6土木工程地质： 地下水

《土木工程地质》主编刘红军，地下水章节，必考重点仅供参考（这些都是本人自己之前考试整理的，每个学校不同专业重点可能不一样）。

地下水

• 埋藏在地表下面土中孔隙，岩石孔隙和裂隙中的水
  • 是饮用、灌溉和工业供水的重要水源之一，是宝贵的天然资源
  • 与土石相互作用，会使土体和岩体的强度和稳定性降低， 产生各种不良的自然地质现象和工程地质现象， 如滑坡、岩溶、潜蚀、地基沉陷、道路冻胀和翻浆等
  • 如果在地下水的化学成分中，侵蚀性CO2或SO42-、cl-含量过多， 地下水还会对工程上用的普通水泥混凝土产生侵蚀作用，使混凝土结构遭到破坏
  • 任何种类建筑，都必须研究地下水的问题， 研究地下水的埋藏条件，地下水的类型及其活动的规律性， 以便采取相应措施，保证建筑物的稳定和正常使用
• 概述
  • 来源及存在状态
    • 来源
      • 主要来源于大气降水和地表水的入渗补给
    • 存在状态
      • 气态水
      • 固态水
      • 液态水（为主）
        • 结合水
        • 毛细水
        • 重力水（构成地下水的主要成分）
        • 毛细水和重力水称自由水，均不能抗剪切，但可传递静水压力
  • 含水层与隔水层
    • 含水层
      • 能透水又饱含重力水的岩土层
        • 条件
          • 具有良好的储水空间
          • 具有储存地下水的地质构造条件
          • 具有良好的补给来源
    • 隔水层
      • 不能透过或给出水，或者透过或给出水的数量微不足道的岩土层
      • 可以是饱水的（如黏土），也可以是不含水的（如胶结紧密完整的坚硬岩层）
      • 裂隙、节理不发育的常作为隔水层
  • 形成条件
    • 地质条件
    • 气候条件
    • 地貌条件
    • 人为条件
• 物理及化学成分
  • 物理性质
    • 温度
      • 年温带以内的地下水，具有年变化规律
      • 日常温带以内的地下水，具有昼夜变化规律
      • 年常温以下，地下水温度随深度增加而升高
      • 按温度划分
        • 过冷水
        • 冷水
        • 温水
        • 热水
        • 过热水
    • 颜色
      • 地下水一般是无色透明的
      • 含有机腐殖质时呈黄色
    • 透明度
      • 取决于其中固体与悬浮物的含量
    • 气味
    • 味道
    • 密度
    • 导电性
    • 放射性
  • 化学性质
    • 化学成分
      • 常见的气体有O2、N2、H2S和CO2
      • 地下水中分布最广，含量较多的离子共有七种， 即Cl－、SO42-、HCO3－、Na+、K+、Ca2+、Mg2+
      • 化合物有Fe2O3、Al2O3、H2SiO3
      • 主要胶体
        • 有机和无机
      • 有机成分和细菌成分
    • 主要化学性质
      • 酸碱度
        • 主要取决于水中氢离子浓度
        • 强酸水（pH<5）、弱酸水（5-7）、中性水（7）、弱碱水（7-9）、强碱水（pH>9）
      • 硬度
        • 水中Ca2+、Mg2+的总含量称为总硬度
        • 由于煮沸而减少的这部分Ca2+、Mg2+的含量称为暂时硬度
        • 总硬度与暂时硬度之差称为永久硬度
        • 极软水、软水、微硬水、硬水、极硬水
      • 总矿化度
        • 水中所含离子、分子及化合物的总量称为水的总矿化度
        • 习惯上用105~110℃温度将地下水样品蒸干后所得的干涸残余物总量来表示矿化度
        • 高矿水能降低混凝土强度，腐蚀钢筋，促使混凝土分解， 故拌和混凝土时不允许用高矿化水，高矿化水中的混凝土建筑应注意采取防护措施
• 地下水类型
  • 按埋藏条件
    • 必考！
    • 上层滞水
      • 必考
      • 存在于包气带中局部隔水层上的重力水
        • 包气带水指位于潜水面以上包气带中的地下水，按存在形式分为
          • 土壤水
          • 上层滞水
          • 相比之下，上层滞水比较有实际意义
      • 是大气降水和地表水等在下渗过程中局部受阻积聚而成的
        • 在松散沉积物地区，可能由黏土、亚黏土等的透镜体所构成
        • 在基岩裂隙介质中可能由局部地段裂隙不发育或裂隙被充分填充所造成的
        • 在岩溶介质中可能由于差异性溶蚀作用是局部地段岩溶发育较差或存在非可熔岩透镜体的结果
      • 多位于地表不深的地方，分布区与补给区一致，分布范围一般不大
        • 由于分布范围不大，很难保持常年有水， 但当气候湿润、隔水层分布范围较大、埋藏较深时，也可赋存相当水量，甚至可能终年不干
        • 水量取决于
          • 补给来源，即气象和水文因素
          • 下伏隔水层分布范围
      • 季节性变化大，极不稳定，一些常是季节性存在
      • 由于距地表近，补给水渗入途径短，上层滞水容易受污染。在寒冷地区容易引起道路冻胀和翻浆
      • 由于其水位变化幅度大，常给工程设计、施工带来困难
    • 潜水
      • 必考
      • 埋藏在地面以下第一个连续稳定隔水层之上，具有自由水面的重力水称为潜水
