土木工程地质学 Geology in Civil Engineering

地下水 5.1地下水的基本概念 5.2地下水的物理性质及化学成分 5.3地下水的分类 5.4地下水的补给、径流、排泄 5.5地下水的运动规律 5.6地下水与工程建设

地球上除了存在于各种矿物中的化合水、结合水，以及为深部岩石所封存的水分以外，海洋、河流、湖泊、地下水、大气水分和冰川，共同构成地球的水圈。 5.1 地下水的基本概念 自然界的水循环 地球上除了存在于各种矿物中的化合水、结合水，以及为深部岩石所封存的水分以外，海洋、河流、湖泊、地下水、大气水分和冰川，共同构成地球的水圈。 而水是地球表面分布最广和最重要的的物质，并作为最活跃的因素始终参与地球地理环境的形成和发展过程，在所有自然地理过程中都不可或缺。

地 球 的 水 量 估 计

(1) 概念与过程 ◇水不断的蒸发、输送、凝结、降落的往返运动过程称为水循环。 ◇水循环成因： 内因——水的“三态”变化； 外因——太阳辐射和地心引力。 ◇水循环过程 3 个阶段：蒸发（Evaporation）、降水（Precipitation）、径流（Runoff)；

全球水循环过程和数量

(2)水循环的类型 根据水分循环的路径和规模，可分为两种： ◆大循环——海陆之间的水分交换过程，也称为海陆间循环。 ◆小循环——水仅在海洋或陆地内完成的循环过程。分： 海洋小循环 陆地小循环。

（3）水量平衡(Water Balance) 全球水量平衡方程： PC+PO=EC+EO 式中， PC为大陆降水量 ； PO为海洋降水量； EC为大陆蒸发量；EO 为海洋蒸发量。 年平均大洋水平衡方程： P+R-E=0 或 P+R=E 即大洋年降水量加入海径流量等于大洋年蒸发量。

全 球 年 水 量 平 衡(Global Water Balance)

岩石中的空隙与水分 岩石中的空隙 “地壳表层（土壤层）就好象是饱含着水的海绵”

岩石中的空隙与水分 岩石中的空隙 意义：岩石空隙是地下水储存场所和运动通道。空隙的多少、大小、形状、连通情况和分布规律，对地下水的分布和运动具有重要影响。 分类：将岩石空隙作为地下水储存场所和运动通道研究时，可分为三类，即： 松散岩石中的孔隙， 坚硬岩石中的裂隙， 可溶岩石中的溶穴。

岩石中的各种空隙 1.分选良好，排列疏松的砂；2.分选良好，排列紧密的砂 3.分选不良的，含泥、砂的砾石；4.经过部分胶结的砂岩 5.具有结构性孔隙的粘土 6.经过压密的粘土 7.具有裂隙的岩石 8.具有溶隙及溶穴的可溶岩

岩石中的空隙与水分 d10 －土中小于此粒径的土的质量占总土质量的10%，也称有效粒径； 粒径分布的均匀程度由不均匀系数Cu表示： Cu愈大，土愈不均匀，也即土中粗、细颗粒的大小相差愈悬殊。 反之，Cu愈小，d60与d10相距愈近，曲线愈陡，表示土中的粒组变化范围窄，土粒均匀。

岩石中的空隙与水分 a.孔隙 定义：松散岩石是由大小不等的颗粒组成的，颗粒或颗粒集合体之间的空隙，称为孔隙。 意义：孔隙体积的多少是影响岩石储容地下水能力大小的重要因素。 孔隙度：指某一体积岩石（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的比例。 其中，n 表示岩石的孔隙度，V 表示包括孔隙在内的岩石体积，Vn 表示岩石中孔隙的体积。

岩石中的空隙与水分 a.孔隙

岩石中的空隙与水分 a.孔隙 松散岩石孔隙度参考数值 岩石名称 砾石 砂 粉砂 粘土 孔隙度 变化区间 25%～40% 25%～50% 35%～50% 40%～70% 思考：三种颗粒直径不同的等粒岩石，排列方式相同时，孔隙度完全相同

岩石中的空隙与水分 a.孔隙 影响因素：孔隙度的大小主要取决于分选程度及颗粒排列情况，另外颗粒形状及胶结充填情况也影响孔隙度。对于粘性土，结构及次生孔隙常是影响孔隙度的重要因素。 →分选程度：碎屑颗粒粗细均匀程度。 大小均匀者，分选性好； 大小混杂者，分选性差。 →次生孔隙度指数：在碳酸盐岩层中，除粒间孔隙或晶粒间孔隙所构成的原生孔隙外，还有由孔洞、裂隙、白云岩化所构成的次生孔隙。 次生孔隙度在总孔隙度中所占的百分比，叫做次生孔隙度指数。

