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第十章 地下水系统与流动理论

提　　纲 第一节 地下水系统的组成与结构 第二节 地下水类型、补给与排泄 第三节 地下水的运动及其流动理论

第一节 地下水系统的组成与结构 自然水的循环 地下水的贮存空间 地下水流系统 地下水系统垂向结构

一、自然界的水循环 陆地上的淡水来自天上。海水在阳光下蒸发，盐留在了海里，而淡水蒸发到天上，形成云。云被风吹到陆地的上空，凝结后降落到大地上。如此，陆地上的江河、湖泊、湿地才得以形成，它们是陆地生命的淡水源。

一、自然界的水循环

地下水是存在于地表以下岩(土)层空隙中的各种不同形式水的统称。 二、地下水的贮存空间 1.含水介质、含水层和隔水层 通常把既能透水，又饱含水的多孔介质称为含水介质,这是地下水存在的首要条件。所谓含水层是指贮存有地下水，并在自然状态或人为条件下，能够流出地下水来的岩体。对于那些虽然含水，但几乎不透水或透水能力很弱的岩体，称为隔水层。 2.含水介质的空隙性与水理性 含水介质的空隙性:裂隙率(KT)、岩溶率(Kk)与孔隙率(n) 。含水介质的水理性质 :与水分的贮容、运移有关的岩石性质称为含水介质的水理性质，包括岩土的容水性、持水性、给水性、贮水性、透水性及毛细性等。

3.蓄水构造 指由透水岩层与隔水层相互结合而构成的能够富集和贮存地下水的地质构造体。主要有：单斜蓄水结构、背斜蓄水结构、向斜蓄水结构、断裂型蓄水结构、岩溶型蓄水结构等。 武夷红层单斜山 极地天河-雅鲁藏布江 迦巴瓦峰回路转-世界第一大峡谷

3.蓄水构造 指由透水岩层与隔水层相互结合而构成的能够富集和贮存地下水的地质构造体。主要有：单斜蓄水结构、背斜蓄水结构、向斜蓄水结构、断裂型蓄水结构、岩溶型蓄水结构等。 伊朗扎格罗斯山脉-阿拉伯板块漂移形成的背斜构造

3.蓄水构造 指由透水岩层与隔水层相互结合而构成的能够富集和贮存地下水的地质构造体。主要有：单斜蓄水结构、背斜蓄水结构、向斜蓄水结构、断裂型蓄水结构、岩溶型蓄水结构等。

穿过玉树地震并垂直于甘孜-玉树断裂走向的岩石圈波速结构垂直切面图 3.蓄水构造 指由透水岩层与隔水层相互结合而构成的能够富集和贮存地下水的地质构造体。主要有：单斜蓄水结构、背斜蓄水结构、向斜蓄水结构、断裂型蓄水结构、岩溶型蓄水结构等。 龙门断裂带 龙门山脉 穿过玉树地震并垂直于甘孜-玉树断裂走向的岩石圈波速结构垂直切面图

3.蓄水构造 指由透水岩层与隔水层相互结合而构成的能够富集和贮存地下水的地质构造体。主要有：单斜蓄水结构、背斜蓄水结构、向斜蓄水结构、断裂型蓄水结构、岩溶型蓄水结构等。 撒哈拉之眼-毛理塔尼亚查特结构 奥地利埃斯瑞森韦尔特冰洞

三、地下水流系统 地下水虽然埋藏于地下，难以用肉眼观察，但它象地表上河流湖泊一样，存在集水区域，在同一集水区域内的地下水流，构成相对独立的地下水流系统。 1.地下水流系统的基本特征 在一定的水文地质条件下，汇集于某一排泄区的全部水流，自成一个相对独立的地下水流系统，又称地下水流动系。与地表水系相比较具有如下的特征:空间上的立体性;流线组合的复杂性和不稳定性;流动方向上的下降与上升的并存性; 区域范围一般比较小。

