32地下水的主要类型与特征华电.ppt

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1、3.2地下水的主要类型与特征,地球上的水以不同的物质状态（固态、液态、气态）存在于地球大气圈、生物圈、水圈和岩石圈中。通常把大气圈中的水降落到地面称为大气降水；地表上的江河、湖泊、海洋中的水称为地表水；而把埋藏在地表以下岩（土）体的孔隙、裂隙、溶隙中的水称为地下水。一、地下水的基本概念.岩土的空隙及地下水的存在形式随着岩石性质和受力作用的不同，岩土体中各种空隙的形状、多少及其连通与分布具有很大的差别，它们对地下水的分布和运动具有重要影响。根据岩土空隙的成因不同，可把空隙分为孔隙、裂隙和溶隙三大类。,地球上水的分布,（1）孔隙 松散岩土由大小不等的颗粒组成，颗粒或颗粒集合体之间的空隙，呈小孔状，

2、称为孔隙。岩土中孔隙的发育程度常用孔隙度来表示，它是影响地下水储存能力的重要因素。（2）裂隙 坚硬岩石（沉积岩、岩浆岩和变质岩）颗粒之间基本上不存在孔隙，仅存在由于地壳运动及其它内外地质营力作用下岩石破裂变形产生的空隙，称之为裂隙。岩石的裂隙一般呈裂缝状，其长度、宽度、数量、分布及连通性等空间上差异很大，与孔隙相比，裂隙具有明显的不均匀性。（3）溶隙 可溶岩（盐岩、硬石膏、石膏、石灰岩、白云岩等）中的各种裂隙，由于地下水流长期溶蚀而形成的空隙称为溶隙，这种地质现象称岩溶（喀斯特）。,岩石的空隙性,（）地下水的存在形式,地下水有气态、液态和固态三种形式。根据水在空隙中的物理状态，水与岩石颗粒的相

3、互作用等特征，可将地下水存在的形式分为五种，即：气态水、结合水、重力水、毛细水、固态水。其中主要的是岩土中的毛细水和重力水，因为这两种水对地下水的工程特性有很大的作用。,岩土的水理性质是指岩石与水作用时所具有的特征，主要有容水性、持水性、给水性和透水性。1）容水性岩土的容水性是指岩土所能容纳一定水量的能力。容水性用容水度来表示，容水度是指岩土空隙完全被水充满时的含水量，可表示为岩土所能容纳的水的体积与岩土体积之比。2）持水性岩土的持水性指在重力作用下，岩土依靠分子力和毛细力，能够保持一定液态水的能力。常用持水度来表示，持水度是指受重力作用时岩土仍能保持的水的体积与岩土体积之比。,.岩土的水理性

4、质,3）给水性 岩土的给水性指岩土中保持的水在重力作用下能够自由流出一定数量水的能力，用给水度表示。给水度是指岩土给出的水量与岩土体积之比值。给水度在数值上等于容水度减去持水度。）透水性指岩土能使水下渗、通过的性能。通常用渗透系数表示。空隙的大小和多少决定着岩土透水性的好坏，但两者的影响并不相等，空隙大小经常起主要作用。透水层 指 可以透水，渗透系数较大的地层，但(目前)不一定含水。,岩土透水性分级,.含水层与隔水层,根据岩石赋留地下水的相对状况分出含水层和隔水层。在重力作用下能够给出并且通过相当数量水的饱水岩层或土层称含水层。含水层必须有良好的透水性能，同时又必须有一定的地质构造条件和地形条

5、件，使地下水聚集和储存起来。此外，含水层必须有一定的补给水量。隔水层是指在常压条件下，由于重力作用不能给出并通过相当数量水的岩层或土层。通常由黏土、粉质黏土和页岩、泥灰岩等透水性能差的岩石组成的岩层构成隔水层。隔水层对地下水的运动起着阻碍作用。,.包气带及饱水带,.降水转变通道,.地下水的运移,.地下水的特征（1）,.地下水的特征（2）,二、地下水分类表,包气带水是存在于包气带中以各种形式出现的水，它是一种局部的、暂时性的地下水。其中既有分子水、结合水、毛细水等非重力水，也有属于下渗的水流和存在于包气带中局部隔水层上的重力水（又称上层滞水）。包气带是指潜水位以上未被水饱和的岩土层。包气带水的特

