第3章 地下水

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⒊承压水的补给、径流、排泄 补给：①大气降水和地表水体的补给；②潜水通过隔水底板尖灭地段补给； ③越流补给。 径流：通畅与否主要与储水构造的补给、排泄两区的水位差及含水层的透水 性有关。两区的水位差越大，含水层岩性透水性越好，则径流条件越好，水 交替越强烈。 排泄：①以泉的形式排泄；②向潜水层及地表水体的潜伏排泄；③从排泄区 排泄。 ⒋等水压线图： 承压水的等水压线图就是测压水位面的等高线图，利用该图可以判断地 下水流向、计算某一地段的水力坡度。如果该图附有地形等高线和隔水顶板 的等高线，还可计算不同地段自流水的埋深及水头的大小。
• 含水层
– 定义：饱含水的透水层，或能够透过并给出相当数量水 的岩层。 – 辨异：饱含水的弱透水层（粘土、沿粘土等）；不含水 的透水层（沙漠、被疏干的含水层等）
• 隔水层
– 定义：不透水的岩层，或不能透过并给出一定水量的岩 层。 – 辨异：隔水层的相对性，并非完全隔水－弱透水层
• 含水层和隔水层的相对性和对立统一性。
地下水与工程
• 地下水是地质环境的重要组成部分，对土木工程的稳定尤其重要，地 基中的水能降低土的承载力，基坑涌水不利于工程的施工，地下水常 常是滑坡、地面沉降和地面塌陷的重要原因，一些地下水还腐蚀建筑 材料。 地面塌陷：在重大工程附近应严格禁止能大幅度改变底下水位的工程 施工，如果必须施工时，应进行回灌以保持附近地下水位变化不大。 云南昆明的翠湖，山东济南的豹突泉，都曾因人工抽取地下岩溶水造 成泉水断流，湖底土层陷落、湖水干涸。广东一个铅锌矿，因矿坑疏 干排水，造成地面大面积塌陷。 地下水对建筑材料的腐蚀作用：碳酸、硫酸、镁盐等对混凝土、铁及 铝的腐蚀。 据美国发表的资料，茌破坏的土石坝中，有40%是由于坝基土或坝体 士渗透变形所造成的。由于地下水可溶性岩石的溶蚀作用，形成洞穴 管道系统，引起岩溶渗漏，则是在碳酸盐岩地区修建水工建筑物常常 会遇到的问题。
潜水等水位线图及埋藏深度图
径流：潜水总是从水位高处向水位低处流动，这种流动过程即是潜水径 流。其条件的好坏，受地形切割程度、岩层渗透性等因素的制约。地面 坡度越大，切割越强烈，径流条件就越好。 排泄：有三种方式 ⒈泉；是地下水在地表出露的天然露头，也是潜水常见的一种排泄方式。 ⒉向地表水体排泄；当地表水体与潜水含水层间无阻水屏障，且地表水 面低于附近的潜水面时，潜水便向地表水体排泄。潜水向地表水体排泄 与潜水接受地表水体的补给，二者情况相似，只是水流方向相反。 ⒊蒸发：有通过包气带进行的土面蒸发和通过植物所进行的叶面蒸发 （蒸腾）二种形式。
• 孔隙水(pore water)：松散堆积物空隙中的 水。 • 裂隙水(fissure water)：基岩裂隙中的水。
– 风化裂隙、成岩裂隙、构造裂隙
• 岩溶水(carst water):存在可溶性岩石中的溶 蚀裂隙、洞穴、暗河中的地下水。
• 按含水介质的地下水分类
含水层（体）：饱含水的透水层（体），或能够透过并 给出相当数量水的岩层（体）。
(2)造成港口、码头、堤岸失效或作用能力下降。
如美国的朗比奇港，因地面下沉而失效;上海市外轮停靠码头，原标高5·2m，1964年降至 3m，高潮时江水上岸，便装卸无法进行。
(3)桥墩下沉，桥梁净空减小，影响水上和陆上交通。
