工程地质赖天文第四章地下水

2020/10/7
承压水 ( pressure water )
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＝2m 承压水头为: 91－83＝8 m 含水层埋深为：103－83＝20m
工程地质赖天文第四章地下 水
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第4章 地下水
4.1 地下水的基本知识
4.1.1 暂时流水的地质作用地下水及其赋存介质 4.1.2 水再岩土中的存在形式 4.1.3 地下水运动的基本规律
4.2 地下水的物理性质及化学成分
4.2.1 地下水的物理性质 4.2.2 地下水的化学成分及分类
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承压斜地
断裂构造形成承压斜地
岩性变化形成承压斜地
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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。
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承压水的补给
⑴ 大气降水； ⑵ 地表水； ⑶ 潜水。
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承压水的补给 ——大气降水
pH值
＜5
5～7
7
7～ 9
＞9
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4.3 地下水的类型
4.3.1 地下水按埋藏条件分类及其特征 4.3.2 地下水按含水层性质分类及其特征
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地下水的综合分类 类型
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4.3.1 地下水按埋藏条件分类及其特征
包气带水 潜水 承压水
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• 4.1.2 水在岩土中的存在状态
气态水 强结合水
结合水 弱结合水
毛细水
重力水
固态水
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地表以下一定深度内 存在着地下水面。 地下水面以上，称为 包气带（zone of aeration）； 地下水面以下，称为 饱水带（zone of saturation）
河谷下切至含水层，则承压水向地表水排 泄。
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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、补给区与排泄区的水位差、承压含 水层的挠曲程度等有关。
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承压水的涌水量
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、补给区的大小、 水的补给来源等因素有关。
温度 颜色 透明度 嗅味 口味 相对密度 导电性 放射性
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▪ 地下水的物理性质
(1) 温度
地下水的温度与其埋藏深度、地下补给条件及地质 条件有关。分为七类：过冷水（＜0℃＝）、极冷水（0 ～4℃）、冷水（4～20℃）、温水（20～37℃）、热水 （37～42℃）、极热水（42～100℃）、过热水（＞ 100℃）。
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潜水与地表水的关系Hale Waihona Puke Baidu
(a)
潜水补给河流
(b)
河流补给潜水
(c)
单侧补给
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承压水的形成
最适宜形成承压水的地质构造有：
向斜构造 单斜构造
承压盆地 承压斜地
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承压盆地
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条件。
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地下水在孔隙中的运动属于层流，遵循达西渗透定律:
渗流水量 Q = K A I
渗透速度 v = K I
自然条件下，地下水流动时阻力较大，流速较小，绝 大多数属于层流运动，但在岩土的洞穴及大裂隙中地 下水的运动多属于非层流运动
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4.2 地下水的物理性质和化学成分
• 4.2.1 地下水的物理性质
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潜水的补给
含水层中地下水从外部（如大气降水、 地表水等）获得大量补充的过程称为地下水 的补给。
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潜水的补给
⑴ 大气降水; ⑵ 地表水的补给； ⑶ 含水层之间的补给；
I.越流补给；II.直接补给 ⑷ 凝结水； ⑸ 人工补给
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包气带水
是指存在于地面以下包气带中的水（土壤水和上层滞水）
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土壤水
概念:包气带表层土壤中的气态水、结合水、毛细水 和下渗的重力水统称为土壤水。 主要特征: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。 应用:土壤水不能直接被人们取出应用，但对农作物 和植物有重要作用。
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承压水的补给 ——地表水
当补给区位于河床地带时，地表水才可以 成为补给来源。
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承压水的补给 ——潜水
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构成其补给源。
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承压水的排泄
⑴ 向潜水排泄; ⑵ 泉的排泄； ⑶ 向地表水排泄。
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根据透明程度可将地下水分为四级：
① 透明的；② 微浊的；③ 混浊的；④ 极浊的。
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▪ 地下水的物理性质
(4) 嗅味
纯水无嗅味，含一般矿物质时也无味。水中的气味取决于 它所含的某些气体或有机物质。如：H2S气体使水具有臭鸡蛋 味，腐殖质使水有霉味，Fe2+使水具有有铁腥味。水的气味与 水温有很大关系，往往在煮沸时气味更为显著。我国饮用水标 准规定需在20℃及60℃时无异臭和异味。
Fe2O3、Al2O3、H2SiO3 等
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地下水按化学成分分 类
按总矿化度分类
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。它是用水在105～110℃温度下 烘干后称得的干涸残渣和重量来表示的。（g/L）
地下水类型 淡水 弱半咸水 强半咸水 咸水 盐水
总矿化度 （g/L）
承压水的排泄 ——潜水
当排泄区上有潜水存在时，则可以排泄 入潜水中。
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承压水的排泄 ——泉
当侵蚀面下切达到承压含水层时，就以泉 水形式排泄。
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承压水的排泄 ——泉
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。
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承压水的排泄 ——地表水
4.1 地下水的基本知识