6、征是：完全依靠大气降水或地表水流直接下渗补给，因而多位于距地表不深的地方，以蒸发或逐渐下渗的形式排泄；分布范围有限；补给区与分布区一致；水量随季节变化，雨季出现，旱季消失，极不稳定。,1.包气带水上层滞水,上层滞水和潜水,.潜水,（）潜水是埋藏在地表以下第一个连续稳定的隔水层以上，具有自由水面的重力水。（）潜水的主要特征1)潜水面以上无稳定的隔水层存在，大气降水和地表水可直接渗入补给，成为潜水的主要补给来源。因此，在大多数的情况下潜水的分布区与补给区是一致的，因而某些气象、水文要素的变化能很快影响潜水的变化，潜水的水质也易于受到污染。,2)潜水自水位较高处向水位较低处渗流。在山脊地带潜水位的最

7、高处可形成潜水分水岭。潜水面的形状是因时因地而异的，它受地形地质、气象水文等自然因素控制，并常与地形有一定程度的一致性。,潜水埋藏特征示意图,（）潜水等水位线图,潜水面常以潜水等水位线图表示，其绘制方法与绘制地形等高线图一样。将研究地区的很多潜水人工露头（钻孔、探井、水井）和天然露头（泉等）的水位同时测定，绘在地形图上，连接水位等高的各点即是等水位线图。该图的用途如下：A.确定潜水的流向及水力坡度。垂直于等水位线，自高等水位线指向低等水位线的方向即为流向。在流动方向上，取任意两点的水位高差，除以两点间在平面上的实际距离，即为此两点间的平均水力坡度。,B.确定潜水与河水的相互关系。如果潜水流向指

8、向河流，则潜水补给河水；如果潜水流向背向河流，则潜水接受河水补给。C.确定潜水面埋藏深度。潜水面的埋藏深度等于该点的地形标高减潜水位。根据各点的埋藏深度值，可绘出潜水等埋深线。D.确定含水层厚度。当等水位线图上有隔水层顶板等高线时，同一测点的潜水水位与隔水层顶板标高之差即为含水层厚度。E.确定给水和排水工程的位置。水井应布置在地下水流汇集的地方，排水沟（截水沟）应布置在垂直水流的方向上。,3.潜水的补给、排泄和径流,含水层从外界获得水量的过程叫做补给，耗失水量的过程叫排泄，地下水由补给区向排泄区流动的过程便是地下水的径流。（）潜水的补给补给来源：大气降水、地表水、承压水、凝结水对潜水的补给以及

9、农田灌溉水、城市工矿的生活用水和工业废水的回渗补给等。其中大气降水和地表水的入渗是潜水的主要补给源。（）潜水的排泄排泄方式：以泉的形式出露地表、直接排入地表水（以上两者统称为径流排泄）、通过蒸发逸入大气（也称为垂直排泄）以及向邻近的承压含水层排泄等。,4.承压水,（）承压水及其特征a.承压水是指充满在两个隔水层之间的含水层中，具有承压性质的地下水。由于隔水顶板的存在，能明显地分出补给区、承压区和排泄区三部分。b.补给区大多是含水层出露地表的部分，比承压区和排泄区的位置为高；承压区是隔水顶板以下，被水充满的含水层部分；排泄区为承压水流出地表或流向潜水的地段。,c.承压区中地下水承受静水压力，当钻

