任務2地下水的性質判別及對工程建設的影響任務引入云南鶴劍蘭高速隧道涌水地下水有哪些類型？物理性質與化學成分有哪些？對工程建設有什么影響？教學目標1.掌握并理解地下水的物理性質與化學成分；2.了解地下水運動的規律；3.掌握地下水對工程建設的影響。知識目標1.遵紀守法，愛崗敬業，具有社會責任感和參與意識；2.具有質量意識、綠色環保意識與安全意識；3.具有集體與團隊合作精神，能進行溝通和協作。素質目標1.能區別判斷地下水的物理性質與化學成分；2.能根據不同的工程概況確定防治地下水的工程措施。能力目標目錄地下水的物理性質1地下水的化學成分2地下水運動規律3地下水對工程建設的影響4一、地下水的物理性質一、地下水的物理性質地下水的物理性質包括溫度、顏色、透明度、嗅味、口味、導電性和放射性等。1.溫度：地下水的溫度主要受當地氣溫與地溫變化的影響。變溫帶：地表受太陽輻射影響極薄的帶，地溫晝夜變化影響地表以下1-2m，下限深度為15-30m，地溫年變化小于0.1℃。常溫帶：變溫帶以下一個厚度極小的地帶。地溫比當地年平均氣溫高出1-2℃。增溫帶：常溫帶以下，地溫受地球內熱影響，隨深度加大而有規律地升高—增溫帶。深度每增加100m溫度增加的值稱為地熱增溫率（地溫梯度）。溫度每增加一度深度增加的值稱為地熱增溫級。地下水按溫度分為：非常冷水（＜0℃）、極冷水（0~4℃）、冷水（4~25℃）、溫水（25~40℃）、溫熱水（40~60℃）與熱水（60~100℃），熱水可做能源與醫療使用。地區地層巖性地熱增溫極（m/℃）北京房山花崗巖體40內蒙石拐子侏羅紀砂頁巖煤系地層31.2西藏羊八井熱田花崗巖體0.33安徽盧江白堊紀毛坦廠組粗面角礫凝灰巖25華北平原第三紀泥巖、砂巖層20-50松遼平原白堊紀伏龍泉組砂巖夾泥巖層22-31.2我國部分地區地熱增溫極一、地下水的物理性質2.顏色：一般為無色的，當水中含有某些元素或含有較多的懸浮物質時，會帶有各種顏色顯得渾濁。

含有三價氧化鐵時，水中呈褐紅色；

含有氧化亞鐵時，水中呈淺藍色；含腐蝕質時，水中呈暗黃褐色；

含懸浮物時，顏色決定于懸浮物的顏色。3.透明度：多為透明的，含有礦物質、有機質及膠體懸浮物時，透明度改變。

透明的：水深60cm可見3mm的粗線。

微渾濁的：半透明的，水深30cm可見3mm的粗線。

渾濁的：微透明的，水深小于30cm可見3mm的粗線。

極渾濁的：不透明的，水深很小，也不能清楚看見3mm的粗線。測定方法：量筒（高100cm，直徑3cm，+3mm黑十字粗線）一、地下水的物理性質4.嗅味：一般是無嗅無味，含有某種氣體和有機質時，會產生一定的氣味。

含H2S—翠綠色—臭雞蛋氣味；

含Fe3+—淡藍色—鐵腥味；

含腐殖質—暗黃色—魚腥味；5.口味：主要取決于地下水中的化學成分與氣體。含H2CO3有甜味；NaCl有咸味；Na2SO4有澀味；MgCl2、MgSO4有苦味；H2S與碳酸氣同時存在有酸味；含CO2則味美可口；含有機質則有甜味。

6.導電性：導電性強弱取決于所含的電解質的含量與性質。7.放射性：地下水中因含放射性元素而具有的物理特性。

地下水在不同程度上都具有放射性，但一般地下水的放射性極微弱。把富集放射性元素的地下水稱為“放射性水”,其中放射性元素含量須達到:氡大于1.85×105Bq·m-3;鈾大于1.11×109Bq·m-3;鐳大于3.7×102Bq·m-3。二、地下水的化學成分二、地下水的化學成分1.地下水主要氣體成分

