地下水运动与规律课件.ppt

1、第四章第四章 地下水基本知识地下水基本知识内容提要：内容提要：一、水文循环 二、地下水赋存空间与岩土水理性质 三、地下水的物理性质与化学成分 四、地下水运动与规律 五、地下水的分类 六、地下水对工程建设的影响与防治 地下水地下水是埋藏在地表以下岩土孔隙、裂隙和溶隙中的水。它是地球水资源的重要组成部分和工农业与生活的重要水源。在工程建设中，许多大小工程问题几乎都与地下水的活动紧密相关。它与岩土相互作用，会使岩土的物理力学性质逆化，降低岩土的强度和承载能力，产生各种不良的自然与物理地质现象，给工程建筑的正常使用和工程建设的施工带来危害。一、水文循环一、水文循环 自然界中的水文循环包括地表水分循环和

2、地下水循环。两者相互联系和影响，对地下水的形成和运动产生重要的影响。（一）地表水分循环（一）地表水分循环 自然界的水分循环一般包括三个阶段：降水、径流和蒸发。根据水分循环的过程，可将水分循环分为大循环和小循环两种类型。1.大循环大循环从海洋上蒸发的水气被气流带到大陆上空，在适当的条件下又降落到地表。这种海陆间的水分交换的过程称为大循环大循环。大循环是全球性水分循环过程，其特点是海洋向大陆输送水气，而大陆向海洋注入径流。2.小循环小循环从海洋上蒸发的水气，在海洋上空聚集成云，后又凝结成雨或雪落在海上，或从大陆蒸发的水气和从海洋输入内陆的少量水气在陆地上空凝结降落在大陆表面，称为小循环小循环。在海

3、洋上进行的小循环称为海洋小循环海洋小循环，而在陆地本身进行的局部循环称为陆地小循环陆地小循环。大循环是由许多小循环组成的复杂过程。在陆地小循环较活跃的地区，蒸发的水气量与降水量都较多，该地区地表水和地下水也较丰富。（二）地下水文循环（二）地下水文循环 地表与地下水可相互转换形成地下水文循环地下水文循环。地下水循环包括径流、补给和排泄径流、补给和排泄三个环节。岩土层自外界获得水量过程称为补给补给；地下岩土层失去水量的过程称为排泄排泄。地下水在岩土层中的运动称为径流径流。下水均衡的基本方程：Q=Q补-Q排若一个时期内某地区地下水的储量在减少，则表明该地区排泄量超过补给量，反之依然。在天然条件下如果

4、观测时间很长，而且又同时包括旱季和雨季，则该地区的补给和排泄量一般会大致相等，地下水存储量的变化值为零。（三）我国地下水时空分布特点（三）我国地下水时空分布特点 地下水时空分布和变化受气候影响显著。我国以大兴安岭阴山山脉贺兰山巴颜喀拉山冈底斯山脉以东一线为界，划分为季风区和非季风区。1.季风区地下水受夏季风影响巨大季风区地下水受夏季风影响巨大 在季风区内，地下水分布的时空特性受季风带来降水的控制，来自海洋的偏南夏季风是导致我国季风区降水时空不均匀的主要原因。2.非季风区主要受高山冰雪融化影响非季风区主要受高山冰雪融化影响 我国非季风区内降水稀少，全年都比较干旱。地下水主要是因为西部高山冰雪融化

5、水渗入地下形成的径流所致。约占全国三分之一面积的西北地区深居内陆，气候干旱，地下水天然资源只占全国的约13%。二、地下水赋存空间与岩土水理性质二、地下水赋存空间与岩土水理性质（一）岩土中的空隙（一）岩土中的空隙 地下水形成与存储的基本条件是地下岩土层中具有相互联系在一起的空隙，且地下水可以在这些空隙形成的空间中运动。地壳表层十余公里范围内或多或少都存在着空隙，特别是浅部范围内空隙分布较为普遍。这些空隙为地下水的赋存提供了必需的空间条件，既是地下水的储存场所又是地下水的运移通道。岩土空隙的多少、大小、形状、连通情况及其分布规律，决定着地下水的分布与运动规律。按空隙特征可分为孔隙、裂隙和溶隙：按空

