地下水的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)_地質(zhì)與巖土力學(xué)基

情景12　地下水及相關(guān)的工程、環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題

【學(xué)習(xí)目標(biāo)】

1．了解地下水的意義、分布、來(lái)源。

2．了解地下水的物理、化學(xué)性質(zhì)及化學(xué)侵蝕。

3．重點(diǎn)掌握地下水類型;熟悉潛水、承壓水的形成條件及特征。

4．理解地下水的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

5．重點(diǎn)掌握與地下水有關(guān)的工程地質(zhì)問(wèn)題。

6．了解地下水與環(huán)境的有關(guān)問(wèn)題。

【能力要求】

1．會(huì)分析潛水、承壓水的形成條件及特征。

2．會(huì)分析工程建設(shè)中地下水對(duì)工程的不良影響。

3．能夠分析和思考地下水的環(huán)境意義。

【必要的理論知識(shí)與資料】

12.1　地下水概述

地下水是陸地上重要的生態(tài)用水，與地表水和地上大氣水分構(gòu)成了大陸水系統(tǒng);不同層次的水分復(fù)雜交換，呈現(xiàn)出自然的節(jié)律和動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系。由于人類生產(chǎn)生活的空間變化，需水用水的目的、目標(biāo)多變，活動(dòng)強(qiáng)度日益加大，人為的加速開采、不平衡開采和不均衡的、超額的灌溉、修建水庫(kù)等使得自然狀態(tài)下的地下水平衡被打破，于是形成了新的地下水系統(tǒng)和具有了新的特點(diǎn)。認(rèn)識(shí)地下水的不斷變化，認(rèn)識(shí)地下水的改變對(duì)陸地的影響，對(duì)人們生產(chǎn)和生活普遍意義上的影響，就顯得迫切和必須。一切的變化都有工程的參與，工程也必須接受變化的環(huán)境系統(tǒng)。地下水的變化對(duì)土建工程建設(shè)的反作用、后效應(yīng)逐漸得到人們的重視，許多的土建工程后期暴露出的一些問(wèn)題都與對(duì)地下水因子的忽視和認(rèn)識(shí)不清有關(guān)。水利工程與地下水的關(guān)系最為直接，相互性更應(yīng)該注意。充分了解地下水的各種規(guī)律和狀態(tài)，研究、同時(shí)協(xié)調(diào)人類的發(fā)展需要，才能做出好的水利工程，才能建設(shè)、維護(hù)好生態(tài)和諧的地下水動(dòng)態(tài)平衡系統(tǒng)。

在地球上，水的數(shù)量是巨大的，總體積有1.38×109km3。有97.2%的水分布在海洋里，陸地上的淡水只占2.53%。淡水是陸地生態(tài)系統(tǒng)的最重要控制因子。全球淡水的具體分布情況見(jiàn)表12－1。

表12－1　地球水圈中淡水的分布

通過(guò)上表我們可以看出地下水的儲(chǔ)量和重要性。

地下水埋藏在地面以下的孔隙、裂隙和溶隙中。它可以呈各種物理狀態(tài)存在，但大多呈液態(tài)。

12.1.1　地下水的來(lái)源

地下水有四種來(lái)源:滲透水、凝結(jié)水、原生水和沉積水。

(1)滲透水是大氣降水、冰雪消融水、各種地表水通過(guò)土、巖的孔隙和裂隙向下滲透而形成的。大氣降水是地下水的主要補(bǔ)給源，年降水量是影響降水補(bǔ)給地下水的決定因素之一。年降水量越大，則入滲補(bǔ)給含水層的比值越大，降雨強(qiáng)度、降雨時(shí)間、地形、植被發(fā)育情況等亦影響大氣降水對(duì)含水層的補(bǔ)給量。地表水也是地下水的主要來(lái)源，河水補(bǔ)給量的大小與河床透水性、河水位與地下水位的高差等有關(guān)。

(2)凝結(jié)水是大氣中的水蒸氣在土或巖石孔隙中遇冷凝結(jié)成水滴滲入地下而成的，它是干旱或半干旱地區(qū)地下水的主要來(lái)源。

(3)原生水，即巖漿逸出水，是從巖漿中分離出來(lái)的氣體化合而成的地下水。這種水?dāng)?shù)量很少。

(4)沉積水，又稱埋藏水、封存水。在沉積過(guò)程中保存在沉積物空隙中間的水。它能在一定程度上反映沉積物形成時(shí)介質(zhì)的條件。但在沉積以后的成巖過(guò)程中水的成分會(huì)逐漸改變。

12.1.2　地下水的形成條件

地下水是在一定自然條件下形成的，它的形成與巖土、地質(zhì)構(gòu)造、地貌、氣候、人為因素等有關(guān)。

(1)地質(zhì)條件。地下水的形成，必須具有一定的巖土性質(zhì)和地質(zhì)構(gòu)造條件。

巖土的空隙性是形成地下水的先決條件，它主要指巖土中的孔隙和裂隙的大小、數(shù)量及連通情況。按照巖土透水性不同分為隔水層和透水層。一般把在常規(guī)水力梯度下，有一定給水度并具有透水性的飽水巖土層(體)稱為含水層，如沉積層、砂巖層、礫巖層、石灰?guī)r層等。在常規(guī)水力梯度下滲透性極差、給水度極小的巖土層稱為隔水層或不透水層，如黏土層、頁(yè)巖層、泥巖層等。能使水通過(guò)的巖層叫透水層。

地質(zhì)構(gòu)造對(duì)巖層的裂隙發(fā)育起著控制作用，因而也影響著巖石的透水性。地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育地帶，巖層透水性增強(qiáng)，常形成良好的蓄水空間，如致密的不透水層，當(dāng)其位于褶曲軸附近時(shí)可因裂隙發(fā)育而強(qiáng)烈透水，斷層破碎帶是地下水流動(dòng)的通道。地質(zhì)構(gòu)造同時(shí)還影響著透水層與隔水層的不同組合。

(2)氣候條件。氣候條件對(duì)地下水的形成有著重要的影響，如大氣降水、地表徑流、蒸發(fā)等方面的變化將影響到地下水的水量。

(3)地貌條件。不同的地貌部位對(duì)地下水的形成關(guān)系密切。一般在平原、山前區(qū)易于儲(chǔ)存地下水，形成良好的含水層;在山區(qū)一般很難儲(chǔ)存大量的地下水。

(4)人為因素。大量抽取地下水，會(huì)引起地下水位大幅下降;修建水庫(kù)，可促使地下水位上升。

12.1.3　地下水循環(huán)

按照水循環(huán)的范圍不同，水的循環(huán)可分為大循環(huán)和小循環(huán)。大循環(huán)是指在全球范圍內(nèi)水分從海洋表面蒸發(fā)，上升的水汽隨氣流運(yùn)移到陸地上空，凝結(jié)成雨點(diǎn)降落到陸地表面，又以地表或地下徑流的形式，最終流歸海洋，再度受到蒸發(fā)。小循環(huán)是指從海洋表面蒸發(fā)，遇冷后又降落到海洋表面，或者水從陸地上的湖泊與河流表面、地面及植物葉面蒸發(fā)，遇冷又降落到地面以及滲入地下。地下水是整個(gè)自然界水循環(huán)的一部分。在降水量很小的干旱地區(qū)，空氣中的水蒸氣進(jìn)入巖土的孔隙和裂隙中凝結(jié)成水滴，水滴在重力作用下向下流動(dòng)，也可聚積成地下水;反向亦然。這樣的循環(huán)與旺盛的水循環(huán)比較顯得微弱和尺度小，但是它是干旱生態(tài)系統(tǒng)的維系保障。不同的地質(zhì)地形區(qū)域都與天氣氣候系統(tǒng)建立起自己的地下水循環(huán)和平衡系統(tǒng)。

12.2　地下水的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)

地下水由地表滲入地下的過(guò)程中，溶解了一些鹽類和氣體，下滲中不斷與各種巖土相互作用，進(jìn)一步溶濾巖土中的某些成分，如各種可溶鹽類和細(xì)小顆粒，從而形成了一種成分復(fù)雜的動(dòng)力溶液，并隨著時(shí)間和空間的變化而變化。地下水的溶濾作用使得它的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)不斷變化，物理作用和化學(xué)作用也在同時(shí)改變著特點(diǎn)。

12.2.1　地下水的物理性質(zhì)

(1)密度。地下水的密度取決于地下水中的其他物質(zhì)成分含量。純凈時(shí)，密度1g/ cm3，而當(dāng)溶有其他化學(xué)物質(zhì)時(shí)，密度達(dá)1.2～1.3g/cm3。

(2)溫度。地下水的溫度受氣溫、地?zé)峥刂?，隨深度增加而逐漸升高。在高寒地區(qū)，地表附近的地下水常年溫度都在0℃以下。在西藏的羊八井地區(qū)．地下48m深處水溫高達(dá)150℃左右。

(3)顏色。取決于地下水中的化學(xué)成分。一般情況下，地下水是無(wú)色的。當(dāng)含硫化氫時(shí)呈翠綠色，并帶臭雞蛋氣味;含F(xiàn)e2O3的地下水呈褐紅色;含氧化亞鐵時(shí)呈淺藍(lán)綠色;含腐殖質(zhì)時(shí)呈帶有螢光的淺黃色，具甜味。