氧（O2）、氮（N2）：起源于大氣圈，隨降水入滲進入含水層。

二氧化碳（CO2）：來源于土壤層中有機質殘骸發酵、植物呼吸；碳酸鹽巖地層在深部高溫下變質生成、化工燃料使用。

硫化氫（H2S）、甲烷（CH4）：來源于（1）封閉環境下的有機質與微生物參與的生物化學過程，如成煤過程、成油過程，SO42-→H2S；（2）地殼深部的變質作用與火山作用2.地下水主要離子成分(七種)陰離子：HCO3-、SO42-、Cl-

陽離子：Ca2+、Mg2+、K+、Na+二、地下水的化學成分3.地下水主要離子成分來源

低礦化度水中常見離子：HCO3-、Ca2+、Mg2+，常來源于沉積鹽巖、巖漿巖與變質巖的風化溶解；

高礦化度水中常見離子：Cl-、Na+、K+，常來源于沉積鹽巖（鈉鹽、鉀鹽）的溶解、變質巖的風化溶解，海水影響，人為污染；

中等礦化度水中常見離子：SO42-，常來源于沉積鹽巖溶解、金屬硫化物的氧化、火山噴發、H2S氣體氧化、人類燃燒煤產生大量S02，S02氧化后形成，大氣中SO42-過高時，會降“酸雨”。二、地下水的化學成分4.地下水的礦化度：地下水中各種離子、分子與化合物的總量稱為礦化度，以g/L表示；計算方法：（1）105~110℃溫度下，水樣烘干后的干涸殘余物質，單位g/L，mg/L（ppm）。（2）用全分析試驗結果中的陰陽離子總和減1/2HCO3-含量求算。

低礦化度的水：以HCO3-為主；

中等礦化度的水：以SO42-為主；

高礦化度的水：以Cl-為主。

高礦化度的水能降低水泥混凝土的強度，腐蝕鋼筋，故拌合混凝土時不能使用。

按礦化度分類水的類別淡水微咸水（低礦化水）咸水（中等礦化水）鹽水（高礦化水）鹵水礦化度（g/L）＜11-33-1010-50＞50二、地下水的化學成分5.地下水的pH值：pH值表示水的酸堿度，pH值大多在6.5-8.5之間。6.地下水的硬度：水的硬度是指水中Ca2+、Mg2+的含量的多少。總硬度：指未煮沸時Ca2+、Mg2+的總含量。

暫時硬度：指煮沸時水中一部分Ca2+、Mg2+因失去CO2生成沉淀碳酸鹽而使

水失去的Ca2+、Mg2+的含量。

永久硬度：指經煮沸后仍留在水中的Ca2+、Mg2+的含量，也就是總硬度與暫時硬度之差。按pH分類PH值＜55-777-9＞9水的類型強酸性水弱酸性水中性水弱堿性水強堿性水試驗方法：pH試紙酸度儀按硬度分類水的類別極軟水軟水較硬水硬水極硬水硬度Ca2+、Mg2+的物質的量＜1.5×10-31.5×10-3~3.0×10-33.0×10-3~6.0×10-36.0×10-3~9.0×10-3＞9.0×10-3德國度＜4.24.2-8.48.4-16.816.8-25.2＞25.2三、地下水運動規律三、地下水運動規律1.達西定律：1852-1856年間，法國科學家達西通過大量試驗發現，地下水運動的線性滲透定律，稱為達西定律。單位時間內通過筒中砂的水流量Q與滲透長度L成反比，與圓筒的過水斷面面積A、上下兩測壓管的水頭△h成正比。Q=FK△h/L，Q=FKI，v=KI式中：I—水頭梯度，I＝△h/L，滲透流程中單位長度的損失；

v—滲透速度，v=Q/F，代表單位時間單位過水斷面上的流量。表明滲透速度和水頭梯度I的一次方成正比，說明水的運動是層流運動，此即達西滲透層流運動的定律。三、地下水運動規律2.達西定律適用范圍達西定律適用于在任何方向的層流狀態運動的地下水。3.達西定律中各項參數的含義（1）滲透速度v＝nu，式中：n—巖石的孔隙度。（2）滲透系數K從達西定律v=KI可知，滲透系數與滲透速度單位相同，令I＝1，則：v=K。