10、孔打穿隔水顶板时所见的水位，称为初见水位。随后，地下水上升到含水层顶板以上某一高度稳定不变，这时的水位叫承压水位。d.承压水位与隔水层顶板的距离称为水头，由于承压水的补给区和承压区不一致，故承压水的水位、水量、水质及水温等，受气象水文因素的影响较小。,（）承压含水层的类型,构成承压含水层的盆地、向斜、和坳陷构造叫做自流盆地。单斜的承压含水层叫做自流斜地。,（3）等水压线图,等水压线图就是承压水面的等高线图。它是根据观测点的承压水为绘制的，加之同一图中绘制的含水层顶板及底板等高线，可从图中确定：承压水的流向，并可计算水力梯度；承压水位的埋深；承压含水层的埋深；水头的大小及含水层的厚度等。,5.孔

11、隙水,孔隙水是储存和运动于岩土体孔隙中的地下水，多呈均匀而连续的层状分布。岩石的孔隙情况决定了孔隙水的存在条件和特征，因为岩石孔隙的大小和多少，关系到岩石的透水性并直接影响到岩石中地下水含量，以及地下水在岩石中的运动条件和地下水的水质。一般情况下，岩土的颗粒大而均匀，则含水层孔隙大、透水性好，地下水水量大、运动快、水质好；反之，则含水层孔隙小、透水性差，地下水运动慢、水质差、水量也小。孔隙水多分布于第四系松散沉积层和坚硬基岩的风化壳中。,6.裂隙水,裂隙水是指储存和运动于岩层裂隙中的地下水。岩石的裂隙按成因可分为风化裂隙、成岩裂隙和构造裂隙三种类型，相应地也将裂隙水分为风化裂隙水、成岩裂隙水和

12、构造裂隙水。）风化裂隙水(面状裂隙水）是指分布在岩石风化裂隙中的地下水，多数为层状裂隙水。风化裂隙是由岩石的风化作用形成的，无一定方向，延伸短，发育密集而均匀，彼此连通，因此在一定范围内形成的地下水也是相互连通的水体，具有统一的水面，多属潜水。风化裂隙水多分布于出露基岩的表层，其下新鲜的基岩为含水层的下限。水平方向透水性均匀，垂直方向随深度而减弱。,风化裂隙水示意图,）成岩裂隙水,成岩裂隙水常赋存于具有成岩裂隙的岩层中。成岩裂隙为岩石在形成过程中所产生的空隙，一般常见于岩浆岩中。成岩裂隙水多呈层状，在一定范围内相互连通。3）构造裂隙水分布于构造裂隙中的地下水就称为构造裂隙水。按岩石中裂隙分布的

13、产状，可将构造裂隙水分为层状裂隙水和脉状裂隙水两类。当构造应力分布比较均匀且强度足够时，则在岩体中形成比较密集均匀且相互连通的张开性构造裂隙，赋存层状构造裂隙水。当构造应力分布相当不均匀时，岩体中张开性构造裂隙分布不连续，互不沟通，则赋存脉状构造裂隙水。,7.岩溶水,岩溶水又称喀斯特水是指储存和运动于可溶性岩层溶隙、溶穴中的地下水。岩溶的发育特点决定了岩溶水的特征。岩溶水在空间的分布变化很大，甚至比裂隙水更不均匀。有的地方地下水汇集于溶洞孔道中，形成地下水很丰富的地区；而另一些地方水可沿溶洞孔隙流走，形成在一定范围内严重缺水的现象。岩溶水具有水量大、运动快、在垂直和水平方向上分布不均匀的特性，

14、其动态变化受气候影响显著。,岩溶水系统,8.降深漏斗及井的有效性,自流与非自流井,9.泉,泉是地下水的天然露头，是地下水排泄的主要方式之一。因此，它是反映岩层富水性和地下水的分布、类型、补给、径流、排泄条件和变化的一个重要标志。按照泉的含水层性质，可将泉分为上升泉及下降泉两大类。（1）上升泉由承压含水层补给，水流在压力作用下呈上升运动。（2）下降泉由潜水或上层滞水补给，水流作下降运动。根据泉的出露条件又可分为：侵蚀泉、接触泉、溢出泉和断层泉四类。,1）侵蚀泉 是沟谷切割到含水层时形成的，含水层若为潜水则形成侵蚀下降泉；若为承压水时则形成侵蚀上升泉。2）接触泉 是地下水自含水层和其下面隔水层的接

