水文地质学在工程地质中的应用

地下水是存在于地面以下土层、砂层和岩石裂隙中的水。通常所见到的井水和泉水，都是地下水。

研究地下水的成因、运动、物理性质、化学成分和地质作用的科学，就叫水文地质学。在解决工程问题时，水文地质有着很大的实际意义，它是工程地质中不可缺少的一部分。

一、地下水的分类

地下水主要是储聚流动在土壤、砂卵石和岩石裂隙中，由于它们本身的埋藏情况不一致，因而也就赋予了地下水不同的特性。

（1）根据埋藏条件，地下水分为上层滞水、潜水、承压水三种类型：

1）上层滞水。位于潜水位以上的局部隔水层所托住的或包含的重力水，叫上层滞水。其补给来源主要是大气降雨，受季节影响很大，水量小，实际意义不大。

2）潜水。位于地面以下第一个稳定隔水层以上的重力水称为潜水，它的上面无隔水顶板，具有自由水面，并随大气降雨多少而变化。

3）承压水。位于潜水位以下的两个隔水层之间的重力水叫承压水，它不具有自由水面。

（2）根据含水层的性质，地下水分为孔隙水、裂隙水和岩溶水三类：

1）孔隙水。就是储藏在土石孔隙中的地下水。土层、砂层及松散砂砾岩中的地下水是主要的孔隙水。

2）裂隙水。存在于岩石的各种裂隙中的水统称裂隙水。按其埋藏条件可分为基岩裂隙潜水、层状裂隙承压水和脉状裂隙承压水等。

3）岩溶水（喀斯特水）。是指可溶性岩石中的地下水。可溶性岩石主要为碳酸盐类岩石，例如石灰岩、大理岩、白云岩等。岩溶水的特点是水量较大。

二、地下水的活动

地下水在大多数情况下是流动的，仅在少有的情况下才停止不动。地下水流动的特性是受土壤和岩石的性质控制，实际是在土壤和岩石的颗粒空隙间以及裂隙间流动。根据土壤和岩石的孔隙度可以看到有两种地下水流。一种是在小孔隙中流动，其流速很平稳，不打涡漩，这种水流叫层流；另一种是在颗粒和裂隙粗大的岩层中产生的，流速比较大，并有涡漩，叫紊流。

在研究地下水的活动时，渗透系数是个相当重要的系数（一般用K来表示），它是表示岩石土壤的透水能力的重要指标，如某一种岩石渗透系数大，也就是这种岩石容易透水。此外，也经常提到“渗透速度”（用V来表示）这个词，它是把水看作通过整个过水断面的速度，即通过岩石颗粒间的孔隙，也通过不透水的颗粒。实际上，水只能通过孔隙，不能通过不透水的颗粒，因此，“渗透速度”显然不是地下水在孔隙中的实际流速，而是理论上的假想数值。

地下水实际流速U和渗透速度V之间的关系，可用V=UN来表示。例如在野外测定的地下水在砂层中的实际流速是每昼夜10m，砂的孔隙度N为0.3，则地下水的渗透速度为渗透系数可以通过取样在实验室内测定。最好是在野外做大井和钻孔抽水或注水试验，这样测得的结果比较精确。在没有室内试验仪器，又缺乏在野外进行抽水和注水的一套设备时，可以根据下面的经验数字（见表1-9和表1-10以及表5-1和表5-4）大致了解各种土壤和岩石的渗透系数。

表1-9　岩石渗透系数K的大概数值表

表1-10　土（砂）的渗透系数K值（当近似计算时可采用）

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三、地下水的性质

地下水的性质是随着它的形成条件和所处的环境不同而有差别。

地下水的性质决定于它的物理性质和化学成分。在研究地下水的时候，必须充分注意地下水的物理性质和化学成分。

（一）地下水的物理性质

（1）颜色。纯净的水，一般是无色的。大量的净水是蔚蓝色，含铁质的水呈褐色，含硫化氢的水呈蓝色，含腐殖酸的水呈黄色。

（2）透明度。不含杂质的净水是透明的，有时呈浑浊状态，是由于水中存在悬浮颗粒的缘故，一般可分为透明的，半透明的，不透明的。

（3）臭味。大多数地下水都没有臭味，有时带有臭味的原因，是由于植物腐化或某种化合物的掺入所致。含硫化氢的水具有臭鸡蛋味。

（4）口味。地下水有不同口味，是由于含有某种一定量的化合物，含氯化物的有咸味，含硫酸盐的有苦味或酸味。

（5）温度。地下水的温度变化范围很大，它决定于地下水的来源和深度。温泉的水温可达100℃。一般在中纬度地区埋藏较浅的地下水，温度在5～10℃之间。

（二）地下水的化学性质

地下水有着很复杂的化学成分，这些化学成分或者以气体状态存在，或者溶于地下水中。在地下水中的化学性质对水利水电工程影响最大的是侵蚀性（参见第五章第二节表5-21和表5-22）。

软水是水中的钙镁的离子含量最低的水，它能分解混凝土，因此软水是有侵蚀性的。

四、地下水的地质作用

（一）地下水的化学溶解作用

主要是由于有侵蚀性的地下水与可溶性岩石接触时发生的。地下水溶解岩石的地质作用虽然进行得很慢，但是在长期内连续不断地进行着，就能大大地改变岩石的构造。地下水的化学溶解作用，也像其他地质因素的作用一样，有破坏、搬运和沉积等作用。

当含有侵蚀性的碳酸盐的地下水，在可溶性石灰岩的裂隙中流动时，必定会有一部分石灰岩溶解于水中，而被水流带走。经过较长时间后，小的裂隙不断扩大，逐渐形成孔洞。在石灰岩地区所见到的溶洞就是这样作用而产生的。因此，在石灰岩地区进行水利水电工程建设时，评价溶洞对工程建筑物的影响，特别是对水库的渗漏影响，是一项非常重要的工作。

（二）地下水的机械作用

崩滑现象的发生，常常是地下水的作用引起的。所谓崩滑，就是斜坡上的岩石、土壤及风化层失去了稳定性而向下滑动或崩落的现象。

产生崩滑的原因是多方面的，但地下水的作用却是最基本和最重要的。水渗入岩石的裂隙中，岩石的含水量增加，它的单位体积重量也随之增加，而阻止岩石下滑的摩擦力却大大减弱，这就给岩石下滑提供了有利条件。此外，地下水在岩层中流动时，会使岩层中细小颗粒被带走，或溶解一部分物质；地下水的流动，还能产生一种压力，这些都是促使岩石形成不稳定状态而向下滑动。

崩滑给工程建筑物带来不稳定的影响，因此在水利水电工程建设时，必须注意崩滑问题。