6、隙特征可分为孔隙、裂隙和溶隙：孔隙：孔隙：组成岩土的颗粒或颗粒集合体之间的空隙。岩土的孔隙性采用孔隙度（或孔隙率）或孔隙比来度量。岩土中孔隙分布一般较均匀。裂隙：裂隙：在漫长的构造地质作用过程中，岩石会发生破坏，从而形成裂隙。岩石的裂隙性采用裂隙率度量。岩石中裂隙受地质构造控制，分布一般不均匀。溶隙：溶隙：可溶性岩石如岩盐、石膏、石灰岩、白云岩和大理岩等，在水的溶解和溶蚀等岩溶作用下产生的空洞。溶隙的发育程度采用岩溶率来度量。溶隙的大小规模相差悬殊，分布极不均匀。（二）岩土的水理性质（二）岩土的水理性质 岩土的水理性质岩土的水理性质是指岩土与水相互作用所表现出来的性质。这里仅介绍与岩土储存水性

7、质有关的岩土水理性质。1.容水性容水性 岩土能容纳一定水量的性质称为岩土的容水性容水性，采用容水度容水度来度量，它是指岩土空隙容纳水的体积与岩土总体积之比，以小数或百分数表示。当岩土空隙被水完全充满即岩土饱和时，岩土的容水度在数值上与岩土空隙率（包括孔隙率、裂隙率和岩溶率）基本相等。在实际工程中，常常会遇到岩土的容水度小于或大于空隙率的情况。2.持水性持水性 在重力作用下，岩土依靠分子引力和毛细力在其空隙中能保持一定水量的性质，称为岩土的持水性持水性。采用持水度持水度来度量，它是指在重力作用下，岩土空隙中所能保持水的体积与总体积之比。持水度分为毛细和分子持水度：持水度分为毛细和分子持水度：毛细

8、持水度：毛细持水度：毛细管空隙被水充满时，毛细水体积与岩土总体积之比。分子持水度：分子持水度：岩土所能保持的最大结合水体积与总体积之比。3.给水性给水性 在重力作用下，含水的岩土能自由排出一定水量的性质，称为岩土的给水性给水性。采用给水度给水度来度量，它是指岩土在重力作用下能自由排出水的体积与总体积之比。值得注意，值得注意，一般岩土给水度的最大值等于容水度与持水度之差。三、地下水的物理性质与化学成分三、地下水的物理性质与化学成分（一）地下水的化学成分（一）地下水的化学成分 地下水中主要离子成分地下水中主要气体成分 地下水中的胶体成分与有机质描述地下水化学性质的主要指标：氢离子浓度（pH值）、矿

9、化度和硬度（二）地下水的物理性质（二）地下水的物理性质地下水的物理性质包括比重、温度、颜色、透明度、气味、味道、导电性及放射性等。研究这些性质不仅可以了解地下水的特征，还可以用来推断地下水的化学成分，也可用来辅助判断地质条件和预测工程地质问题。四、地下水运动与规律四、地下水运动与规律地下水运动是指在水压差或水头差作用下，地下水在地下岩土空隙通道中发生的流动或运动，亦称为渗流或渗透渗流或渗透。它会使岩土发生潜蚀，并使岩土体受到动水压力或称渗流力的作用，也正因为如此，地下水运动会引起工程建设中必须关注的工程地质问题，因潜蚀引起的地面沉陷或塌陷，因地下水位下降引起的地基沉降，因潜蚀引起的防洪大堤或土

