第五章 地下水

NaCl
KCl MgCl2 CaCl2
350
290 558.1 731.9
NaSO4
MgSO4 CaSO4
50
270 1.9
Na2CO3
MgCO3 CaCO3
193.9
0.1 0.18
1. Na+、K+ 来源于含钠盐、钾盐的沉积岩的溶解；岩浆岩和变质岩 中含钠、钾矿物的风化溶解
2. Ca2+来源于含钙碳酸盐类沉积物和石膏沉积物的溶解；岩浆岩和 变质岩中含钙矿物的风化溶解
孔隙率
Vv nv 100 % V
岩土孔隙率的大小，主要与颗粒的形状、排列情况及颗粒的分选性和 压密、胶结情况有关。松散沉积物的孔隙率一般很大，可达20%-60%
沉积物的孔隙率范围
沉积物 分选好的砂或砾 砂砾混合物 孔隙率(％) 25-50 20-35
粉砂
粘土
35-50
35-60
裂隙：存在于坚硬岩石中的裂缝状空隙称裂隙 裂隙率
正地形
负地形
5.2.4 孔隙水、裂隙水及岩溶水
孔隙水
—广泛分布于第四纪松散沉积物中的地下水
潜水深埋带 溢出带 下沉带
洪积物中地下水
冲积物中地下水
上游：厚度不大，由河水补给，水量丰富水质好 中游：上层构成隔水层，下层为承压水 下游：上部通常为埋藏很浅的潜水，下部为多层承压水
裂隙水
—埋藏在基岩裂隙中的地下水
受表面张力 作用保存于 毛细管中的 水，易被植 物吸收
受重力影响 可自由流动。 是地下水的 主要赋存状 态和水源
地下水埋藏条件分类
包 气 带 水
潜 水
承 压 水
根据含水层空隙性质不同分类
孔 隙 水
裂 隙 水
岩溶水 (喀斯特水)
5.2.1 包气带水
贴近地表的气态水、土壤颗粒水吸附毛细水分子。这些水虽可连结 起来成为液体，但因是充填在细微的孔隙中而不能自由运动 土壤水 土壤中未饱和的水； 上层滞水 存在于包气带中， 局部隔水层之上的重力水
按出露 条件分
①侵蚀泉 ②接触泉 ③溢出泉 ④断层泉
接触上升泉 断层泉 溢出泉
§5.3 地下水的性质
5.3.1 地下水的物理性质
①温度—受气候和地质条件控制，0~1000C
②颜色—取决于化学成分及悬浮物，含Ca2+、Mg2+的水为蓝色； 含Fe2+的水为灰蓝色；含Fe3+的水为褐黄色 ③透明度—地下水多为半透明 ④气味—含有气体或有机质，具有一定气味。 ⑤味道—主要取决于地下水化学成分。含Nacl有咸味；含 CaCO3的水清凉可口；含Ca(OH)2和Mg(HCO)2的水有甜味； 含Mgcl2和MgSO4的水有苦味 ⑥导电性—含有一些电解质时，导电性增强
主要气体成分
O2、N2、CO2及H2S
①以入渗补给为主，与大气圈关系密切的地下水含O2、N2较多 ②地下水处在与大气隔绝的环境中，当有机质存在时，SO4－ 还原生成H2S ，如封闭地质构造的油田水中 ③浅部地下水：植物根系的呼吸作用及有机质残骸的发酵作用， 会在包气带水中形成CO2 ， 深部地下水：含碳酸盐类的岩石，在深部高温影响下，会分解 生成CO2 ， 近代工业的发展，人为产生的有CO2显著增加
埋 藏 水 地史时期 沉积物空 隙中被封 闭保存下 来的水， 又称古水
原 生 水
大气降水 冰雪溶水地 表水渗入地 下聚集的水
岩浆中析 出的结晶 水和水汽 又称岩浆水
按赋存状态分类
吸着水
薄膜水
毛细水
重力水
靠静电和分 子引力吸附 于岩土颗粒 表面，不受 重力影响
吸着水表面 厚度超过几 百个水分子 直径的薄层 状水
nf Vf V 100%
裂隙主要是地壳运动对岩石造成破坏而形成的，岩石成岩时及在地表 遭受风化也会形成裂隙。 岩石的裂隙率一般比松散泥积物的孔隙率小得多。裂隙率常小于3%
溶隙：溶隙是可溶岩（如石灰岩）在地下水流长期溶蚀下形
成的空隙
溶隙率
Vk nk 100% V
5.1.1 地下水及含水层
潜水的补给和排泄
补给源主要有：大气降水、地表水、深层地下水及凝结水
排泄方式：垂直排泄(水分消耗，含盐量增加，矿化度增高，甚至 改变水的化学类型)、水平排泄
5.2.3 承压水(层间水)
①埋藏在两个稳定隔水层之间的重力水。 ②它的运动受到上下隔水层的约束和水压的作用 。打井穿过上面的隔 水层时，承压水就可向上涌出来，稳定水位高于初见水位。 ③分布区与补给区不一致，水质、水量、水温受气候影响小，随季节 变化不明显，不易受污染
