地下水的地質(zhì)作用

PAGE2PAGE5地下水的地質(zhì)作用一、地下水的貯存（一）巖土中的空隙1、孔隙松散巖土(如粘土、砂土、礫石等)中顆?；蝾w粒集合體之間存在的空隙，稱為孔隙。巖石中孔隙體積的多少直接影響儲(chǔ)容地下水的能力大小?？紫扼w積的多少可用孔隙度(n)表示。孔隙度是孔隙體積(Vn)與包括孔隙在內(nèi)的巖石總體積(V)的比值，用小數(shù)或百分?jǐn)?shù)表示，即：或

孔隙度的大小主要取決于巖土的密實(shí)程度及分選性。此外，顆粒形狀和膠結(jié)程度對(duì)孔隙度也有影響。巖石越疏松、分選性越好，孔隙度越大。相反，巖石越緊密圖)或分選性越差，孔隙度越小?？紫度舯荒z結(jié)物充填，則孔隙度變小。幾種典型松散巖土的孔隙度的參考值名稱礫石粗砂細(xì)砂亞粘土粘土泥炭孔隙度（％）2740424750802、裂隙固結(jié)的堅(jiān)硬巖石受地殼運(yùn)動(dòng)及其它內(nèi)外地質(zhì)營(yíng)力作用的影響產(chǎn)生的空隙，稱為裂隙。裂隙發(fā)育程度除與巖石受力條件有關(guān)外，還與巖性有關(guān)，堅(jiān)脆的巖石裂隙發(fā)育，透水性好，質(zhì)軟具塑性的巖石裂隙不發(fā)育，透水性差。裂隙的多少用裂隙率(Kt)表示，裂隙率是裂隙體積(Vt)與包括裂隙體積在內(nèi)的巖石總體積的比值，用小數(shù)或百分?jǐn)?shù)表示：幾中巖石裂隙的參考值巖石名稱玄武巖巖溶化石灰?guī)r砂巖石灰?guī)r白云巖頁(yè)巖裂隙

結(jié)晶巖致密

結(jié)晶巖裂隙率（％）5～205～505～100～200～30～150～5巖石顆粒表面的水分子增厚到一定程度時(shí)，重力對(duì)其影響將超過(guò)顆粒表面對(duì)它的吸引力，這些水分子則在重力作用下向下運(yùn)動(dòng)，形成重力水。在飽和的巖土空隙中的水，除結(jié)合水外都是重力水。重力水在重力作用下可以在巖土空隙中自由流動(dòng)，又稱自由水。通常所說(shuō)的地下水，主要是重力水。重力水可傳遞靜水壓力，能產(chǎn)生浮托力和孔隙水壓力。流動(dòng)的重力水在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中還會(huì)產(chǎn)生動(dòng)水壓力，同時(shí)具有溶解能力，對(duì)巖石產(chǎn)生化學(xué)溶蝕，導(dǎo)致巖石的成分及結(jié)構(gòu)的破壞。6、固態(tài)水當(dāng)氣溫下降到0℃以下時(shí)，巖土空隙中的水就轉(zhuǎn)化為固態(tài)水——二、巖石的水理性質(zhì)巖石與水有關(guān)的性質(zhì)，稱為巖石的水理性質(zhì)，它與巖石的性質(zhì)、空隙的大小、空隙的連通性等密切相關(guān)。1、容水性：在巖土的空隙中能夠容納一定水量的性能稱容水性。容水性常用容水度表示。其數(shù)值是巖土中容納的水的體積與巖土總體積之比。

式中：c—巖土的容水度（以百分?jǐn)?shù)表示）；

v—巖土中所容納水的體積；

w—巖土的總體積。當(dāng)巖土空隙被水充滿時(shí)，水的體積就等于空隙的體積，此時(shí)容水度在數(shù)量上等于孔隙度或裂隙率。根據(jù)容水度大小可以把巖土分為三類：(1)容水的：粘土、泥炭、粉質(zhì)粘土、砂、礫石等；(2)微容水的：泥灰?guī)r、黃土、粘土質(zhì)砂巖、粉土等；(3)不容水的：結(jié)晶巖類（巖漿巖及類似的巖石）。2、持水性：飽水的巖石在重力作用下釋水時(shí)，由于分子引力與表面張力的作用，在巖土空隙中保持—定水量的性能稱持水性。持水性用持水度表示，即釋水后的水體積與巖土總體積的比。

