工程地质 地下水

硬度: 取决于水中Ca2+, Mg2+。总硬度, 暂时硬度, 永久硬
度。 硬度的表示法有两种：1.德国度；2.每升水中含有Ca2+ 和Mg2+的毫摩尔数。1毫摩尔硬度＝2.8 德国度。
总矿化度：地下水中离子、分子和各种化合物的总量称总
矿化度，简称矿化度。
地下水的侵蚀性：指地下水对混凝土及钢筋构件的侵蚀破
一、地下水的物理性质 味道：含有其他化学成分（如一些盐类 或气体时），会有一定的味感。 密度：决定于水中所溶盐分的含量多少。 导电性：取决于其中所含电解质的数量 和质量。 放射性：在特殊储藏环境下，受到放射 性矿物的影响，具有一定的放射性。
第二节 地下水的物理性质与化学成分
二、地下水化学成分 1.地下水常见的化学成分
（一）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。 特征：接近地表，分布范围有限，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。
上层滞水
（二）潜水
潜水（phreatic water）
暂时硬度＜ 3，有侵蚀 Ca (OH ) 2 + HCO CaCO 3 + H 2 O 暂时硬度＞ 3，无侵蚀
坏能力。
第三节 地下水的基本类型及主要特征
地下水按埋藏条件和含水层空隙性质综合分类
地下水分类表
第三节 地下水的基本类型及主要特征 一、地下水埋藏类型
上层滞水、潜水、承压水
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
一、按埋藏类型
三、泉水
泉（fountain）：地下水出露于地表的天然露头。 按水头性质分：
1. 上升泉 2. 下降泉
按出露原因分：
1. 2. 3. 4. 侵蚀泉 接触泉 溢出泉 断层泉
按温度分：
1. 冷泉 2. 温泉
泉水形成示意图
第四节
地下水与工程建设
地下水对土木工程的不良影响
1. 地面沉降：地下水位下降 2. 地面塌陷：人为局部改变地下水位引起的
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。
流砂：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。
管涌与流砂
流
砂
流砂——地下水自下而上渗流时产生流动的现象， 它与地下水的动水压力有密切关系。 动水压力：地下水在渗流时作用于单位体积土骨架 上的力。 产生流砂的条件：
埋 藏 在地 面 以 下 第 一个稳定隔水层之上具 有自由水面的重力水。 特征： 1. 与大气 相 通，具自由水面，一般 补给区与分布区一致； 2. 动态受气候影响较大； 3. 潜水面形状受地形影 地下水埋藏示意图 响； 4. 潜水的排泄方式 1－砂层；2－隔水层；3－含水层；4－潜水面；5－基 主要有垂直排泄和水平 准面；T-潜水埋藏深度；M-含水层厚度；H-潜水位 排泄两种方式。
潜水深埋带 潜水溢出带 潜水下沉带
（二）裂隙水
裂隙水——裂隙水－坚硬岩石裂隙中的地下水
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
脉状承压水示意图
（三）岩溶水
岩溶水
特点：空间分布极不均 匀，水量大、动态变化 强烈，流动迅速，排泄 集中。工程中注意涌水 事故。
连通性好
分布不均匀
连通性差
第一节 地下水的概念
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 的砾石；d-部分胶结的砂岩；e-具有裂隙的岩石；f-具有溶隙的可溶岩 6.空隙
第一节源自文库地下水的概念
空隙的多少、大 小及其分布规律
决 定
地下水分布、储量 及运动特点
空隙度：是指一定体积岩石中空隙体积所占的 比例 。地下水的分布、储量及运动均受岩石空隙的 多少（空隙度）支配 。以n表示空隙度，VP表示空 隙体积，V表示岩石体积，则n=VP/V 。
第一节 地下水的概念