岩石中的裂隙具有一定的方向性，因而裂隙岩石的导水性具有 明显的各向异性
按成因分为： 风化裂隙水、成岩裂隙水、构造裂隙水 风化裂隙水 特征：
①多为层状裂隙水； ②水平方向透水性均匀，垂直 方向随深度减弱； ③多属潜水，也有上层滞水； ④大气降水补给；明显季节性 循环交替；以泉的形式排泄
成岩裂隙水
特征：
结合水（Absorbed Water ）
土粒
强结合水 弱结合水
自由水
5.1.2 岩土的水理性质
1.岩土的含水性
①容水性—岩土能容纳一定水量的性能。衡量指标：容水度。 ②持水性—岩土在重力作用下仍能保持一定水量的性能。衡量 指标：持水度，表明的是岩土中结合水的含量。
2.岩土的给水性
岩土在重力作用下向外释放水量的性质和能力，给水度。
气态水 结合水 重力水 毛细水
包气带
特征：
分布区与补给区一致；受气 候控制，季节性明显，变化 大，雨季雨量多，旱季雨量 少，对农业影响很大，对工 程影响不大
饱水带
重力水 (结合水)
5.2.2 潜 水
埋藏在地表以下第一层较稳定隔水层以上具有自由水面的重 力水。此水层的自由水面称为潜水面。潜水面上任一点的标 高称为潜水位。潜水面与地表面的形态具有相似性。
5.3.2 地下水的化学特征
主要离子成分
阳离子：H+、Na+、K+ 、 NK4+ 、Ca2+、Mg2+ 、 Fe2+ 。 阴离子：OH-、Cl-、 SO42- 、 NO2- 、 NO3- 、 HCO3- 、 CO32-、 SiO32- 、 PO42其中最多的是Na+、K+ 、 Ca2+、Mg2+和Cl-、 SO42- 、 HCO3地下水中常见盐类的溶解度（00C，g/L） 盐类 溶解度 盐类 溶解度 盐类 溶解度
主要胶体成分
a.以碳、氢、氧为主的有机质通常以胶体方式存在于地下水中； b.很难以离子状态溶于水的化合物也以胶体形式存在于地下水中， 主要有Fe(OH)2、Al(OH)3、SiO2
岩土的空隙：通常将岩土空隙的大小、多少、形状、连通程
度以及分布状况等性质统称为岩土的空隙性。 岩土的空隙是地下水存在的空间。
空隙率
VT n 100 % V
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、溶洞
空隙类型
孔隙：松散沉积物是由大小不等的颗粒组成的，颗粒间普
遍存在着孔隙
岩土体透水性类型
1.含水层——饱含重力水而又能给出水(透水)的岩层
2.透水层——可以透水，渗透系数较大的地层。但(目前)不一定 含水
3.隔水层——相对不透水的岩层。它可以是饱水的粘土层，也 可以是致密完整的基岩
§5.2 地下水类型及其主要特征
5.2.1 地下水类型
地下水起源分类
渗 入 水
凝 结 水 水蒸气凝结 后渗入地下 的水
潜水面形态的变化规律
受地形和 河流位置 的影响
受底板隔水 层高度变化 的影响
受含水介质 渗透性变化 的影响
潜水面的表示方法
1.水文地质剖面图法
2.等水位线图法
水文地质剖面图法
等水位线图法
根据等水位线图法可 以解决下列实际问题
①确定潜水流向 ②计算潜水的水力坡度I ③确定潜水与地表水之间的关系 ④确定潜水的埋藏深度
承压水蓄水构造
1.向斜构造盆地(自流盆地) 2.单斜构造(自流斜地)
自流盆地
自流斜地
承压水面的表示方法
1.水文地质剖面图法 2.等水压线图法
水文地质剖面图法
等水压线图法
根据等水压线图法可 以解决下列实际问题
①承压水位距地表的深度 ②承压水头大小 ③承压水的流向
承压水的补给和排泄
①补给：补给区直接裸露于地表，接受降水的补给；当含有几个 承压水层时，根据正地形或负地形提供的条件形成补给关系 ②排泄：排泄区直接裸露于地表，以泉的形式排泄；承压水位高 于潜水位时，向潜水排泄；正地形或负地形条件下，形成向上或 向下的排泄。
水在岩土中的渗透速度与 试样的水力梯度成正比
达西定律
v=KI
水力梯度，即沿渗流方向 单位距离的水头损失
