工程地質06第六章地下水

1、1/65第六章第六章 地下水地下水 第二節(jié) 地下水的水質 第三節(jié) 地下水的類型 第四節(jié) 地下水的運動主要內容第五節(jié) 地下水與工程建設第一節(jié) 地下水的概念 2/65賦存在地表以下巖土空隙中的水。巖土的空隙:1. 松散沉積物中的孔隙孔隙2. 堅硬巖石中的裂隙裂隙3. 可溶性巖石中的溶隙溶隙連通性好分布不均勻連通性差第一節(jié) 地下水的概念3/65水在巖土中的存在形式：結合水： 強結合水 弱結合水非結合水：液態(tài)水 毛細水 重力水 固態(tài)水 氣態(tài)水4/65巖土的水理性質:1. 含水性 容水度容水度:巖土孔隙完全被水充滿時的含水量。 持水度持水度:巖土在重力作用下釋水時仍能保持的含水 量。這部分滯留在巖土中的

2、水為結合水和 毛細水。2. 給水性 巖土在重力作用下能自由排出的含水量。 給水度=容水度持水度3. 透水性 巖土可透過水的性能，用滲透系數表示。5/65含水層含水層(aquifer)： 給出并透過相當水量的巖土層。隔水層隔水層(interlayer)： 不透水但可含水的巖土層。滯水層滯水層：弱透水的巖土層。含水層的形成條件：巖土層有較大空隙；為隔水層所限； 有補給來源。6/65第二節(jié) 地下水的水質 化學性質 pH值 礦化度 硬度 氣體成分 O2 H2S CO2 離子成分 Cl- SO4 HCO3- Na+ K+ Ca+2 Mg+27/65地下水對建筑材料的腐蝕性溶出侵蝕：混凝土中Ca(OH)2

3、成分被水溶解。碳酸侵蝕：含侵蝕性CO2的水溶解混凝土中的鈣質而使 混凝土崩解。硫酸鹽侵蝕：水中SO4-2與混凝土作用生成新的化合物， 由于體積膨脹而脹裂。酸性侵蝕：pH值低的酸性水對混凝土具腐蝕性。鎂鹽侵蝕：水中鎂鹽與混凝土作用后生成化合物溶解于 水。8/65第三節(jié) 地下水的類型 圖 6-2 地下水的類型9/65地下水埋藏類型 圖 6-1 地下水埋藏示意圖1承壓水位; 2潛水位; 3隔水層; 4含水層; A-承壓水井;B-自流水井;C-潛水井10/65上層滯水( perch ground water )包氣帶中聚集在局部隔水層之上的重力水。特征特征：接近地表，接受大氣降水補給，以蒸發(fā)形式或 向

4、隔水底板邊緣排泄。動態(tài)變化很不穩(wěn)定。工程意義工程意義：常始料不及涌入基坑。 供水意義不大。 在寒冷地區(qū)易引起道路凍脹和翻漿。11/65潛水( phreatic water ) 圖 6-3 地下水埋藏示意圖1沙層; 2隔水層; 3含水層; 4潛水面; 5基準面T-潛水埋藏深度;M-含水層厚度;H-潛水位 埋藏在地面以下第一個穩(wěn)定隔水層之上具自由水面的重力水。 特征特征:與大氣相通，具自由水面，補給區(qū)與分布區(qū)一致，動態(tài)受氣候影響較大。潛水面形狀受地形影響。12/65潛水等水位線圖可解決如下問題：1 確定潛水流向2 確定潛水的水力坡度3 確定潛水的埋藏深度4 確定潛水與地表水的關系 虛線潛水等水位線

5、 實線地形等高線13/65潛水與地表水的關系潛水補給河流潛水補給河流河流補給潛水河流補給潛水單側補給單側補給 圖 6-6 潛水與地表水之間的關系( a )( b )( c )14/65承壓水 ( pressure water )充滿于兩個隔水層之間的含水層中承受水壓力的重力水。A補給區(qū) B承壓區(qū) C排泄區(qū) 圖 6-7 自流盆地剖面圖15/6516/65 特征：不具自由水面，并承受一定的水頭壓力。分布區(qū)和補給區(qū)不一致。動態(tài)變化較穩(wěn)定。不易受地面污染。承壓含水層局部H1初見水位 H2承壓水位H承壓水頭 h承壓水位埋深 17/65承壓水等水位線圖(a) (b) 圖 611 （a）等水壓線圖；（b）水

