工程地質(zhì)第13講：地下水的地質(zhì)作用課件

1、第二節(jié)地下水的地質(zhì)作用一、地下水的基本知識(shí) 二、地下水的基本類型 三、地下水對(duì)土木工程的影響 地下水與人類的關(guān)系水資源： :地下水是河流補(bǔ)給來源之一；也積極參與水循環(huán)；也是人類一項(xiàng)寶貴的自然資源，它可直接作為都市給水、灌溉用水、工礦業(yè)用水的水源； 溶解礦床資源： 某些深層地下水含有較高的礦物質(zhì)，如食鹽、芒硝、鉀鹽、碘鹽等，可以提煉作為化學(xué)工業(yè)的原料； 有些礦泉水具有醫(yī)療上的作用； 地下熱水又可利用來發(fā)電； 地下水對(duì)農(nóng)作物生長(zhǎng)也有很大影響，如地下水水位過高易產(chǎn)生鹽漬化，不利于農(nóng)作物生長(zhǎng)； 地下水還往往能導(dǎo)致局部的動(dòng)力地質(zhì)地貌現(xiàn)象，如山崩、滑塌、陷穴、溶洞等，對(duì)廠房建筑、水利、交通建設(shè)等都有極大的

2、影響，若過量的開采和不合理利用地下水，則會(huì)造成地面沉降，地下水源遭受污染等。地下水與人類的關(guān)系地下水對(duì)人類來說是有利有弊?學(xué)習(xí)地下水地質(zhì)作用的工程意義 地下水與土石相互作用產(chǎn)生各種不良的自然地質(zhì)現(xiàn)象和工程地質(zhì)現(xiàn)象，給工程的建筑和正常使用造成危害。 地下水還常常給隧道施工和運(yùn)營(yíng)帶來困難，甚至帶來災(zāi)害。 一、地下水的基本知識(shí)（一）水在巖土中的存在形式（二）巖土的主要水理性質(zhì)（三）含水層與隔水層概念 （四）地下水的物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)地下水是指存在于地面以下，松散堆積物和巖石空隙（孔隙、裂隙、巖隙）中的水。（一）水在巖土中的存在狀態(tài)氣態(tài)水 強(qiáng)結(jié)合水（吸著水）弱結(jié)合水（薄膜水） 毛細(xì)水 重力水（自由水）

3、 固態(tài)水液態(tài)水結(jié)合水 排列致密、定向性強(qiáng) 密度1g/cm3 冰點(diǎn)處于零下幾十度 具有固體的特性 溫度高于100C時(shí)可蒸發(fā)強(qiáng)結(jié)合水 位于強(qiáng)結(jié)合水之外，電場(chǎng)引 力作用范圍之內(nèi) 外力作用下可以移動(dòng) 不因重力而移動(dòng)，有黏滯性弱結(jié)合水（二）巖土的主要水理性質(zhì)容水性 持水性 給水性 透水性持水性依靠分子引力或毛細(xì)力，在巖土孔隙、裂隙中能保持一定數(shù)量水體的性能。指巖土能容納一定水量的性能。容水性在重力作用下，飽水巖土能夠流出一定水量的性能。給水性巖土允許水透過的性能稱為透水性。透水性透水的 半透水的 不透水的（三）含水層與隔水層概念 含水層：在正常水力梯度下，飽水、透水并能給出一定量水的巖土層。隔水層：在正

4、常水力梯度下不透水或透水相對(duì)微弱的巖土層稱為隔水層。構(gòu)成含水層的條件有空隙存在，并充滿足夠量的水重力水能從巖土中自由流出（四）地下水的物理性質(zhì)與化學(xué)性質(zhì)溫度 顏色 透明度 嗅味 口味 比重 導(dǎo)電性 放射性等1地下水的物理性質(zhì)2地下水的化學(xué)成分N2、O2、CO2、CH4、H2S及放射性氣體等離子陽(yáng)離子:H+、Na+、K+、NH4+、Mg2+、Ca2+、Fe2+、Fe3+、Mn2+等 陰離子:OH-、Cl-、HCO3-、NO2-、SO42-、CO32-、SiO32-、PO43-等Fe2O3、Al2O3、H2SiO3等化合物氣體總礦化度指地下水中所含的各種離子、分子及化合物的總量。 地下水按化學(xué)成分