透水性取决于空隙度、空隙大小、空隙连通性。空隙较大， 且相互连通的岩石，地下水可以在岩石中流动。有些岩石虽 有很高空隙度，但空隙不连通的岩石和空 隙过小，且连通性 不好的粘土和泥岩，地下水也很难在其中流动
工程地质学
§5.1地下水概述 §5.2地下水类型及其主要特征 §5.3地下水的性质
第五章 地 下 水
§5.4地下水对建筑工程的影响
退出
§5.1 地下水概述
自然界的水分布于大气圈、水圈、岩石圈之中，分别称为大 气水、地表水、地下水，三者是相互联系的统一体。
地下水是积存并运动于岩土空隙中的水，是重要的自然资源， 也是地质环境的重要组成部分之一，且能影响环境的稳定性。 地下水直接影响到土木工程中的地基承载力、滑坡、沉降、 地面塌陷等，地下水位高低、水量大小、化学成分等亦直接 影响到基础工程的设计和施工。
按埋藏条件分为： 岩溶上层滞水、岩溶潜水、岩溶承压水 特点：是分布极不均匀
① 大气降水是主要的补给来源，在可溶性岩层裸露于地表的补给区， 入渗补给有两种方式：灌式补给，渗入式补给 ② 岩溶水可通过一个泉或泉群集中排泄；排泄时形成一些特殊的泉， 如反复泉、多潮泉 ③ 岩溶水水位动态变化幅度大而且变化快。岩溶泉往往雨季流量急 增，而雨后又骤减， ④ 无压水流与承压水流并存，层流与紊流并存，以层流为主。 ⑤ 岩溶含水系统一般水量丰富、水质优良，常作大中型供水源。 ⑥ 位于岩溶水分布地区的矿坑，容易产生突然大量涌水，甚至造成 淹矿事故。
①岩浆岩中成岩裂隙水发育 ②多为层状裂隙水，在一定范围内互相连通； ③多属潜水，也可是承压水；
构造裂隙水 特征：
①构造应力分布均匀，形成层 状构造裂隙水；构造应力分布 不均匀，形成脉状构造裂隙水 ②可以是潜水，也可是承压水 ③渗透性各向异性；
脉状裂 隙水 层状裂 隙水
岩溶水
赋存和运移于可溶岩（如石灰岩、白云岩、大理岩、石 膏、岩盐等）的溶隙溶洞（洞穴、管道、暗河）中的地 下水，又称喀斯特水。
土中水根据物理力学性质分类
结晶水
土中水
结合水 自由水
强结合水
弱结合水 液态水 气态水 固态水
毛细水 重力水
毛细水(Capillary Water) 毛细水上升高度
土名 粗砂 2-4 中砂 12-35 细砂 35-120 粘质粉土 120-250 粉质粘土 250-350 粘土 500-600
hc
毛细水 上升区
5.2.5 泉
地下水天然露头，是地下水或含水层通道露出地表形成的，是 地下的主要排泄方式之一
泉的类型按补给源分为 包气带泉 —上层滞水补给，水量小，季节变化大，动态不稳定
下降泉 (潜水泉) —潜水补给，动态稳定，有季节性变化规律 上升泉 (自流水泉) —承压水补给，动态稳定，年变化不大
侵蚀下降泉 侵蚀上升泉 接触下降泉
砾石及砂性土的给水度
名称
砾石
给水度
0.30-0.35
名称
细砂
给水度
0.15-0.20
粗砂
中砂
0.25-0.30
0.20-0.25
粉细砂
0.10-0.15
3.岩土的透水性
岩土允许重力水渗透的能力称为透水性，常用渗透系数表示
Βιβλιοθήκη Baidu达西定律
1856年法国学者 Darcy对砂土的渗 透性进行研究
渗透试验 结论：
3. Mg2+来源于含镁碳酸盐类沉积物岩；岩浆岩和变质岩中含镁矿物 的风化溶解
4. Cl－ 来源于沉积岩中所含岩盐或其它氯化物的溶解；岩浆岩中含 氯矿物的风化溶解；海水；火山喷发物的溶滤；工业、生活污水 及粪便中大量氯
5. SO42-来源于含石膏或其它硫酸盐的沉积岩的溶解；硫和硫化物 的氧化 6. HCO3-来源于含碳酸盐类沉积物岩的溶解；岩浆岩和变质岩中含 铝硅酸盐矿物的风化溶解
毛细水上 升高度 地下水位
毛细水对建筑工程意义 a.产生毛细压力
2 cos pc r
b.对土中气体的分布和流通有一定影响，产生封闭气体 c.助长地基土的冰冻现象，使地下室潮湿，危害房屋基础及 公路路面，促使土沼泽化，盐渍化
地面冻胀
冰透镜体
沼泽地（湿地）
地面冻胀
重力水(Gravity Water) 完全在重力作用下而运动的水。可以传递静水压力；产生浮 托力、孔隙水压力；流动的水会产生动水压力；有溶解能力， 导致土成分和结构的破坏。