二、地下水赋存及运动的条件 （一）岩石的空隙 地表10km以上范围，有空隙；浅部1～2km范 围，空隙普遍；岩石空隙是地下水储存场所，也是 运动通道；为地下水的赋存提供了必要的空间条件。
岩土的空隙按成因分为:
1. 松散沉积物中的孔隙 2. 坚硬岩石中的裂隙 3. 可溶性岩石中的溶隙
H1－初见水位 H2－承压水位
不易受地面污染。
H －承压水头
h －承压水位埋深
(三)承压水
承压水等水位线图——承压水面上高程相等点 的连线图 （需附地形等高线和顶板等高线）。
（a）等水压线图
（b）水文地质剖面
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
气体成分 O2 N2 H2S CO2 离子成分 ClSO42HCO3Na+ K+ Ca2+ Mg2+
胶体成分
有机胶体 无机胶体
有机成分 细菌成分
生物体分解 病源菌 非病源菌
Fe2O3 Al2O3 H2SIO4
次生矿物 水矾土 叶蜡石
第二节 地下水的物理性质与化学成分
2.地下水的主要化学性质
酸碱度（pH值）: 取决于水中氢离子浓度。根据pH分5类。
第二节 地下水的物理性质与化学成分
一、地下水的物理性质
温度：随埋藏深度而异，埋藏越深，水温 越高。按温度分5种。 颜色：由于某种离子含量较多，或者富集 悬浮物和胶体物质。 透明度：取决于地下水中的固体与悬浮物 的含量。按透明度分4级。 气味：含有某些离子或某种气体时，可以 散发出特殊的臭味。
第二节 地下水的物理性质与化学成分
第一节 地下水的概念
水在（岩土）空隙中的存在形式 结合水： 强结合水
弱结合水
非结合水：液态水
固态水 气态水
毛细水
重力水
图 6.2 结合水与重力水
第一节 地下水的概念
（二）地下水运动的条件
透水层——能够透过地下水的岩层。主要有： 砂岩层、砂砾岩层以及裂隙、洞穴发育的其它岩石。 其中储满地下水的部分称为含水层。 不透水层——不能透过地下水（但可含水）的岩 层。主要有：粘土、页岩、致密的岩浆岩和变质岩 等。 不透水层对地下水的运动起着阻隔作用，又称 为隔水层。
地面沉降是一个环境工程地质问题。
给建筑物、上下水道及城市道路都带来很大危害； 引起向沉降中心的水平移动，使建筑物基础、桥墩 错动，铁路和管道扭曲拉断。
控制地面沉降的方法。
合理开采地下水； 对已发生的地区，对含水层回灌。
一、地面沉降
地基沉降原因： （1）松散沉积层中进行深 基础施工时，人工降低地 下水位——使周围土层 产生固结沉降。 （2）抽水井的滤网和砂滤层设计不合理或施工质 量差，抽水时细小颗粒同地下水一起带出地面—— 周围地面土层不均匀沉降——造成地面建筑物和地 下管线损坏。 （3）抽水时在水周围形成降水漏斗——使周围建 筑物或地下管线产生不均匀沉降，甚至开裂。
（一）孔隙水
在孔隙含水层中储存和运动的地下水称孔隙水。 冲积物中的地下水
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。 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。
洪积物中的地下水
（一）孔隙水
（4）水下挖掘（避免水头差）
（5）其它方法——化学加固法
多年冻土地段融沉、翻浆
四、地下水对混凝土的侵蚀性
地下水中某些离子或原子含量过大， 会同混凝土发生化学反应。 溶出侵蚀 碳酸侵蚀 硫酸盐侵蚀 一般酸性侵蚀 镁盐侵蚀
四、地下水对混凝土的侵蚀性
1.溶出侵蚀：混凝土中Ca(OH)2成分被水溶解。
(三)承压水
承压水等水位线图的用途： • 承压水位埋深 • 承压水头大小 • 含水层埋深（初见水位） •流向、计算水力坡度
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＝8m
含水层埋深为：103-83＝20m
二、按地下水储水介质类型
③若在C点处凿井，多深可见
潜水面？ ④D点处有何水文地质现象？
(三)承压水
承压水 ( pressure water )