岩石中的各种空隙 1.分选良好，排列疏松的砂；2.分选良好，排列紧密的砂 3.分选不良的，含泥、砂的砾石；4.经过部分胶结的砂岩 5.具有结构性孔隙的粘土 6.经过压密的粘土 7.具有裂隙的岩石 8.具有溶隙及溶穴的可溶岩

岩石中的空隙与水分 b. 裂隙 固结的坚硬岩石，包括沉积岩、岩浆岩和变质岩，一般不存在或只保留一部分颗粒之间的孔隙，而主要发育各种应力作用下岩石破裂变形产生的裂隙。 成岩裂隙 构造裂隙 风化裂隙 裂隙率：体裂隙率、面裂隙率、线裂隙率

岩石中的空隙与水分 野外研究裂隙时，应注意测定裂隙的方向、宽度、延伸长度、充填情况等。 因为这些都对地下水的运动具有重要影响。

岩石中的空隙与水分 c. 溶穴 可溶的沉积岩，如岩盐、石膏、石灰岩和白云岩等，在地下水溶蚀下会产生空洞，这种空隙称为溶穴（隙）。

岩石中的空隙与水分 总结与比较 孔隙、裂隙、溶穴不是独立存在。自然界岩石中空隙的发育状况远较上面所说的复杂。 松散岩石固然以孔隙为主，但某些粘土干缩后可产生裂隙，而这些裂隙的水文地质意义，甚至远远超过其原有的孔隙。 固结程度不高的沉积岩，往往既有孔隙，又有裂隙。 可溶岩石，由于溶蚀不均一，有的部分发育溶穴，而有的部分则为裂隙，有时还可保留原生的孔隙与裂缝。

岩石中的空隙与水分 总结与比较 因此，在研究岩石空隙时，必须注意观察，收集实际资料，在事实的基础上分析空隙的形成原因及控制因素，查明其发育规律。 岩石中的空隙，必须以一定方式连接起来构成空隙、网络，才能成为地下水有效的储容空间和运移通道。松散岩石、坚硬基岩和可溶岩石中的空隙网络具有不同的特点。赋存于不同岩层中的地下水，具有不同的分布与运动特点。 ——孔隙水、裂隙水和岩溶水

岩石中的空隙与水分 岩石中水的存在形式 地壳岩石中存在着以下各种形式的水：

★容水度——是岩土饱水时所能容纳的最大的水体积与岩土总体积之比，用小数或百分数表示。 岩土的水理性质 ★容水度——是岩土饱水时所能容纳的最大的水体积与岩土总体积之比，用小数或百分数表示。

★持水度——是指饱水岩土在重力作用下，保持在岩土中水的体积与岩土总体积的比值，用小数或百分数表示。 岩土的水理性质 ★持水度——是指饱水岩土在重力作用下，保持在岩土中水的体积与岩土总体积的比值，用小数或百分数表示。

★给水度——是饱水岩土在重力作用下能自由流出的水的体积与岩土总体积之比，用小数或百分数表示。给水度等于容水度减去持水度。 岩土的水理性质 ★给水度——是饱水岩土在重力作用下能自由流出的水的体积与岩土总体积之比，用小数或百分数表示。给水度等于容水度减去持水度。

★透水性——透水性是指岩土允许水透过的能力。 岩土的水理性质 ★透水性——透水性是指岩土允许水透过的能力。

含水层与隔水层 岩（石）层按水理性质不同分：含水层与隔水层 含水层—能够给出并透过相当数量重力水的岩层。 1、空隙存在并充满足够的水； 3、有补给来源 2、重力水能在空隙中自由运动； 隔水层—不能给出并透过水的岩层。 水量小；渗透性差，如粘土 滞水层：弱透水的岩土层 30

气体成分 O2 H2S CO2 离子成分 化学性质 PH值 矿化度 硬度 5.1 地下水的物理性质和化学成分 地下水的物理性质：温度、颜色、透明度、气味、味道、导电 性、放射性等 地下水的化学成分：气体成分、离子成分、胶体成分与有机质 气体成分 O2 H2S CO2 离子成分 Cl- SO4-2 HCO3- Na+ K+ Ca+2 Mg+2 化学性质 PH值 矿化度 硬度 31

