第五章地下水§5.1

地下水概述地下水的基本概念地下水賦存在地表以下巖土空隙中的水。巖土的空隙:松散沉積物中的孔隙堅硬巖石中的裂隙可溶性巖石中的溶隙連通性好分布不均勻連通性差水在巖土中的存在形式：含水層(aquifer)：

能夠給出并透過相當水量的巖土層。隔水層(aquiclude)：

不透水但可含水的巖土層。含水層的形成條件：巖土層有較大空隙；為隔水層所限；有補給來源。巖土的水理性質1.含水性容水度:巖土空隙完全被水充滿時的含水量.持水度:巖土在重力作用下釋水時仍能保持的含水量.2.給水性:巖土在重力作用下能自由排出的含水量.給水度=容水度－持水度3.透水性:巖土可透過水的性能.用滲透系數表示.在水位差作用下，水透過土體孔隙的現象稱為滲透土壩蓄水后水透過壩身流向下游地下水的運動形式:

地下水在土中孔隙或微小裂隙中以不大的速度連續滲透時屬層流運動；而在巖石的裂隙或空洞中流動時，速度較大，會有紊流發生，其流線有互相交錯的現象。

層流：水質點有秩序地呈相互平行而互不干擾的運動。

紊流：水質點相互干擾而呈無秩序的運動。4.達西定律1856年法國學者Darcy對砂土的滲透性進行研究水在土中的滲透速度與試樣的水力梯度成正比v=ki達西定律水力梯度，即沿滲流方向單位距離的水頭損失

水在土中的滲透速度和試樣兩端水面間的水位差成正比，而與滲透長度成反比q－滲流量（m3/d或cm3/s）；A－試樣截面積（cm2或者m2）

k－滲透系數（m/d或cm/s），表征巖土透水性能力大小的指標。v－滲透流速（m/d或cm/s），它不是地下水的實際流速，而是在一單位時間（s）內流過一單位土截面（cm2）的水量（cm3）。i－水力梯度，沿滲流方向單位距離的水頭損失h－試樣兩端的水位差，即水頭損失L－滲透長度Darcy定律適合于層流（砂土）。砂土的水力梯度與滲透速度呈線性關系，符合達西滲透定律。對于密實的粘土，由于吸著水具有較大的粘滯阻力，因此，只有當水力梯度達到某一數值后，克服了吸著水的粘滯阻力以后，才能發生滲透。我們將這一開始發生滲透時的水力梯度稱為粘性土的起始水力梯度ib粘性土不但存在起始水力梯度，而且當水力梯度超過起始水力梯度后，滲透速度與水力梯度的規律還偏離達西滲透定律而呈非線性關系。為方便，用虛直線來描述密實粘土的滲透速度與水力梯度的關系，用以下公式表示。在粗粒土中（礫、卵石等），只有在小的水力梯度下，滲透速度與水力梯度才呈非線性關系，而在較大的水力梯度下，水在土中流動進入紊流狀態，滲透速度與水力梯度呈非線性關系，此時達西定律同樣不能適用注意按照達西定律求出的滲透速度是一種假想的平均流速，它假定水在土中的滲透是通過土體截面來進行的。實際上，水在土體中的實際流速要比用達西定律求出的流速要大得多。對于比粗砂更細的土來說，達西滲透定律一般是適用的，而對于粗粒土來講，只有在水力梯度很小的情況下才能適用。達西定律適用于層流，不適用于紊流?！?.2

地下水類型及其主要特征地下水類型包氣帶水一、地下水埋藏類型1.包氣帶水位于地面以下潛水位以上的包氣帶中含有的地下水。包括：氣態水、結合水、毛細水、重力水

上層滯水：包氣帶中聚集在局部隔水層之上的重力水.特征：接近地表，接受大氣降水補給，以蒸發形式或向隔水底板邊緣排泄。動態變化很不穩定。工程意義：常始料不及涌入基坑。供水意義不大。在寒冷地區易引起道路凍脹和翻漿。2.潛水(phreaticwater)埋藏在地面以下第一個穩定隔水層之上具自由水面的重力水。特征：與大氣相通，具自由水面，補給區與分布區一致，動態受氣候影響較大。潛水面形狀受地形影響。1－砂層2－隔水層3－含水層4－潛水面5－基準面