15、触处涌出地表，或在侵入体与围岩接触带，地下水沿裂隙上升至地表形成的。3）溢出泉 是指地下水在运动过程中，由于前方岩层的透水性急剧变弱，水流受阻而溢出地表形成的泉。4）断层泉 是承压水沿导水断层上升，在地面标高低于承压水位处，涌出地表形成的。这类泉常沿断层呈线状分布。,泉水的形成,敦煌月芽泉,济南泉水的形成,间隙泉,三、地下水的物理、化学性质,1.物理性质地下水的物理性质包括：温度、颜色、透明度、嗅、味、比重、导电性及放射性等。,温度 地表水的温度随季节变化。埋藏深度不同的地下水，具有不同的温度变化规律。,埋深35m，具昼夜变化特征；埋深为550m，地下水温度随季节变化。年常温带以下，地下水温度

16、随深度增高，其变化规律决定于地热增温级。平均地热增温级（地热梯度）为33米。深层地下水的温度变化很小。,地下水按温度分类,颜色 水一般是无色的，但有时由于某种离子含量较多，或者富集悬浮物和胶体物质，则可显示出各种各样的颜色,透明度水的透明度主要取决于其中固态物质与胶体悬浮物质的含量。含量多时，则透明度差。常见的地表水和地下水一般是透明的。,嗅水通常是无气味的。但当其中含有某些离子或某种气体时，则出现特殊的臭味。如含亚铁盐很多时有铁腥气味(墨水气味)、含硫化氢(H2S)气体时有臭鸡蛋味，含腐植质时有腐草气味。气味的强弱与温度有关，一般在低温下不易判别，加热到40C时气味最显著。,味水的味道，主要

17、取决于其化学成分，如含有NaCl的(Cl-)水具咸味，含MgCl2、MgSO4的水有苦味；含Na2SO4的水量涩味；含CO2、Ca(HCO3)2、Mg(HCO3)2的水清凉可口；含Fe2O3的水具有铁锈味；含盐量极少的水淡而无味。,比重淡水的比重通常等于1。水的比重取决于其中所溶解盐分的含量。水中溶解的盐分越多，比重越大，有的咸水比重可达1.2-1.3。,导电性水的导电性，取决于其所含盐类总量及盐类性质等，一般矿化度高的水导电性强。放射性有些天然地下水，会具有微弱的放射性。水的放射性决定于形成环境。贮存和运动于放射性矿床及酸性火成岩分布区的地下水，其放射性相应较强。,2.地下水的化学性质,地下

18、水的化学成份离子：天然体水中分布最广、含量最多的离子有七种：氯离子(Cl-)、硫酸根离子(SO4=)、重碳酸根离子(HCO3-)、钠离子(Na)、钾离子(K)、钙离子(Ca)、镁离子(Mg)。,一般情况下，随着地下水中含盐量的变化，其中占主要地位的离子成分也随之发生变化。含盐量低的水中常以HCO3-、Ca或HCO3-、Mg为主；中等含盐量的常以SO4=、Na 或SO4=、Ca为主；含盐量高的水则以Cl-、Na为主。,气体成份：主要有H2S、CO2。,地下水的酸碱性：水的酸碱性主要取决于水中氢离子浓度，常用pH值表示（pH=-lgH+）。根据水pH值的大小，将水分成以下几级：强酸性(9)。,地下