• 4.1.2 地下水及其赋存介质
地下水是指埋藏和运移在地表以下岩土空隙中的水
。
岩土的空隙：
连通性好
1. 松散沉积物中的孔隙 2. 坚硬岩石中的裂隙
分布不均匀
3. 可溶性岩石中的溶隙
连通性差
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岩土中的各种空隙
(据迈因策尔修改补充) 1 — 分选良好，排列疏松的砂； 2 — 分选良好，排列紧密的砂； 3 — 分选不良，含泥、砂的砾石； 4 — 经过部分胶结的砂岩； 5 — 具有结构性孔隙的粘土； 6 — 经过压缩的粘土； 7 — 具有裂隙的岩石； 8 — 具有溶隙及溶穴的可溶岩
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上层滞水
概念: 包气带中聚集在局部隔水层之上的重力水。 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
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饱水带中的重力水。
(8) 放射性
地下水的放射性取决于其中放射性物质的含量，一般来 说，地下水在一定程度上都具有放射性。
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• 4.2.2 地下水的化学成分及分类
4.2.2.1 地下水的化学成分
其化学成分以离子、分子和气体三种状态出现：
以离子状态出现的有：H+、Na+、K+、NH4+、Mg2+、 Ca2+、Fe2+、Fe3+、Mn2+等阳离子和OH－、Cl－、HCO3－ 、NO2－、SO42－、CO32－、SiO32－、PO43－等阴离子。 以分子状态出现的有：Fe2O3、Al2O3、H2SiO3等，多以 沉淀物或胶体形式存在。
4.3 地下水的类型 4.4 地下水对土木工程的影响
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概述
•
水的循环——大气水、地表水和地下水
之间不间断的运动和相互转化的过程。
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水循环按其循环范围分为： 大循环——指整个地球范围内，在海洋和陆地之
间的循环。 小循环——指地球局部范围内的循环。
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岩层透水性的影响
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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（井 、钻孔、试坑和泉等），在大致相同的时间内所测得的 潜水面的水位标高编制而成的。
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潜水等水位线图的用途
⑴ 可以确定潜水的流向及潜水面的水力坡度；
⑵ 反映潜水与地表水的相互关系； ⑶ 确定潜水的埋藏深度； ⑷ 如有隔水层顶板标高，可以确定含水层的厚度
＜1
1～3
3～10 10～50 ＞50
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按硬度分类
地下水的硬度——指水中所含钙、
镁离子的总含量。
总硬度——水中所含钙、镁离子总
量。
暂时硬度——可由煮沸去掉的钙、
镁离子含量。
总硬度 = 暂时硬度 ＋ 永久硬度
永久硬度——煮沸后能保留下来的
钙、镁离子的含量。
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我国常用的表示硬度的方法有两种：
以气体状态出现的有：N2、O2、CO2、CH4、H2S及放 射性气体等。
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• 4.2.2 地下水的化学成分及分类
4.2.2.1 地下水的化学成分
离子
气体 分子
阳离子:H+、Na+、K+、NH4+、Mg2+ 、Ca2+、Fe2+、Fe3+、Mn2+ 等
阴离子:OH-、Cl-、HCO3-、NO2-、 N2、OS等2O、42C-、O2C、OC32H-、4、SHiO23S2及-、放P射O4性3气体等
潜水的补给 ——大气降水
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潜水的补给 ——地表水的补给
河流补给潜水
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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。
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潜水的排泄 ——泉
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潜水的排泄 ——向地表水排泄
潜水补给河流
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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，是一种有压重力水。
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⑴ 潜水面一般呈倾斜的各种形态的曲面。
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地表地形的影响
⑵ 潜水面的起伏经常与地形一致，只是比 地形起伏平缓一些；潜水面与地表面的 形态具有相似性。
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⑶当含水层厚度变大时，潜水面坡度变缓；
含水层厚度的影响
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⑷当岩层透水性变好，潜水面坡度变缓。
(5) 口味
纯水淡而无味，地下水的味道取决于水中溶解的盐类和有 机质。
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▪ 地下水的物理性质
(6) 比重（相对密度）
地下水的比重决定于其中所溶解的盐类的含量，溶解的 越多，地下水的比重就越大。纯水比重为1.0，最大时可达 成 1.2～1.3。
(7) 导电性
地下水的导电性取决于其中所含电解质的数量与性质。 离子含量越多，离子价越高，则水的导电性越强。
图4.2 包气带和饱水带
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含水层 ： 给出并透过相当水量的岩土层。
隔水层： 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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4.1.2 地下水运动的基本规律
地下水运动
层流 产生连续水流 紊流 具有涡流性质，各流线相互交错 混合流 是层流和紊流同时出现的流动形式
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潜水
1. 潜水与大气相通，具自由水面，为无压水； ▪2. 潜水的补给区与分布区一致，直接接受大气降水补 给，旱季时，常以蒸发形式排泄给大气； ▪3. 潜水的动态受气候影响较大，具有明显的季节性变 化特征； ▪ 4. 潜水易受地面污染影响。
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潜水面的特征
⑴ 潜水面一般呈倾斜的各种形态的曲面。 ⑵ 潜水面的起伏经常与地形一致，只是比地 形起伏平缓一些；潜水面与地表面的形态具有 相似性。 ⑶当含水层厚度变大时，潜水面坡度变缓； ⑷当岩层透水性变好，潜水面坡度变缓。
I．德国方法：硬度1°相当于每升溶液中含0.357毫克当量的钙、 镁离子； II．原苏联方法：用每升水溶液中所含钙、镁离子的毫摩尔数。
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按pH值分类
PH值为水中H+浓度的负对数值。PH=－lg[H+] 地下水一般多为弱碱性水。
地下水类型 强酸性水 弱酸性水 中性水 弱碱性水 强碱性水
(2) 颜色
地下水的颜色决定于水中的化学成分及悬浮物，而 纯水是无色的。
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▪ 地下水的物理性质
(3) 透明度
纯水是透明的，然而天然水中因含有泥砂、腐殖质及浮 游藻类等能使水体产生浑浊。如浑浊来自生活污水或工业废水 的排泄，则往往是有害的。由于固体与胶体悬浮物的含量不同 ，其透明度就不同。