[工学]工程地质学与水文地质学讲义

[工学]工程地质学与水文地质学讲义内容摘要：

密实程度，越松，孔隙越大越；（ 3）均匀性，越均匀，孔隙度越大；（ 4）形状：棱角越明显，通常排列就越松散；（ 5）胶结程度。 裂隙： 固结的岩石，包括沉积岩、变质岩、岩浆岩，受地壳运动及其它内外地质应力作用下，岩石破裂变形产生的空隙。 裂隙率 = 裂隙体积 /岩石总体积 100% 注意测定裂隙的方向、宽度、延伸长度、充填程度等。 溶隙： 可溶岩中的各种裂隙，被流水溶蚀扩大成为各种形态的溶隙。 岩溶率 = 溶隙的体积／岩石的总体积 100% 溶隙的规模十分悬殊，大的溶洞可宽达数十米，高数 十米乃至百余米，长达几至几十公里，而小的溶孔直径只有几毫米。 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。 二、岩石中地下水的存在形式 岩石“骨架”中的地下水：沸石水、结晶水（以中性水分子的形式存在，如石膏： Ca[SO4] 2H2O）、结构水（参与晶格中，以 H+ 、 (OH)、（ H3O））等离子形式存在。 岩石中空隙中的地下水：主要形式有： 结合水（强结合水，又称吸着水；弱结合水，薄膜水）、重力水、毛细水、固态水和气态水。 三、含水层与隔水层 含水层 ： 指能够透过并给出相当数量水的岩层。 27 隔水层：不能透过水，或是透过和给出的水的数量微不足道的岩层。  所以划分含水层与隔水层的标志不是含不含地下水，关键看所含地下水的性质。  两者划分是相对的，并不存在截然的界限或绝对的定量标志。 从某种意义上将，两者是相对比较而划分的。  两者在一定条件下可以相互转化。 如在较大的水头差的作用下，致密粘土含的结合水也可能发生流动，也能透过和给出一定量的地下水。  通常是指在松散岩石中，如在岩溶中，地下水分布极不均匀，称岩溶含水系更合适；在裂隙中，如连通良好，称裂隙含水层是 适合的，但裂隙受局部构造控制时，例如一条较大的张性断裂穿越岩性不同的地层，断裂带中水分布连续且均匀，这时称含水带更合适。 99 28 167。 6 地下水的类型及特征 167。 包气带和饱气带 一、包气带和饱气带的概念： 地表以下一定深度上存在着地下水面。 地下水面以上称为包气带；地下水面以下称为饱气带。 在包气带中，空隙壁吸附有结合水，在细小的空隙中保持着毛细水，空隙未被液态水占据的部分包含空气及气态水。 空隙中的水超过吸附力和毛细力所能支持的量时，剩余的水便以重力水的形式下渗。 饱水带岩石空隙全部 为液态水所充满，既有重力水，也有结合水。 重力水是开发利用或排除的主要对象。 二、 包气带的组成 自下而上可分为：土壤水带、中间带和毛细水带。 土壤水带：包气带顶部植被根系活动带通常发育土壤层，其中所含的水成为土壤水。 毛细水带：由地下水面上升的支持毛细水，在包气带底部构成毛细水带。 167。 不同埋藏条件下的地下水 埋藏条件：是指含水岩层在地质剖面中所处的部位及隔水层控制的情况。 据此可将地下水分为：包气带水、潜水和承压水。 一、包气带水： 土壤水：包气带表层土壤中的毛细水和结合水。 上层滞水：储存于包气带中局部隔水层之上的重力水。 29 二、潜水： 潜水的特征：埋藏在地表以下第一个稳定隔水层之上具有自由表面的重力水。 潜水的自由水面称为潜水面；潜水面到地表的距离称为埋藏深度；潜水面的高程称为潜水位；潜水面到隔水层的垂直距离称为含水层厚度。 无压水，直接受大气降水补给，具有明显的季节性变化特征。 等水位线图：潜水面上标高相等各点的连线图，即潜水面的等高线图。 1） 确定潜水流动方向； 2） 确定水力坡度； 3） 确定潜水与地表水的补给关系； 4） 确定潜水的埋藏深度。 潜水的补给、径流和 排泄 补给：大气降水为主要补给来源；地表水；承压水。 径流：潜水在重力作用下由高往底流动，形成地下径流。 受地形的切割程度和岩石渗透性等因素控制。 排泄：以泉、渗流等形式泄出地表或流入地表水；通过包气带不断蒸发。 三、 承压水、 承压水的特征：充满于两个隔水层之间的具有承压性质的重力水。 其上部隔水层称为隔水顶板；下部隔水层称为隔水底版。 