5、分類按總礦化度分類地下水類型淡水弱半咸水強(qiáng)半咸水咸水鹽水總礦化度 （g/L）113310105050地下水的硬度指水中所含鈣、鎂離子的數(shù)量。 總硬度水中所含鈣、鎂離子總量。 暫時(shí)硬度可由煮沸去掉的鈣、鎂離子含量。 永久硬度煮沸后能保留下來的鈣、鎂離子的含量。按硬度分類總硬度 = 暫時(shí)硬度 永久硬度德國(guó)方法：硬度1相當(dāng)于每升溶液中含有CaO10mg； 原蘇聯(lián)方法：用每升水溶液中所含鈣、鎂離子的毫克當(dāng)量數(shù)表示硬度。表示硬度的方法按PH分類地下水類型強(qiáng)酸性水弱酸性水中性水弱堿性水強(qiáng)堿性水PH55777993地下水水質(zhì)評(píng)價(jià)對(duì)不同的目的用水，對(duì)水的要求也不完全一樣，因此對(duì)水質(zhì)評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)也不盡相同。生活用

6、水水質(zhì)評(píng)價(jià)鍋爐用水和蒸汽機(jī)車內(nèi)燃機(jī)車用水施工用水二、地下水基本類型（一）地下水按埋藏條件分類及其特征潛水包氣帶水（上層滯水）承壓水是指存在于地面以下包氣帶中的水。包氣帶水(上層滯水)(1)水量不大，但季節(jié)性變化強(qiáng)烈。 (2)補(bǔ)給區(qū)和分布區(qū)是一致的。 (3)一般礦化度低，但水質(zhì)最易受污染。 (4)所含的上層滯水水量不大，但其常常是引起土質(zhì)邊坡滑坍，地基、路基沉陷、凍脹等病害的重要因素。包氣帶水的主要特征：潛水指埋藏于地表以下，第一個(gè)穩(wěn)定隔水層之上具有自由水面的飽水帶中的重力水。潛水面的特征 潛水面一般呈傾斜的各種形態(tài)的曲面。 潛水面的起伏經(jīng)常與地形一致，只是比地形起伏平緩一些；潛水面與地表面的形

7、態(tài)具有相似性。 當(dāng)含水層厚度變大時(shí)，潛水面坡度變緩； 當(dāng)巖層透水性變好，潛水面坡度變緩。 潛水面一般呈傾斜的各種形態(tài)的曲面。 潛水面的起伏經(jīng)常與地形一致，只是比地形起伏平緩一些；潛水面與地表面的形態(tài)具有相似性。地表地形的影響當(dāng)含水層厚度變大時(shí)，潛水面坡度變緩；含水層厚度的影響當(dāng)巖層透水性變好，潛水面坡度變緩。巖層透水性的影響潛水等水位線圖潛水等水位線圖是根據(jù)所在地區(qū)各水文地質(zhì)點(diǎn)（井、鉆孔、試坑和泉等），在大致相同的時(shí)間內(nèi)所測(cè)得的潛水面的水位標(biāo)高編制而成的。潛水等水位線圖的用途反映潛水與地表水的相互關(guān)系； 確定潛水的埋藏深度； 如有隔水層頂板標(biāo)高，可以確定含水層的厚度.可以確定潛水的流向及潛水面