如上海苏州河，原每天河通行2000条船，吞吐量达100万一120万t，后因桥梁净空减小，大 船己无法通行，中小船的通行时间也受到了限制，使通航能力大大减小。
含水层与隔水层
§2
地下水的分类
地下水的分类
• • 按埋藏类型： ⑴包气带水（AERATION ZONE WATER）
•
• 土壤水 上层滞水
• •
⑵潜水（PHREATIC WATER）： ⑶承压水（CONFINED WATER）：
地下水埋藏示意图
潜水
• 等水位线图是一个非常有用的水文地质图。为我 们提供地下水有关补给、 径流、排泄。如果潜水 位埋深等于零时地下水就出露地表，形成沼泽或 泉水。沼泽一般排水不畅，加以植物丛生，故沼 泽水的流动十分缓慢，沼泽水的主要补给是大气 降雨、融雪水、地下水，蒸发是地下水的主要损 耗方式。 • 潜水位与河岸上任一点河水位相等．如果河床下 沉积了很厚的粘土层，则其透水性很差，就有可 能阻挡河水与潜水之间的水力联系。
1—隔水层；2—含水层；3—基岩；4—侵入岩体；5—断层；6—承压水位；7—上升泉 A、B—侵蚀上升泉；C、D—接触带泉；E—断层泉
1—隔水层；2—弱透水层；3—潜水层；4—承压含水层；5—断层；6—潜水位；7—承 压水的测压水位；8—承压水越流排泄方向；9—地下水流向
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按含水层性质分类：
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潜水的补给、径流与排泄 补给：大气降水、地表水、承压水为主要补给来源。 大气降水的渗入是潜水的主要补给来源，在潜水的整个分布区几乎都可以 得到降水的补给。 地表水也是潜水的补给来源之一。有些较大的河流河床高于地面，所以河 水常年补给地下水；洪水期，河水位高于潜水位，亦可补给潜水。 承压水对潜水的补给则常常是通过导水的断层或隔水顶板尖灭所形成的天 窗产生的；当承压水水位高于潜水位且潜水分布于其排泄地段时，也可以 发生承压水补给潜水的现象。
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承压水
• • • 具有承压性，在两个隔水层之间。 由于补给区与排泄区不一致，故承压水的水质、 水量、水温、水位受到气候的影响比较小。 初见水位：
– – – – 承压水位： 水头： 埋深： 等水压线图。
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⒉承压水的形成： 承压水的形成受控于地层岩性、地质构造和地形等因素。其中地质构造 条件起主要作用。盆地、拗陷、向斜和单斜中的透水岩层在地形条件适 宜时，均可构成承压水。 构成承压含水层的盆地、拗陷和向斜构造叫自流盆地；单斜的承压含水 层叫自流斜地。
• 认识地下水
–泉 – 河流清水 – 湿地 – 抽水
济南趵突泉
甘肃敦煌的月牙泉
宁夏沙湖
自 流 井
§1 岩石的空隙及水理性质
岩石的空隙性
• 孔隙：颗粒与颗粒集合体之间的空隙，
– 孔隙度：孔隙的体积/松散岩石的总体积
• 裂隙：岩石破裂变形产生的空隙。
– 裂隙率：裂隙的体积/岩石的总体积
(4)伴生水平位移的危害。
一些地面下沉强烈的地区，伴随着地面垂直沉降而发生较大的水平位移，往往会使地 面和地下建筑物造成损坏。例如，美国长滩市，在垂直沉降的同时，相伴而生的水平位 移，最大达3m左右、在土层中产生巨大剪应力，便该地区的地面、铁轨、桥墩、大型建 筑物的墙、支柱和桁架以及油井和其他管道等，遭到了严重的破坏。