①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。 低矿化度水：主要含HCO3- 中等矿化度水：主要含SO42- 高矿化度水：主要含cl- ②PH值 PH值 <5 5-7 7 7-9 >9 酸碱度 强酸性 弱酸性 中性 弱碱性 强碱性 ③硬度：取决于水中所含Ca2+、Mg2+的含量 总硬度：未煮沸时Ca2+、Mg2+的总含量 暂时硬度：煮沸时水中一部分Ca2+、Mg2+因失去CO2生成沉淀碳 酸盐而使水失去的Ca2+、Mg2+数量 永久硬度：煮沸时仍留在水中的Ca2+、Mg2+含量

★ 地下水水质分析 地下水水质分析：简分析、全分析与专门分析3种 地下水水质分析结果表示方法——库尔洛夫式 横线上、下按多少顺序分别标出mmol百分数大于10%的阴阳离子，并在离子符号的右下角标出该离子的mmol百分数；横线前列出特殊组分、气体成分、矿化度M，并将其含量(g/l)标在成分符号的右下角；横线后面标出水温

★ 矿化度(M) 地下水中各种离子、分子与化合物的总量称矿化度，以g/l或mg/l为单位

★ 硬度 ★ 水中钙、镁离子的含量称水的硬度。 ★ 硬度可分为总硬度、暂时硬度和永久硬度。 ★ 总硬度是水中Ca2+、Mg2+的总量，等于暂时硬度加永久硬度 ★ 暂时硬度指水加热沸腾后所损失的Ca2+、Mg2+含量，此时仍保持在水中的Ca2+、Mg2+含量称永久硬度。因此，。 ★ 硬度表示方法： （1）mmol/l （2）德国度 ，1mmol/l=2.8德国度，1德国度相当于7.1mg/l Ca2+或4.3mg/l Mg2+ 。生活饮用水水质标准规定水的硬度以CaCO3的mg/l表示，

地下水的腐蚀性（主要是对混凝土） 溶出侵蚀：混凝土中Ca(OH)2成分被水溶解。 碳酸侵蚀：含侵蚀性co2的水溶解混凝土中的钙质而使混凝土崩解。 硫酸盐侵蚀：水中SO4-2与混凝土作用生成新的化合物，由于体积膨胀而胀裂。 酸性侵蚀：PH值低的酸性水对混凝土具腐蚀性。 镁盐侵蚀：水中镁盐与混凝土作用后生成化合物溶解于水。

地下水化学成分的形成作用

一、溶滤作用 1、概念

2、影响溶滤作用的因素

3．溶滤作用在时间上的阶段性 (1)溶滤作用是一种与一定的自然 地理与地质环境相联系的历史过程。 (2)一个地区经受溶滤愈强烈， 时间愈长久，地下水矿化度愈低， 愈是以难溶离子为其主要成分。

A 开始阶段:氯化物最易于由岩层转入水中， 而成为地下水中主要化学组分。 岩层中原来包含有包括氯 化物、硫酸盐，碳酸盐及 硅酸盐等各种矿物盐类。 A 开始阶段:氯化物最易于由岩层转入水中， 而成为地下水中主要化学组分。 B 随着溶滤作用延续，岩层含有的氯化物由 于不断转入水中并被水流带走而贫化，相对 易溶的硫酸盐成为进入水中的主要组分。 C 溶滤作用长期持续，岩层中保留下来的几 乎只是难溶的碳酸盐和硅酸盐，地下水的化 学成分当然也就以碳酸盐和硅酸盐为主。

4．溶滤作用在空间上的差异性 气候愈是潮湿多雨，地质构造的开启性愈好，岩层的导水性愈强，地形切割愈强烈，地下径流与水交替愈迅速，岩层经受的溶滤便愈充分，保留的易溶盐类便愈贫乏，地下水的矿化度愈低，难溶离子的相对含量也就愈高。

二、混合作用

两种水的混合也可能不产生明显的化学反应： 如，高矿化的氯化钠型海水混入低矿化的重碳酸钙镁型地下水中，基本不产生化学反应。

三、浓缩和蒸发作用 蒸发作用的强度随埋深的增加而明显减弱，主要发生在仅地表的数十米的沉积地层中。单蒸发作用的影响深度较大，甚至可以达到千米。 1、基本特点

2．浓缩作用在时间上的阶段性 (1)设想未蒸发浓缩前为低矿化水，以重碳酸盐 为主，居第二位的阳离子是SO42-，Cl-的含量最 小，阳离子的Ca2+为主，其次是Mg2+。 (2)随蒸发作用进行，溶液浓缩，溶解度小的钙、 镁的碳酸盐部分析出，SO42-及Na+逐渐上升为主 要成分。形成硫酸盐水。 (3)溶液继续浓缩，水中硫酸盐达到饱和并开始 析出，便形成Cl-、Na+为主的氯化物水。