8、的水力坡度；潛水的補(bǔ)給含水層中地下水從外部（如大氣降水、地表水等）獲得大量補(bǔ)充的過程稱為地下水的補(bǔ)給。潛水的補(bǔ)給大氣降水; 地表水的補(bǔ)給； 含水層之間的補(bǔ)給； I.越流補(bǔ)給；II.直接補(bǔ)給 凝結(jié)水； 人工補(bǔ)給潛水的補(bǔ)給 大氣降水河流補(bǔ)給潛水潛水的補(bǔ)給 地表水的補(bǔ)給潛水的排泄蒸發(fā); 泉的排泄； 向地表水排泄； 人為排泄。潛水的排泄 泉潛水補(bǔ)給河流潛水的排泄 向地表水排泄?jié)撍奶卣鳎壕咦杂伤?，補(bǔ)給區(qū)與分布區(qū)一致，動(dòng)態(tài)變化大，易受污染承壓水埋藏并充滿在兩個(gè)隔水層之間的含水層中的地下水，是一種有壓重力水。承壓水的形成最適宜形成承壓水的地質(zhì)構(gòu)造有：向斜構(gòu)造 單斜構(gòu)造承壓斜地承壓盆地 此類承壓水的水位受

9、到氣候及地形的控制，往往具有較好的徑流條件。承壓盆地承壓斜地巖性變化形成承壓斜地?cái)嗔褬?gòu)造形成承壓斜地1地形等高線2等壓線3底板等高線1. 某區(qū)域承壓水的等水壓線圖,試確定： （1）A 、B點(diǎn)的地下水的流向； （2）B點(diǎn)含水層埋深； （3）C點(diǎn)的承壓水頭，如果在C點(diǎn)鑿井時(shí)C點(diǎn)的初見水位深度。 1 地形等高線；2 等壓線；3 含水層頂板等高線 標(biāo)高單位為m承壓含水層在同一區(qū)域內(nèi)均可在不同深度有著若干層同時(shí)存在的情況，它們之間的水頭高度與地形和構(gòu)造二者有關(guān)。承壓水的補(bǔ)給 大氣降水當(dāng)補(bǔ)給區(qū)位于河床地帶時(shí)，地表水才可以成為補(bǔ)給來源。承壓水的補(bǔ)給 地表水當(dāng)承壓含水層補(bǔ)給區(qū)位于潛水之下，潛水可以泄入承壓含水

10、層中構(gòu)成其補(bǔ)給源。承壓水的補(bǔ)給 潛水當(dāng)排泄區(qū)上有潛水存在時(shí)，則可以排泄入潛水中。承壓水的排泄 潛水當(dāng)侵蝕面下切達(dá)到承壓含水層時(shí)，就以泉水形式排泄。承壓水的排泄 泉導(dǎo)水?dāng)鄬忧袛嗪畬訒r(shí)，沿?cái)鄬訋?，承壓水也可以泉的形式排泄。承壓水的排?泉河谷下切至含水層，則承壓水向地表水排泄。承壓水的排泄 地表水承壓水的徑流徑流條件的好壞與地形條件、含水層的透水性、補(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū)的水位差、承壓含水層的撓曲程度等有關(guān)。承壓含水層的涌水量，主要與含水層的分布范圍、厚度、透水性、補(bǔ)給區(qū)的大小、水的補(bǔ)給來源等因素有關(guān)。承壓水的涌水量承壓水的特征：a.不具自由水面，承受靜水壓力；b.補(bǔ)給區(qū)與分布區(qū)不一致，補(bǔ)給區(qū)往往小于分

11、布區(qū)；c.動(dòng)態(tài)變化??；d.不易受污染。（二）地下水按含水層性質(zhì)分類孔隙水 裂隙水 巖溶水風(fēng)化裂隙水 成巖裂隙水 構(gòu)造裂隙水1.孔隙水：分布地層：Q土中，少數(shù)基巖。影響因素：取決于孔隙情況：大小、多少、形狀、分選情況、排列及連通情況。2.裂隙水：分布：埋藏在基巖裂隙中的地下水叫裂隙水，這種水運(yùn)動(dòng)復(fù)雜，水量變化大，與裂隙發(fā)育與成因關(guān)系密切。類型：（1）風(fēng)化裂隙水：a 多呈層狀裂隙水，水平方向透水性均勻，垂直方向隨深度而減弱，b 多屬潛水，c 受大氣補(bǔ)給，季節(jié)性變化明顯，常以泉的形式排于河中。（2）成巖裂隙水：a 分布在一定的層位，呈層狀分布,b 水量取決于裂隙發(fā)育程度、巖石性質(zhì)和補(bǔ)給條件。（3）構(gòu)