潛水等水位線圖虛線－潛水等水位線實線－地形等高線可解決如下問題：1確定潛水流向2確定潛水的水力坡度3確定潛水的埋藏深度4確定泉或沼澤的位置5確定潛水與地表水的關系

潛水與地表水的關系潛水補給河流河流補給潛水單側補給3.承壓水(pressurewater)充滿于兩個隔水層之間的含水層中承受水壓力的重力水。A－補給區B－承壓區C－排泄區承壓含水層局部H1－初見水位H2－承壓水位H－承壓水頭h－承壓水位埋深

特征：不具自由水面，并承受一定的水頭壓力。分布區和補給區不一致。動態變化較穩定。不易受地面污染。承壓水等水壓線圖承壓水等水壓線圖可確定下列重要指標：承壓水位埋深承壓水頭大小含水層埋深（初見水位）如圖中A點：地形標高103m，承壓水位91m，含水層頂板標高83m。則承壓水位埋深為：

103－91＝12m

承壓水頭為91－83＝8m

含水層埋深為：103－83＝20m二、不同含水層空隙中的地下水1.孔隙水沖積物中的孔隙水

上游河床中砂礫石，是良好的含水層。

中游河漫灘沉積有上細（粉細砂、粘性土）下粗（砂礫）的二元結構，上層構成隔水層，下層為承壓含水層。

下游濱海平原上部為潛水，埋藏淺不利于工程建設，下部多層承壓含水層。

洪積物中的孔隙水潛水深埋帶潛水溢出帶潛水下沉帶2.裂隙水按成因：風化裂隙水成巖裂隙水構造裂隙水按分布產狀：層狀裂隙水脈狀裂隙水3.巖溶水特點：空間分布極不均勻，動態變化強烈，流動迅速，排泄集中。泉：地下水在地表的天然露頭。按水頭性質分：上升泉下降泉按出露原因分：侵蝕泉接觸泉溢出泉斷層泉§5.3

地下水的性質1.地下水的物理性質溫度temperature顏色color透明度transparent嗅味smell味道taste導電性conductivity2.地下水的化學成分氣體成分O2H2SCO2離子成分Cl-SO4-2HCO3-Na+K+Ca+2Mg+2

化學性質PH值礦化度硬度膠體成分與有機質SiO2Fe(OH)3Al(OH)3§5.4

地下水對建筑工程的影響地下水位下降引起地基沉降上覆地層應力是由土粒骨架和水共同承擔的，土粒骨架承擔的那部分應力稱為有效應力，水承擔的那部分稱為孔隙水壓力。當抽取一部分地下水，造面地下水位下降，孔隙水壓力減小，而有效應力增加，導致地基發生固結壓縮而產生沉降?？刂品椒ǎ汉侠黹_采地下水，多年平均開采量不能超過平均補給量。對于已發生嚴重地面沉降的地區，對含水層進行回灌可使地面沉降適當恢復，但不可能大量恢復。動水壓力產生流砂和潛蝕1.動水壓力——地下水在滲流時作用于單位體積土骨架上的力2h1h21沿水流方向放置兩個測壓管，測壓管水面高差h土粒對水流的阻力應為土樣面積根據牛頓第三定律，試樣的總動水力J和土粒對水流的阻力F大小相等，方向相反水流流經這段土體，受到土顆粒的阻力，阻力引起的水頭損失為hL滲流作用于單位土體的動水壓力為說明：動水壓力j是滲流對單位土體的作用力，是一種體積力，其大小與水力坡度成正比，作用方向與滲流方向一致，單位為kN/m3