式中：Sr—巖土的持水度；

Wr—釋水后的水的體積；

v—巖土的總體積。根據(jù)持水度大小也可將巖土分為三類：(1)強(qiáng)持水的：泥炭、粘土、粉質(zhì)粘土等；(2)弱持水的：泥灰?guī)r、粉土、細(xì)砂等；(3)不持水的：卵石、礫石、粗砂等。3、給水性：飽和的巖土在重力作用下，能夠自由排出一定水量的性能稱給水性。給水性用給水度表示，其值為能自由排出的水的體積與巖土總體積之比。

式中：Sy—巖土的給水度；

Wy—在重力作用下飽水巖石排出的水的體積；

v—巖土的總體積。

巖土的給水度與巖石的顆粒大小、形狀、排列方式、壓實(shí)程度等有關(guān)，一般情況下，土的給水度的平均值：土的名稱礫石粗砂中砂細(xì)砂極細(xì)砂粉土粉質(zhì)粘土給水度30～3525～3020～2515～2010～157～104～7容水度、持水度與給水度三者之間有密切關(guān)系，給水度應(yīng)等于容水度成去持水度，即：4、透水性：巖土允許水透過(guò)的性能，稱為透水性。通常用滲透系數(shù)(K)來(lái)表示其大小。滲透系數(shù)是與巖土性質(zhì)和滲透液體的物理性質(zhì)有關(guān)的常數(shù)，滲透系數(shù)的單位與滲透速度相同，即cm/m，m/h，m/d。常見巖土的滲透系數(shù)K：土的名稱細(xì)粒土粗粒土粉土粉質(zhì)粘土粘土粗礫粗砂～細(xì)砂細(xì)砂～粉砂滲透系數(shù)10-3～10-410-5～10-610-7～10-8>10-110-1～10-310-3～10-5裂隙巖體巖溶化裂隙化細(xì)裂隙化微裂隙化粘土質(zhì)巖

滲透系數(shù)>10-210-2～10-310-3～10-510-5～10-7<10-6

根據(jù)透水性大小可以把巖土分為三類：(1)透水的：礫石、卵石、砂、裂隙或巖溶發(fā)育的巖石；(2)半透水的：黃土、粉土、粉質(zhì)粘土等；(3)不透水的：粘土、泥巖、頁(yè)巖及裂隙不發(fā)育的堅(jiān)硬巖石。二、地下水的物理性質(zhì)和化學(xué)成分（一）地下水的物理性質(zhì)地下水的物理性質(zhì)包括溫度、顏色、透明度、嗅味、口味、比重、導(dǎo)電性及放射性等。1、溫度：埋藏深度不同的地下水，有不同的溫度變化規(guī)律，主要受氣溫和地溫影響。按照地下水的溫度不同，可把地下水分為：類別過(guò)冷水極冷水冷水溫水熱水極熱水過(guò)熱水水溫<00～44～2020～3737～4242～100>1002、顏色：地下水一般是無(wú)色的，但溶有某些化學(xué)成分或懸浮物、膠體物質(zhì)時(shí)，可顯示出不同顏色：所含成分硬水氧化亞鐵氫氧化鐵硫化氫硫細(xì)菌錳化合物懸浮物腐殖質(zhì)地下水顏色淺藍(lán)色淺灰藍(lán)色銹黃色淺藍(lán)綠色紅色暗紅色淺灰色暗黃灰黑色3、透明度：純凈的水是透明的，但由于水中含有其它固體懸浮物或膠體物質(zhì)時(shí)，透明度會(huì)降低。根據(jù)透明程度不同，可將地下水分為：透明的：無(wú)懸浮物及膠體，60㎝可見3㎜粗線；微濁的：含少量懸浮物，30～60㎝水深可見3㎜粗線；渾濁的：有較多懸浮物，半透明，<30㎝水深可見3mm粗線；極濁的：有大量懸浮物或膠體，似乳狀，水深很小時(shí)也不能看清3㎜粗線。4、嗅味：地下水通常無(wú)嗅味，當(dāng)含有一些氣體或有機(jī)質(zhì)時(shí)會(huì)出現(xiàn)特殊的嗅味。如，水中含H2S時(shí)有臭蛋味，含腐殖質(zhì)時(shí)有霉味等。有些嗅味在低溫時(shí)較輕、在溫度升高后則加重。5、口味：純水無(wú)味，當(dāng)含有某些化學(xué)成分時(shí)，會(huì)呈現(xiàn)出特殊的味覺(jué)，如：成分NaClNa2SO4Mg2Cl、MgSO4大量有機(jī)物鐵鹽腐殖質(zhì)H2S與H2CO3同時(shí)存在CO2與適量Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2口味咸澀苦