12、造裂隙水 A.裂隙（節(jié)理與斷層）性質(zhì)、成因和發(fā)育程度決定了水的存在、類型、運(yùn)動(dòng)、富集發(fā)育情況，剪性水量不大，張性重要含水層。B. 具方向性，發(fā)育成脈狀、帶狀和層狀。 脈狀存在于張開裂隙中，由于裂隙不連續(xù)，水位不一，分布不均，水量小，變化大。帶狀多分布在斷層破碎帶中，水量大，延伸遠(yuǎn)，在一定范圍內(nèi)有一定的補(bǔ)給源及排泄通道，水位一致，層狀分布在軟硬互層的堅(jiān)硬巖層中。3.巖溶水埋藏在可溶巖裂隙、溶洞及暗河中的地下水三、地下水對(duì)土木工程的影響（一）地下水對(duì)混凝土的侵蝕（二）地下水位變化引起的巖土工程中的問題 （三）地下水的不良地質(zhì)作用 （一）地下水對(duì)混凝土的侵蝕性溶出侵蝕 碳酸侵蝕 硫酸鹽侵蝕 一般酸性

13、侵蝕 鎂鹽侵蝕（1）溶出侵蝕： 硅酸鹽水泥遇水硬化，生成Ca（OH）2，水化硅酸鈣2CaO.SiO2.12H2O.水化鋁酸鈣2CaO.Al203.6H2O等。地下水在流動(dòng)過程中，上述生成物中的Ca(OH)2及CaO不斷溶解帶走，結(jié)果使混凝土強(qiáng)度下降。 這種溶解作用與混凝土密度.厚度有關(guān)，和地下水中HCO3-含量關(guān)系很大，水中HCO3-與混凝土中Ca(OH)2化合生成CaCO3沉淀。Ca(OH)2+Ca(HCO3)2=2CaCO3+2H2O CaCO3充填混凝土空隙，在混凝土表面形成保護(hù)層，防止Ca(OH)2溶出，因此HCO3-含量越高，水的侵蝕性越弱，當(dāng)HCO3-含量平衡CO2，則超出部分CO

14、2稱侵蝕性CO2,使混凝土中CaCO3溶解.侵蝕CO2越多則侵蝕性越強(qiáng)，當(dāng)?shù)叵滤魉俸土髁慷驾^大時(shí)， CO2容易不斷得到補(bǔ)充，平衡不易建立，侵蝕作用不斷進(jìn)行。（3）硫酸侵蝕：水中SO42-含量超過一定數(shù)值時(shí)，對(duì)混凝土造成侵蝕破壞。 一般SO42-250mg/l時(shí)就可能與混凝土中的Ca(OH)2作用生成石膏，石膏在吸收2個(gè)H2O生成CaSO4.2H2O時(shí)，體積膨脹到原來的1.5倍，石膏還能與混凝土中含水鋁酸鈣作用生成含31H2O的含水硫鋁酸鈣，體積增大為原來的2.2倍，于是在混凝土中產(chǎn)生很大的應(yīng)力，使已硬化的混凝土嚴(yán)重潰裂，現(xiàn)場(chǎng)稱水泥細(xì)菌，反應(yīng)式如下：3(CaSO4.2H2O)+3CaO.Al2

15、O3.6H2O+19H2O=3CaO.Al2O3.3CaSO4.3H2O 當(dāng)使用含水鋁酸鈣極少水泥時(shí)，可大大提高水泥抗硫酸鹽侵蝕能力，當(dāng)SO42-含量3000mg/l，不具硫酸侵蝕。 （4）一般酸性侵蝕：當(dāng)PH較小時(shí)，混凝土中Ca(OH)2與酸反應(yīng)，生成Ca鹽，如CaCl2、CaSO4、Ca(NO3)2等，若生成物易溶于水，則混凝土補(bǔ)侵蝕，一般認(rèn)為，PH1000mg/l時(shí)有侵蝕性，而地下水中Mg2+含量很少超過1000mg/l。 據(jù)中央臺(tái)1996年8月11日焦點(diǎn)防談報(bào)道，青海鉻鹽廠因使用了含硫酸鹽的地下水用作工程用水，使樁基礎(chǔ)、柱與其他構(gòu)件遭受腐蝕，損失3000多萬(wàn)。地下水侵蝕性評(píng)價(jià) 為了評(píng)價(jià)