(4)透明度。分為透明、微混濁、混濁、極混濁，常見(jiàn)的是無(wú)色透明的，當(dāng)含有一定量的固體物質(zhì)或懸浮雜質(zhì)時(shí)，透朗度變差。

(5)氣味和口味。氣味取決于地下水中所含的揮發(fā)性物質(zhì)(氣體)與有機(jī)質(zhì)，口味取決于水中所含的鹽分和氣體，如含有NaCl時(shí)有咸味、含MgCl2、MgSO4有苦味、含CO2清涼可口、含鐵時(shí)帶鐵腥味、含有機(jī)質(zhì)時(shí)具甜味、含有H2S具有臭雞蛋味等等。

(6)放射性。一般情況下地下水的放射性極其微弱，不足以對(duì)人體構(gòu)成危害。但個(gè)別區(qū)域的地下水會(huì)因放射性元素含量高、放射性強(qiáng)而對(duì)人體健康構(gòu)成危害。

(7)導(dǎo)電性。取決于所含電解質(zhì)的種類和數(shù)量，含的電解質(zhì)越多時(shí)導(dǎo)電性越大。

12.2.2　地下水的化學(xué)成分及化學(xué)性質(zhì)

地下水的化學(xué)成分是指地下水中的氣體成分、陰陽(yáng)離子、膠體和有機(jī)質(zhì)等。地下水的化學(xué)成分可呈離子、分子、化合物和氣體狀態(tài)，而以離子狀態(tài)者為最多。常見(jiàn)的離子有Cl－、HCOˉ、K+、Na+、Ca2+、Mg2+等七種?；衔镉?Fe2O3、Al2O3、H2SiO3等;氣體有: O2、N2、CO2、CH4、H2S等;還有有機(jī)質(zhì)和細(xì)菌成分。

在工程建設(shè)中進(jìn)行地下水的水質(zhì)評(píng)價(jià)時(shí)，下列成分及化學(xué)性質(zhì)具有重要的意義:

(1)地下水的鈣鎂離子濃度(硬度)。

是指水中Ca2+、Mg2+離子的含量。“硬度”是過(guò)去習(xí)慣沿用的名稱，現(xiàn)已廢除?，F(xiàn)行法定名稱為鈣鎂離子濃度(c=Ca2++Mg2+)。根據(jù)鈣鎂離子濃度，可將地下水分為5類，見(jiàn)表12－2。

表12－2　地下水硬度分類

在生活中，蔬菜和肉類在硬水中很難煮爛，硬水不易使肥皂起泡，硬水在鍋爐中會(huì)形成鍋垢而影響鍋爐的正常工作。

(2)地下水的侵蝕性。

是指地下水中的一些化學(xué)成分與混凝土結(jié)構(gòu)物中的某些化學(xué)物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在混凝土內(nèi)形成新的化合物，使混凝土體積膨脹、開裂破壞，或者溶解混凝土中的某些物質(zhì)，使其結(jié)構(gòu)破壞、強(qiáng)度降低的現(xiàn)象。

常見(jiàn)的地下水侵蝕作用有以下幾種。

①氧化、水化侵蝕。當(dāng)?shù)叵滤泻休^多氧氣時(shí)，會(huì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)物中的鋼筋等金屬材料進(jìn)行腐蝕。

4Fe+3O2=2Fe2O3

Fe2O3+3H2O=2Fe(OH)3(膠體狀態(tài))

②酸性侵蝕。H+的含量決定了地下水的酸堿反應(yīng)和酸堿程度。當(dāng)pH=7時(shí)，地下水為中性;pH＞時(shí)為堿性;pH＜7時(shí)為酸性。當(dāng)?shù)叵滤仕嵝詴r(shí)，氫離子會(huì)對(duì)混凝土表面的碳酸鈣硬層產(chǎn)生溶蝕:

CaCO3+H+=Ca2++HCO3－

③碳酸類侵蝕。CO2在地下水中可呈三種狀態(tài)存在，即游離狀態(tài)(氣體)，重碳酸狀態(tài)(HCO3－)，碳酸狀態(tài)(CO32－)。當(dāng)水中富含CO2時(shí)，會(huì)對(duì)混凝土中的氫氧化鈣產(chǎn)生溶蝕:

Ca(OH)2+CO2=CaCO3↓+H2O

CaCO3+CO2+HO2Ca2++2HCO3－

⑤鎂鹽侵蝕。富含MgCl2的地下水與混凝土接觸時(shí)會(huì)和混凝土中的Ca(OH)2反應(yīng)，生成Mg(OH)2和溶于水的CaCl2，使混凝土中的鈣質(zhì)流失，結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度降低。

12.3　地下水的基本類型

12.3.1　地下水分類

地下水本身非常復(fù)雜，影響因素多種多樣，所以地下水的分類方法很多，常用兩種分類法:一是按地下水的某一特征進(jìn)行分類，如上節(jié)所述按硬度的分類;二是綜合考慮地下水的若干個(gè)特征進(jìn)行分類，如表12－3所列，按埋藏條件和含水層介質(zhì)的分類法，這是目前比較普遍的分類法。按埋藏條件可將地下水分為包氣帶水、潛水、承壓水(圖12－1，12－2)，根據(jù)含水介質(zhì)又可分為孔隙水、裂隙水、巖溶水(溶隙水)。

表12－3　地下水分類

圖12－1　地下水的垂直分帶

圖12－2　潛水、承壓水和上層滯水

1—隔水層;2—透水層;3—飽水部分;4—潛水位;5—承壓水側(cè)壓水位; 6—上升泉;7—水井;H—承壓水頭;M—含水層厚度;井1—承壓井;井2—自流井

12.3.2　各類地下水特征

12.3.2.1　包氣帶水

(1)土壤水。

埋藏在包氣帶土層中的水。主要以結(jié)合水和毛管水形式存在?？看髿饨邓臐B入、水汽的凝結(jié)及潛水由下而上的毛細(xì)作用的補(bǔ)給。大氣降水或灌溉水向下滲入必須通過(guò)土壤層，這時(shí)滲入水的一部分保持在土壤層中，成為所謂的田間持水量(實(shí)際就是土壤層中最大懸掛毛管水量)，多余部分呈重力水下滲補(bǔ)給潛水。土壤水主要消耗于蒸發(fā)，水分變化相當(dāng)劇烈，受大氣條件的制約。當(dāng)土壤層透水性很差，氣候又潮濕多雨或地下水位接近地表時(shí)，易形成沼澤，稱沼澤水。當(dāng)?shù)叵滤媛癫夭簧?，毛?xì)水帶可達(dá)到地表時(shí)，由于土壤水分強(qiáng)烈蒸發(fā)，鹽分不斷積累于土壤表層，則形成土壤鹽漬化。

(2)上層滯水。

上層滯水是存在于包氣帶中，局部隔水層之上的重力水。

上層滯水的特點(diǎn)是:分布范圍有限，補(bǔ)給區(qū)與分布區(qū)一致;直接接受當(dāng)?shù)氐拇髿饨邓虻乇硭a(bǔ)給，以蒸發(fā)或逐漸向下滲透的形式排泄;水量不大且隨季節(jié)變化顯著，雨季出現(xiàn)，旱季消失，極不穩(wěn)定;水質(zhì)變化亦大，一般較易污染。

上層滯水由于水量小且極不穩(wěn)定，只能做臨時(shí)性的水源。

在建筑工程中，上層滯水的存在乃是不利的因素?；娱_挖工程中經(jīng)常遇到這種水，這種水可能突然涌入基坑，妨礙施工，應(yīng)注意排除;但由于水量不大，易于處理。

12.3.2.2　潛水

(1)潛水的概念。

飽水帶中第一個(gè)穩(wěn)定隔水層之上、具有自由水面的含水層中的重力水，稱為潛水。一般多貯存在第四紀(jì)松散沉積物中，也可形成于裂隙性或可溶性基巖中，其基本特點(diǎn)是與大氣圈和地表水聯(lián)系密切，積極參與水循環(huán)。

潛水的自由表面稱潛水面，潛水面是一個(gè)大體與地形一致的曲面，潛水面上任意一點(diǎn)的標(biāo)高稱潛水位。潛水面到地表的鉛直距離稱潛水埋藏深度。潛水面到隔水底板的鉛直距離稱潛水含水層厚度。當(dāng)大面積不透水底板向下凹陷，潛水面坡度近于零，潛水幾乎靜止不動(dòng)時(shí)，稱潛水湖;潛水在重力作用下從高處向低處流動(dòng)時(shí)，稱潛水流;在潛水流向上，任取兩點(diǎn)的水位高差，除以該兩點(diǎn)間的實(shí)際距離，即得潛水的水力坡度。

(2)潛水的主要特征。

①潛水具有自由水面，為無(wú)壓水。在重力作用下可以由水位高處向水位低處滲流，形成潛水徑流。

②潛水的分布區(qū)和補(bǔ)給區(qū)基本是一致的。在一般情況下，大氣降水、地表水可通過(guò)包氣帶入滲直接補(bǔ)給潛水。

③潛水的動(dòng)態(tài)(如水位、水量、水溫、水質(zhì)等隨時(shí)間的變化)隨季節(jié)不同而有明顯變化。如雨季降水多，潛水補(bǔ)給充沛，使?jié)撍嫔仙畬雍穸仍龃螅吭黾?，埋藏深度變淺，而在枯水季相反。