甜墨水沼澤酸良好適口6、比重：地下水比重取決于所含各種成分的含量，純水比重為1，水中溶解的各種成分較多時(shí)可達(dá)1.2～1.3。7、導(dǎo)電性：地下水的導(dǎo)電性取決于電解質(zhì)的數(shù)量。8、放射性：地下水的放射性是由于地下水中的放射性元素類引起的，其放射性強(qiáng)弱取決于放射性元素的數(shù)量。三、地下水的物理性質(zhì)和化學(xué)成分（二）地下水的化學(xué)成分及化學(xué)性質(zhì)1、地下水的化學(xué)成分地下水的化學(xué)成分是指純水及其所含的各種離子、化合物和氣體，與流經(jīng)的巖土性質(zhì)和成分、地下水的補(bǔ)給條件和氣候等有密切關(guān)系。(1)離子：H+、Na+、K+、NH4+、Mg2+、Ca2+、Fe2+、Fe3+、Mn2+等陽(yáng)離和0H-、Cl-、HCO3-、NO2-、NO3-、SO42-、CO32-、SiO32-、PO43-等陰離子；(2)化合物：Fe2O3、Al2O31、H2SiO3等，多以沉淀物或膠體形式存在；(3)氣體：N2、O2、CO2、CH4、H2S及放射性氣體等。2、地下水的化學(xué)性質(zhì)(1)總礦化度：地下水中所含各種離子、分子及化合物的總量稱總礦化度。可用單位體積的地下水烘干后稱得的殘?jiān)亓縼?lái)表示，單位g/l。按照總礦化度的大小可分為：分類淡水微咸水咸水鹽水鹵水礦化度(g/l)<11～33～1010～50>50(2)酸堿性：地下水的酸堿性是指水中氫離子的濃度，可用pH表示。水中氫離子濃度的負(fù)對(duì)數(shù)值稱為水的pH，(即pH＝—lg[H+])根據(jù)pH值大小，可將地下水分為：類型強(qiáng)酸性水弱酸性水中性水弱堿性水強(qiáng)堿性水pH值<55～777～9>9(3)硬度：地下水的硬度是指水中鈣、鎂離子的含量。一般用度(°)表示。硬度1°相當(dāng)于每升水中含CaO10mg或MgO7.2mg。按硬度的大小可分為：分類極軟水軟水微硬水硬水極硬水硬度(°)<4.24.2～8.48.4～16.816.8～25.6>25.2四、地下水的基本類型（一）不同埋藏條件下的地下水

1、上層滯水：是指埋藏在地面以下包氣帶巖土層中的水。它主要包括土壤水、沼澤水及局部隔水層上的重力水。其特征：

(1)存在于包氣帶中，受氣候影響大，季節(jié)性明顯，雨季水量多，旱季水量少，甚至干涸。

(2)水量小，易受污染，一般不能被取出利用，但對(duì)農(nóng)作物和植物有重大影響。

(3)常引起土質(zhì)邊坡滑坍、黃土路基的沉陷、路基凍脹等病害。2、潛水：

潛水：埋藏在地面以下、第一個(gè)穩(wěn)定隔水層以上的飽水帶中重力水。潛水的自由水面稱潛水面；潛水面至地表的距離，稱為潛水的埋藏深度；潛水面的高程稱為潛水位；潛水面到隔水底板的垂直距離稱為潛水層厚度。潛水的特征：

(1)潛水的分布范圍與補(bǔ)給區(qū)一致：與包氣帶相接，在其全部的分布范圍內(nèi)都可以接受補(bǔ)給，受氣候條件影響，季節(jié)性變化明顯，水質(zhì)易受污染。

(2)潛水的自由表面只承受大氣壓力，通常在重力作用下，由水位高的地方向水位低的地方徑流(徑流條件的好環(huán)，受地形切割程度、巖層的滲透性等因素制約，切割越強(qiáng)烈、地面坡度越大，徑流的條件就越好)。