10、石坝管涌甚至溃决，因渗流引起的滑坡或崩塌，地下工程涌水或突水，基坑工程涌水，等等，地下水运动及其规律的研究具有非常重要的工程实际意义。（一）地下水运动的特点（一）地下水运动的特点 1.曲折复杂的水流通道曲折复杂的水流通道 地下水储存并运动于岩土颗粒孔隙或岩土内纵横交错的裂隙之中，地下水的运动通道曲折复杂。人们研究地下水运动规律时，不可能研究每个通道的水流运动特征，而是研究岩土介质内平均或统计意义上的直线水流通道中的水流运动特征。用充满含水层（包括全部空隙和岩土颗粒本身所占有的空间）的假想水流来代替仅在岩土空隙中运动的真正水流，为此，须满足三个基本条件：假想水流通过任意断面的流量必须等于真正水流

11、通过同一断面的流量；假想水流在任意断面的水头必须等于真正水流在同一断面的水头；假想水流通过岩土介质所受的阻力必须等于真正水流所受到的阻力。2.迟缓的流速迟缓的流速 地下水由于在曲折复杂的岩土空隙通道中流动，其受到很大的摩阻力作用，一般流速缓慢流速缓慢。地下水在曲折复杂通道中缓慢流动，即所谓的渗流或渗渗流或渗透透。3.层流和紊流层流和紊流 地下水在岩土空隙中渗流时，水质点运动有秩序，并呈现相互平行而不混杂的运动轨迹，称为层流层流；水质点运动无秩序，相互混杂，并呈现相互交错的运动轨迹，称为紊流紊流。地下水渗流大多呈现层流运动层流运动。4.非稳定流和缓变流运动非稳定流和缓变流运动 在渗流场内各渗流运

12、动要素不随时间而变化的地下水运动，称为地下水的稳定流运动稳定流运动，否则称为地下水的非稳非稳定流运动定流运动。大多数地下水运动都属非稳定流运动非稳定流运动。（二）地下水运动的基本规律（二）地下水运动的基本规律1856年，法国水力学家达西（H.Darcy)以砂为透水介质进行渗透实验，获得达西定律：v=ki渗透系数可定义为水力坡降等于1时的地下水渗流速度，室内渗透试验或野外抽水试验确定。值得注意，地下水实际流速远大于渗流速度，渗流速度只为研究方便而提出来一个虚拟参数。达西定律表明地下水渗流速度与水力坡度成线性正比关系，仅适用于砂土中渗流的稳定层流运动规律的描述。虽然已经获得了一定程度的研究进展，如

13、哲才公式等，但地下水渗流运动规律仍有待进一步深入研究。（三）地下水的补给、径流与排泄（三）地下水的补给、径流与排泄1.补给补给 大气降水渗入补给 地表水渗入补给 凝结 人工补给2.径流径流 地下水径流使地下水不断交替和更新。地下水径流方向总趋势是由高流向低水位、由补给区流向排泄区。地下水径流要素包括径流方向、径流强度和径流量。3.排泄排泄 泉排泄 蒸发排泄 泄流排泄 人工排泄五、地下水分类五、地下水分类（一）含水层与隔水层（一）含水层与隔水层 地下岩土层划分为含水层和隔水层划分为含水层和隔水层。含水层：含水层：指能够透过并能给出相当数量水的岩土层，隔水层：隔水层：指不能透过和给出相当数量水，或

14、者相对含水层来讲，透过和给出水数量微不足道的岩土层。含水层和隔水层的划分是相对的，不存在定量标准。含水层和隔水层在一定条件下可以相互转化。特别注意，含水层与隔水层的划分具有重要的意义。（二）地下水分类（二）地下水分类 地下水具有广义和狭义两种概念，广义地下水是指赋存于地面以下岩土空隙中的水，包气带和饱水带所有赋存于岩土空隙中的水都属于广义地下水；狭义地下水仅指赋存于饱水带岩土空隙中的水。按地下水存在的相态可分为固态水、液态水和气态水，其中，对工程建设有重大影响的液态水又分为毛细水和重力水。毛细水是指在岩土细小空隙中受毛细作用控制的水，它是组成岩土三相物质界面上毛细力作用的结果，不能自由运动；在