④在潛水含水層之上因無(wú)連續(xù)隔水層覆蓋，一般埋藏較淺，因此容易受到污染。

(3)潛水等水位線圖(圖12－3)。

圖12－3　潛水等水位線及埋藏深度圖

1—地形等高線;2—等水位線;3—等埋深線;4—潛水流向;5—埋深為0m區(qū)(沼澤地); 6—埋深為0～2m區(qū);7—埋深為2～4m區(qū);8—埋深大于4m區(qū)

潛水面的形狀可以用潛水等水位線圖表示。潛水等水位線圖就是潛水面的等高線圖，其作圖方法與地表地形等高線圖作法相似，是在地形等高線圖的基礎(chǔ)上對(duì)地下潛水面的作圖表達(dá)。由于潛水面是隨時(shí)間變化的，在編圖時(shí)必須在同一時(shí)間或較短時(shí)間內(nèi)對(duì)測(cè)區(qū)內(nèi)潛水水位進(jìn)行觀測(cè)，把每個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的地面位置準(zhǔn)確地繪制在地形圖上，并標(biāo)注該點(diǎn)測(cè)得的潛水埋藏深度及算得的該點(diǎn)潛水水位標(biāo)高，根據(jù)各測(cè)點(diǎn)的水位標(biāo)高畫出潛水等水位線圖?？梢园阉?、泉等潛水出露點(diǎn)選作觀測(cè)點(diǎn)，也可根據(jù)需要進(jìn)行人工鉆孔或開挖試坑到潛水面，保證測(cè)點(diǎn)有足夠的數(shù)量和合理的分布。每張潛水等水位線圖均應(yīng)注明觀測(cè)時(shí)間，不同時(shí)間可測(cè)得同一地區(qū)潛水面隨時(shí)間變化的情況。

根據(jù)等水位線圖可以了解以下情況:

①確定潛水的流向及水力坡度。垂直于等水位線且自高等水位線指向低等水位線的方向，即為流向。上圖中箭頭方向即為潛水流向。在流動(dòng)方向上，取任意兩點(diǎn)的水位高差，除以兩點(diǎn)間在平面上的實(shí)際距離，即此兩點(diǎn)間的平均水力坡度。

②確定潛水與河水的相互關(guān)系。潛水與河水一般有如下三種關(guān)系:河岸兩側(cè)的等水位線與河流斜交，銳角都指向河流的上游，表明潛水補(bǔ)給河水，這種情況多見(jiàn)于河流的中、上游山區(qū);等水位線與河流交的銳角在兩岸都指向河流下游，表明河水補(bǔ)給兩岸的潛水，這種情況多見(jiàn)于河流的下游;等水位線與河流斜交，表明一岸潛水補(bǔ)給河水，另一岸則相反，一般在山前地區(qū)的河流有這種情況(圖12－4)。

圖12－4　潛水與河水補(bǔ)給關(guān)系圖

③確定潛水面埋藏深度。潛水面的埋藏深度等于該點(diǎn)的地形高程與潛水位之差。根據(jù)各點(diǎn)的埋藏深度值，可繪出潛水等埋深線。

④確定含水層厚度。當(dāng)?shù)人痪€圖上有隔水層頂板等高線時(shí)，同一測(cè)點(diǎn)的潛水水位與隔水層頂板高程之差即為含水層厚度。

另一種方法是以剖面圖的形式表示，即在地質(zhì)剖面圖的基礎(chǔ)上，繪制出有關(guān)水文地質(zhì)特征的資料(如潛水位和含水層厚度等)。在水文地質(zhì)剖面圖上，潛水埋藏深度、含水層厚度、巖性及其變化、潛水面坡度、潛水與地表水的關(guān)系等都能清晰地表示出來(lái)。

(4)潛水的補(bǔ)給、徑流和排泄。

①潛水的補(bǔ)給。

潛水含水層自外界獲得水量的過(guò)程稱潛水的補(bǔ)給。其補(bǔ)給來(lái)源有:大氣降水的入滲、地表水的入滲、越流補(bǔ)給。在干旱氣候條件下，凝結(jié)水也是潛水的重要補(bǔ)給來(lái)源。

②潛水的徑流。

潛水由補(bǔ)給區(qū)流向排泄區(qū)的過(guò)程稱潛水徑流。影響徑流的因素，主要是地形坡度、地面切割程度與含水層的透水性，如地形坡度陡、地面切割強(qiáng)烈、含水層透水性強(qiáng)，徑流條件就好，反之則差。

③潛水的排泄。

潛水含水層失去水量的過(guò)程稱水的排泄。在山區(qū)、丘陵區(qū)及山前地帶潛水以泉或散流形式排泄于溝谷或溢出地表，這種排泄方式稱水平排泄;在平原地區(qū)，潛水排泄主要消耗于蒸發(fā)，稱為垂直排泄。垂直排泄只排泄水分，不排泄鹽分，結(jié)果使?jié)撍}量增加，礦化度升高，水質(zhì)變差。人工抽水是水與鹽分一起排泄。

潛水補(bǔ)給、徑流和排泄的無(wú)限往復(fù)，組成了潛水的循環(huán)。潛水在循環(huán)過(guò)程中。其水量、水質(zhì)都不同程度地得到更新置換，這種更新置換稱水交替。水交替的強(qiáng)弱，取決于含水層透水性的強(qiáng)弱、地形陡緩和切割程度以及補(bǔ)給量的多少等。隨著深度的增加，水交替也逐漸減弱。總之，潛水分布廣泛。埋藏較淺。水量消耗容易得到補(bǔ)充、恢復(fù)，所以常是生活和工農(nóng)業(yè)供水的重要水源。

12.3.2.3　承壓水

(1)承壓水及其特征。

充滿于兩個(gè)穩(wěn)定隔水層之間，含水層中具有水頭壓力的地下水，稱為承壓水。上下隔水層頂、底板之間的距離為承壓水含水層厚度，承壓性是承壓水的一個(gè)重要特征，承壓水如果受地質(zhì)構(gòu)造影響或鉆孔穿透隔水層時(shí)，地下水就會(huì)受到水頭壓力而自動(dòng)上升，甚至噴出地表形成自流水。

承壓水的上部由于有連續(xù)隔水層的覆蓋，大氣降水和地表水不能直接補(bǔ)給整個(gè)含水層，只有在含水層直接出露的補(bǔ)給區(qū)，才能接受大氣降水或地表水的補(bǔ)給，所以承壓水的分布區(qū)和補(bǔ)給區(qū)是不一致的，一般補(bǔ)給區(qū)遠(yuǎn)小于分布區(qū)。

承壓水由于具有水頭壓力，所以它的排泄可以由補(bǔ)給區(qū)流向地勢(shì)較低處，或者由地勢(shì)較低處向上流至排泄區(qū)，以泉的形式出露地表，或者通過(guò)補(bǔ)給該區(qū)的潛水或地表水而排泄。

承壓水比較穩(wěn)定，水量變化不大，主要原因是承壓水受隔水層的覆蓋，所以它受氣候及其他水文因素的影響較小，故其水質(zhì)較好，水質(zhì)穩(wěn)定。而潛水的水質(zhì)變化較大，且易受污染，對(duì)潛水的水源更應(yīng)注意衛(wèi)生保護(hù)。

承壓區(qū)中地下水承受靜水壓力，當(dāng)鉆孔打穿隔水頂板時(shí)所見(jiàn)的水位，稱為初見(jiàn)水位。隨后，地下水上升到含水層頂板以上某一高度穩(wěn)定不變，這時(shí)的水位(即穩(wěn)定水面的高程)叫承壓水位或測(cè)壓水位。承壓水位如高出地面，則地下水可以溢出或噴出地表，所以通常又稱承壓水為自流水。承壓水位與隔水層頂板的距離稱為水頭，水頭高出地面者稱為正水頭，低于地面者稱為負(fù)水頭。承壓水與潛水相比具有以下特征:

①承壓水具有靜水壓力，承壓水面(實(shí)際并不存在)是一個(gè)勢(shì)面(水壓面的深度不能反映承壓水的埋藏深度)。

②承壓水的補(bǔ)給區(qū)和承壓區(qū)不一致。

③承壓水的水位、水量、水質(zhì)及水溫等，受氣象水文因素的影響較小。

④承壓含水層的厚度穩(wěn)定不變，不受季節(jié)變化的影響。

⑤水質(zhì)不易受污染。

基巖地區(qū)承壓水的埋藏類型，主要決定于地質(zhì)構(gòu)造，即在適宜的地質(zhì)構(gòu)造條件下，孔隙水、裂隙水和巖溶水均可形成承壓水。最適宜形成承壓水的地質(zhì)構(gòu)造，有向斜構(gòu)造和單斜構(gòu)造兩類。