6、文地質剖面1-地形等高線；2-承壓含水層頂板等高線；3-等水壓線 ；4承壓水位線；5-承壓水流向；6-自流區(qū)；7-井；8-含水層；9-隔水層；10-干井；11-非自流井；12-自流井18/65如圖中A點：地形標高103m，承壓水位91m，含水層頂板標高83m。則承壓水位埋深為：1039112m 承壓水頭為: 91838 m 含水層埋深為：1038320m承壓水等水位線圖可確定下列重要指標： 承壓水位埋深 承壓水頭大小 含水層埋深（初見水位）19/65武漢市（漢口）水文地質剖面長江一級階地土層厚3050m典型二元結構K隨深度呈對數增大上部黏性土中潛水下部砂礫石中承壓水20/65上游 河床中砂礫石

7、，是良好的含水層。中游 河漫灘沉積有上細（粉細砂、黏性土）下粗（砂礫）的二元結構，上層構成隔水層，下層為承壓含水層。下游 濱海平原上為潛水，埋藏淺不利于工程建設，下部多層承壓含水層。不同含水層空隙中的地下水 沖積物中的孔隙水21/65 洪積物中的孔隙水潛水深埋帶潛水溢出帶潛水下沉帶22/65裂隙水按成因：風化裂隙水成巖裂隙水構造裂隙水按埋藏條件：面狀裂隙水層間裂隙水脈狀裂隙水23/65巖溶水特點：空間分布極不均勻，動態(tài)變化強烈，流動迅速，排泄集中。24/65按水頭性質分：1. 上升泉2. 下降泉按出露原因分：1. 侵蝕泉2. 接觸泉3. 斷層泉泉：地下水在地表的天然露頭25/65第四節(jié) 地下水

8、的運動 滲透流速 V=Q/A 實際流速 u=Q/A Vu 滲流 過水斷面 A26/65 水力坡降 JdH/dL27/65 流網：由等水頭線與流線正交組成的網格28/65 均勻流：滲流速度沿流程不變。 非均勻流：滲流速度沿流程變化。 層流：水質點有秩序地呈相互平行而互不干擾的運動。 紊流：水質點相互干擾而呈無秩序的運動。 穩(wěn)定流：滲流要素不隨時間變化的運動。 非穩(wěn)定流：滲流要素隨時間變化的運動。滲流分類滲流分類29/65Darcy定律：QKAJ 或VKJ (線性)式中 Q滲流量m3/d或cm3/s； A過水斷面 K滲透系數m/d或cm/s， 表征巖土透水性能大小的指標。 還與水的粘滯性有關。 V

9、滲透流速m/d或cm/s Darcy定律適合于層流（砂土）。 地下水 運動的基本規(guī)律30/65紊流（礫石土）運動規(guī)律：VKJ1/2 (非線性)黏性土運動規(guī)律：VK（J-Jo） 式中Jo為起始水力坡降31/65滲透系數的確定：1. 據土的粒度分析資料計算.2. 室內測定 1) 常水頭試驗（適用于砂土） 2) 變水頭試驗 （適用于黏性土）3. 現場測定 1) 滲水試驗 2) 抽水試驗32/65 室內常水頭滲透試驗 AtlHkkIAtqtQHAtQlk由達西公式：得土樣的滲透系數為：圖 619 常水頭滲透試驗33/65 室內變水頭滲透試驗 dhadQAdtlhkkIAdtqdtdQAdtlhkadh

10、 thhdtalkAhdh021talkAhh21ln21lnhhAtalk 圖 620 變水頭滲透試驗34/65現場抽水試驗 dxdyxykQ2HhRrydykxdxQ2)(lg732. 0)(ln2222hHrRQhHrRQk圖 621 潛水完整井抽水試驗示意圖 35/65地下水涌水量的計算Q2KAJ2KL)(2(00RhHhH地下水向完整滲溝的流動：36/65地下水向不完整滲溝的流動：dxdyxkq1) 含水層厚度有限單側流量:分離變量并積分，x從c至c+R，y從0至H，得：2ccRHkqln2)含水層厚度無限計算同上,但37/65井的類型：按其揭露含水層的類型分：潛水井、承壓井按進水條

11、件分：完整井、非完整井地下水向井的穩(wěn)定流動 圖 624 井的類型示意圖 a潛水完整井；b、c、d潛水非完整井；e承壓水完整井；f、g 承壓水非完整井38/65潛水完整井QKAJ2Kxydxdy分離變量并積分，x從rw至R，y從hw至H，得：wWWwwrRSSHKrRhHKQlglg)2(366.1lglg366.12239/65承壓水完整井QKAJ=2KxMdxdy分離變量并積分后，得：wWwwrRMSKrRhHMKQlglg73.2lglg)(73.2 圖 625 地下水向承壓水井的流動40/65基坑涌水量計算:把基坑假想為圓形大井,其引用半徑: Fr0F基坑面積41/65第五節(jié) 地下水與工