16、地下水對(duì)混凝土及鐵、鋁等金屬材料的侵蝕性，必須在現(xiàn)場(chǎng)同時(shí)采2個(gè)水樣，1個(gè)重1kg，另一個(gè)重0.30.5kg，并加CaCO3粉35g，兩個(gè)樣在現(xiàn)場(chǎng)密封后立即送實(shí)驗(yàn)室分析，分析項(xiàng)目有：游離CO2、Ca2+、Mg2+、K+、Na+、NH4+、Fe2+、Cl-、SO42-、HCO3-、NO3-、總硬度和有機(jī)質(zhì)。 根據(jù)水樣的化學(xué)分析結(jié)果，對(duì)照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)巖土工程勘察規(guī)范進(jìn)行地下水侵蝕性評(píng)價(jià)。評(píng)價(jià)時(shí)還應(yīng)當(dāng)考慮建筑物場(chǎng)地的環(huán)境和含水層的透水性。（二）地下水位變化引起的巖土工程中的問題 1 地下水位上升情況 （1）淺基礎(chǔ)地基承載力降低： 無(wú)論是砂性土還是粘性土，無(wú)論是何種基礎(chǔ)形式，其承載力隨地下水位上升而下降的必

17、然性。 由于粘性土具有粘聚力的內(nèi)在作用，故相應(yīng)的承載力下降小些，最大下降率在50%左右，而砂性土的最大下降率可達(dá)70%。（2）砂土地震液化加?。?地下水與砂土液化關(guān)系密切，沒有水也就沒有所謂的砂土液化。 經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，隨著地下水位的上升，砂土抗地震液化能力隨之減弱，在上覆土層為3m情況下，地下水位從埋深6m處上升至地表時(shí)，砂土抗液化的能力降低可達(dá)74%左右。 地下水位埋深在2m處左右為砂土的敏感區(qū)，這種淺層降低的影響，基本上是隨著土體的含水量的提高而加大，隨著上覆土層的淺化而加劇。（3）建筑物震陷加劇： 首先，對(duì)飽和疏松的細(xì)粉砂而言，在地震作用下，使得建在其上的建筑物產(chǎn)生附加沉降，即發(fā)生所謂的液

18、化震陷。 分析得到，地下水位上升的影響作用為： A） 對(duì)產(chǎn)生液化震陷的地震動(dòng)荷因素和震陷結(jié)果起放大作用。當(dāng)?shù)叵滤挥煞治鰡卧獙又悬c(diǎn)開始上升至地表時(shí)，將地震作用足足放大了一倍，當(dāng)?shù)叵滤粡穆裆?m處上升至地表時(shí)，6m 厚的砂土層所產(chǎn)生的液化震陷值增大倍數(shù)的范圍為2.95。 B） 砂土越疏松或初始剪應(yīng)力越小，地下水位上升對(duì)液化震陷影響越大。 其次，對(duì)于大量的軟弱粘性土而言，地下水位上升既使其飽和，又?jǐn)U大了其飽和范圍，這種飽和粘性土的土?？障吨谐錆M了不可壓縮的水體，本身的靜強(qiáng)度就降低，故在地震作用下，在短瞬間即產(chǎn)生塑性剪切破壞，同時(shí)產(chǎn)生了大幅度的剪切變形。 該結(jié)果可達(dá)到砂土液化震陷值的45倍之多，甚