充满于两个稳定隔水层之间的含水层中承受水压 力的重力水。
自流盆地剖面图
A－补给区
B－承压区
C－排泄区
(三)承压水 承压水特征
不具自由水面，并承 受一定的静水压力； 分布区和补给区不一 致； 动态变化较稳定；
3. 流砂：不合理的地下水流动
4. 管涌：不合理的地下水流动
5. 浮托作用：地下水对位于水位以下岩石、土层和 建筑物
6. 基坑突涌：基坑下伏有承压含水层 7. 对混凝土的侵蚀性：地下水中的各种化学成分
一、地面沉降
软土地区大面积抽取地下水，将造成大规模的 地面沉降。
许多沿海城市如上海、宁波、天津前些年发生了严 重的地面沉降； 天津地面最大沉降量达2.16 m。
第一节 地下水的概念
（四）地下水与人类生活和经济活动的关系
它是饮用、灌溉和工业供水的重要水源之一，是宝 贵的自然资源。 它与土石相互作用，会使土体和岩体的强度和稳定 性降低，产生各种不良的自然地质现象和工程地质 现象，如滑坡、岩溶、潜蚀、地基沉陷、道路冻胀 和翻浆等，给工程的建设和正常使用造成危害。 地下水的化学成分中，侵蚀性CO2或SO42-、Cl-等含 量过多，会对工程上用的普通水泥混凝土产生侵蚀 作用，使混凝土的结构遭到破坏。
1）地下水动水力大于土粒的浮重度 2）地下水水力坡度大于临界水力坡度
危害：
流砂 土体流动 地表塌陷或建筑物的地基破坏。
流
流砂防治
砂
防——在易产生流砂的地区应尽可能的避免开挖；浅埋或
桩基穿过流砂。
治（1）人工降低地下水
（2）打板桩——打板桩加固坑壁，增长地下水渗流途径， 以减小水力坡度。
（3）冻结法——使地下水和土层一起冻结
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。
第一节 地下水的概念
（三）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 3. 透水性 岩土可透过水的性能，用渗透系数表示。
（二）潜水 潜水等水位线图：潜水面的形状可用等高线图
表示。 潜水等水位图的用途： 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补 给关系；
（二）潜水
潜水与地表水补给的关系
(a) 潜水补给河流
(b)河流补给潜水 潜水与地表水之间的关系
(c)单侧补给
(二）潜水
等水位线图用途： 5.确定潜水的流速——等潜水位线越密集的地方， 潜水面坡度越陡，潜水流速越快,反之亦然; 6.确定泉或沼泽的位置；
7.推断给水层的岩性或厚度的变化；
8.确定给水和排水工程位置;
9.潜水影响建筑物的稳定性和施工。
潜水等水位线图及埋藏深度图（1:10000）
练习题一
1.某地区潜水等水位线图见下图。试确定 ①河水与潜水之间的补排关系； ②A、B两点间的平均水力坡降 （A、B两点距离近似为60m）；
第六章 地下水
主要内容
第一节
第二节 第三节
地下水的概念
地下水的物理性质和化学成分 地下水的类型及主要特征
第四节
地下水与工程建设
第一节 地下水的概念
地下水是埋藏于地表以下的松散堆积物和岩石 （包括土层）空隙（孔隙、裂隙、溶隙等）中各种 状态的水。 一、地下水的形成条件：
1.地质条件：地下水的形成，必须具有一定的岩石性质和地 质构造条件。 2.气候条件：气候条件对地下水的形成有着重要的影响，如 大气降水、地表径流、蒸发等方面的变化将影响到地下水 的水量。 3.地貌条件：在不同的地貌部位对地下水的形成关系密切。 一般在平原、山前区易于储存地下水，形成良好的含水层； 在山区一般很难储存大量的地下水。 4.人为因素：大量抽取地下水，会引起地下水位大幅下降； 修建水库，可促使地下水位上升。
二、地面塌陷
地面塌陷是松散土层中所发生的突发性陷落， 多发生于岩溶地区。 危害 破坏农田、水利工程、交通线路 引起房屋破裂倒塌、地下管道断裂 防治措施 在重大工程附近应严格禁止能引起地下水位 大幅度改变的工程施工，如必须施工，应进 行回灌。
三、渗透变形——流砂、管涌 渗透变形 (seepage deformation)