15、重力作用下，岩土空隙中可自由运动的水，称为重力水。长期以来，工程技术人员着重于研究饱水带岩土空隙中的重力水，但是，愈来愈多的研究表明，包气带和饱水带是不可分割的统一整体，它们之间存在千丝万缕的联系。1.按埋藏条件的分类按埋藏条件的分类 地下水埋藏条件：地下水埋藏条件：含水层的位置及其受隔水层限制的情况。据此可将地下水分为包气带水、潜水和承压水包气带水、潜水和承压水。（1）包气带水）包气带水 埋藏在地面以下包气带内的水，称为包气带水。包气带水。包括因重力作用从地表下渗的水、因毛细作用从地下水面上升的毛细水以及留存在包气带内局部隔水层上面的重力水等。受地表气候影响大，水量和水质呈现季节性变化，亦可

16、分为土壤水和上层滞水土壤水和上层滞水。土壤水：土壤水：包气带表层土壤中的毛细水和结合水，称为土壤水。受气候条件控制，季节性明显，变化大。提供植物生长所需水分。上层滞水：上层滞水：位于包气带内的局部隔水层之上且具有自由水面的重力水，称为上层滞水，接受大气降水的补给，以蒸发形式或向隔水底板边缘排泄，水量和水质受地表环境的影响大，季节性变化显著。（2）潜水）潜水 埋藏在地表以下第一个稳定隔水层之上且具有自由水面的重力水。潜水的自由水面称为潜水面潜水面；潜水面到地面的铅直距离称为潜水埋藏深度埋藏深度；潜水面上任意一点高程称为该点的潜水位潜水位；从潜水面上任意点到隔水底板的铅直距离称为该点的潜水含水层厚

17、度潜水含水层厚度。潜水的特征潜水的特征 潜水具有自由水面即潜水面，在潜水面上的点，水压为零，称为无压水无压水。潜水面不一定是水平面，受地形、地层分布和地表水体补给等影响。主要接受地表水补给，水量与水质与地表水具有直接关系，潜水位、潜水埋藏深度与厚度以及水质常呈季节性变化规律。以大气降水作为补给时，潜水的分布区与补给区基本一致；以地表水体作为补给时，潜水的分布区与补给区可能不一致。潜水的排泄主要有蒸发和径流排泄两种方式。从高潜水位流向低潜水位，径流强度主要受水力坡降和岩土渗透性控制。潜水的等水位线图潜水的等水位线图等水位线图是由潜水面上高程相同的点连接起来所得的图形，它类似于地形等高线。利用等水

18、位线图可解决如下工程实际问题：（a）确定潜水的流向和水力）确定潜水的流向和水力坡度坡度 （b）确定潜水埋藏深度）确定潜水埋藏深度 （c）确定潜水与地表水的补）确定潜水与地表水的补给关系给关系 （d）了解地下岩层岩性分布）了解地下岩层岩性分布的变化的变化（2）承压水）承压水 充满于地表下两个稳定隔水层之间含水层中的重力水，有时也称为层间水或有压水层间水或有压水。上部隔水层称为隔水顶板隔水顶板；下部隔水层称为隔水底板隔水底板 当钻孔打穿隔水顶板时可见到地下水，其高程称初见水位初见水位 当钻孔打穿隔水顶板时，水沿钻孔上升到一定高度后不再上升，其高程称承压水位或测压水位承压水位或测压水位 承压含水层顶

19、底板垂直距离称为承压含水层厚度承压含水层厚度 承压水位高出隔水顶板底面的距离称为承压水头或测压水头承压水头或测压水头 承压水头高出地表时，其承压水头称为正水头正水头 具有正水头的承压水，称为承压承压自流水自流水；承压水位高于地表标高的地区称承压水自流区承压水自流区 承压水位连成的面称承压面承压面。承压水的特征承压水的特征承压水没有自由水面，它总是承受一定的静水压力。具有稳定的隔水顶板和底板。承压水的补给区与分布区不一致。承压水位、埋藏深度与厚度、水量、水质等受气候影响甚微，季节性变化特征不明显。主要通过含水层出露地表的补给区获得补给，有时也可能通过越流（不同含水层之间的水交换）补给。承压水一般