向斜儲(chǔ)水構(gòu)造又稱為承壓盆地，其規(guī)模差異很大，四川盆地是典型的承壓盆地，小型的承壓盆地一般面積只有幾平方公里，它由明顯的補(bǔ)給區(qū)、承壓區(qū)和排泄區(qū)組成。

單斜儲(chǔ)水構(gòu)造又稱為承壓斜地，它的形成原因可以是由于含水層巖性發(fā)生相變或尖滅，也可以是由于含水層被斷層所切(圖12－5)。

圖12－5　斷層斜地與含水層尖滅構(gòu)造斜地

(2)等水壓線圖(圖12－6)。

圖12－6　承壓等水壓線圖

1—地形等高線;2—含水層頂板等高線;3—等水壓線;4—地下水流向;5—承壓水自溢區(qū); 6—鉆孔;7—自噴鉆孔;8—含水層;9—隔水層;10—承壓水位線;11—鉆孔;12—自鉆孔

等水壓線圖就是承壓水面的等高線圖，這是根據(jù)相近時(shí)間測(cè)定的各井孔的承壓水位資料繪制的。如果在圖中同時(shí)繪出含水層頂板及底板等高線，這樣就和等水位線圖一樣，可以確定承壓水的流向、計(jì)算水力坡度、確定承壓水位和承壓水含水層的埋深、明確水頭的大小以及含水層的厚度等。

例如，根據(jù)上圖可確定地面絕對(duì)高程、承壓水位、含水層頂板絕對(duì)高程、含水層距地表深度(地面絕對(duì)高程減含水層頂板絕對(duì)高程)、穩(wěn)定水位距地表深度(m)(地面絕對(duì)高程減承壓水位)、水頭(m)(承壓水位減含水層頂板絕對(duì)高程)。

(3)承壓水的補(bǔ)給、徑流和排泄。

承壓水的補(bǔ)給方式一般為:當(dāng)承壓水補(bǔ)給區(qū)直接出露于地表時(shí)，大氣降水是主要的補(bǔ)給來(lái)源;當(dāng)補(bǔ)給區(qū)位于河床或湖沼地帶，地表水可以補(bǔ)給承壓水;當(dāng)補(bǔ)給區(qū)位于潛水含水層之下，潛水便直接排泄到承壓含水層中。此外，在適宜的地形和地質(zhì)構(gòu)造條件下，承壓水之間還可以互相補(bǔ)給。

承壓水的排泄有如下形式:承壓含水層排泄區(qū)裸露于地表時(shí)，承壓水以泉的形式排泄并可能補(bǔ)給地表水;承壓水位高于潛水位時(shí)，承壓水排泄于潛水并成為潛水補(bǔ)給源;在某些地形或負(fù)地形條件下，承壓水也可以形成向上或向下的排泄。

承壓水的徑流條件決定于地形、含水層透水性、地質(zhì)構(gòu)造及補(bǔ)給區(qū)與排泄區(qū)的承壓水位差。承壓含水層的富水性則同承壓含水層的分布范圍、深度、厚度、空隙率、補(bǔ)給來(lái)源等因素密切相關(guān)。一般情況下，若承壓水分布廣、埋藏淺、厚度大、空隙率高，水量就較豐富且穩(wěn)定。

承壓水徑流條件的好壞及水交替的強(qiáng)弱，決定了水質(zhì)的優(yōu)劣及其開發(fā)利用的價(jià)值。

12.3.2.4　孔隙水

孔隙水主要儲(chǔ)存于松散沉積物孔隙中，由于顆粒間孔隙分布均勻密集、相互連通，因此，其基本特征是分布均勻連續(xù)，多呈層狀，具有統(tǒng)一水力聯(lián)系的含水層。

(1)沖積層中的地下水。

沖積物(層)是經(jīng)常性流水形成的沉積物，它分選性好，層理清晰。在河流上、中、下游或河漫灘、階地的巖性結(jié)構(gòu)、厚度各不相同，就決定了其中孔隙水的特征和差異。

①河流中、上游沖積層中的地下水。河流上游峽谷內(nèi)沖積砂礫、卵石層分布范圍狹窄，但透水性強(qiáng)、富水性好、水質(zhì)優(yōu)良，是良好的含水層。沖積層中的地下水位和水量隨河水與季節(jié)的變化而變化。河流中游河谷兩側(cè)的低階地，尤其是一級(jí)階地與河漫灘，是富水區(qū)。

②河流下游平原沖積層中的地下水。沖積平原上，常埋藏有由顆粒較粗的沖積砂組成的古河道，其中貯存有水量豐富、水質(zhì)良好且易于開采的淺層淡水。

河流下游平原的沖積層，常與不同時(shí)期和成因的其他砂礫石沉積組合成統(tǒng)一的、巨厚的砂礫——砂質(zhì)含水巖系，構(gòu)成規(guī)模大、水量多的地下水盆地，且具良好的水質(zhì)，常成為不可多得的灌溉或供水水源地。

(2)洪積層中的地下水(圖12－7)。

廣泛分布于山間盆地和山前的平原地帶，常呈扇狀地形，故又稱洪積扇。根據(jù)地下水埋深、徑流條件及化學(xué)特征，可將洪積扇中的地下水大致分為三帶。

A—只有潛水位區(qū);B—潛水位與承壓水位重合區(qū);C—承壓水位高于潛水位區(qū)

①深埋帶。又稱徑流帶，在頂部靠近山區(qū)，地形坡度較陡。粗砂礫石層堆積，有良好滲透性和徑流條件，礦化度低，小于1g/L，為重碳酸鹽性水，故又稱地下水鹽分溶濾帶，埋深十幾到幾十米以上。

②溢出帶。地形變緩，細(xì)紗、亞砂、亞粘土等交錯(cuò)沉積，滲透性變?nèi)?，徑流受阻，形成壅水，出露成泉，礦化度增高，為重碳酸—硫酸鹽型，故又稱鹽分過(guò)路帶。

③下沉帶。由粘土和粉砂夾層組成，巖層滲透性極弱、徑流很緩慢，蒸發(fā)強(qiáng)烈，以垂直交替為主，由于河流排泄作用，地下水埋深比溢出帶稍有加強(qiáng)，又稱潛水下沉帶。因地下水埋深仍很淺，在干旱、半干旱條件下，蒸發(fā)強(qiáng)烈進(jìn)行，水的礦化度急劇增加(大于3g/L)為硫酸—氯化物或氯化物型水，地表形成鹽漬化，又稱鹽分堆積帶。

上述洪積層中的地下水分帶規(guī)律，在我國(guó)北方，具有典型性。而南方多雨，缺少水質(zhì)的明顯分帶性，多為低礦化度的重碳酸鹽性水。

12.3.2.5　裂隙水

裂隙水是指貯存于基巖裂隙中的地下水。巖石中的裂隙的發(fā)育程度和力學(xué)性質(zhì)影響著地下水的分布和富集。在裂隙發(fā)育地區(qū)，含水豐富;反之，含水甚少。所以在同一構(gòu)造單元或同一地段內(nèi)，富水性有很大變化，因而形成了裂隙水分布的不均一性。上述特征的存在，常使相距很近的鉆孔，水量一方較另一方大數(shù)十倍，如福建漳州市，兩鉆孔相距僅20m，水量一方較另一方大65倍。

(1)裂隙水的劃分。

裂隙水按其埋藏分布特征，可劃分為面狀裂隙水、層狀裂隙水和脈狀裂隙水。面狀裂隙水又稱風(fēng)化裂隙水，貯存于山區(qū)或丘陵區(qū)的基巖風(fēng)化帶中，一般在淺部發(fā)育。層狀裂隙水系貯存于成層的脆性巖層(如砂巖、硅質(zhì)巖及玄武巖等)中。原生裂隙和構(gòu)造裂隙構(gòu)成的層狀裂隙中的水，一般是承壓水(玄武巖臺(tái)地中的層狀裂隙水是潛水)。脈狀裂隙水亦稱構(gòu)造裂隙水，它貯存于斷裂破碎帶和火成巖體的侵入接觸帶中，巖脈的節(jié)理之中，脈狀裂隙水具承壓水的特點(diǎn)，含水一般均勻。

(2)裂隙水富集特點(diǎn)。

裂隙水的富集受諸多地質(zhì)因素的影響，具體如下:①不同巖性的富水性不同。巖石(軟、硬等)性質(zhì)不同，影響著裂隙的發(fā)育程度，導(dǎo)致地下徑流強(qiáng)弱差別和分布的貧富不均。②不同力學(xué)性質(zhì)的結(jié)構(gòu)面富水性不同，一般情況是，張性結(jié)構(gòu)面富水性強(qiáng)，壓性結(jié)構(gòu)面富水性弱，扭性結(jié)構(gòu)面居中。③不同構(gòu)造部位的富水性不同。通常在背斜或向斜軸部、巖層撓曲部位、穹窿頂部等處的裂隙較其他部位的發(fā)育且具張性，往往是富水地段。此外，斷裂多次活動(dòng)部位，由于多次作用的疊加，巖石破碎，裂隙發(fā)育，有利裂隙水的富集和貯存。斷裂構(gòu)造新近活動(dòng)的地方，也易于地下水富集。④不同地貌部位的富水性不同。地形地貌控制地下水的補(bǔ)給和匯水條件。洼地、盆地、溝谷低地匯水條件好，往往為富水的有利地帶。