1） 初见水位： 2） 承压水位或测压水位： 当井（孔）凿穿上部隔水层时，井中水位的压力作用下会上升超过出含水层的顶面而稳定在一定的高度上。 这种上升的地下水面称 承压水面 ，它的标 高称承压水位或测压水位。 30 3） 水头： 从承压水位到含水层顶板的距离称承压水头。 4） 自流水：当承压水位高出地面时，就能喷出地表形成自流水。 承压水由于有稳定的上覆隔水层，不直接受降水和蒸发的影响，距补给区常较远，因此对气候变化的反应不及潜水灵敏，其水质水量和水位的变化也较小。 承压水是良好的供水水源，但它对矿坑和地下工程施工常造成程度不同的危害。 除上述的层间承压水外，还存在着脉状承压水 等水压线图： 就是承压水面上高程相等点的连线图。 等水位线图上必须附有地形等高线和顶板等高线，后者表明钻孔钻到什么深度可见初见水位。 承压水的补给、径流与排泄 补给：补给区的大气降水或地表水的补给；潜水在承压水隔水顶板尖灭的地段或通过弱隔水层越流补给承压水。 关键在水头差。 径流：由补给区向排泄区径流，两者水位差及岩石渗透性影响径流。 排泄：以泉或泉群等形式；排泄到潜水含水层或地表水中。 167。 不同含水层空隙中的地下水 一、 孔隙水： 水量在空间上分布相对均匀，连续性好。 一般呈层状分布，同一含水层中的孔隙水具有密切的水力联系，具有统一的地下水面。 冲积扇中的地下水 洪积扇中的地下水 二、 裂隙水： 贮存于基岩裂隙中的地下水。 受岩石中的裂隙发育程 度和力学性质影响。 在裂隙发育地区，相对含水丰富。 在同一构造单元或同一地段，富水性 31 有很大变化，因而形成了裂隙水的不均一性。 三、 岩溶水 储存和运动于可溶性岩层空隙中的地下水。 在空间上分布变化很大。 大气降水是其主要补给来源。 排泄的最大特征是集中和良大。 32 167。 7 地下水运动的基本规律 167。 饱水带重力水运动的基本规律 一、地下水运动的特点 ： 曲折复杂的水流通道： 但人们研究岩石内平均直线水流通道中的水流运动特征： 实质：用充满含水层中的假想水流来代替仅仅在岩石空隙中运动的真正水流。 其条件是： 1) 假想水流通 过任意断面的 流量 必须等于真正水流通过同一断面的流量； 2) 假想水流在任意断面的水头必须等于真正水流在同一断面的 水头 ； 3) 假想水流通过岩石所受到的 阻力 必须等于真正水流所受到的阻力。 迟缓的水流： 由于所受到的摩擦阻力较大，所以运动迟缓，通常用每日（昼夜）多少米来计算其流通量。 二、渗流 １、渗流 ：地下水在岩石空隙中的运动。 发生渗流的区域称为 渗流场。 ２、层流 ：在岩层空隙中渗流时，水的质点有秩序的、互不混杂的流动。 在具有狭小空隙的岩石中流动时，重力水受介质的吸引力较大，水的质点排列较有秩序。 ３、紊流： 在岩层空隙中 渗流时，水的质点无秩序地、相互混杂的流动。 ４、稳定流与非稳定流 ：水在渗流场中运动，各个运动要素（水位、流速、流向）不随时间改变时，称为稳定流。 运动要素随时间变化的水流运动， 33 称为非稳定流。 三、线性渗透定律 达西定律 1856 年，法国水力学家达西通过大量的实验，得到线性渗透定律。 Q=Kwh/L=KwI Q — 渗透流量； K — 渗透系数； w — 过水断面； h— 水头损失； Ｌ — 渗透途径；Ｉ— 水力梯度。 １、渗透流速： 实际过水面积 w`＝ wne ne 为有效空隙度，即重力水流动的空隙体积／岩石体 积之比。 Ｑ＝ w`u u 为实际流速。 Ｑ＝ w`u＝ wv 有： v = une ２、水力梯度： 水力梯度为沿渗透途径水头损失与相应渗透长度的比值。 水力梯度可理解为水流通过单位长度渗透途径为克服摩擦阻力所消耗的机械能。 从另一个角度讲，则可理解为驱动力。 34 ３、渗透系数： 渗透系数的因次与渗透流速相同，一般采用 m/d 或 cm／ s 为单位。 令 I = 1，则 V=K。 意即渗透系数为水力梯度等于１时的渗透流速。 渗透系数可定量说明岩石的渗透性能。 渗透系数愈大，岩石透水能力就越好。 渗透系数不仅与岩石的空隙性质有关，还与水的某 些物理性质有关。 当液体流动时，液体质点之间存在着相对运动，这时质点之间会产生内摩擦力反抗它们之间的相对运动，液体的这种性质称为 粘滞性。 