(3)分布在地表附近的各種巖土里：第四紀(jì)沉積層、堅(jiān)硬的沉積巖、巖漿巖、變質(zhì)巖的裂隙及洞穴中。

(4)補(bǔ)給來(lái)源：主要是大氣降水，另外還有地表水、深層地下水及凝結(jié)水。

(5)排泄：

·水平排泄：補(bǔ)給河流或深層地下水中。如山區(qū)、河流中上游地區(qū)。

·垂直排泄：通過(guò)蒸發(fā)，返回到大氣中。如平原、河流下游地區(qū)、干旱氣候區(qū)。

潛水面的形狀及其表示方法

(1)形狀

潛水面的形狀在一般情況下，不是水平的，而是一個(gè)傾向于排泄區(qū)的一個(gè)曲面，起伏與地形一致，但比較平緩。

潛水面的形狀還受水文網(wǎng)的影響，在地表水體附近，當(dāng)潛水面高于地表水面時(shí)，地表水體排泄?jié)撍瑵撍嫦虻乇硭w傾斜；當(dāng)潛水面低于地表水面時(shí)，地表水補(bǔ)給潛水，潛水面向地表水方向逐漸抬升。

含水層的導(dǎo)水性也能影響潛水面的形狀，如果在潛水流動(dòng)方向上，含水層的滲透性或厚度增大時(shí)，潛水面的坡度相對(duì)變緩，反之則變陡。

(2)圖示方法

水文地質(zhì)剖面圖：按一定比例尺，在其具有代表性的剖面上進(jìn)行繪制的表示出水位、含水層的厚度、隔水層的高程、巖性變化及各層層關(guān)系等要素的地質(zhì)圖件。

潛水等水位線圖：(潛水面的等高線圖)，作圖的方法與地形等高線作法相似，而且是在地形圖的基礎(chǔ)上作出來(lái)的。圖中所表示的內(nèi)容：

①確定潛水流動(dòng)的方向：潛水的流向與潛水等水位線相垂直，并由高水位向低水位流動(dòng)。

②確定水力坡度：水力坡度是兩點(diǎn)潛水位高度與兩點(diǎn)的水平距離之比。水力坡度直接影響著兩點(diǎn)間的潛水平均流速。

③確定潛水與河水的關(guān)系：

④確定潛水的埋藏深度：用同一點(diǎn)地形高度減去該點(diǎn)水位高度。

⑤分析推斷含水層巖性或厚度變化。

3、承壓水：埋藏并充滿在兩個(gè)隔水層之間含水層中，并具有一定壓力的重力水，稱為承壓水。其上部隔水層稱為隔水頂板，下部隔水層稱為隔水底板，頂?shù)装逯g的距離稱為含水層厚度。其特征：

(1)不具有一定的自由水面，承受一定的靜水壓力；

(2)分布區(qū)與補(bǔ)給區(qū)不一致，補(bǔ)給區(qū)小于分布區(qū)，它的補(bǔ)給一般可由大氣降水、地表水、潛水或其它層位的承壓水；

(3)動(dòng)態(tài)比較穩(wěn)定，受氣候影響較小，其排泄一般以泉的形式進(jìn)行排泄；

(4)不易受污染，可以做供水水源；

(5)水頭壓力能引起基坑突涌、破壞坑底的穩(wěn)定性。

圖示方法：水文地質(zhì)剖面圖、水頭壓等水壓線圖。

等水壓線圖：承壓水面上，高程相等的點(diǎn)的連線圖，等水壓線圖上也必須附有地形等高線。通過(guò)等水壓線圖我們可以了解：

(1)判斷承壓水的流向：由高壓區(qū)和低壓區(qū)徑流；

(2)計(jì)算水力坡度：兩點(diǎn)的水頭差與水平距離的比；

(3)：可以確定初見水位、承壓區(qū)的埋深及承壓水頭的大小等。

儲(chǔ)水構(gòu)造：承壓水的形成取決于地質(zhì)構(gòu)造，也受到地形和巖性的明顯控制。各種地質(zhì)構(gòu)造中的透水層，在有充足水源補(bǔ)充的情況下，一般可形成承壓水。儲(chǔ)存承壓水的地質(zhì)構(gòu)造稱為儲(chǔ)水構(gòu)造，常見的有自流盆地和自流斜地。