19、至超過10倍。 海南某地一建在細(xì)砂地基上的堤防工程，砂層厚4.5m，地下水位埋深2m，考慮到地下水位上升0.5m或1m時(shí)，地基承載力則從320kPa降至310kPa或270kPa，降低率為6.3%或19%。而砂土的液化程度，則從輕微液化變?yōu)榻踔械然蛞褳橹械纫夯夯鹣萘康脑黾勇蔬_(dá)6.9%或14.1%。在地基設(shè)計(jì)中，必須考慮由地下水位上升引起的這些削弱方面。（4）土壤沼澤化、鹽漬化： 當(dāng)?shù)叵聺撍簧仙两咏乇頃r(shí)，由于毛細(xì)作用的結(jié)果，而使地表土層過濕沼澤化或強(qiáng)烈的蒸發(fā)濃縮作用，使鹽分在上部巖土層中聚集形成鹽漬土，這不僅改變了巖土原來的物理性質(zhì)，而且改變了潛水的化學(xué)成分，礦化度增高，增強(qiáng)了巖土及

20、地下水對(duì)建筑物的腐蝕性。（5）土體產(chǎn)生變形、滑坡、崩塌失穩(wěn)等不良地質(zhì)作用：（6）地下水位上升對(duì)凍脹作用的影響： 融沉?xí)r粘聚力為原來1/10，壓縮性增高，建筑物產(chǎn)生較大變形。（7）對(duì)建筑物的影響： 當(dāng)?shù)叵滤辉诨A(chǔ)底面以下壓縮層范圍內(nèi)變化時(shí)，就將直接影響建筑物的穩(wěn)定性，若地下水位在壓縮層范圍內(nèi)上升，水浸蝕、軟化地基土，使其強(qiáng)度降低，壓縮性增大，建筑物就可能產(chǎn)生較大的沉降變形，地下水位上升還可能使建筑物基礎(chǔ)上浮，使建筑物失穩(wěn)。（8）對(duì)濕陷性黃土、崩解性巖土、膨脹性巖土、鹽漬巖土的影響。2.地下水位下降情況（1）地面塌陷： 當(dāng)水力坡度改變較大，增強(qiáng)了地下水的潛蝕能力，對(duì)地層進(jìn)行沖蝕、掏空，形成地下洞

21、穴，當(dāng)穴頂失穩(wěn)時(shí)便發(fā)生地面塌陷。（2）地面沉降： 如上海1921-1965年下沉2.63m，太原1970初年代-1980年代初10年下降1.32m。抽水含水層水位下降有效應(yīng)力增加地面沉降土層的不均勻性 邊界條件的復(fù)雜性地面不均勻沉降地面建筑物和地下管線不同程度的損壞地面沉降ch5- 79 天津市地面沉降西安市地面沉降（3）海水入侵：山東已有730km2。（4）地裂縫復(fù)合與產(chǎn)生。（5）地下水源枯渴，水質(zhì)惡化。 據(jù)CCTV-1報(bào)道（焦點(diǎn)防談1997-6-23）在蘇州一帶，原地下1-2m就有地下水，而現(xiàn)在要在地面以下60-70m甚至超過90m才有。地面沉降在全國(guó)20多個(gè)城市存在，發(fā)生地裂縫、房屋開裂

22、，其中90%在北方城鎮(zhèn)，首先懷疑是基礎(chǔ)不牢，后來發(fā)現(xiàn)大部分房屋出現(xiàn)。是不均勻沉降所致，滬寧鐵路一橋墩已下沉1.4m，我國(guó)1960年代開采地下水20-30m3，1980年代600m3，1990年代900m3。由于地表水受污染，轉(zhuǎn)而利用地下水?！俺宰孀陲?，斷子孫路”。（6）對(duì)建筑物影響： 當(dāng)?shù)叵滤辉诨A(chǔ)底面以下壓縮層范圍內(nèi)下降時(shí)，巖土的自重應(yīng)力增加，可能引起地基基礎(chǔ)的附加沉降，如果土質(zhì)不均勻或地下水位突然下降，也可能使建筑物發(fā)生破壞。（三）地下水的不良地質(zhì)作用1基坑突涌： 當(dāng)基坑下伏有承壓含水層時(shí)，在開挖基坑所留頂板經(jīng)受不住承壓水頂裂或沖毀，稱基坑突涌。為避免發(fā)生，必須檢查安全厚度。H=Hc*rw/r 基坑突涌對(duì)建筑基坑下有承壓水存在時(shí)，開挖基坑減少了基坑底部隔水層的厚度，當(dāng)隔