3、蒸发浓缩作用往往与大气水渗入淡化作用共存。 两者的相对强度主要受控于气候和水动力场模式（即供水区和泄水区的位置）。通常供水区以淡化作用为主，泄水区以蒸发作用为主。

Ca2+（吸附）＋2NaCl（溶液）＝2Na+（吸附）＋CaCl（溶液）（动态平衡） 四、阳离子交替吸附作用（交换作用） Ca2+（吸附）＋2NaCl（溶液）＝2Na+（吸附）＋CaCl（溶液）（动态平衡）

五、硫酸化作用 在硫化矿体附近的地下水，在富含氧气的情况下往往形成大量硫酸根离子，使地下水呈酸性反应，并富含铁、铜、铅等金属离子成分。地下水的硫酸化作用主要发生在硫化矿体浅部的氧化带内。

六、脱硫酸作用（硫酸盐的还原作用）

七、脱碳酸作用

地下水按埋藏条件和含水层空隙性质综合分类 5.3 地下水的分类 地下水按埋藏条件和含水层空隙性质综合分类 56

地下水埋藏类型 承压水：充满于两个隔水层间的含水层 潜水：地表下第一个连续隔水层之上具有自由水面的重力水 上层滞水：包气带中局部隔水层之上的重力水

一、上层滞水、潜水、承压水 1、上层滞水(perch ground water) ：包气带中聚集在局部隔水层之上的重力水. 特征：接近地表，接受大气降水补给，以蒸发形式或向隔水底板边缘排泄。动态变化很不稳定。 工程意义：常始料不及涌入基坑（离地表最近）。供水意义不大（局部分布）。 在寒冷地区易引起道路冻胀和翻浆. 土空隙中充满水的地带称为饱和带，此带中水称为饱和带水 饱和带以上未被水充满的地带称为包气带，包气带中水称包气带水 59

2、潜水(phreatic water) 埋藏在地面以下第一个稳定隔水层之上具自由水面的重力水。 特征：与大气相通，具自由水面，补给区与分布区一致，动态受气候影响较大。潜水面形状受地形影响。 自由水面 1－砂层 2－隔水层 3－含水层 4－潜水面 5－基准面 60

潜水等水位线：潜水面上标高相等各点的连线，由人工露头、天然露头测定 等水位线图用途： 可解决如下问题： (1) 确定潜水流向 (2) 确定潜水的水力坡度 虚线－潜水等水位线 实线－地形等高线 61

(3)确定潜水与地表水之间关系 若潜水流向指向河水，则潜水补给河水 若潜水流向背向河水，则河水补给潜水 若河流一侧潜水流向指向河水，另一侧潜水流向背向河水，则河流一侧为潜水补给河水，而另一侧为河水补给潜水 潜水补给河流 河流补给潜水 单侧补给 62

(4)确定潜水的埋藏深度 (5)确定泉或沼泽的位置 (6)推断给水层的岩性或厚度的变化 (7)确定给水和排水工程位置 某点地形等高线标高与潜水等水位线标高之差 (5)确定泉或沼泽的位置 在潜水等水位线与地形等高线高程相等处，潜水出露为泉或沼泽 (6)推断给水层的岩性或厚度的变化 若等水位线由密（富含潜水）变疏（少量潜水）表明含水层透水性好或含水层变厚 (7)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，排水沟应布置在垂直水流的方向上

3.承压水(pressure water) 充满于两个隔水层之间的含水层中承受水压力的重力水 承压水的形成取决于地质构造条件—向斜（盆地）和单斜构造 （1）向斜盆地（自流盆地） 补给区 承压区 排泄区 自流区 图示一 图示二 64

承压含水层局部 承压水特征：不具自由水面，并承受一定的水头压力。分布区和补给区不一致。动态变化较稳定。不易受地面污染。

（2）单斜构造（自流斜地） 两种情况： （a）断块构造 断层带透水 （补给、排泄不同） 断层带不透水 （补给、排泄相同） 66

（b）含水层岩性相变 下部尖灭

承压水等水压线图 承压水等水压线图——承压水面上高程相等点的连线图 需附地形等高线和隔水顶板等高线 （a）等水压线图 （b）水文地质剖面 1-地形等高线；2-承压含水层顶板等高线；3-等水压线 ；4承压水位线；5-承压水流向；6-自流区；7-井；8-含水层；9-隔水层；10-干井；11-非自流井；12-自流井 68

