位变化幅度范围;查明地下水位与地表水体(江、河、湖等)、大气降水的联系;2、水质监测:查明地下水的物理、化学成分变化;查明污染源、污染途径、污染程度及对建筑材料的腐蚀等级。
3、水压监测:开挖深基坑、洞室、隧道工程;评价岸边、斜坡稳定性工程;软土地基加固处理工程等,都应对岩土的孔隙或裂隙水压力进行监测。
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11— 非自流井 12—自流井
5.2.2 孔隙水、裂隙水、岩溶水
1） 孔隙水
vn ─ 岩土中孔隙的体积 V ─ 包括孔隙在内的岩土总体积
孔隙度的大小主要取决于岩土的密实程度及分选性。此外，颗粒形状和胶 结程度对孔隙度也有影响。
表5-1 松散岩石孔隙度参考数值
岩石名称
砾岩
砂
粉砂 粘土
孔隙度变化区间（％） 25～40 25～50 35～50 40～70
2. 裂隙
裂隙：岩石受地壳运动及其他内外地质应力作用影响产生的空隙。 裂隙的发育程度除与岩石的受力条件有关，还与岩性有关。
以泉、渗流等形式泄出地 表或流入地表水
潜水的 排泄
蒸发排泄
含水层之 间的排泄
通过包气带或蒸发进入大气
通过导水断层、天窗 越流排泄
潜水等位线图：潜水面上高程相等各点的连线(图5-3a)。
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
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
形成条件
与隔水层组合形成储 水空间
有充分的补给来源
能够透过并能给出相 当数量水的岩土层。
隔水层(aquiclude)
不能透过或给出水，或者透过或给出 的水数量微不足道的岩土层。
(1)含水层：能够给出并透过相当数量重力水的岩层。 构成含水层的条件，一是岩石中要有空隙存在，并充满足够 数量的重力水；二是这些重力水能够在岩石空隙中自由运动。
岩溶水
赋存和运移于可溶 岩的地下水。
岩溶上层滞水
岩溶水 分类
岩溶潜水
岩溶承压水
岩溶水的分布主要受岩溶作用规律的控制。
5、 泉
地下水在地表的天然露头叫泉，人工露头称为井。泉是地 下水的一种重要的排泄方式。是可以直接用作工业和生活供水 的重要水源。
5.3 地下水的补给、径流与排泄
地下水的补给、径流与排泄过程是地下水的循环。地下水以大气降 水、地表水、人工补给等各种形式获得补给，在含水层中流过一段路程， 然后又以泉、蒸发等形式排除地表，如此周而复始的过程便形成了地下 水的循环。
成岩裂隙 裂隙按成因分类 风化裂隙
构造裂隙
裂隙的发育程度用裂隙率表示：
kT=
vT v
× 100%
式中
kT ─ 裂隙率 vT ─ 岩石中裂隙的体积 V ─ 包括裂隙在内的岩石总
体积
常见岩石裂隙率的经验值表
3. 溶隙
溶隙：可溶性岩石(白云岩、石灰岩等)经过地下水流长期溶蚀作用而形成 的空隙。
溶隙的发育程度用溶隙率表示：
3 ）岩溶水
埋藏于溶隙中的重力水称为岩溶水（喀斯特 水）。岩溶水，可以是潜水也可以是承压水。一 般来说，在裸露的石灰岩分布区的岩溶水主要是 潜水；当岩溶化岩层被其他岩层所覆盖时，岩溶 潜水可能转变为岩溶承压水。
在土木工程建筑地基内有岩溶水活动,不但在 施工中会有突然涌水事故发生，而且对建筑物的 稳定性也有很大影响。因此，在建筑场地和地基 选择时应进行工程地质勘察，针对岩溶水的情况， 用排除、截源、改道等方法处理，如挖排水沟， 筑挡水坝，开凿输水隧洞改道等等。
上层滞水的动态很不稳定。 蒸发形式或向隔水底
板边缘排泄。动态变
化很不稳定。
图5-2 包气带水和潜水示意图 A— 包气带水 B —潜水
h — 潜水面的埋藏深度 H — 潜水厚度
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.