動水壓力的存在，使土體內部受力發生變化，這種變化對土體穩定性有顯著的影響abc動水壓力方向與重力一致，促使土體壓密、強度提高，有利于土體穩定滲流方向近乎水平，使土粒產生向下游移動的趨勢，對穩定不利動水壓力與重力方向相反，當動水壓力大于土體的有效重度，土粒將被水流沖出2.臨界水力坡度———使土體開始發生滲透變形的水力坡度

JG當土顆粒的重力與動水力相等時，土顆粒不受任何力作用，好像處于懸浮狀態，這時的水力坡度即為臨界水力坡度或

在工程計算中，將土的臨界水力坡度除以某一安全系數Fs(2～3)，作為允許水力坡度[i]。設計時，為保證建筑物的安全，將滲流逸出處的水力坡度控制在允許坡度[i]內流砂——當自下而上的動水壓力等于土的有效重度時，土顆粒之間的壓力為零。此時土顆粒處于懸浮狀態而失穩，該現象稱為流砂現象。潛蝕——地下水流在一定的水力坡度下產生比較大的動水壓力，沖刷、挾走巖土中細小顆粒或溶蝕巖土體，使其內孔隙逐漸增大，形成洞穴，導致巖土結構松散或破壞的現象。機械潛蝕——靠水力搬運方式沖刷、挾走巖土中細小顆粒。產生機械潛蝕的條件包括巖土體有適宜的顆粒組成和地下水有足夠的動水壓力條件兩個方面。顆粒細小，均勻的松散狀粉細砂，易遭受機械潛蝕?；瘜W潛蝕——地下水溶解或與巖土體發生化學作用，從而導致巖土體不斷被破壞?；瘜W潛蝕作用的強弱取決于巖土體的可溶性、地下水的化學成分和地下水的流動性等因素。地下水的浮托作用

地下水不僅對水位以下的土體產生靜水壓力和浮托力，并對建筑物基礎產生浮托力承壓水對基坑的作用

當基坑下部有承壓水層時，開挖基坑減小了底板隔水層的厚度，當隔水層較薄經受不住承壓水頭壓力，承壓水頭壓力就會沖毀基坑底板，這種現象稱為基坑突涌地下水對鋼筋混凝土的腐蝕溶出侵蝕：混凝土中Ca(OH)2成分被水溶解。碳酸侵蝕：含侵蝕性co2的水溶解混凝土中的鈣質而使混凝土崩解。硫酸鹽侵蝕：水中SO4-2與混凝土作用生成新的化合物，由于體積膨脹而脹裂。酸性侵蝕：PH值低的酸性水對混凝土具腐蝕性。鎂鹽侵蝕：水中鎂鹽與混凝土作用后生成化合物溶解于水。防滲處理措施1.水工建筑物滲流處理措施

水工建筑物的防滲工程措施一般以“上堵下疏”為原則，上游截滲、延長滲徑，下游通暢滲透水流，減小滲透壓力，防止滲透變形①垂直截滲主要目的:延長滲徑，降低上、下游的水力坡度，若垂直截滲能完全截斷透水層，防滲效果更好。垂直截滲墻、帷幕灌漿、板樁等均屬于垂直截滲②設置水平鋪蓋上游設置水平鋪蓋，與壩體防滲體連接，延長了水流滲透路徑粘土鋪蓋③設置反濾層砂墊層水位加筋土工布回填中粗砂拋石棱體設置反濾層，既可通暢水流，又起到保護土體、防止細粒流失而產生滲透變形的作用。反濾層可由粒徑不等的無粘性土組成，也可由土工布代替，上圖為某河堤基礎加筋土工布反濾層④排水減壓

粘性土含水層減壓井為減小下游滲透壓力，在水工建筑物下游、基坑開挖時，設置減壓井或深挖排水槽2.基坑開挖防滲措施①工程降水

采用明溝排水和井點降水的方法人工降低地下水位原地下水位明溝排水原水位面一級抽水后水位二級抽水后水位多級井點降水在基坑內（外）設置排水溝、集水井，用抽水設備將地下水從排水溝或集水井排出