孔隙水：储存于松 散层中的地下水。 裂隙水：储存于基岩 裂隙中的地下水。 岩溶水：储存于可 溶性岩石溶穴中的 地下水。
§3
地下水的运动
达西定律
• 概念
– 渗流：地下水在岩石空隙中的运动。特点：
• • • 运动缓慢； 不规则； 不连续（不是空间的连续函数）。
– 渗流场：发生渗流的区域。 – 层流：水的质点作有秩序的、互不混杂的流动。 – 紊流：水的质点无序的、互相混杂的流动。 – 稳定流：各运动要素不随时间变化的水流。 – 非稳定流：运动要素随时间变化的水流。
• • • •
武汉市青菱乡烽火村地面塌陷 2000年4月6日
地面沉降是一个全球性的地质灾害，其危害往往是多方面的，损失也是严重的。 具体有以下几个方面: (1)地面沉降引起区域性海水内侵。
地面沉降使地面标高低于水平潮位，因此常受大海潮的侵袭。上海自1965年在黄浦江、苏州 河沿岸开始修建防洪墙，至1970年，已先后加高5次，其投资超过4亿元。
我国江苏省的苏州、无锡和常州三市区，长期以来由于过量开采Ⅱ层地下水，造成这些地区地 下水位不断下降，己超过地下水警戒水位，形成以苏州、无锡和常州三市区为中心的区域性地 下水位降落漏斗。其下降速度达1一2m/a，最低水位己降至—69·62m，影响范围近5000km2，导 致了苏州、无锡和常州地区严重的大面积地面沉降，其累计沉降量分别达1100mm、l048mm和 870mm，而且迄今仍分别以每年67·3mm、31·4mm和52·2mm的速度继续发展。仅苏州市1980 年调查发现，有50多眼深井井管倾斜、错断;30多眼井上升100一300mm，河水水面普遍上升，水 质急剧恶化，水准点失效，洪水淹没面积逐年扩大。进入80年代后，地面沉降呈逐年加剧的趋 势，仅1983一1989年7年间，由于地面沉降造成的抗洪筑堤、新建建筑物基础垫高、河道疏浚、 市政设施修复等方面直接经济损失达2·6亿元，况且苏州为一古老的文化名城，市区园林、文物 遍布，由于地面沉降造成的直接经济损失更是无法估计的。
• 溶隙：可溶岩中的各种裂隙。
– 岩溶率：空隙的体积/可溶岩石的总体积
孔隙水：储存于松 散层中的地下水。
裂隙水：储存于基岩 裂隙中的地下水。
岩溶水：储存于可 溶性岩石溶穴中的 地下水。
岩石的水理性质
• 容水性：岩石能容纳一定水量的性能，用容水度 来表示。 • 持水性：在重力作用下，岩石依靠分子引力和毛 细力在其空隙中能保持一定水量的性能。 • 给水性：各种岩石饱水后，在重力作用下能自由 排出一定水量的性能。以给水度来衡量。 • 透水性：岩石允许水流头通过的能力。衡量透水 性的参数用渗透系数K。
包气带蒸发：潜水在毛细作用下源源不断地补给潜水面以上的毛细水带， 以供应该带上部毛细弯液面处的水不断变成水蒸气逸入大气。 蒸腾：植物根系吸收水分通过叶面蒸发而逸入大气。 上述两种蒸发形式中的排泄方向都是垂直向上，排泄过程中主要是水量的耗失而 水中的盐分仍积聚在地壳中。干旱地区，特别是地形低平处，潜水面埋藏较浅 时，更是如此。
地下水与人类
• 地球中的水并不是处于停止状态的。海洋、大气 和陆地的水，随时随地都通过相变或运动着连续 的大规模的交换。这种交换过程，就是水分循环。 • 水在循环中不断进行着自然更新。据估计，大气 的全部水量9天即可以更新一次，河流约10－20 天，土壤需280天，淡水湖约需1－100年，地下 水需300年。海洋中的水全部更新需37000年。