12.3.2.6　喀斯特水

儲(chǔ)存和運(yùn)動(dòng)于可溶性巖石中的地下水稱為巖溶水。巖溶水不僅是一種具有獨(dú)特性質(zhì)的地下水，同時(shí)也是一種地質(zhì)營(yíng)力。它在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，不斷地與可溶性巖石發(fā)生作用，從而不斷改變著自己的賦存和運(yùn)動(dòng)條件。

巖溶水可以是潛水，也可以是承壓水。當(dāng)巖溶含水層裸露于地表時(shí)，常形成潛水或局部具有承壓性能;當(dāng)巖溶含水層被不透水層覆蓋，就可形成承壓水。巖溶水的埋藏深度，在巖溶含水層下距地表不深處有隔水層時(shí)，則埋藏較淺;當(dāng)隔水層埋藏很深時(shí)，巖溶水的埋藏深度受區(qū)域排水基準(zhǔn)面和地質(zhì)構(gòu)造的控制，往往埋藏較深，地面常呈現(xiàn)嚴(yán)重缺水現(xiàn)象。

巖溶水與裂隙水的差別很大，其主要原因是由于它們的含水空間不同所造成的。巖溶水的特點(diǎn)，主要表現(xiàn)在以下三個(gè)方面。

(1)富水性在水平和垂直方向的變化顯著。

在巖溶體內(nèi)存在著含水和不含水體、強(qiáng)含水體和弱含水體、均勻含水體和集中滲流通道共存的特點(diǎn)。之所以形成這些特點(diǎn)是與巖溶發(fā)育程度、各種形態(tài)巖溶通道的方向性以及連通情況在不同方向上的差異有關(guān)。因此，在生產(chǎn)實(shí)踐中，常常可以見(jiàn)到不同的地段，巖溶的富水差別很大，即使是同一地段，相距很近的兩個(gè)鉆孔，或者是同一鉆孔不同的深度，富水性差別也很顯著。

(2)水力聯(lián)系的各向異性。

當(dāng)巖溶化巖層的某一個(gè)方向巖溶發(fā)育比較強(qiáng)烈，通道系統(tǒng)發(fā)育比較完善，水力聯(lián)系好時(shí)，這個(gè)方向就成為巖溶水運(yùn)動(dòng)的主要方向;在另一些方向上，由于巖溶裂隙微小，或因通道系統(tǒng)被其他物質(zhì)所堵塞，致使水流不暢，水力聯(lián)系差，因此，在巖溶含水層不同的方向上，透水性能差別很大，出現(xiàn)水力聯(lián)系各向異性的特點(diǎn)。

(3)動(dòng)態(tài)變化顯著。

巖溶水的動(dòng)態(tài)變化非常顯著，尤其是巖溶潛水。其動(dòng)態(tài)最顯著的特點(diǎn)之一是變化幅度大，例如，水位的年變化幅度，一般可達(dá)數(shù)十米，流量的變化幅度可達(dá)數(shù)十倍，甚至數(shù)百倍。動(dòng)態(tài)的特點(diǎn)之二是對(duì)大氣的反應(yīng)靈敏，有的在雨后一晝夜甚至幾小時(shí)就出現(xiàn)峰值。

12.4　泉

12.4.1　泉的概念

有相當(dāng)部分的地下水是以泉的形式出露和排泄的，泉是地下水的天然露頭，是地下水排泄方式之一。

泉是在一定的地形、地質(zhì)和水文地質(zhì)條件下有機(jī)組合的產(chǎn)物。山區(qū)、丘陵區(qū)的溝谷中和山坡腳，泉的分布最為常見(jiàn)，在平原區(qū)很難找到。

泉的類型很多，但目前尚無(wú)統(tǒng)一的分類。下面介紹幾種常見(jiàn)的分類。

根據(jù)補(bǔ)給泉的含水層性質(zhì)，可分為:①上升泉。由承壓含水層補(bǔ)給，地下水在靜水壓力作用下，由地下涌出地表成泉。上升泉的動(dòng)態(tài)一般變化較小。②下降泉。由上層滯水或潛水含水層補(bǔ)給，地下水在重力作用下自由流出地表形成的泉。這種泉的涌水量隨季節(jié)而變化。

根據(jù)泉出露的地質(zhì)條件，可分為:①侵蝕泉。由于河谷和沖溝的切割，揭露潛水含水層而成的泉，稱侵蝕下降泉;當(dāng)河流和沖溝切穿了承壓含水層頂板時(shí)，承壓水便涌出地表，形成侵蝕上升泉。②接觸泉。地下水由含水層和其下面的隔水層接觸處流出成泉，稱接觸下降泉;在侵入體或巖脈與圍巖接觸處，常因冷凝收縮而產(chǎn)生裂隙，地下水沿此種接觸帶上升涌出地表成泉，稱為接觸上升泉。③溢出泉。巖石透水性變?nèi)趸驗(yàn)樽杷Y(jié)構(gòu)阻擋，使地下水受阻而涌出地表，形成溢出下降泉。此種泉出口處地下水也為上升運(yùn)動(dòng)，應(yīng)注意與上升泉區(qū)別。④斷層泉。承壓含水層被斷層切割，當(dāng)斷層導(dǎo)水時(shí)，地下水便沿?cái)鄬由仙恋乇沓扇?。這種泉常沿?cái)鄬映删€狀分布(圖12－8)。

圖12－8　不同類型的泉

1—隔水層;2—透水層;3—地下水位;4—導(dǎo)水?dāng)鄬?5—下降泉;6—上升泉

除上述常見(jiàn)的泉之外，尚有個(gè)別的，特定條件下形成的特殊泉。如響泉、間歇泉、毒泉等。

12.4.2　研究泉的意義

泉的特征的研究可以反映地下水的一系列特征。如泉涌水量大小反映富水程度;泉出露高程代表地下水位的高程;泉水運(yùn)動(dòng)特征及動(dòng)態(tài)，反映地下水的類型;泉的分布反映含水層補(bǔ)給和排泄區(qū)的位置;泉水化學(xué)特征代表含水層的水質(zhì)特點(diǎn);泉水溫度可反映地下水的埋藏條件。此外，泉的出露特征還有助于判斷地質(zhì)構(gòu)造等。尤其一些大泉，常是主要的甚至唯一的供水源地。有的泉群可成為旅游資源，如山西娘子關(guān)泉，山東濟(jì)南的72泉群等。有許多泉含有礦物質(zhì)及稀有元素，是重要的礦泉水資源，還有很多溫泉具有重要的醫(yī)療價(jià)值。因而，泉的研究對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要的實(shí)際意義。

12.5　地下水運(yùn)動(dòng)

12.5.1　地下水運(yùn)動(dòng)的基本形式

地下水在巖石的空隙中運(yùn)動(dòng)稱為滲透。對(duì)于地下水流，假想其充滿巖石顆粒骨架外的全部體積。我們把這種假想水流稱為滲透水流，簡(jiǎn)稱為滲流，其特點(diǎn)是水流通道曲折多變，流速緩慢。

地下水在巖石空隙中運(yùn)動(dòng)，按其形態(tài)可分為層流和紊流兩種運(yùn)動(dòng)形式。所謂層流運(yùn)動(dòng)是指水質(zhì)點(diǎn)呈相互平行的流線運(yùn)動(dòng);紊流的水質(zhì)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)則是雜亂無(wú)章的。

根據(jù)地下水的運(yùn)動(dòng)要素(如水位、流速、流向)隨時(shí)間變化與否，又可將其分為穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流兩類運(yùn)動(dòng)。穩(wěn)定流運(yùn)動(dòng)各運(yùn)動(dòng)要素不隨時(shí)間改變;運(yùn)動(dòng)要素隨時(shí)間變化的水流運(yùn)動(dòng)則稱為非穩(wěn)定運(yùn)動(dòng)。嚴(yán)格地講，自然界中的地下水流均屬非穩(wěn)定流。但為了計(jì)算簡(jiǎn)便，也可以將某些運(yùn)動(dòng)要素變化微小的滲流，近似地看做穩(wěn)定流。

此外，如果地下水的流速大小和方向沿著流程保持不變，這樣的流動(dòng)稱為均勻流;反之，則為非均勻流。

12.5.2　地下水運(yùn)動(dòng)的基本規(guī)律

12.5.2.1　達(dá)西線性滲透定律

1852—1856年，法國(guó)水利學(xué)家達(dá)西(HenriDarcy)通過(guò)大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)了地下水運(yùn)動(dòng)的線性滲透定律，故稱達(dá)西定律，其試驗(yàn)裝置如圖12－9所示。

圖12－9　達(dá)西實(shí)驗(yàn)裝置

1，2—導(dǎo)管;3—量杯;4，5—測(cè)壓管

在用粒徑為0.1～3mm的砂做了大量試驗(yàn)后，獲得如下結(jié)論:單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)筒中砂的水流量Q與滲透長(zhǎng)度L成反比，而與圓筒的過(guò)水?dāng)嗝婷娣eA、上下兩測(cè)壓管的水頭Δh成正比，即