2.地下水域 四、地下水系统垂向结构 地下水流系统的集水区域,为立体的集水空间。地下水域范围变化快,在地表上均存在相应的补给区与排泄区. 1.地下水垂向层次结构的基本模式 包气带:土壤水带、中间过渡带及毛细水带等3个亚带;存在结合水(包括吸湿水和薄膜水)和毛管水； 饱和水带:潜水带和承压水带两个亚带,存在重力水(包括潜水和承压水)。 2.地下水不同层次的力学结构 分子力、毛细力和重力。 3.地下水体系作用势 重力势、静水压势、渗透压势、吸附势等分势组合为总水势。

第二节 地下水类型、补给与排泄 1、地下水类型 2、地下水补给和排泄 3、地下水的动态与平衡

1 地下水类型 地下水基本类型的划分 包气带水 饱水带水(潜水和承压水) 空隙水(孔隙水、裂隙水和岩溶水)

一、地下水基本类型的划分 从地理水文学角度来说，特别重视如下的分类： 1.按地下水的贮存埋藏条件分类 (1)包气带水 结合水（分吸湿水、薄膜水） 毛管水（分毛管悬着水与毛管上升水） 重力水（分上层滞水与渗透重力水） (2)饱水带水 潜水 承压水（分自流溢水与非自流溢水） 2.按岩土的贮水空隙的差异分类 (1)孔隙水 (2)裂隙水 (3)岩溶水

二 包气带水 1.包气带水的特征与包气带的类型 (1)包气带水的主要特征 包气带含水率和剖面分布最容易受外界条件的影响； 包气带在空间上的变化主要体现在垂直剖面上的差异; 包气带含水率变化与岩土层本身、岩土颗粒的机械组成有关; (2)包气带的类型 厚型:土壤、中间和毛管带. 薄型:厚度不到1米 过渡型: 2.包气带的水分交换与动态 外界水分交换和内部水分的再分配及内排水过程,发生在上、下界面上.

三、潜水 1.潜水的概念和主要特征 饱水带中自地表向下第一个具有自由水面的含水层中的重力水，称为潜水. 饱水带中自地表向下第一个具有自由水面的含水层中的重力水，称为潜水.   潜水位(h)是指潜水面上任一点的海拔高程(m)； 潜水埋深(T)是指潜水面距地表的铅直距离(m)； 含水层厚度(H)指潜水面至隔水底板的距离(m)； 潜水流水力坡度:是指潜水面上任意两点的水位差与该两点的渗透距离之比。 潜水面上无隔水层,与大气相通,压强等于大气压强,不承受静水压力,潜水分布区与补给区基本一致。 潜水含水层通过包气带与地表水及大气圈之间存在密切联系,因此深受外界气象、水文因素的影响,动态变化比较大,呈现明显的季节变化。

四、承压水 2.潜水面形状及其表示方法 (1)潜水面的形状:倾斜、抛物线形和水平等多种形状; (2)潜水面表示方法:水文地质剖面图和平面图。 3.潜水与地表水之间的互补关系 潜水与地表水之间的这种相互补给和排泄关系，称为水力联系。 (1)具有周期性水力联系; (2)具有单向的水力联系; (3)具有间歇性水力联系. 四、承压水 承压水是指充满于两个稳定隔水层之间的含水层中的地下水。 1.承压水的主要特征 承压性、分布区与补给区不同、动态变化相对稳定、水质类型多样。

五、空隙水 2.承压水的形成 主要取决于地质构造条件, 最适宜的是向斜构造和单斜构造. 3.承压水等水压线 某一含水层中承压水位相等的各点的连线。 五、空隙水 1.孔隙水 埋藏于松散岩土孔隙中的重力水。透水性、给水性的变化小，运动呈层流状态。 2.裂隙水 存在于岩石裂隙中的地下水。埋藏与分布极不均匀，动力性质比较复杂，基岩裂隙的发育具有明显的分带性。 3.岩溶水 在溶隙中贮存、运动的地下水称.分布不均匀, 径流动态不稳定.地表与地下径流及无压流与有压流相互转化。

