任务四　水文地质条件评价

任务导入

我国古代在修建大型工程中就有工程地质的概念。如公元前250年在修建都江堰灌溉工程时，巧妙地利用了地形地貌条件；并根据河流侵蚀、沉积规律制定了“深淘滩、低作堰”的法则。请查阅资料，详细描述都江堰工程建设中依据的地质原理。

任务：1.评价地表水对水利工程地质环境的影响。

　　　2.评价地下水对水利工程地质环境的影响。

知识准备

1.地表水的地质作用。

2.地下水的基本类型及其性质。

3.地下水的地质作用。

除气候极端寒冷或极端干燥的地区以外，陆地上几乎到处可见地面流水。地面流水的侵蚀、搬运、沉积作用，是常见的外动力地质作用，是地壳变化、发展的强大地质营力。地面流水可分为片流、洪流、河流三种类型。天然降水在地面形成径流时，成为薄薄的水层，或无固定流路的密集网络状细流，称为片流，又叫坡面流。片流汇集于沟谷中，形成急速流动的水流，称为洪流。片流和洪流仅出现在雨后或冰雪融化后的短暂时间内，因此他们都是暂时性流水。沿沟谷流动的经常性流水，称为河流。另外，还有一种赋存在岩土体空隙中的水体，我们称之为地下水。虽然地下水在地表不可见，但由于其水量较大，水质较好，对人们的生活和工程的影响也是非常大的。

不同流水形态，是流水不同的发展阶段，相互之间存在着密切联系，并在一定条件下可以相互转化。但又各有特点，其侵蚀、搬运、沉积作用是不同的。

模块一　暂时性流水的地质作用

1.片流的地质作用及坡积物

（1）片流的侵蚀作用：片流的侵蚀称作片状侵蚀，分布面广，对坡面进行均匀的侵蚀，使斜坡均匀，常失去肥沃的表土。片状侵蚀与降雨强度、坡形、坡度、坡向等因素有关。斜坡侵蚀的强度与降雨强度有关，降雨强度大，径流系数大，则侵蚀作用加强；就坡形而言，凸形坡一般较直形坡、凹形坡容易遭受侵蚀；坡度也直接影响斜坡水流的深度和速度，控制着冲刷能力的大小。据统计，当坡度由0°增加到40°时，侵蚀强度随着增加；当坡度由40°增加到90°时，侵蚀强度就逐渐减小；侵蚀强度也与坡向有关，迎水坡的侵蚀强度一般较之背水坡大。此外，坡面组成的物质疏松、植被差，也会使侵蚀加强。

（2）片流的堆积作用及坡积物：片流在进行侵蚀作用的同时，也有堆积作用。当坡地上端的分水岭以及坡面上受片蚀作用后，被冲刷的碎屑物质搬运到坡脚下沉积下来，就成为坡积物（图1－40）。坡积物是另外一种松散沉积物，用Qdl表示。它的形成动力以流水为主，但也有重力的因素。山麓下各处的坡积物常常相连，构成坡积裙。

坡积层有以下特征：

1）坡积层可分为山地坡积层和山麓坡积层两种类型，其厚度变化较大，一般是中下部较厚，向山坡上部逐渐变薄甚至尖灭。

2）由于搬运距离较短，故坡积层分选程度差，层理不明显，砂砾的磨圆度不高。

3）坡积层多由碎石和黏性土组成，其成分与下伏的基岩无直接联系。山地坡积层一般以粉质黏土夹碎石为主，而山麓平原坡积层则以粉质黏土为主，夹少量的碎石。在我国干旱、半干旱地区的山麓平原，坡积层成分以粉土－粉质黏土为主，常具有黄土的某些特征。

4）坡积层与下伏基岩面是倾斜的，沿此面容易产生滑坡，在工程建设中应予重视。

坡积物常与其他类型沉积物相混合。如在分水岭与斜坡过渡的缓坡地带，残积物经过一定的重力搬运，向下逐渐与坡积物过渡，形成残积——坡积物Qel＋dl；在山麓地带坡积物与洪积物混合，构成坡积——洪积物Qdl＋pl。

2.洪流的地质作用及洪积物

由坡面流集中成沟谷流水后，流水由于水量大、流速高、谷底坡度大，因而具有较大的动能，其侵蚀、搬运作用显著增大。

（1）洪流的侵蚀作用：山洪急流沿沟谷流动时，流速大，动能大，对沟谷的冲刷能力大。由冲刷作用形成的沟底狭窄、两岸陡峭的沟谷叫冲沟。初始形成的冲沟在洪流的不断作用下，可不断加深、拓宽和向沟头方向伸长，并可在冲沟沟壁上形成支沟。

冲沟的形成与降雨强度、地形和岩性有关。在松散土层覆盖地区，分布在斜坡上的小冲沟多系顺坡冲刷而成；在岩石性质均一和地形相同的坡面上，冲沟的间距大致相等，其排列方式主要由坡度所决定，一般在大于30°的坡地上多呈平行排列；在小于30°的坡地上，由于冲沟之间相互兼并而呈树枝状排列；在基岩裸露地区，冲沟除沿原始凹地发育外，常沿不同的构造线，如断层带、褶皱轴部和裂隙面发育。因此，冲沟的延伸方向、排列形式和密度，往往与地质构造和岩石性质特征密切相关。