(1)自流盆地：儲(chǔ)存承壓水的向斜構(gòu)造，稱為自流盆地。

(2)自流斜地：儲(chǔ)存承壓水的單斜構(gòu)造，稱為自流斜地。

（二）不同含水空隙中的地下水

1、孔隙水：在孔隙含水層中儲(chǔ)存和運(yùn)動(dòng)的地下水，這類含水層多為松散的第四紀(jì)沉積物。其特點(diǎn)：水量在空間分布上相對(duì)均勻，連續(xù)性好，一般呈層狀分布，同一含水層中的孔隙水具有密切的水力聯(lián)系，具有統(tǒng)一的地下水面。2、裂隙水：在裂隙含水層中儲(chǔ)存和運(yùn)動(dòng)的地下水，這類含水層主要由裂隙巖石構(gòu)成，可分為風(fēng)化裂隙水、成巖裂隙水、構(gòu)造裂隙水。其特點(diǎn)：地下水的分布和富集受巖石中裂隙的發(fā)育程度和力學(xué)性質(zhì)影響；富水性變化大，不同地構(gòu)造部位和地貌部位其富水性也不同；裂隙水特別是富水優(yōu)勢(shì)斷裂帶兼具儲(chǔ)水空間、集水廊道及導(dǎo)水通道的功能，對(duì)地下工程建設(shè)危害較大。3、巖溶水：埋藏在可溶巖裂隙、溶洞及暗河中的地下水。其特點(diǎn)：空間分布變化大；與大氣降水關(guān)系密切；排泄集中、量大。在工程建筑物地基內(nèi)有巖溶水的活動(dòng)，不僅在施工中會(huì)有突然涌水事故的發(fā)生，而且對(duì)建筑物的穩(wěn)定性也會(huì)有較大的影響。

五、地下水對(duì)工程的影響

(一)地基沉降

在松散沉積層中進(jìn)行深基礎(chǔ)施工時(shí)，往往需要人工降低地下水位。若降水不當(dāng)，會(huì)使周圍地基土層產(chǎn)生固結(jié)沉降。

(二)流砂1、概念：流砂是地下水自下而上滲流時(shí)土產(chǎn)生流動(dòng)的現(xiàn)象。2、流砂的防治(1)人工降低地下水位：使地下水位降至可能產(chǎn)生流砂的地層以下，然后開挖；(2)打板樁：在土中打入板樁，它一方面可以加固坑壁，同時(shí)增長(zhǎng)了地下水的滲流路程以減小水力坡度；(3)凍結(jié)法；用冷凍方法使地下水結(jié)冰，然后開挖；(4)水下挖掘：在基坑(或沉井)中用機(jī)械在水下挖掘，避免因排水而造成產(chǎn)生流砂的水頭差，為了增加砂的穩(wěn)定，也可向基坑中注水并同時(shí)進(jìn)行挖掘。此外，處理流砂的方法還有化學(xué)加固法、爆炸法及加重法等。

(三)潛蝕

1、概念

潛蝕作用可分為機(jī)械潛蝕和化學(xué)潛蝕兩種。

(1)機(jī)械潛蝕是指土粒在地下水的動(dòng)水壓力作用下受到?jīng)_刷，將細(xì)粒沖走，使土的結(jié)構(gòu)破壞，形成洞穴的作用；

(2)化學(xué)潛蝕是指地下水溶解土中的易溶鹽分，使土粒間的結(jié)合力和土的結(jié)構(gòu)破壞，土粒被水帶定，形成洞穴的作用。

2、對(duì)潛蝕作用的處理

(1)堵截地表水流人土層、阻止地下水在土層中流動(dòng)；

(2)設(shè)置反濾層、改造土的性質(zhì)；

(3)減小地下水流速及水力坡度。

(四)浮托

當(dāng)建筑物基礎(chǔ)底面位于地下水位以下時(shí)，地下水對(duì)基礎(chǔ)底面產(chǎn)生靜水壓力，即產(chǎn)生浮托力。五、地下水對(duì)工程的影響(五)基坑突涌

1、概念：當(dāng)基坑下伏有承壓含水層時(shí)，開挖基坑減小了底部隔水層的厚度。當(dāng)隔水層較薄經(jīng)受不住承壓水頭壓力作用時(shí)，承壓水的水頭壓力會(huì)沖破基坑底板，這種工程地質(zhì)現(xiàn)象被稱為基坑突涌。

2、治理：為避免基坑突涌的發(fā)生，必須驗(yàn)算基坑底層的