承压水等水压线图用途： a承压水位埋深 b承压水头大小 c含水层埋深

二、孔隙水、裂隙水、岩溶水 1、孔隙水 按不同埋藏条件可形成： 孔隙－上层滞水 孔隙－潜水 孔隙－承压水 多存在于松散岩层的孔隙中，呈均匀连续的层状分布，颗粒大而均匀、孔隙大、透水性好、地下水量大，运动快、水质好. 按不同埋藏条件可形成： 孔隙－上层滞水 孔隙－潜水 孔隙－承压水 70

裂隙按成因分：风化裂隙、成岩裂隙、构造裂隙 2、裂隙水－坚硬岩石裂隙中的地下水 裂隙按成因分：风化裂隙、成岩裂隙、构造裂隙 相应裂隙水分： （1）风化裂隙水：存在于风化裂隙中 特点： a.广泛分布于出露基岩的表面，发育密集、均匀，彼此连通，大部分为潜水，下限为新鲜的基岩 b.补给来源－大气降水 c.排泄－泉 71

构造运动形成的构造裂隙较复杂，构造裂隙水的变化较大 按裂隙分布分： a、层状裂隙水－沉积岩、变质岩的节理、片理等裂隙中，通常为潜水 (2) 成岩裂隙水:岩石形成过程中产生 岩浆岩 喷出岩类 侵入岩类，一般为潜水 (3)构造裂隙水 构造运动形成的构造裂隙较复杂，构造裂隙水的变化较大 按裂隙分布分： a、层状裂隙水－沉积岩、变质岩的节理、片理等裂隙中，通常为潜水 b、脉状裂隙水－断层破碎带中，通常为承压水 72

3、岩溶水：埋藏于常隙中的重力水，多为潜水、承压水 特点：水量大、运动快、垂直和水平向分布不均，工程中注意涌水事故 73

1、地下水的补给：含水层自外界获得含水量的过程 5.4地下水的补给、径流与排泄 1、地下水的补给：含水层自外界获得含水量的过程 补给来源： a.大气降水补给：最主要来源，补给数量与降水性质、植物覆盖、地形、地质构造、包气带厚度及岩石透水性有关。暴雨不利、连绵细雨大量补给。 b.地表水补给：河流、湖泊、水库与海洋等 c.含水层之间的补给：透水“天窗”或断层、弱透水层 d.人工补给：灌溉水、工业与生活用水 74

b.泉水(地下水的天然露头)：山区多、平原少，上升泉（由承压含水层补给）、下降泉（由潜水或上层滞水补给） 2、地下水的排泄：含水层失去水量的过程 排泄方式： a.蒸发：土壤蒸发、植物蒸发 b.泉水(地下水的天然露头)：山区多、平原少，上升泉（由承压含水层补给）、下降泉（由潜水或上层滞水补给） c.向地表水排泄：补给河流 d.含水层之间的排泄：一个排泄，另一个就是补给 e.人工排泄:抽取地下水 75

3、地下水的径流：地下水由补给区流向排泄区的过程 地下水的循环：补给区→径流区→ 排泄区 径流包括：径流方向、径流速度、径流量 4、地下水的运动 地下水的运动有层流、紊流和混合流三种形式 a.层流：地下水在岩石的孔隙或微裂隙中渗透，产生连续水流，水质点有秩序地呈相互平行而互不干扰的运动。 b.紊流：地下水在岩石的裂隙或溶隙中流动，涡流性质，各流线互相交错，水质点相互干扰而呈无秩序的运动 c.混合流：层流和紊流同时出现 76

5.5 地下水的运动规律 渗流的分类：

1. 层流与紊流 传递动量、热量和质量的方式不同： 层流通过分子间相互作用； 紊流主要通过质点间的混掺。紊流的传递速率远大于层流。 A C B C 1. 层流与紊流 层流(laminar flow)：亦称片流，指在流速较小时，液体质点作有条不紊的运动,彼此不相混掺的形态。 水质点运动连续不断，流束平行而不混杂。 紊流(turbulent flow) ：亦称湍流，是指随流速增大，液体质点作不规则运动、互相混掺、轨迹曲折混乱的形态。 水质点运动不连续，流束混杂而不平行。 传递动量、热量和质量的方式不同： 层流通过分子间相互作用； 紊流主要通过质点间的混掺。紊流的传递速率远大于层流。

2.稳定流与非稳定流 稳定流：在流体的运动空间内，任一点处流体的速度、压力、密度等运动要素不随 时间而变化的称为稳定流。 p=f(x,y,z) 或 p/t=0 v=f(x,y,z) 或 v/t=0 非稳定流： p=f(x,y,z,t) 或 p/t0 v=f(x,y,z,t) 或 v/t0