只有雷诺数小于（１－１０）之间的某一数值的层流运动才服从达西定律。 Re=vd/r v — 孔隙（裂隙）中水的流速（ m/s） d — 孔隙（裂隙）的直径或间距（ m）。 r — 水的运动 粘滞系数 （ m2/s） 三、非线性渗透定律 地下水在较大空隙中运动，起流速相当大时，水流呈紊流状态，此时符合下式： V=KmI1/2 当地下水呈混合流状态时候，符合下式： V=KcI1/m 其中 m 介于 12 之间。 35 167。 地下水向井的运动简介 一、水井的类型： 水井：人工的集水构筑物。 根据水井井径的大小和开凿的方法的不同，可分为：管井和筒井。 管井：直径较小，通常小于 ，而深度比较大，常用钻机开凿。 筒井：直径较大，可达 1m 到数米，而深度较浅，通常用人工开挖。 据水井揭露的地下水类型，水井可分为潜水井和承压水井两类。 根据揭露含水层的程度和进水条件不同，可分为完整井和非完整井。 完整井：贯穿整个含水层，在全部含水层厚度上都安装有过滤器，并能全 面进水。 二、井附近的水位降深 水位降深：从井中抽水时，井周围含水层中的水流入井中内，井附近和井中的水位将降低。 设某点（ x , y）的初始水头为 H0(x , y , 0)，抽水 t 时间后的水头为 H (x , y , t)，则此时该点的水头降低值 s 为： s (x , y , 0)= H0(x , y , 0) H (x , y , t) 称 s 为水位降深，简称降深。 降落漏斗：在井附近饿不同地点，降深 s 不同，井中心最大，离井越远，降深越小，总体上形成的漏斗状水头下降区，被称为降落漏斗。 对潜水井，降落漏斗在含水层内部扩展，抽水量主要来自含水层的疏干量；于承压井则不同，降落漏斗不在含水层内部发展，而是形成承压水头降低区。 抽水过程中，若无补给来源，地下水向井的运动始终处于非稳定运动。 36 但在以下两个条件下，可达到稳定运动： 1）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的时； 2）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。 当增大到与抽水量相等时，形成稳定的降落漏斗，地下水向井的运动也进入稳定运动。 在没有 补给的无限含水层中，严格地说不可能出现稳定流，但随着抽水时间的延长，水位降深的速率会越来越小。 当降落漏斗内的水位降深变得如此地小，以至在一个较短的时间间隔内几乎观测不到明显的水位下降时，如果延长观测的时间间隔，仍能看到水位在缓缓下降。 此时漏斗区内的水流便可近似作为稳定运动来研究。 这种情况称为近似的定，称为 似稳定。 \ 37 167。 8 土的物质组成及物理力学性质 167。 土的物质组成 一、土的粒度成分与矿物组成 １、 土的概念 ：土是岩石在风化破碎、搬运和沉积等一系列作用下，在各种自然环境中形成的堆积 物。 它是由固体颗粒、颗粒间的孔隙水和气体组成的三相体系。 ２、 土的粒组划分和矿物组成： 土的大小是以其直径来表示，称为粒径（或粒度），单位一般采用毫米。 由于固体颗粒是土最主要的组成部分，构成土的骨架主体，故土的粒度成分是决定土的工程性质的最主要的内在因素之一，也是对土进行分类的主要依据。 1） 土的粒度划分与组成 粒组： 把介于一定粒径范围的成分相近、性质相似的土粒，称为粒组。 土中不同粒组颗粒的相对含量，称为土的 粒度成分 （ 颗粒级配 ），它以个粒组颗粒的重量占该土颗粒的总重量的百分数来表示。 工程上对粒组的划分标准是使同一 粒组土粒的工程性质相近，而与相邻粒组土粒的性质有明显差别。 目前我国一般采用界限粒径为 200、 和 把土粒分为漂石（块石）颗粒、卵石（碎石）颗粒、圆砾（角砾）颗粒、砂粒、粉粒和粘粒。 2） 矿物成分 (1) 原生矿物：是岩石经物理风化破碎而成的矿物随屑。 石英、长石、 38 云母、角闪石等； (2) 不溶性次生矿物：是原岩经化学风化后，形成的不容于水的残余矿物。 次生二氧化硅和粘土矿物等；（ 3）可溶性次生矿物：是原岩经化学风化后，其可溶物质被水溶滤并携带到其他地方沉淀下来所形成的可溶性次生矿。