2.潜水(phreatic water)
埋藏于松散岩土孔 隙中的重力水。
按松散沉积 物的成因类 型及地貌条 件差异划分
山前倾斜平原孔隙水 河谷地区孔隙水 冲积平原孔隙水 山间盆地孔隙水 黄土地区孔隙水 沙漠地区孔隙水
典型的冲洪积扇，自出山口至平原沿着纵向可分为三个水文地 质带。深埋带、溢出带和垂直交替带(图5-6)。
图5-6 洪积物中地下水分布示意图 Ⅰ—深埋带 Ⅱ —溢出带 Ⅲ—垂直交替带 1— 砾卵石 2—砂 3—粉质粘土及粉土 4— 基岩 5—水位
(2)隔水层：不能给出并透过水的岩层。隔水层有的可以 含水，但是不具有允许相当数量的水透过自己的性能。例如 粘土，它可以储存大量的水，但是不具备给出和透过水的能 力，故粘土常被作为隔水层。
5.1.3 地下水的物理化学性质
（1）地下水的物理性质
地下水的物理性质有温度、颜色、透明度、气味、味道、导电性及放射性等。纯净 的地下水是无色、无味、无臭、透明的，当含有某些化学成分、悬浮物等时其物理化 学性质就会发生变化。
潜水
各类松散沉积物浅部的水
裸露于地表的各类裂隙岩 层中的水
裸露于地表的岩溶化岩层 中的水
承压水
山间盆地及平原松散沉积物 深部的水
组成构造盆地、向斜构造 或单斜断块的被掩覆的各
类裂隙岩层中的水
组成构造盆地、向斜构造或 单斜断块的被掩覆的岩溶化
岩化岩层中的水
1、地下水埋藏类型 包气带 地下水面以上
地面以下岩土层 饱水带 地下水面以下
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。
1－砂层 2－隔水层 3－含水层 4－潜水面 5－基准 面
潜水的 补给来源
大气降水 最主要的补给来源 地表水 凝结水 深层地下水
径流排泄
地下水埋藏类型示意图
含水层 承压水井 隔水层
自流水井 潜水井
承压水位
潜 水 位
1. 上层滞水(perch ground water )
包气带中聚集在局部
指在包气带内局部隔水 层上积聚的具有自由水面的
隔水层之上的重力水. 特征：接近地表，接
重力水称为上层滞水，也可 称包气带滞水(图5-2)。
受大气降水补给，以
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
潜水的自由水面为潜水面；潜水面上任一点的高程为该点的潜水位；自地面某点至 潜水面的距离为该点潜水的埋藏深度；从潜水面至隔水底板的距离为潜水含水层厚 度
图5-3 潜水等位线图及水文地质剖面图
1—砂土 2 —粘土 3— 地形等高线 4— 潜水等位线 5—河流及流向 6—潜水流向 7— 潜水面 8—下降泉 9—钻孔(剖面图) 10—钻孔
承压水等水位线图
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
图5-4 承压含水层
5.3.3地下水的排泄
含水层失去水量的过程称做排泄。地下水排泄的方式有： 蒸发、泉水溢出、向地表水体排泄、含水层之间的排泄和人 工排泄等。
(1)蒸发：通过土壤蒸发与植物蒸发的形式而消耗地下水的 过程叫蒸发排泄。
第五章 地下水
5.1 地下水的基本概 5.2 地下水的类
5.3 地下水的补给、径流与排 5.4 地下水对建筑工程的影
5.1 地下水的基本概念 地下水是赋存于地表以下岩层空隙中的各种不同形式水的
统称。
5.1.1岩石中的空隙
根据岩土空隙的成因不同，可分为孔隙、裂隙和溶隙三大类
图 岩土中的空隙 a) 分选良好，排列疏松的砂 b) 分选良好，排列紧密的砂 c) 分选不良，含泥砂
kK=
vK v
×
100%
式中
kK ─ 溶隙率 vK ─ 可溶岩中溶隙的体积 V ─ 可溶岩体积
根据水在空隙中的物理状态，水与岩石颗粒的相互作用等特征，一般将水在空隙 中存在的形式分为六种：气态水、结合水、重力水、毛细水、固态水、矿物结合 水。
5.1.2 含水层与隔水层
有较大且连通的穿隙
含水层
(aquifer)
温度 变化范围较大
地 下
颜色
一般为无色
水
透明度
Байду номын сангаас
透明、微浑、浑浊、极浑浊。 多半是透明。
物
理 气味 一般是无味
性 味道 主要取决于地下水的化学成分
质
导电性
当含一些电解质时，导电性增强， 也受温度影响。
通过地下水物理性质的研究，能够初步了解地下水的形成环境、污染情况及化学成 分。
（2）地下水的化学成分 地下水不是化学成分纯的H2O，而是含有多种化学元素的复杂溶液。地下
(平面图) 11— 钻孔编号 12—Ⅰ—Ⅰ’剖面线
3、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。
A－补给区 B－承压区 C－排泄区
承压含水层局部
H1－初见水位 H2－承压水位
H－承压水头 h－承压水位埋深
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。
5.3.2地下水的径流 地下水由补给区流向排泄区的过程叫径流。地下水由补
给区流经径流区，流向排泄区的整个过程构成地下水循环的 全过程。地下水径流包括径流方向、径流速度与径流量。
地下水补给区与排泄区的相对位置与高差决定着地下水 径流的方向与径流速度；含水层的补给条件与排泄条件愈好、 透水性愈强，则径流条件愈好。径流条件好的含水层其水质 较好。此外，地下水的埋藏条件亦决定地下水径流类型：潜 水属无压流动；承压水属有压流动。