《公路工程地质》 第五章 地下水

第五章地下水第一节地下水的基本概念地下水的定义：是埋藏在地表以下松散堆积物和岩石空隙中的水体。

地下水的危害：地下水在岩土工程中常常起着很重要的作用，例如在公路工程中，路基的沉陷常和地下水的活动有着直接的联系，地下水位较高时，常会因土的毛细作用而改变路基的干湿类型，引起各种路基病害；在地基工程中，深基坑的开挖常常会遇到基坑降水问题．并因为基坑降水引起的地下水渗流问题而造成基坑边坡的移动和基坑周围地面的沉陷；当地下水含有较多的酸类物质时，还有可能造成地下结构物的腐蚀和破坏。

一、自然界的水自然界的水以气态、固态和液态三种不同的形式存在于大气层、地表和地表以下的岩土孔隙、裂隙和空洞中．并分别被称为大气水、地表水和地下水。

1．大气水：以云、雾、雨、雪和冰雹等形式存在于大气层中的水分称为大气水，降落到地壳表面上时，称为大气降水。

2．地表水：以液态或固态的形式存在于江河、湖泊、海洋、南北两极以及高山地区的水称为地表水。

3．地下水：地下水是以固态、液态或水汽形式存在于岩石以及土的裂隙、孔隙和空洞中的水。

地下水与地表水构成陆地水二、岩土的空隙性不论是坚硬的岩体还是松软的土体，其中都或多或少地存在着空隙。

这些空隙是地下水储存和运输的空间。

根据岩土体中这些空隙的形状差异和成因不同．可将其划分为裂隙、溶隙(溶洞)和孔隙。

1．裂隙：在构造运动及其他各种内、外地质营力作用下，产生于岩体中的各种扁平状空隙称为裂隙。

2．溶隙或溶洞：产生于岩体中的各种扁平可溶性岩体中的裂隙再经过地下水流的长期溶蚀、冲刷而形成的空隙或空洞称为溶隙或溶洞。

3．孔隙：存在于土的颗粒与颗粒之间的小孔状或细管状的空隙称为土中的孔隙。

三、地下水的形成地下水主要是由渗透作用和凝结作用形成的，此外还有极少量的原生水。

渗透作用形成的地下水是大气降水和地表水经岩土的裂隙、孔隙渗入到地表以下并在一定深度处聚集而成的，它也是地下水的最主要来源。

在以大气降水为主要补给源的区域，当地的降雨量愈多、岩土透水性愈强、地下水的含量愈丰富。

在江河、湖泊等地表水系附近，当地表水的水位高于该区域的地下水水位时，地表水经岩土中的空隙下渗，并在地下一定深度聚集形成地下水。

而地表水（河水）与地下水是相互补给的（见下图5-1）图5-1河水与地下水相互补给的示意图四、自然界水的循环自然界的水可分为大气水、地表水和地下水。

自然界的这三部分水的比例大略为：大气水：地下水：地表水＝1：10：100000。

但它们之间并非相互独立，而是有着密切的关系并不断运动和变化。

在太阳的辐射下，地表水从河流、湖泊、海洋等地表水表面蒸发成水汽进入大气，被上升的气流带到空中并随大气一起流动；在适当的条件下，大气中的水汽会凝结成液态(雨)或固态(雪、冰雹)，在地球的重力作用下降回到地面上；降落到地面上的大气降水中的一部分顺地面流动，汇入江河、注入湖泊和海洋成为地表水；另一部分降水则通过岩土体的裂隙、孔隙下渗，并在一定的岩土层中集聚起来成为地下水；地下水中的一部分会在太阳的辐射作用下或从岩土体的裂隙和孔隙中直接蒸发或通过植物的叶面蒸发重新回到大气中成为大气水；另一部分在重力作用下沿岩土体的裂隙、孔隙渗流．以地下径流的形式或直接流入大海，或在适当的条件下以泉水的形式流出地表再汇入江河，注入湖泊、海洋成为地表水。