式中　Q——滲透流量(m3/d);

　　　A——過(guò)水?dāng)嗝婷娣e(圓筒橫斷面面積，m2);

　　　Δh——水頭損失(測(cè)壓管的水頭差)(m);

　　　L——滲透長(zhǎng)度(m);

　　　k——滲透系數(shù)(m/d)。

令比值Δh/L=J，稱水力坡度，也就是滲透路程中單位長(zhǎng)度上的水頭損失。又因v=Q/ A，則式(12.1)可寫為

式(12.2)表明，滲透流速v與水力坡度的一次方成正比，故達(dá)西定律又稱線性滲透定律。當(dāng)J=1時(shí)，v=k，說(shuō)明滲透系數(shù)值等于單位水頭梯度時(shí)的滲透流速。

實(shí)驗(yàn)表明，不是所有地下水的層流運(yùn)動(dòng)都服從達(dá)西定律，只有當(dāng)雷諾數(shù)Re＜1時(shí)才符合達(dá)西定律。在自然界中，由于絕大多數(shù)地下水流動(dòng)比較緩慢，其雷諾數(shù)一般都小于1，因此達(dá)西定律是地下水運(yùn)動(dòng)的基本定律。

12.5.2.2　地下水流向集水建筑物的運(yùn)動(dòng)

(1)概述。

水井是開采地下水的最基本形式之一，我們稱之為集水建筑物(用以開采和疏干地下水的各種工程設(shè)施)。當(dāng)水井穿過(guò)整個(gè)含水層而達(dá)到隔水底板時(shí)，稱為完整井。如果僅穿入含水層部分厚度，則稱為非完整井。開采潛水含水層的井稱為潛水井，開采承壓含水層的井稱為承壓水井(或自流井)。當(dāng)承壓水井內(nèi)水位降深很大，以致動(dòng)水位下降到含水層頂板以下，造成井附近承壓水轉(zhuǎn)化為非承壓水時(shí)，則稱為承壓—潛水井。流向不同集水建筑物的水流形態(tài)是不同的，因此必須建立不同的計(jì)算公式。

(2)地下水向完整井的穩(wěn)定流運(yùn)動(dòng)(圖12－10)。

1863年法國(guó)水利學(xué)家裘布依首先應(yīng)用線性滲透定律研究了均質(zhì)含水層在等厚、廣泛分布、隔水底板水平、天然的(抽水前)潛水面(亦為水平)即地下水處于穩(wěn)定流的條件下，呈層流運(yùn)動(dòng)的緩變流流向完整井的流量方程式。

由抽水試驗(yàn)得知，抽水時(shí)潛水完整井周圍潛水位逐漸下降，將形成一個(gè)以井孔為中心的漏斗狀潛水面，即所謂的降落漏斗。

圖12－10　潛水完整井抽水示意圖

潛水向水井的滲流，如圖所示，從平面上看，流向沿半徑指向井軸，呈同心圓狀。為此，圍繞井軸取一過(guò)水?dāng)嗝?，該斷面距井的距離為x，該處過(guò)水?dāng)嗝娴母叨葹閥，這樣，過(guò)水?dāng)嗝婷娣e為A=2πxy，平面徑向流的水力坡度為J=dy/dx。

當(dāng)?shù)叵滤鳛閷恿鲿r(shí)，服從線性滲透定律，該斷面的過(guò)流量應(yīng)為

Q=kAJ=k2πxy(dy/dx)

分離變量并積分得:

式中　Q——井的出水量(m3/d);

　　　k——滲透系數(shù)(m/d);

　　　H——含水層厚度(m);

　　　h——?jiǎng)铀?m);

　　　r——井的半徑(m);

　　　R——影響半徑(m)。

式(12.3)即為潛水完整井出水量公式，又稱裘布依公式。

當(dāng)進(jìn)行抽水試驗(yàn)時(shí)，有時(shí)設(shè)有一個(gè)或兩個(gè)觀測(cè)孔，它們的流量公式，根據(jù)相應(yīng)的積分上下限，整理后可得如下公式:

一個(gè)觀測(cè)孔的流量公式為

兩個(gè)觀測(cè)孔的流量公式為

上兩式中:h1、r1為1號(hào)觀測(cè)井的動(dòng)水位和該井的動(dòng)水位距主井的距離;h2、r2為2號(hào)觀測(cè)井和該井距主井的距離。

12.6　地下水與工程建設(shè)關(guān)系

工程設(shè)計(jì)和施工中，有關(guān)工程地點(diǎn)、位置擺放、邊坡穩(wěn)定性、隧道圍巖穩(wěn)定、漏水、基坑開挖深度、基礎(chǔ)砌置深度，都必須研究有關(guān)地下水的問(wèn)題。地基土中的水能降低土的承載力;基坑涌水不利于工程施工;地下水常常是滑坡、地面沉降和地面塌陷發(fā)生的主要原因;一些地下水含有不少侵蝕性物質(zhì)，對(duì)混凝土產(chǎn)生化學(xué)侵蝕作用，使其結(jié)構(gòu)破壞。工程上把與地下水有關(guān)的問(wèn)題稱為水文地質(zhì)問(wèn)題，把與地下水有關(guān)的地質(zhì)條件稱為水文地質(zhì)條件?？傊?，地下水對(duì)工程建設(shè)影響很大，產(chǎn)生的問(wèn)題多種多樣，量大而普遍。

12.6.1　地下水位的變化

如地下水位上升，可引起淺基礎(chǔ)地基承載力降低，在有地震砂土液化的地區(qū)會(huì)引起液化的加劇，同時(shí)易引起建筑物震陷加劇，巖土體產(chǎn)生變形、滑移、崩塌失穩(wěn)等不良地質(zhì)現(xiàn)象。另外，在寒冷地區(qū)會(huì)有地下水的凍脹影響。

就建筑物本身而言，若地下水位在基礎(chǔ)底面以下壓縮層內(nèi)發(fā)生上升變化，水浸濕和軟化巖土，從而使地基土的強(qiáng)度降低，壓縮性增大，建筑物會(huì)產(chǎn)生過(guò)大沉降，導(dǎo)致嚴(yán)重變形。尤其是對(duì)結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的土(如濕陷性黃土、膨脹土等)這種現(xiàn)象更為嚴(yán)重，對(duì)設(shè)有地下室的建筑的防潮和防濕也均不利。

地下水位下降，往往會(huì)引起地表塌陷、地面沉降等。對(duì)建筑物本身而言，當(dāng)?shù)叵滤辉诨A(chǔ)底面以下壓縮層內(nèi)下降時(shí)，巖土的自重壓力增加，可能引起地基基礎(chǔ)的附加沉降。如果土質(zhì)不均勻或地下水位突然下降，也可能使建筑物產(chǎn)生變形破壞。

通常地下水位的變化往往是由于施工中抽水和排水引起，局部的抽水和排水，會(huì)產(chǎn)生基礎(chǔ)底面下地下水位突然下降，建筑物(如鄰近建筑物)發(fā)生變形，因此，施工場(chǎng)地應(yīng)注意抽水和排水的影響。另外，在軟土地區(qū)，大面積的抽水也可能引起地面下沉。此外，如果抽水井濾網(wǎng)和砂濾層的設(shè)計(jì)不合理或施工質(zhì)量差，抽水時(shí)會(huì)將土層中的粘粒、粉粒、甚至細(xì)砂等細(xì)小土顆粒隨同地下水一起帶出地面、使周圍地面土層很快產(chǎn)生不均勻沉降，造成地面建筑物和地下管線不同程度的損壞。

城市大面積抽取地下水，將造成大規(guī)模的地面沉降。前些年，天津市由于抽水使地面最大沉降速率高達(dá)262mm/a，最大沉降量達(dá)2.16m。

12.6.2　地下水的滲透產(chǎn)生流沙和潛蝕

12.6.2.1　流沙

流沙是砂土在滲透水流作用下產(chǎn)生的流動(dòng)現(xiàn)象。這種情況的發(fā)生常是由于在地下水位以下開挖基坑、埋設(shè)地下管道、打井等工程活動(dòng)而引起的，所以流沙是一種不良的工程地質(zhì)現(xiàn)象，易產(chǎn)生在細(xì)砂、粉砂、粉質(zhì)黏土等土中。形成流沙的原因:一是水力坡度較大，流速大，沖動(dòng)細(xì)顆粒使之懸浮而成;二是由于土粒周圍附著親水膠體顆粒，飽水時(shí)膠體顆粒膨脹，在滲透水作用下懸浮流動(dòng)。

流沙在工程施工中能造成大量的土體流動(dòng)，致使地表塌陷或建筑物的地基破壞，會(huì)給施工帶來(lái)很大困難，或直接影響工程建筑及附近建筑物的穩(wěn)定，因此必須進(jìn)行防治。