　　实验和观察表明，当地下水在孔隙和细小的裂隙岩层中运动时，如水流速度缓慢，多为层流状态；当地下水在大裂隙和岩溶溶洞中运动时，由于流速较快，则多表现出紊流状态。 　　由于地下水主要是在岩石的孔隙和裂隙中运动，运动时受阻较大，流速一般较慢，所以，一般情况下可以地下水的运动理解为层流运动。

二、达尔西定律—层流运动定律 　　法国水力工程师亨利·达西(Henry Darcy)在装有均质砂土滤料的圆柱形筒中做了大量的渗流实验，于l856年发现： 渗透流速与水力坡度成正比，即线性渗流定律，这是渗流基本定律，后人称之为达西定律。 Darcy 实验装置

二、达尔西定律—层流运动定律 Henri Darcy’s Law: Q=KI 或 v=Q/=KI Q—渗透流量； —过水断面总面积； I—水力坡度； v—渗透流速（m/s）； K—渗透系数（m/s，为I=1时的v ） 用途：矿坑、地基工程中涌水量的计算。 强调：层流，线性 说明：在单位水压梯度（I=1）下，单位时间内通过单位截面积的流量，即为岩土的渗透系数。该值可针对具体的岩石（土），通过在室内使用达西仪或其他渗透仪经试验求得。

达西公式讨论： 达西定律反映了能量转化与守恒。 V与I的一次方成正比； 　　当K一定，V增大时，水头差增大，表明单位渗透途径上被转化成热能的机械能损失越多，即V与机械能的损失成正比关系； 　　当V一定时，K越小，水头差越大，即K与机械能的损失成反比关系。

三、紊流运动的非线性渗透定律 混合流动 Q=KI1/m （m=1~2） Q=KI1/2 或 v=Q/=KI1/2 I—水力坡度； v—渗透流速（m/s）； K—渗透系数（m/s）； 强调：紊流、非线性 常见情况：介于层流与紊流之间的 混合流动 Q=KI1/m （m=1~2）

Darcy定律：Q＝KAi 或V＝Ki (线性) 式中：Q－渗流量m3/d或cm3/s；A－过水断面 总结： Darcy定律：Q＝KAi 或V＝Ki (线性) 式中：Q－渗流量m3/d或cm3/s；A－过水断面 K－渗透系数m/d或cm/s，表征岩土透水性能 大小的指标。还与水的粘滞性有关。 V－渗透流速m/d或cm/s ,V为假设水流通过整个 过水断面时的虚拟流速，实际流速V’=V/n Darcy定律适合于层流（砂土）。 紊流运动规律：V＝Ki1/2 (非线性) 85

四、地下水向井运动的基本规律 1. 相关概念 (1)井：处于含水层中有铅直轴线的圆管，其四周透水 。 (2)潜水井：当井揭露潜水含水层，由含水层中吸取无压地下水的井称为潜水井或普通井。 (3)承压水井：当井揭露承压水含水层时，称为承压水井。 (4)完整井：揭露整个含水层，井一直打到含水层底板隔水层时的潜水井或承压水井，称为完整井。 (5)非完整井：没有打到含水层底板隔水层的潜水井或承压水井。 完整井 非完整井

(6)水位降深：初始水头减去抽水t时间后的水头，也简称降深。用S表示。 r z h s H (8)影响半径：是从抽水井到实际观测不到水位降深处的径向距离。

2. 稳定流假设 (1) 含水层均质、各向同性，产状水平，厚度不变，分布面积很大，可视为无限延伸； (2) 抽水前的地下水面是水平的，并视为稳定的； (3) 含水层中的水流服从Darcy定律，并在水头下降的瞬间水就释放出来。如有弱透水层，则忽略其弹性释水量。 (4) 在有侧向补给的有限含水层中，当降落漏斗扩展到补给边界后，侧向补给量和抽水量平衡时，地下水向井运动便可达到稳定状态。 (5) 在有垂向补给的无限含水层中，随着降落漏斗的扩大，垂向补给量不断增大。当它增大到与抽水量相等时，将形成稳定的降落漏斗，地下水向井的运动也进入稳定状态。 (6) 在没有补给的无限含水层中，随着抽水时间的延长，水位降深的速率会越来越小，降落漏斗的扩展越来越慢，在短时间内观测不到明显的水位下降，这种情况称为似稳定状态，也称似稳定。