12、程建設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. 對混凝土的侵蝕性42/65基坑突涌隔水層的安全厚度：0HHW0HHw據得若不滿足上述厚度，需降水，使基坑中心承壓水位降深滿足：HSHW ）（0則：HHSW043/65 滲透變形 (seepage deformation)管涌：單個土顆粒發(fā)生獨立移動的現象。 多發(fā)生在不均勻的砂礫土中。流土：一定體積的土粒同時發(fā)生移動的現象。 多發(fā)生在均質砂土層和粉土層中。44/651998 洪水漏洞漏洞14%14%脫坡脫坡16%16%管涌管涌50%50%跌窩跌窩1%1%散浸散浸3%3%崩岸崩岸5%5%其他其他11%11%跌窩

13、跌窩散浸散浸崩岸崩岸其他其他漏洞漏洞脫坡脫坡管涌管涌45/65 隱患與險情隱患與險情46/6547/65武漢丹水池堤防搶險48/65上海軌道交通4號線事故 2003年7月1日凌晨4點，正在施工中的上海市地鐵四號線區(qū)間隧道浦西聯絡通道發(fā)現滲水，隨后出現大量流沙涌入，引起地面大幅沉降；上午九點左右，地面建筑八層樓房發(fā)生傾斜，其裙房部分倒塌。由于報警及時，所有人員均已提前撤出，因而無人員傷亡，受其影響的周圍樓房里的市民們也已全部撤出。臨江花園大廈臨江花園大廈 （傾斜（傾斜10） 裙裙 房房 倒倒 塌塌49/65搶險方案： 對軌道交通4號線區(qū)間隧道進行封堵，解除了因險情對整個隧道區(qū)間的威脅 向地下采取

14、注漿壓漿技術減少地下流沙的涌動，保護周邊地區(qū)的建筑 拆除受險情影響的大樓及裙房用注漿機不停地把水泥漿注入地下，加固地面地基，提高地基承載力 潛水員身穿 70kg 潛水 服，潛入地下進行封堵， 確保大廈地基不滲水采用傳統(tǒng)方式拆除破壞樓房7月2日50/657月月3日新險情日新險情 受地面沉降影響，董家渡外馬路段長約30米的防汛墻，發(fā)生沉陷、傾斜、開裂。此時，正值上海汛期開始，上千名武警官兵奉命緊急出動，用沙袋和身軀，在浦江邊筑起“U”字型圍堤，將長江抗洪的經典場景再現！武警官兵火速奔赴現場搶險救災武警官兵分幾隊，一組負責裝沙，一組負責沙包傳遞武警官兵有的拋填沙包筑堤，有的跳進黃浦江排險堵漏。51/

15、65給沙堤內側安置大型鋼制樁給沙堤內側安置大型鋼制樁24小時筑起長160m，高2m，伸入黃浦江約10m的弧形臨時堤壩，控制了險情52/65建于1989年71米高265米長1993年8月7日垮壩死亡300余人滲透破壞: 青海溝后水庫的潰口溝后水庫沙礫石面板壩失事實錄53/65Teton 壩壩（美國）（美國）概況：土壩，高90m，長1000m，建于1972-75年，1976年6月失事損失：直接8000萬美元，起訴5500起，2.5億美元，死14人，受災2.5萬人，60萬畝土地，32公里鐵路原因：滲透破壞水力劈裂54/651976年6月5日上午10:30左右，下游壩面有水滲出并帶出泥土。Teton

16、壩壩（美國）（美國）55/651111：0000左右洞口不斷擴大并向壩頂靠近，泥水流量增加Teton 壩壩（美國）（美國）56/6511:30洞口繼續(xù)向上擴大，泥水沖蝕了壩基，主洞的上方又出現一滲水洞。流出的泥水開始沖擊壩趾處的設施。Teton 壩壩（美國）（美國）57/6511：50左右洞口擴大加速，泥水對壩基的沖蝕更加劇烈。Teton 壩壩（美國）（美國）58/6511:57 壩坡坍塌，泥水狂瀉而下Teton 壩壩（美國）（美國）59/6512：00過后坍塌口加寬Teton 壩壩（美國）（美國）60/65洪水掃過下游谷底，附近所有設施被徹底摧毀Teton 壩壩（美國）（美國）61/65失事現場目前的狀況Teton 壩壩（美國）（美國）62/65復習思考題1.何謂地下水？地下水的物理性質包括哪些內容？ 地下水的化學成分有哪些？2.地下水按埋藏條件可以分為哪幾種類型？它們有何不 同？試簡述之。3.地下水按含水層空隙性質可以分為哪幾種類型？它們 有何不同？試簡述之。4試分別說明潛水和承壓水的形成條件及工程特征。5根據埋藏情況裂隙水可分為哪幾種類型？它們有何 特征？6. 試說明地下水與工程建設的關系。63/65作作 業(yè)業(yè) 題題1.已知承壓水頭H0=4m，坑底隔水層厚度H=1.0m，土的重 度為2