19、水化学成分表示方法及水质评价,库尔洛夫式,实例：周口店关砥村南民井某日抽水资料如下:HCO-3 60 毫克当量%Na+50 毫克当量%Cl-25 毫克当量%Mg2+45 毫克当量%SO2-4 10 毫克当量%Ca2+10 毫克当量%CO2 0.016g/l 稀有元素 无 总矿化度 M 0.28 g/l 水温 15 C 涌水量 Q 60 m3/day(试用库式表示）,HCO360Cl25CO20.016M0.28 T15Q60 Na50Mg45,答案,水生命之源,型水,如：库尔洛夫式,HCO3Ca型水,地下水的总矿化度：水中所含各种离子、分子与化合物的总量。以每升水中所含克数（g/l）表示。,简

20、便方法：以105-110C时将水灼干所得的残余物总量。,地下水按矿化度的分类,饮用水总矿化度不应超过1.0 g/l；灌溉用水总矿化度不应超过1.7 g/l。,地下水的硬度水的硬度，是由水中所含Ca+、Mg+所构成。水中Ca+、Mg+的总含量，称为总硬度。,地下水的硬度表达方法较多，我国通常采用德国度或Ca+、Mg+的毫克当量表示。1.0毫克当量硬度等于2.8德国度。1德国度相当于1升水中含有10mg的CaO。总硬度=暂时硬度+永久硬度 1mmol/L=2.8德国度,地下水的硬度分类,注：离子的当量离子量/离子价；离子的毫克当量离子的毫克数/离子的当量,生活饮用水一般要求不宜大于25度（德国度）

21、，最适宜的是1015度。,高硬度水的危害：对人体；工业和洗涤用。,四、地下水对工程的影响,1.潜水位上升引起的工程地质问题(1)潜水位上升后，由于毛细水作用可能导致土壤次生沼泽化、盐渍化，改变岩土体物理力学性质，增强岩土和地下水对建筑材料的腐蚀。在寒冷地区，可助长岩土体的冻胀破坏；(2)潜水位上升后，原来干燥的岩土被水饱和、软化，降低岩土抗剪强度，可能诱发斜坡、岸边岩土体产生变形、滑移、崩塌失稳等不良地质现象；(3)崩解性岩土、湿陷性黄土、盐渍岩土等遇水后，可能产生崩解、湿陷、软化，其岩土结构破坏、强度降低、压缩性增大。而膨胀性岩土遇水后则产生膨胀破坏；(4)潜水位上升，可能使洞室淹没，还可能

22、使建筑物基础上浮，危及安全。,2.地下水位下降引起的工程地质问题,(1)地表塌陷岩溶发育地区，由于地下水位下降时改变了水动力条件，在断裂带、褶皱轴部、溶蚀洼地、河床两侧以及一些土层较薄而土颗粒较粗的地段，产生塌陷。(2)地面沉降地下水位下降诱发地面沉降的现象可以用有效应力原理加以解释。地下水位的下降减小了土中的孔隙水压力，从而增加了土颗粒间的有效应力，有效应力的增加要引起土的压缩。许多大城市过量抽取地下水致使区域地下水位下降从而引发地面沉降，就是这个原因。,(3)海(咸)水入侵近海地区的潜水或承压含水层往往与海水相连，在天然状态下，陆地的地下淡水向海洋排泄，含水层保持较高的水头，淡水与海水保持

23、某种动态平衡，因而陆地淡水含水层能阻止海水入侵。如果大量开发陆地地下淡水，引起大面积地下水位下降，可能导致海水向地下水含水层入侵，使淡水水质变坏。(4)地裂缝的产生与复活近年来，在我国很多地区发现地裂缝，西安是地裂缝发育最严重的城市。据分析这是地下水位大面积大幅度下降而诱发的。(5)地下水源枯竭、水质恶化盲目开采地下水，当开采量大于补给量时，地下水资源会逐渐减少，以致枯竭，造成泉水断流、井水枯干、地下水中有害离子量增多、矿化度增高。,3.地下水的渗透破坏,(1)流砂流砂是指松散细小颗粒土被地下水饱和后，在动水压力即水头差的作用下，产生的悬浮流动现象。流砂多发生在颗粒级配均匀的粉细砂中，有时在粉