（1）潜水完整井稳定流裘布依公式(J.Dupuit) R 3.向井运动的基本规律 （1）潜水完整井稳定流裘布依公式(J.Dupuit) s Q=1.366K(2H-S)S/(lgR-lgr) H h Q—井的涌水量(或称排水量)，m3/d K —潜水含水层的渗透系数，m/d H —潜水含水层厚度，m； S —井中稳定的水位降深，m； R —稳定时漏斗半径(影响半径), m r —井的半径，m。 说明：均质含水层，且水平分布无限广阔； 无蒸发、无渗漏； 运动状态为层流状态。 R可用经验公式确定：R=3000SK1/2 r R

3. 向井运动的基本规律 （2）承压水完整井稳定流裘布依公式 h M R s H r M—承压含水层的厚度，m; 其它符号同前； R

3. 向井运动的基本规律 （3）潜水-承压水完整井稳定流裘布依公式 b) r1 —R a）从r0—r1 潜水完整井 Q= K(M2-h2)/(lnr1-ln r0) b) r1 —R 承压水完整井 Q= 2KM(H-M)/ (lnR-ln r1) c) 组合后得出 r 潜水-承压水完整井

4. Dupuit公式的应用（用途） (1)确定水文地质参数 确定岩土的渗透系数K、导水系数T、影响半径R等。 (2)预报流量或降深 　　根据Dupuit公式，在已知含水层厚度和参数的情况下，只要给出设计的合理降深，既可预报井的开采量；也可按需要的流量，预报开采后的可能降深值。 　　但应注意，利用以上公式预报时，含水层必须有补给源，且能和抽水量平衡，达到稳定流条件；否则，不可能出现稳定流，利用稳定流公式进行预报，所得到的结果是错误的。

利用以上求参公式，将抽水试验趋近稳定时的Q及抽水井或观测孔的水位降深S代入各式，可以直接求出K或T。 用途一：确定水文地质参数 （潜水） （承压水） 利用以上求参公式，将抽水试验趋近稳定时的Q及抽水井或观测孔的水位降深S代入各式，可以直接求出K或T。 （潜水） （承压水）

例1 有一潜水完整井，其半径为0.1m，含水层厚度为8m，土壤的渗透系数为0.001m/s，抽水时井中水深为3m，试计算井的出流量。 用途二、预报涌水量 R 例1  有一潜水完整井，其半径为0.1m，含水层厚度为8m，土壤的渗透系数为0.001m/s，抽水时井中水深为3m，试计算井的出流量。 s H h r R 解：H=8 h=3 r=0.1 k=0.001 S= H-h=8-3=5 R=3000SK1/2=3000*5*0.0011/2 =474.3 Q= 1.366K(2H-S)S/(lgR-lgr) =0.02m3/s

用途二、预报涌水量 根据承压完整井涌水量计算公式： 例2：某工程基坑开挖的平面尺寸为长44m，宽22m，坑底标高为-6.0m，自然地面标高为±0.00，地势平坦，地下水位为-2m。根据地质钻探资料查明，地面下-2.5m为不透水黏土层，-2.5~-9.0m为细砂层。-9.0m以下为砂岩不透水层，所以含水层厚度为6.5m，细砂层渗透系数K=6m/d，试求涌水量 。 解：据题意，细砂含水层为承压水层，厚度M=6.5m 降深s=6-2=4m 抽水影响半径： 基坑假想半径： 根据承压完整井涌水量计算公式：

地下水流向潜水完整井非稳定流运动基本方程 ——泰斯公式—— 建立泰斯公式的简化假定条件 含水层为各向同性的均质体且等厚度、侧向无限延伸、产状水平。 抽水之前，含水层水力坡度为零【初始条件】。 对含水层定流量抽水。 抽水过程中，含水层中水的渗流服从达西定律。 抽水时，因水头下降而引起含水层释放的水量是瞬时完成的。

潜水完整井泰斯公式的推导 确立计算模型，建立坐标系。 初始条件：当t=0时， 。 边界条件：当t=0时， －无限远边界 －无限近边界 Q rω r 潜水面 H 潜水层 s h Q z 潜水完整井泰斯公式的推导 确立计算模型，建立坐标系。 初始条件：当t=0时， 。 边界条件：当t=0时， －无限远边界 －无限近边界

考虑以上初始条件和边界条件，对潜水完整井非稳定流运动微分方程进行一定积分变换，可以解出潜水完整井泰斯公式【基本方程】如下。 －井函数 －井函数自变量 －以固定水量Q抽水时，在距离井r处t时刻的水位下降值。