20、通过含水层出露地表的区域排泄，部分也可通过越流排泄。承压水径流受水力坡度和含水层渗透性控制。等水压线图等水压线图由承压面上高程相同的点连接起来所得的图形。类似于地形等高线，同一等水压线上点的承压水位是相同的，某区域等水压线的疏密程度可反映该区域水力坡度的大小。利用等水压线图可确定潜水的流向和水力坡度以及了解岩性的分布规律。2.按含水层性质分类按含水层性质分类含水层性质含水层性质是指赋存地下水的岩土空隙的性质。按含水层性质，可分为孔隙水、裂隙水和岩溶孔隙水、裂隙水和岩溶水水三种类型。它们的空间分布和连通规律存在显著差异，由此导致地下水有不同分布与运动规律，进而对工程建设产生不同的影响。研究掌握赋

21、存在于不同空隙中地下水的特性对工程建设具有重要的现实意义。（1）孔隙水）孔隙水 孔隙水赋存于土层及岩石的风化壳中，以赋存于第四纪松散沉积物为主，多呈现均匀而连续的分布。它的赋存条件和特征取决于岩土孔隙的情况，由于埋藏条件不同，可形成包气带水、潜水和承压水。由于在特定第四纪沉积环境中形成的不同类型沉积物的空间分布、粒径与分选性均各具特点，因此，赋存于其中的孔隙水分布以及它与外界的联系差异很大。洪积物中的地下水 冲积物中的地下水 湖积物中的地下水 滨海三角洲沉积物中的地下水 黄土中的地下水（2）裂隙水）裂隙水埋藏在基岩裂隙中的地下水主要分布在山区和第四纪沉积物覆盖层下面的基岩中。裂隙的性质和发育程

22、度决定了裂隙水的存在和富水性。裂隙水按基岩裂隙成因可以分为风化裂隙水、成岩裂隙水和构造裂隙水三类。风化裂隙水：风化裂隙水：风化裂隙由岩石风化作用形成，广泛分布于出露基岩的表面，但随深度增加风化减弱，裂隙减少。成岩裂隙水：成岩裂隙水：成岩裂隙为岩石在形成过程中所形成的裂隙。具有成岩裂隙的岩层出露地表时，常赋存成岩裂隙水。岩浆岩中成岩裂隙水较为丰富。构造裂隙水：构造裂隙水：由于构造运动，岩石破裂形成裂隙。构造裂隙发育很不均匀。一般按裂隙分布的产状，又可分为层状构造裂隙水和脉状构造裂隙水。（3）岩溶水）岩溶水 赋存和运移于可溶岩的溶隙中的地下水。我国岩溶分布十分广泛，特别是在南方地区，因此，岩溶水分

23、布很普遍。岩溶水的发育主要受岩溶作用的强弱控制。岩溶水分布具有地区性和随机性，而且，极为不均匀，水量差别很大，地下水的硬度也很高。在工程建设中应特别注意岩溶水带来的工程问题。六、地下水对工程建设的影响与防治六、地下水对工程建设的影响与防治地下水在地壳内部无处不存在，对人类生活与工程建设都将产生深远影响。地下水作为宝贵的自然资源为人类提供了丰富的物质财富。地下水的存在及其运动可引起工程建设的麻烦甚至事故。地下水对工程建设的影响具有普遍性，而且，它对不同工程建设影响的程度和机理均存在很大的差异性，本节仅介绍地下水对工程建设的一般性影响方面的内容。地下水对工程建设的一般性影响主要包括地下水对岩土的物