12.6.2.2　潛蝕

潛蝕是指滲透水流沖刷地基巖土層，并將細(xì)粒物質(zhì)沿空隙遷移(機(jī)械潛蝕)或?qū)⑼林锌扇艹煞秩芙?化學(xué)潛蝕)的現(xiàn)象。潛蝕通常分為機(jī)械潛蝕和化學(xué)潛蝕，這兩種作用一般是同時(shí)進(jìn)行的。在地基土層內(nèi)如具有地下水的潛蝕作用時(shí)，將會(huì)破壞地基土的強(qiáng)度，形成空洞，產(chǎn)生地表塌陷，影響建筑工程的穩(wěn)定。對(duì)潛蝕的處理可以采用堵截地表水流入土層、阻止地下水在土層中流動(dòng)、設(shè)置反濾層、改造土的性質(zhì)、減小地下水流速及水力坡度等措施。這些措施應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)條件分別或綜合采用。

12.6.3　地下水的侵蝕性

地下水的侵蝕性主要體現(xiàn)為含有侵蝕性CO2或含有的地下水，會(huì)產(chǎn)生對(duì)混凝土、可溶性石材、管道以及金屬材料的侵蝕危害。

工程建設(shè)中，深基礎(chǔ)、地下洞室襯砌和邊坡支擋建筑物等，都要長(zhǎng)期與地下水相接觸，地下水中各種化學(xué)成分與建筑物中的混凝土產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，使混凝土中某些物質(zhì)被溶蝕，強(qiáng)度降低，結(jié)構(gòu)遭到破壞，或者在混凝土中生成某些新的化合物，這些新化合物生成時(shí)體積膨脹，使混凝土開裂破壞。

地下水對(duì)混凝土的侵蝕主要有結(jié)晶型侵蝕、分解型侵蝕等類型。

12.6.3.1　結(jié)晶型侵蝕

12.6.3.2　分解型侵蝕

地下水中含有CO2，有時(shí)對(duì)建筑物基礎(chǔ)混凝土具有侵蝕(腐蝕)性。當(dāng)?shù)叵滤蠧O2含量較高時(shí)，水中的CO2與混凝土中微量成分Ca(OH)2完全反應(yīng)后剩余的CO2就會(huì)與混凝土成分中CaCO3發(fā)生反應(yīng)生成重碳酸鈣Ca(HCO3)2，使混凝土遭到腐蝕。

12.6.4　基坑涌水現(xiàn)象

當(dāng)工程基坑設(shè)計(jì)在承壓含水層的頂板上部時(shí)，開挖基坑必然會(huì)減少承壓水頂板隔水層的厚度，當(dāng)隔水層變薄到一定程度經(jīng)受不住承壓水頭壓力作用時(shí)，承壓水的水頭壓力將會(huì)頂裂、沖毀基坑底板向上突涌，從而出現(xiàn)基坑突涌現(xiàn)象。

基坑突涌不僅破壞了地基強(qiáng)度，給施工帶來(lái)困難，而且給擬建工程留下安全隱患。

12.6.5　地下水的浮托作用

在地下水靜水位作用下，建筑物基礎(chǔ)的底面所受的均布向上的靜水壓力，稱為地下水的浮托力。地下水位上升產(chǎn)生的浮托力對(duì)地下室防潮、防水及穩(wěn)定性產(chǎn)生較大影響。

為了平衡地下水的浮托力，避免地下室或地下構(gòu)筑物上浮，目前國(guó)內(nèi)常采用抗拔樁或抗拔錨桿等抗浮設(shè)計(jì)。即先在基坑底面設(shè)置深孔抗拔樁，然后將深孔抗拔樁的上端嵌入建筑物基礎(chǔ)底板以拉阻基礎(chǔ)上浮。

12.6.6　路基翻漿

路基翻漿主要發(fā)生在季節(jié)性冰凍地區(qū)的春融時(shí)節(jié)，以及鹽漬、沼澤等地區(qū)。因?yàn)榈叵滤桓?、排水不暢、路基土質(zhì)不良、含水過(guò)多，經(jīng)行車反復(fù)作用，路基會(huì)出現(xiàn)彈簧、裂縫、冒泥漿等現(xiàn)象。

根據(jù)導(dǎo)致路基翻漿的水類來(lái)源不同，翻漿可分為5類(表12－4)。根據(jù)翻漿高峰期路基、路面的變形破壞程度，翻漿又可分為3個(gè)等級(jí)(表12－5)。

表12－4　翻漿分類

續(xù)表

表12－5　翻漿分級(jí)

12.7　地下水引起的環(huán)境災(zāi)害

12.7.1　土壤鹽堿化

土壤鹽堿化又稱土壤鹽漬化或土壤鹽化。土壤鹽堿化是指土壤含鹽量太高(超過(guò)0.3%)，從而使農(nóng)作物低產(chǎn)或不能生長(zhǎng)。由于蒸發(fā)等原因，土壤中可溶性鹽類隨水向表層移動(dòng)并積累下來(lái)，可溶性鹽(如石膏)含量超過(guò)0.1%或0.2%則大多數(shù)植物不能生長(zhǎng)。土壤中鹽分的主要來(lái)源是風(fēng)化產(chǎn)物和含鹽的地下水。灌溉水含鹽和施用生理堿性肥料也可使土壤中鹽分增加。土壤鹽堿化后，土壤溶液的滲透壓增大，土體通氣性、透水性變差，養(yǎng)分有效性降低，植物不能正常生長(zhǎng)。

通常情況下，地下水與表層土壤水維持一定的動(dòng)態(tài)平衡，表層土壤中的離子含量相對(duì)穩(wěn)定。氣候干旱時(shí)，土壤蒸發(fā)量增大，土壤中的水分含量下降，引起地下水沿土壤毛細(xì)管上移，土壤中的鹽分也隨著水分同時(shí)運(yùn)動(dòng)。水分蒸發(fā)以后，鹽分則在土壤表層積累，鹽分離子達(dá)到一定高的濃度時(shí)，就發(fā)生土壤鹽堿化。所以，絕大部分鹽堿土分布在干旱、半干旱地區(qū)。不受人為影響、自然發(fā)生的土壤鹽堿化稱為原生鹽堿化。由于人類活動(dòng)引發(fā)的土壤鹽堿化稱為次生鹽堿化。(鹽:由于地表蒸發(fā)將鹽分積累在土壤表面;漬:地下水位過(guò)高浸濕地面;堿:由于離子交換吸附作用使得土壤陽(yáng)離子過(guò)高，土壤呈堿性。)

地下水位高是造成鹽漬化的主要原因，如果灌排系統(tǒng)良好不會(huì)發(fā)生鹽漬化，也就是說(shuō)土壤的鹽分是隨水而來(lái)，隨水而去。次生鹽漬化又稱“次生鹽堿化”。指由于不合理的耕作灌溉而引起的土壤鹽漬化過(guò)程。主要發(fā)生在干旱或半干旱地區(qū)地下水位較高、地下徑流不暢、地下水中含有較多可溶性鹽的沖積平原，如我國(guó)的華北平原、松遼平原、河套平原、渭河平原等。因受人為不合理措施的影響，使地下水抬升，在當(dāng)?shù)卣舭l(fā)量大于降水量的條件下，使土壤表層鹽分增加，引起土壤鹽化。防治的關(guān)鍵在于控制地下水位，故應(yīng)健全灌排系統(tǒng)，采取合理灌溉等農(nóng)業(yè)技術(shù)措施，防止地下水位抬升和土壤返鹽。

我國(guó)鹽堿土主要有兩種形成原因。一是蒸發(fā)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于降水量，導(dǎo)致地下含鹽地下水上升，水分蒸發(fā)完后，鹽便會(huì)停留在土壤表面，在時(shí)間累積下，含鹽量大大增加，形成鹽堿土。二是海濱土壤，由于靠近海水，土壤受到海水的侵蝕，土壤逐漸鹽堿化。

土壤鹽漬化是歷史自然災(zāi)害之一，也是當(dāng)今世界灌溉農(nóng)業(yè)中的一個(gè)嚴(yán)重問(wèn)題。它是一定自然條件之下的產(chǎn)物，兼受人類活動(dòng)的影響，可給農(nóng)業(yè)生產(chǎn)帶來(lái)毀滅性的破壞。目前，受鹽化威脅嚴(yán)重的國(guó)家有印度、澳大利亞、巴基斯坦、敘利亞、約旦、美國(guó)、墨西哥及俄羅斯等國(guó)。據(jù)聯(lián)合國(guó)調(diào)查資料，由于土地鹽漬化已使全世界灌溉土地的生產(chǎn)力下降了大約4℅。由于灌溉管理不當(dāng)，全世界累計(jì)已有2000萬(wàn)～2500萬(wàn)ha耕地喪失了生產(chǎn)力。目前，在約2億ha的世界灌溉面積中，每年由于鹽潰化而棄耕的土地可達(dá)20萬(wàn)～30萬(wàn)ha。由于干旱氣候條件有利于鹽分在土壤和水分中積累，氣候干旱地區(qū)更易受到土壤鹽化作用的威脅。我國(guó)也是受鹽漬化危害嚴(yán)重的國(guó)家，僅北方旱區(qū)就有鹽潰土近1億畝，且其中一半左右尚未得到治理，有些經(jīng)過(guò)改良效果尚不明顯，土壤鹽漬化已成為我國(guó)北方旱區(qū)灌溉農(nóng)業(yè)中的嚴(yán)重問(wèn)題。