2 地下水的补给与排泄 地下水的补给来源 地下水径流 地下水排泄

一 地下水的补给来源 二 地下水径流 三 地下水的排泄 1.降水入渗补给 2.地表水入渗补给 3.地下水的人工补给 1.地下水径流方向与径流强度 方向呈平面式、放射式、纵向或横向运动;强度即地下水的流动速度,与透水性、水力坡度成正比,承压水还与蓄水构造的开启与封闭程度有关。 2.地下水径流类型 (1)畅流型;(2)汇流型;(3)散流型;(4)缓流型;(5)滞流型. 三 地下水的排泄 1.泉排泄 2.蒸发排泄 3.泄流排泄

3 地下水的动态与平衡 影响地下水动态的因素 地下水动态 地下水平衡

一、影响地下水动态的因素 1.自然因素 (1) 气象气候因素 (2) 水文因素 (3) 地质地貌因素 (4) 生物与土壤因素 2.人为因素 二、地下水动态 1.地下水动态的地区特征 (1) 地下水动态的地区特征 (2) 地下水动态的垂直分异

2.地下水动态的多年特征 3.地下水动态类型 (1) 渗入——蒸发型 (2) 渗入——径流型 (3) 过渡型

三、地下水平衡 1.潜水水量平衡方程 2.承压水水量平衡方程 3.地表水与地下水的转化与平衡 (Pg+R1+E1+Q1)-(R2+E2+Q2)=ΔW      1.潜水水量平衡方程 (Pg+R1+E1+Q1+Qn)-(R2+E2+Q2)=μΔH      2.承压水水量平衡方程 3.地表水与地下水的转化与平衡 ΔPg=ΔRs-ΔEg 

第三节 地下水的运动及其流动理论 1、地下水的存在状态 2、地下水的渗流理论 3、渗流对建筑工程的影响

1. 地下水的存在状态 毛细水由毛细力作用而充满在岩土毛细空隙(一般指直径小于1mm的孔隙和宽度小于0.25mm的裂隙)中的水。 重力水充满于非毛细空隙中的液态水。当薄膜水的薄膜更加增大时，水与岩土颗粒间的作用力逐渐减小，当这种力量不能保持薄膜水时，薄膜水即变为液态水滴受重力影响而在岩土空隙中运动。 固态水以冰的形式存在于岩土中的水。高寒地区冬季或全年地壳表层冻结，其中液态水即变成固态水。它在我国的西北和西藏的高寒山区的永冻层中广泛分布。

1. 地下水的存在状态 地下水在岩土空隙中的运动现象统称为“渗流”.分饱和渗流和非饱和渗流.前者指饱水带的潜水和承压水在重力作用下运动;后者是指包气带中的毛管水和结合水在毛管力和骨架吸引力的控制运动,两种渗流的运动规律不同. 结合水运动 1.结合水运动基本规律 结合水又分为强结合水(吸湿水)和薄膜水(弱结合水)两种.其中强结合水不能流动,所以结合水运动指的是属于弱结合水的薄膜水运动。 2.结合水运动与越流渗透(5-14式) 毛管水运动 1.毛管力及毛管上升高度(5-17式) 使液体在管内上升的湿润力就是毛管力。 2.包气带中毛管水的运动

重力水运动 1.重力水运动的基本形式 线状流(一维流): 又称，地下水在渗流场中任意点的速度变化只与空间坐标的一个方向有关。 平面流(二维流) : 其特点是地下水在渗流场中任意点的速度变化与空间坐标上的两个方向有关。 立体流(三维流):流动在空间3个方向上都发生变化。 2.线性渗透定律 线性渗透定律是描述重力水渗流现象的基本方程。最早是由法国水力学家达西通过均质砂粒的渗流实验得出的。试验发现渗透流量Q与水位差(h1-h2)成正比，其数学表达式为： 3.渗透系数（k） 当水力坡度I=1时，则V=k，即渗透系数在数值上等于渗流速度,表征含水介质透水性能的重要参数.