5.6 地下水与工程建设 地面沉降 地面塌陷（液化） 流砂 管涌 浮托作用 基坑突涌 对混凝土的侵蚀性

地下水冻胀swelling 岩土空隙充水结冰，造成岩石的劈裂破坏和路基的冻胀变形。 ch5- 100

六、地下水开采与地面沉降 ch5- 101

我国地面沉降的主要城市ground subsidence 1、上海市 从1921年发现地面下沉开始，到1965年止，最大的累计沉降量已达2.63米，影响范围达400平方公里。有关部门采取了综合治理措施后，市区地面沉降已基本上得到控制。从1966—1987年22年间。累计沉降量36.7毫米，年平均沉降量为1.7毫米。 2、天津市 从1959—1982年间最大累计沉降量为2.15米。1982年测得市区的平均沉降速率为94毫米。目前，最大累计沉降量已达2.5米，沉降量100毫米以上的范围已达900平方公里。 3、北京市 自从70年代以来，北京的地下水位平均每年下降1—2米，最严重的地区水位下降可达3—5米。地下水位的持续下降导致了地面沉降。有的地区（如东北部）沉降量590毫米。沉降总面积超过600平方公里。而北京城区面积仅440平方公里，所以，沉降范围已波及到郊区。 4、西安市 地面沉降发现于1959年、1971年后随着过量开采地下水而逐渐加剧。1972—1983年，最大累计沉降量777毫米，年平均沉降量30—70毫米的沉降中心有5处。1983年后，西安市地面沉降趋于稳定发展，部分地区还有减缓的趋势。到1988年最大累计沉降量已达1.34米，沉降量100毫米的范围达200平方公里。 5、太原市 经1979年、1980年、1982年三次在市区600平方公里范围的测量，发现沉降量大于200毫米的面积有254平方公里，大于1000毫米的沉降区面积达7.1平方公里。最严重的是吴家堡，其次是小店。吴家堡水准点的累计沉降量：1980年是819毫米，1982年是1232毫米，到1987年累计沉降量达1380毫米。 此外，还有宁波市、常州市、苏州市、无锡市、嘉兴市、杭州市、台湾的屏东、彰化、云林、嘉义、台中和台北等6个县（市），均发生了不同程度的地面沉降。

基坑突涌——坑底稳定性 验算基坑底层安全厚度H 当隔水层较薄经受不住承压水头压力作用时，承压水的水头压力会冲破基坑底板---基坑突涌 若不满足上述厚度，需降水，使基坑中心承压水位降深满足： 则：

渗透变形 (seepage deformation) 管涌：单个土颗粒发生独立移动的现象。 多发生在不均匀的砂砾土中。 流土：一定体积的土粒同时发生移动的现象。 多发生在均质砂土层和粉土层中。

武汉丹水池堤防抢险

临江花园大厦 （倾斜10°） 裙房倒塌 上海轨道交通4号线事故 2003年7月1日凌晨4点，正在施工中的上海市地铁四号线区间隧道浦西联络通道发现渗水，随后出现大量流沙涌入，引起地面大幅沉降；上午九点左右，地面建筑八层楼房发生倾斜，其裙房部分倒塌。由于报警及时，所有人员均已提前撤出，因而无人员伤亡，受其影响的周围楼房里的市民们也已全部撤出。

抢险方案： 对轨道交通4号线区间隧道进行封堵，解除了因险情对整个隧道区间的威胁 向地下采取注浆压浆技术减少地下流沙的涌动，保护周边地区的建筑 拆除受险情影响的大楼及裙房 采用传统方式拆除破坏楼房7月2日 用注浆机不停地把水泥浆注 入地下，加固地面地基，提 高地基承载力 潜水员身穿70kg潜水服，潜入地下进行封堵确保大厦地基不渗水

武警官兵分几队，一组负责装沙，一组负责沙包传递 受地面沉降影响，董家渡外马路段长约30米的防汛墙，发生沉陷、倾斜、开裂。此时，正值上海汛期开始，上千名武警官兵奉命紧急出动，用沙袋和身躯，在浦江边筑起“U”字型围堤，将长江抗洪的经典场景再现！ 7月3日新险情 武警官兵有的抛填沙包筑堤，有的跳进黄浦江排险堵漏。 武警官兵火速奔赴现场抢险救灾

给沙堤内侧安置大型钢制桩 24小时筑起长160m，高 2m，伸入黄浦江约10m 的弧形临时堤坝，控制 了险情

渗透破坏: 青海沟后水库的溃口 建于1989年 71米高 265米长 1993年8月7日垮坝 死亡300余人 沟后水库沙砾石面板坝失事实录