24、土中也会产生流砂。,(2)管涌地基土在具有某种渗透速度的渗透水流作用下，其细小颗粒被冲走，岩土的孔隙逐渐增大，慢慢形成一种能穿越地基的细管状渗流通路，从而掏空地基或坝体，使地基或斜坡变形、失稳，此现象称为管涌。(3)潜蚀渗透水流在一定水力坡度(即地下水水力坡度大于岩土产生潜蚀破坏的临界水力坡度)条件下产生较大的动水压力，冲刷、挟走细小颗粒或溶蚀岩土体，使岩土体中孔隙不断增大，甚至形成洞穴，导致岩土体结构松动或破坏，以致产生地表裂隙、塌陷，影响工程的稳定。,4.地下水的浮托作用当建筑物基础底面位于地下水位以下时，地下水对基础底面产生静水压力，即产生浮托力。如果基础位于粉土、砂土、碎石土和节理裂隙

25、发育的岩石地基上，则按地下水位100计算浮托力；如果基础位于节理裂隙不发育的岩石地基上，则按地下水位50计算浮托力；如果基础位于粘性土地基上，其浮托力较难确切地确定，应结合地区的实际经验考虑。5.承压水对基坑的作用当深基坑下部有承压含水层存在，开挖基坑会减小含水层上覆隔水层的厚度，在隔水层厚度减小到一定程度时，承压水的水头压力能顶裂或冲毁基坑底板，造成突涌现象。基坑突涌将会破坏地基强度，并给施工带来很大困难。,6.地下水对钢筋混凝土的腐蚀,硅酸盐水泥遇水硬化，并且形成Ca(OH)2、水化硅酸钙CaOSiO212H2O、水化铝酸钙CaOAl2O36H2O等，这些物质往往会受到地下水的腐蚀。结晶类

26、腐蚀如果地下水中离子的含量超过规定值，那么离子将与混凝土中的Ca(OH)2 起反应，生成二水石膏结晶体CaSO42H2O，这种石膏再与水化铝酸钙CaOAl2O36H2O发生化学反应，生成水化硫铝酸钙，这是一种铝和钙的复合硫酸盐，习惯上称为水泥杆菌。由于水泥杆菌结合了许多的结晶水，因而其体积比化合前增大很多，约为原体积的221.86，于是在混凝土中产生很大的内应力，使混凝土的结构遭受破坏。,分解类腐蚀,地下水中含有CO2，CO2与混凝土中的Ca(OH)2作用，生成碳酸钙沉淀。由于CaCO3不溶于水，它可填充混凝土的孔隙，在混凝土周围形成一层保护膜，能防止Ca(OH)2的分解。但是，当地下水中CO

27、2的含量超过一定数值，而离子的含量过低，则超量的CO2再与CaCO3反应，生成重碳酸钙Ca(HCO3)2并溶于水。所以，当地下水中CO2的含量超过平衡时所需的数量时，混凝土中的CaCO3就被溶解而受腐蚀，这就是分解类腐蚀。地下水的酸度过大，即pH值小于某一数值，那么混凝土中的Ca(OH)2也要分解，特别是当反应生成物为易溶于水的氯化物时，对混凝土的分解腐蚀很强烈。,结晶分解复合类腐蚀,当地下水中NH4，NO3，Cl和Mg2+离子的含量超过一定数量时，与混凝土中的Ca(OH)2发生反应，Ca(OH)2与镁盐作用的生成物中，除Mg(OH)2不易溶解外，CaCl2则易溶于水，并随之流失；硬石膏CaSO4一方面与混凝土中的水化铝酸钙反应生成水泥杆菌；另一方面，硬石膏遇水生成二水石膏。二水石膏在结晶时，体积膨胀，破坏混凝土的结构。地下水对混凝土建筑物的腐蚀是一项复杂的物理化学过程，在一定的工程地质与水文地质条件下，对建筑材料的耐久性影响很大。,7.水库渗漏,当地下水位低于库水位且有渗漏通道时，可能产生渗漏问题。,