4.非线性渗透定律 达西定律虽然重要，但适用于层流状态的水流，而且要求流速比较小,(常用雷诺数Re＜10表示). Q=kmAI1/m，   或   V=kmI1/m   (5－35) 5.线性渗透定律在地下水计算中的应用 (1)潜水完整井稳定运动时涌水量的计算 (2)承压水完整井稳定运动涌水量计算

1、 基本概念 渗流——地下水在岩土体空隙中的运动。 2. 地下水的渗流理论 1、 基本概念 渗流——地下水在岩土体空隙中的运动。 过水断面——垂直渗流方向的含水层截面，它包括岩土层的空隙和颗粒骨架在内的全部截面积。 实际过水断面——是该断面中地下水流动的孔隙面积。

A－过水断面面积，m2或cm2 Q－渗流量，m3/d或cm3/s。 渗流(渗透)速度——地下水流在某过水断面上的平均流速，用v表示，单位为m/d或cm/s，即 A－过水断面面积，m2或cm2 Q－渗流量，m3/d或cm3/s。

A1－断面中水实际流动的孔隙面积，m2或cm2； n－孔隙度，百分数。 式中 n 总是小于1，故渗流速度小于实际流速。 真实流速——是地下水在过水断面中空隙部分实际流动的平均速度，用u表示，单位为m/d或cm/s， A1－断面中水实际流动的孔隙面积，m2或cm2； n－孔隙度，百分数。 式中 n 总是小于1，故渗流速度小于实际流速。

1—土壤层 2—含水层 3—隔水层 4—水头降落曲线 水头降落曲线和水力坡度 ★ 水力坡度:沿渗流途径的水头损失与相应渗透途径长度的比值。 1—土壤层 2—含水层 3—隔水层 4—水头降落曲线 水头降落曲线和水力坡度

2、渗流分类 (1) 均匀流与非均匀流 沿流程渗流速度不变的渗流称为均匀流，否则是非均匀流。 (2)稳定流与非稳定流 在渗流场中渗流要素(如流速、水位等)不随时间变化的运动，称稳定流；渗流要素随时间而变的运动，称非稳定流。

(3)层流与紊流 地下水运动时，水质点有秩序地呈相互平行而互不干拢的运动，称层流；水质点相互干扰而呈无秩序的运动，称紊流。自然条件下，地下水流速较小，绝大多数属于层流运动，但在岩石的洞穴及大裂隙中多属紊流运动。

3、地下水运动的基本定律 ★ 线性渗透定律(层流运动)－Darcy定律 Q－渗流量，cm3/s； A－过水断面面积，m2； △H－水头损失，cm； L－渗流距离，cm； k－渗透系数，m/d或cm/s； I－水力坡度。

★ 非线性渗透定律（紊流运动）——Chezy定律 当地下水在宽大的空隙中以相当快的速度运动时，呈现紊流运动，即渗透速度与水力坡度的1/2次方成正比。

4 地下水对建筑工程的影响

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，可使洞室淹没，还可使建筑物基础上浮，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 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，有效应力的增加引起土的压缩，从而引发地面沉降。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)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。

(2)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，有时在粉土中也会产生流砂。 (3)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 。

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. 地下水对地下建筑防排水结构的腐蚀 硅酸盐水泥遇水硬化，并且形成Ca(OH)2、水化硅酸钙CaOSiO2·12H2O、水化铝酸钙CaOAl2O3•6H2O等，这些物质往往会受到地下水的腐蚀。 ①结晶类腐蚀 如果地下水中SO42-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CaSO4·2H2O，这种石膏再与水化铝酸钙CaOAl2O3·6H2O发生化学反应，生成水化硫铝酸钙(3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O)，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。

②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CO2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。 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。

③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。

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