大气水、地表水和地下水的这种不间断的运动和变化称为自然界水的循环。

（见图5-2）自然界的水就是在上述循环过程中不断运动转化着，永无休止。

图5-2 水循环示意图五、岩土体的水理性质岩土体的水理性质主要包括岩土体的容水性、持水性、给水性和渗透性。

1．容水性：岩土体的容水性是指岩土体容纳水分的能力。

2．持水性：持水性是指在重力作用下岩土体依靠颗粒电场力和毛细吸力在孔隙、裂隙中保持一定量水分的性能。

3给水性：被水饱和的岩土体在重力作用下释出水的能力称为岩土体的给水性。

4．透水性：岩土体允许水流透过的性能称为其渗透性。

六、含水层与隔水层的概念1、含水层在常规水力梯度下，有一定给水度并具有透水性的饱水岩土层(体)称为含水层。

含水层的形成必须具备以下条件：岩土层(体)中有较大的孔隙、裂隙或空洞，要有不透水的岩土层限制含水层中地下水的下泄，要有充分的补给源。

2．隔水层在常规水力梯度下渗透性极差、给水度极小的岩土层称为隔水层。

正是由于岩土体中有隔水层的存在，才使得地下水在其上含水层中的集聚成为可能。

第二节地下水的基本类型一、地下水按埋藏条件分类地下水的埋藏类型是按含水层在地质剖面中所处的部位和受隔水层限制的情况划分的。

可分为包气带水，潜水和承压水。

（如图5-3 5-4）1-土壤 2-含水层 3-隔水层 4-潜水面 5-承压水面A-包气带水 B-饱水带 A1-上层滞水 B1-潜水 B2-承压水图5-4 包气带水、潜水和承压水1．包气带水在包气带中，除含有大量的气体以外．还含有结合水、毛细水。

当包气带中有局部隔水层(常呈透镜状存在，所以也称力隔水透镜体)存在时，大气降水沿岩上裂隙、孔隙的下渗可在局部隔水透镜体上形成储量和规模皆较小的重力水、这种重力水称为上层滞水。

上层滞水一般接近地面．分布范围小、厚度小、水量少；靠大气降水和凝结水补给，以蒸发形式或沿隔水透镜体边缘向外排泄，功态很不稳定，常表现为季节性：雨季获得补给．旱季水量减少甚至消失；易污染。

2．潜水位于地表以下第一个稳定的隔水层之上，具有自由水面的重力水称为潜水。

潜水常埋置于土的孔隙中和出露地表的岩石裂隙中．靠大气降水、凝结水或地表水补给．主要以大气降水补给；潜水有隔水的底板，但没有隔水的顶板，能在水平方向流动，多数情况下，潜水的补给区和分布区一致；以大气降水为补给源的潜水受气候条件的影响很大，动态不稳定，而以河流等地表水为补给源的潜水则表现出较好的动态稳定性。

由于潜水没有隔水的顶板，所以同上层滞水一样．也易受到污染，潜水的排泄方式有下泄泉，蒸发、泄流地表和人工抽取地下水等，有些地区，人类抽取地下水成为潜水的最主要排泄方式。

（如图5-5）图5-5 图5-63．承压水存在于地表以下两个稳定的隔水层之间的含水层中重力水称为层间水。

若层间水完全充满于含水层且受到超静水压力作用时，则称其为承压水，俗称自流水。

层间水多为承压水。

层间水的补给区和分布区不一致；由于其顶部有隔水顶板存在，所以受大气降水的影响较小，不易受污染，通常水质良好；动态变化较缓慢且幅度小，随气候的变化不如潜水敏感，蒸发量小甚至不蒸发，如果层间水为承压水时，隔水顶板一旦被穿透，地下水位会明显上升甚至喷出地面形成自流井。