      • 潜水一般存在于第四纪松散沉积物的孔隙中（孔隙潜水）及初露地表的基层裂隙和溶洞中（裂隙潜水和岩溶潜水）
      • • 潜水的自由水面称潜水面，潜水面标高程称为潜水位H， 潜水面至地面的垂直距离称为潜水埋藏深度h1， 潜水面到隔水底板的距离为潜水含水层厚度h
      • 潜水具有自由面，但无水压
      • 特征
        • 潜水的埋藏深度和含水层的厚度受气候、地形和地质条件的影响，变化很大
        • 潜水具有自由表面，在重力作用下，自水位较低处渗流，流动的快慢取决于含水层的渗透性能和i潜水面的水力坡度
      • 潜水面表示方法
        • 潜水面常以潜水等水位线图表示，所谓潜水等水位线图就是潜水面上标高相等各点的连线图
        • 通过潜水等水位线图来解决问题
          • 确定潜水流向
          • 计算潜水的水力坡度
          • 确定潜水与地表水之间的关系
          • 确定潜水的埋藏深度
          • 确定泉或沼泽的位置
          • 推断含水层的岩性或厚度的变化
            • 在地形坡度变化不大的情况下，若等水位线由密变疏，表明含水层透水性变好或含水层变厚。 相反则说明含水层透水性变差或厚度变小。
          • 确定给水和排水工程位置
            • 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
            • 建筑物的地基最好选在潜水位深的地带或使基础浅埋，尽量避免水下工程施工
            • 若潜水对施工有危害，宜用排水降低水位、隔离（包括冻结法）等措施处理
    • 承压水
      • 必考
      • 充满于两个稳定的隔水层间的重力水称为承压水
      • 形成主要决定于地质构造条件
      • 最适宜形成承压水的构造
        • 向斜（或盆地）构造
          • • 自流盆地构造图
            • a-补给区；b-承压区；c-排泄区 1-隔水层；2-含水层；3-喷水钻孔； 4-不自喷钻孔；5-地下水流向；6-测压水位；7-泉
        • 单斜构造
          • • 断块构造形成的自流斜地
            • 1-隔水层；2-含水层；3-地下水流向；4-不导水断层；5-导水断层；6-泉
          • 自流斜地的形成有两种情况
            • 断块构造，含水层的上部出露地表
            • 含水层岩性发生相变
              • • 岩性变化形成的自流斜地
                • 1-隔水层；2-含水层；3-地下水流向；4-泉
      • 承压水不具有自由水面，并承受一定的静水压力。
      • 承压含水层的分布区与补给区不一致。常常是补给区远小于分布区，一般只通过补给区接受补给
      • 承压水的动态比较稳定，受气候影响较小
      • 水质不易受地面污染
  • 按含水层性质
    • 孔隙水
    • 裂隙水
      • 风化裂隙水
      • 成岩裂隙水
      • 构造裂隙水
    • 岩溶水
• 泉
  • 地下水在地表的天然出露叫泉
    • 是地下水的一种重要排泄方式，是了解和研究地下水的重要依据之一
    • 山区地面切割强烈，有利于地下水的出露。所以山区多泉
    • 平原地区堆积物深厚，又很少被河流切割，地下水不易出露，所以在平原区很难找到泉
  • 根据水头性质分类
    • 上升泉
      • 由承压含水层补给
    • 下降泉
      • 由潜水或上层滞水补给
  • 根据出露原因分类
    • 侵蚀泉
      • 分为侵蚀下降泉和侵蚀上升泉
    • 接触泉
      • 透水性不同的岩层接触，地下水流受阻，沿接触面出露，称为接触泉
    • 溢出泉
    • 断层泉
      • 断层穿过含水层与隔水层，当断层导水时，地下水沿断层上升，在地面标高低于承压水位处出露成泉，称为断层泉
  • 根据泉水温度
    • 冷泉
      • 温度大致相当或低于当年平均的气温
    • 温泉
      • 温度高于当地年平均的气温
      • 起源
        • 受地下岩浆热的影响
        • 受地下深处的地热的影响
• 补给、径流和排泄
  • 补给
    • 大气降水补给
    • 地表水补给
    • 含水层之间的补给
    • 人工补给
  • 排泄
    • 蒸发
    • 泉水
    • 向地表水排泄
    • 含水层之间的排泄
    • 人工排泄
  • 径流
    • 地下水由补给区流向排泄区的过程叫径流
    • 地下水由补给区流经径流区，流向排泄区的整个过程构成地下水循环的全过程。
    • 地下水径流
      • 径流方向
      • 径流速度
      • 径流量
    • 地下水的运动
      • 层流
      • 紊流
      • 混合流
• 地下水对土木工程的影响
  • 必考！掌握理解课本的案例、区别，以及这些怎么产生的
  • 地基沉降
    • 在软土地区大面积抽取地下水，将造成大规模的地面沉降
    • 抽水引起含水层水位下降，导致土层中孔隙水压力降低，颗粒间有效应力增加，地层密度超过一定限度，即表现地面沉降
  • 流砂、管涌及潜蚀
  • 浮托作用
  • 基坑突涌
  • 对钢筋混凝土的腐蚀
    • 结晶类腐蚀
    • 分解类腐蚀
    • 结晶分解复合类腐蚀