滲透系數的大小取決于巖石本身的物理性質，滲透系數越大，巖石的透水能力愈強。滲透系數可以通過試驗確定，在室內可以通過達西儀測定，在野外常用滲水試驗方法測定或抽水試驗的方法測定。四、地下水對工程建設的影響四、地下水對工程建設的影響1.地下水位變化引起地基沉降(1)松散沉積層中進行深基礎施工時，人工降低地下水位使周圍土層產生固結沉降。(2)抽水井的濾網和砂濾層設計不合理或施工質量差，抽水時細小顆粒同地下水一起帶出地面，引起周圍地面土層不均勻沉降，造成地面建筑物和地下管線損壞。(3)城市大面積抽水時在水井周圍形成降水漏斗，使周圍建筑物或地下管線產生不均勻沉降，甚至開裂。固原雨后路面塌陷遵義路面塌陷(2019.6.19)遵義路面塌陷(坑內)人工降低地下水位-鉆孔抽取地下水導致建筑物不均勻沉降四、地下水對工程建設的影響2.地下水滲透產生流沙和潛蝕(1)流砂：是砂土在滲透水流下產生的流動現象。1）產生的條件：

①動水力大于土粒的浮重度；

②水力坡度大于臨界水力坡度。2）危害：主要發生在顆粒級配均勻的飽和細、粉砂和粉土層中，發生是突發性的，造成地表塌陷或建筑物地基破壞。3）處理方法：①人工降低地下水位；

②打板樁；

③凍結法；

④水下挖掘。鋼板樁施工現場人工降低地下水位施工現場四、地下水對工程建設的影響2.地下水滲透產生流沙和潛蝕(2)潛蝕1）機械潛蝕：土粒在地下水的動水力作用下受到沖刷，將細粒土沖走，使土的結構破壞，形成洞穴的作用。由人類工程活動所引起的這種現象，又叫管涌。2)化學潛蝕：指地下水溶解土中的易溶鹽分，使土粒間的結合力和土的結構破壞，土粒被水帶走，形成洞穴的作用。3）防治方法：①堵截地表水流入土層

②阻止地下水在土層中流動

③設置反濾層，改造土的性質四、地下水對工程建設的影響3.地下水的浮托作用(1)定義：當建筑物基礎底面位于地下水位以下時，地下水對基礎底面產生均布向上的靜水壓力，稱為地下水的浮托力。(2)地下水浮托力計算方法1)如果基礎位于粉性土、砂性土、碎石土和裂隙發育的巖石地基上，則按地下

水位100%計算浮托力;2)如果基礎位于裂隙不發育的巖石地基上，則按地下水位50%計算浮托力;3)如果基礎位于粘性土地基上，其浮托力較難確切地確定，應結合地區的實踐

經驗考慮。四、地下水對工程建設的影響4.基坑涌水現象指基坑底部承壓水隔水頂板厚度因基坑開挖而變薄后，不足以抵抗承壓水頭壓力作用時，承壓水頭壓力沖破基坑底板的工程地質現象。基坑突發涌水現象不僅破壞了地基強度，給施工帶來困難，而且給擬建工程留下安全隱患。貴州地鐵1號線溶洞基坑涌水（2014.8）四、地下水對工程建設的影響5.地下水的侵蝕性地下水的侵蝕性主要體現為含有侵蝕性CO2或含有SO42-的地下水，會產生對混凝土、可溶性石材、管道及金屬材料的侵蝕危害。橋梁基礎、隧道或地下洞室襯砌和邊坡支擋建筑物，長期與地下水接觸，強度降低，結構遭到破壞，使混凝土開裂破壞。

結晶型侵蝕：當地下水中SO42-含量大于250mg/L時，SO42-與建筑物基礎混凝土中的Ca(OH)2反應生成含水石膏晶體，當含水石膏晶體再與水化鋁酸鈣反應生成水化硫鋁酸鈣，水化硫鋁酸鈣含有大量結晶水，體積膨脹，內應力增大，導致混凝土開裂。

分解型侵蝕：當地下水中CO2時，會對建筑物基礎混凝土具有侵蝕性。當地下水CO2含量較高時，水中的CO2與混凝土中的Ca(OH)2完全反應后剩余的CO2就會與混凝土成分中CaCO3發生反應生成Ca(HCO3)2，使混凝土遭到腐蝕。四、地下水對工程建設的影響6.路基翻漿病害（1）定義：是指發生在季節性冰凍地區的春融時節，以及鹽漬、沼澤等地區，由于土基中含水過多，排水不暢，強度急劇降低，經行車重復作用，路基發生的彈簧、裂縫、冒漿、車轍等現象。（2）路基翻漿產生的原因及條件l）土質粉性土具有最強的凍脹性，最容易形成翻漿，構成了凍脹與翻漿的內因。2）水3)氣候4)行車荷載5）養護四、地下水對工程建設的影響6.路基翻漿病害（2）防治路基翻漿的工程措施1）做好路基