（图5-6）承压水的形成与一个地区的地质构造密切相关。

最适宜于形成承压水的地质构造有向斜构造和单斜构造两种。

承压水的排泄方式有泉、下泄泉和人工抽取地下水等。

在我国一些人口密集的大型城市中，人工大量抽取地下水不仅使地下水资源已近枯竭，还造成了城区地面的大面积下沉。

二、地下水按含水层性质分类含水层按其空隙性质的不同可分为孔隙含水层、裂隙含水层和岩溶含水层。

储存在这些含水层中的地下水分别称为孔隙水、裂隙水和岩溶水。

第三节地下水的物理性质和化学性质一、地下水的物理性质地下水的物理性质主要包含地下水的密度、温度、颜色、透明度、放射性、气味和口味等。

二、地下水的化学成分现已在地下水中发现化学元素60种以上，各种元素在地下水中的含量主要取决于它们在地壳中的含量多少以及它们的溶解度。

地壳中含量最广的氧、钙、铀、钾、镁等元素在地下水中也最为常见。

但地壳中含量最多的硅、铁、铝等元素由于其溶解度小，在地下水中很少见到．而氮在地壳中含量较少，但由于其溶解度高而大量存在于地下水中。

地下水的化学成分常以离子状态、气体状态和化合物状态存在于地下水中，此外在地下水中还有一些有机质、微生物及细菌等悬浮物存在。

三、地下水的侵蚀性由于地下水是一种含有多种化学元素的水溶液．土木工程的建、构筑物基础，桥梁基础，隧道衬砌和挡土构筑物等混凝土结构物又不可避免地要长期与地下水接触，它们之间的某些物质成分必然会发生化学反应。

地下水的对混凝土的侵蚀是指地下水中的一些化学成分与混凝土结构物中的某些化学物质发生化学反应，在混凝土内形成新的化合物，使混凝土体积膨胀、开裂破坏，或者溶解混凝土中的某些物质，使其结构破坏、强度降低的现象。

常见的地下水侵蚀作用有以下几种。

1．氧化、水化侵蚀：混凝土结构物中多含有钢筋等铁金属材料，当地下水中含有较多氧气时，就会对结构物中的钢筋一类铁金属材料构成腐蚀。

2．酸性浸蚀：当地下水呈酸性时,氢离子会对混凝土表面的碳酸钙硬层产生溶蚀。

3．碳酸类侵蚀：当水中富含CO2时，会对混凝土中的氢氧化钙产生溶蚀。

4．硫酸类侵蚀：当地下水中含有较多的硫酸根离子时，会与混凝土中的氢氧化钙反应生成石膏，进一步生成石膏和水的结晶体，使混凝土的体积明显增大，其结果不仅降低了混凝土的强度，严重时还会造成混凝土的开裂破坏。

5．镁盐侵蚀：富含MgCl2的地下水与混凝土接触时会和混凝土中的Ca(OH)2反应，生成Mg(OH)2和溶于水的CaCl2，使混凝土中的钙质流失，结构破坏，强度降低。

四、地下水对公路工程的影响地下水是地质环境的重要组成部分，且最为活跃。

在许多情况下地质环境的变化常常是由地下水的变化引起的。

尤其是地下水位的变化，水的侵蚀性和流沙、潜蚀等不良地质作用都将对建筑工程的稳定性、施工及正常使用带来很大的影响。

1.地下水位上升，可引起浅基础地基承载力降低，在有地震砂土液化的地区会引起液化的加剧，同时易引起建筑物震陷加剧，岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质作用。

2．地下水的侵蚀性的影响主要体现为水对混凝土、可溶性石材、管道以及金属材料的侵蚀危害。

3．基坑涌水：这种现象发生在建筑物基坑下有承压水时，开挖基坑会减小基坑底下承压水上部的隔水层厚度，减小过多会使承压水的水头压力冲破基坑底板形成涌水现象。

涌水会冲毁基坑，破坏地基，给工程带来损失。

4.地基沉降：在松散沉积层中进行深基础施工时，往往需要人工降低水位。

若降水不当，会使周围地基土层产生固结沉降，因而使周围建筑物或地下管线产生不均匀沉降，甚至开裂。

5.流砂：当地下水的动水压力大于土粒的浮容重或地下水的水力坡度大于临界水力坡度时，就会产生流砂。

这种情况的发生常是由于在地下水位以下开挖基坑、埋设地下水管、打井等工程活动而引起的，所以流砂是一种工程地质现象。

易产生在细砂、粉砂、粉质粘土等土中。

流砂在工程施工中能造成大量的土体流动，致使地表塌陷或建筑物的地基破坏，能给施工带来很大困难，或直接影响建筑工程及附近建筑物的稳定，因此，必须进行防治。

6.潜蚀：潜蚀作用可分为机械潜蚀和化学潜蚀两种。

机械潜蚀是指土粒在地下水的动水压力作用下受到冲刷，将细粒冲走，使土的结构破坏，形成洞穴的作用；化学潜蚀是指地下水溶解土中的易溶盐分，使土粒间的结合力和土的结构破坏，土粒被水带走，形成洞穴的作用。