12.7.2　地面沉降

地面沉降是指在自然和人為因素作用下，由于地殼表層土體壓縮而導(dǎo)致區(qū)域性地面標(biāo)高降低的一種環(huán)境地質(zhì)現(xiàn)象，也叫區(qū)域性的總體下降運(yùn)動(dòng)。其特點(diǎn)是具有生成緩慢、持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)、影響范圍廣、成因機(jī)制復(fù)雜和防治難度大等，是一種對(duì)資源利用、環(huán)境保護(hù)、經(jīng)濟(jì)發(fā)展、城市建設(shè)和人民生活構(gòu)成威脅的地質(zhì)災(zāi)害。

以向下的垂直運(yùn)動(dòng)為主體，只有少量或基本上沒(méi)有水平方向位移。其速度和沉降量值以及持續(xù)時(shí)間和范圍均因具體誘發(fā)因素或地質(zhì)環(huán)境的不同而異。目前國(guó)內(nèi)外工程界所研究的地表沉降主要是指由抽取液體(以地下水為主，也包括油、氣)所引起的區(qū)域性地面沉降，我國(guó)《巖土工程勘察規(guī)范》中規(guī)定為在較大面積內(nèi)由于抽取地下水引起水位下降而造成的地面沉降現(xiàn)象。

地面沉降是世界范圍較為普遍的地質(zhì)災(zāi)害。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前世界上已有60多個(gè)國(guó)家和地區(qū)發(fā)生地面沉降，包括美國(guó)、中國(guó)、日本、墨西哥、意大利、泰國(guó)、英國(guó)、俄羅斯、委內(nèi)瑞拉、荷蘭、越南、匈牙利、德國(guó)、印度尼西亞、新西蘭、比利時(shí)、南非等。其中，地面沉降比較明顯的區(qū)域是墨西哥的墨西哥城，美國(guó)的長(zhǎng)灘市和休斯敦，意大利的波河三角洲，英國(guó)的倫敦，德國(guó)北部沿海地區(qū)，匈牙利的布勒森，委內(nèi)瑞拉的馬拉開波湖周圍，俄羅斯的莫斯科，泰國(guó)的曼谷，新西蘭的懷拉基，越南的河內(nèi)，印尼的雅加達(dá)，澳大利亞的特拉羅布谷，日本的東京、大阪等。

現(xiàn)有文獻(xiàn)資料表明，較早記錄地面沉降的是墨西哥城。1891年，墨西哥城就記錄地面沉降現(xiàn)象，但當(dāng)時(shí)地面沉降量不大，危害也不明顯，當(dāng)時(shí)并沒(méi)有引起人們的足夠重視。目前，平均沉降量達(dá)到0.3cm/a，最大累計(jì)沉降量超過(guò)7.5m，有的地區(qū)甚至超過(guò)15m。

美國(guó)于1922年最早在加州的薩克拉門托和圣華金流域發(fā)現(xiàn)沉降，1920—1969年地下水位下降達(dá)137m，累積地面沉降達(dá)2.6m，影響范圍9100km2。至20世紀(jì)70年代初期，美國(guó)已有37個(gè)州因開采地下流體而產(chǎn)生不同程度的地面沉降現(xiàn)象;至1995年，美國(guó)50個(gè)州均有地面沉降發(fā)生。

上世紀(jì)70年代，曼谷開始發(fā)現(xiàn)地面沉降現(xiàn)象。1984年是曼谷地面沉降最為嚴(yán)重的時(shí)期，地下水水位降幅高達(dá)65m，曼谷東部地區(qū)的沉降速率一度達(dá)到每年12cm，地面沉降開始成為城市發(fā)展的嚴(yán)重威脅。

上海是我國(guó)地面沉降最嚴(yán)重城市之一。早在1921年就有關(guān)于地面沉降的報(bào)道。隨著地下水開采量的增加，在1956—1959年問(wèn)，沉降速率達(dá)到最大，為98mm/a，到1965年，累計(jì)最大沉降高達(dá)2.63m。累計(jì)沉降超過(guò)0.5m的地區(qū)有121km2。1963年后，采取了一些措施，沉降速率明顯降低。1966年，市區(qū)出現(xiàn)了6.3mm的回彈。

隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地面沉降現(xiàn)象日益加劇，許多沿海城市出現(xiàn)標(biāo)高地帶低于當(dāng)?shù)仄骄Ｆ矫娴貛?，直接或間接影響著居民的生存環(huán)境和生命財(cái)產(chǎn)的安全。地面沉降在分布上具有一定的規(guī)律性:一是在大江大河入海的三角洲地區(qū);二是在松散地層(粘土和砂子)較厚且經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的平原地區(qū)，也容易產(chǎn)生地面沉降。

地面沉降成因主要包括開發(fā)利用地下流體資源(地下水、石油、天然氣等)、開采固體礦產(chǎn)、巖溶塌陷、軟土地區(qū)與工程建設(shè)有關(guān)的固結(jié)沉降等，此外還包括新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、凍土融化等因素。

美國(guó)德克薩斯州等地由于碳?xì)浠衔锏拈_采誘發(fā)地面沉降。南斯拉夫吐斯拉城巖鹽礦經(jīng)過(guò)近100年的開采，鹽水層水壓力下降，地面最大沉降量達(dá)10m。波蘭最大銅礦萊格納卡產(chǎn)生超越開采區(qū)的巨大沉降槽，地面最大沉降量達(dá)0.8m。礦區(qū)采空塌陷分布在各礦區(qū)，以采煤塌陷最為突出。普遍的地?zé)岬荣Y源的過(guò)度開采，城市建筑、重大工程造成地基土體發(fā)生緩慢變形。

地面沉降一個(gè)很大的危害就是出現(xiàn)地裂縫。地面沉降比較均勻時(shí)，其破壞性顯得不那么強(qiáng)烈，而不均勻時(shí)，就容易出現(xiàn)地裂縫。地面沉降使墨西哥城的一些地下排污管道發(fā)生了傾斜變形，污水無(wú)法正常排出城市。另外，地面沉降對(duì)于城市建筑物、機(jī)場(chǎng)、鐵路、高速公路、地下管線、排水溝渠等都造成了影響。對(duì)于曼谷來(lái)講，地面沉降最大的威脅莫過(guò)于增加了洪水的風(fēng)險(xiǎn)，以及海水倒灌。曼谷城區(qū)本身地勢(shì)就非常低洼，多年的地面沉降已使東部部分地區(qū)地表高度低于海平面1m左右，這種地勢(shì)極易導(dǎo)致洪水發(fā)生。

在美國(guó)的SanJoaquin地區(qū)，從20世紀(jì)30年代至60年代40多年的時(shí)間內(nèi)，發(fā)生了大面積的嚴(yán)重地面沉降，最大沉降達(dá)9m。而差異沉降給輸水工程(灌溉排水系統(tǒng)，蒸汽管道)的維護(hù)和使用帶來(lái)困難，成百上千的水井遭到破壞。地面沉降帶來(lái)的直接和間接經(jīng)濟(jì)損失數(shù)以千萬(wàn)美元計(jì)，20世紀(jì)70年代初期，由于輸水工程的建設(shè)，使得地下水開采量銳減，地面沉降問(wèn)題基本解決。

從上述的沉降事例來(lái)看，地面沉降所帶來(lái)的直接危害主要有:①城市河流排水排污系統(tǒng)高程和坡降的改變，導(dǎo)致排水排污系統(tǒng)減效失效，容易發(fā)生洪澇災(zāi)害;②公路鐵路橋梁房屋建筑等的結(jié)構(gòu)破壞;③沿海地區(qū)的海水侵入。

值得注意的是一些城市在經(jīng)歷了若干年的下沉之后，由于采取了諸如減少地下水開采，向地層中充水等措施，地下水位上升。隨之又會(huì)帶來(lái)一些問(wèn)題，如地基承載力下降、粘土層回彈導(dǎo)致建筑物結(jié)構(gòu)及樁基礎(chǔ)損壞、建筑物的地下室浸水等。

【思考題與習(xí)題】

1.簡(jiǎn)述地下水的物理性質(zhì)，它與我們生活有哪些關(guān)系?

2.地下水中包含哪些化學(xué)成分?

3.簡(jiǎn)述地下水的分類。

4.什么是潛水?潛水有哪些特征?

5.怎樣表示潛水面的形狀?等水位線圖如何繪制?它有哪些用途?

6.潛水和承壓水的補(bǔ)給、徑流、排泄分別有何特點(diǎn)?

7.什么是承壓水?承壓水有哪些特征?

8.什么樣的地質(zhì)構(gòu)造條件適宜儲(chǔ)存承壓水?試?yán)L圖并說(shuō)明。

9.簡(jiǎn)述裂隙水的分布特征。

10.在巖溶分布區(qū)怎樣尋找地下水?

11.什么是泉?泉有哪些類型?

12.寫出達(dá)西定律的關(guān)系式，并指出各符號(hào)的意義及達(dá)西定律的適用范圍。

13.寫出地下水向潛水完整井運(yùn)動(dòng)的裘布依公式，并指出式中各符號(hào)的含義。

14.施工中地下水對(duì)工程有哪些不良影響?

15.不合理利用地下水會(huì)產(chǎn)生哪些問(wèn)題?