24、理效应、化学效应和力学效应以及物理效应、化学效应和力学效应以及地下水引起的灾害地下水引起的灾害等四个方面。（一）地下水的物理效应（一）地下水的物理效应 风化作用：风化作用：水是岩石风化的重要影响因素，地下水会促进岩石的风化作用，使岩石的强度和刚度明显下降。岩土的软化性：岩土的软化性：岩土中亲水粘土矿物遇水后会发生软化，使岩土的强度和地基的承载能力下降。岩土的膨胀性与崩解性：岩土的膨胀性与崩解性：岩土中包含亲水矿物遇水后会发生膨胀与崩解。软土地基的固结效应：软土地基的固结效应：软土中包含地下水时，在外力作用下会发生因地下水排出而引起的软土固结。地基土的压实性：地基土的压实性：地下水的存在会影响地

25、基土的压实效果。溶解性：溶解性：粘土被地下水溶解，易发生土洞塌陷而使地基失稳；含可溶盐的地基土，引起地基湿陷、溶陷和塌陷。冻土：冻土：冻土或多年冻土会因为温度变化而发生冻融，会引起地基融陷、塌陷和不稳定等问题。一般采用一般采用“减水减水”和降低岩土水敏感性的措施进行防治。和降低岩土水敏感性的措施进行防治。（二）地下水的化学效应（二）地下水的化学效应 地下水的化学效应是指地下水对岩石的溶蚀作用和对地下钢筋混凝土结构的腐蚀作用。（1）溶蚀性：）溶蚀性：可溶性岩石会产生岩溶现象，形成溶隙、溶沟、溶槽和溶洞以及基岩表面起伏等，可能引起岩溶塌陷、地基不均匀沉降和基础不稳定等问题。（2）腐蚀性：）腐蚀性：

26、由于地下水中含有特殊成分（如氧气和二氧化碳等），会使钢筋混凝土结构产生锈蚀和腐蚀，影响寿命。工程建设中经常须对钢筋混凝土结构采取防腐措施，如锚杆的防锈和混凝土的防腐处理等。（三）地下水的力学效应地下水的力学效应（1）毛细水的影响：）毛细水的影响：由于岩土空隙中的毛细力作用，致使毛细水上升，从而使上部岩土体含水量增大，可促使上部岩土软化、冻胀、沼泽化和盐渍化以及上部岩土体中钢筋混凝土结构的腐蚀。（2）砂土地基的震动液化：）砂土地基的震动液化：饱水砂土地基在地震或振动荷载作用下，由于超孔隙水压力的出现使地基土处于悬浮和流动的液体状态，地基丧失承载能力。（3）地下水位或水压变化：）地下水位或水压变化

27、：地下水位上升可导致类似毛细水的影响；地下水位或水压下降可引起地表塌陷、地基沉降或不均匀沉降、地裂缝的产生与复活、滨海地区海水入侵、水源枯竭和水质恶化、边坡滑坡与崩塌、挡土墙倾倒破坏、地下洞室淹没等；承压水可引起建筑基坑底板破坏而发生涌水。（4）地下水的浮托作用：）地下水的浮托作用：必要时需要考虑地下水的浮托作用。（5）地下水运动的破坏作用：）地下水运动的破坏作用：地下水运动可使岩土受到渗流力的作用，从而使岩土发生潜蚀、流砂（或称流土）和管涌等破坏作用。（四）地下水引起的灾害（四）地下水引起的灾害 在工程施工中，由于揭露富水地层或地下水体而引发的突然涌水和突水，会淹没工程设施或地下隧洞，轻者导致施工不便，重者引发事故。（1）基坑涌水：）基坑涌水：因基坑开挖而揭露富水地层，地下水大量涌入基坑，使基坑施工无法进行，甚至导致事故。工程建设中常采用排水方法进行处理。（2）地下隧洞突水：）地下隧洞突水：由于施工中揭露富水地层或地下水体，地下水突然大量涌入地下隧洞，使施工人员和设备受到威胁。有效避免突水事故在于事先对地下突水和涌水量进行预测，必要时采用预先疏排水措施。此外，地下水的影响还涉及地下水污染问题。此外，地下水的影响还涉及地下水污染问题。