在降雨量集中、植被贫乏地区，由第四纪松散堆积物的地区，冲沟极易形成。如我国西北黄土高原地区，由于黄土垂直节理发育，冲沟的沟头往往形成陡坎。当水流流过时，在坎底掏空引起顶部崩塌，使陡坎不断后退，冲沟不断伸长，有时每年可延伸数米至十余米以上。由于强烈的下切作用，冲沟的横剖面呈V形，沟坡常处于不稳定状态，滑坡、崩塌时有发生。

冲沟的形成和发展，使地形遭受强烈的分割，蚕食耕地，破坏道路，同时将大量泥砂带入河流，成为下游河流和水库淤积的主要来源。

（2）洪流的堆积作用及洪积物：当山洪夹带大量的泥砂石块流出沟口时，由于沟底纵坡变缓，地形开阔，流速降低，搬运能力急剧减小，所携带的石头、砂砾等粗大碎屑先在沟口堆积下来，较细的泥砂继续随水流被搬运，堆积在沟口外围一带。这种由洪流搬运并堆积的物质，称为洪积物Qpl。经过多次洪水搬运作用，在沟口一带就形成了扇形分布的堆积体，在地貌上称为洪积扇（图1－41）。洪积扇的规模逐年增大，有时与相邻沟谷的洪积扇相互连接起来，形成规模更大的洪积裙或洪积倾斜平原地貌。

洪积物是第四纪另一种松散堆积物，有以下特征：

1）组成物质分选不良，粗细混杂，碎屑物质多带棱角，磨圆度不佳。

2）有不规则的交错层理、透镜体、夹层和尖灭层。

3）山前洪积层由于周期性的干燥作用，常含有可溶性岩类，在土粒间形成软弱结晶联结，遇水后结晶联结易受破坏。

规模较大的洪积扇一般可分为三个区：Ⅰ区颗粒粒径较大，以漂、卵石为主，孔隙大，地下水埋藏深，地基承载力高，是良好的天然地基。对于水工建筑物来讲，应注意渗漏问题。洪积扇的边缘地带为细碎屑沉积区（Ⅲ区），颗粒的粒径细，主要以粉砂和黏性土为主，如果受到周期性的干燥作用，土中颗粒发生凝聚并析出可溶性盐类，洪积层结构较牢固，地基承载力也较高；扇的中间为过渡地带（Ⅱ区），由于经常有地下水出露，水文地质条件较好，但对工程不利。

洪积扇的堆积物结构与水文地质关系密切，雨季大量流水形成洪积扇，旱季断流，地表水下渗到洪积扇内。

模块二　河流的地质作用

由降水或由地下涌出地表的水汇集在地面低洼处，在重力作用下经常地或周期性地沿流水本身造成的河谷流动，这就是河流。河流的地质作用分为侵蚀作用、搬运作用和沉积作用三种形式。

1.地质作用

（1）侵蚀作用。河流的侵蚀作用包括机械侵蚀和化学溶蚀两种，前者较为普遍，后者只是在可溶岩地区才比较明显。河流的侵蚀按侵蚀作用方向分为下蚀作用和侧向侵蚀作用等形式。

1）下蚀作用。河流的下蚀作用是指河水及其所挟带的砂砾对河床基岩撞击、磨蚀，对可溶性岩石的河床还进行溶解，致使河床受侵蚀而逐渐加深。河流下蚀作用的强弱是由多种因素决定的，如河床岩石的软硬、河流含沙量的多少和河水的流速等。其中，后者是更重要的因素。山区河流由于地势高差大，河床坡度陡，故水流速度快，下蚀作用强；平原河流流速缓慢，一般下蚀作用微弱，甚至没有。

对于所有入海的河流，其河床下蚀的深度趋于海平面时，河水就不再具有位能差，流动趋于停止，因而河流的下蚀作用也就停止。显然，海平面大致是河流下蚀作用的极限，通常称其为终极侵蚀基准面。此外，还有许多其他因素控制河流的下蚀能力，如主流对支流，湖泊、水库对流入其中的河流的控制等。由于这些因素本身是变化的，只是局部或暂时起控制作用，故称为暂时或局部侵蚀基准面。

侵蚀基准面只是一个潜在的基准面，并不能完全决定河流下蚀作用的深度。特殊情况下，某些河段能下蚀得比它低很多。另外，地壳升降对侵蚀下切的深度和位置也有很大影响。

下蚀作用在河流的源头表现为河谷不断地向分水岭方向扩展延伸，使河流增长。这种现象称为向（溯）源侵蚀。侵蚀能力较强的水系，可以把另一侧侵蚀能力较弱的水系的上游支流劫夺过来，称为河流袭夺。

2）侧向侵蚀作用。侧向侵蚀作用是指河水对河岸的冲刷破坏。河水冲刷河岸边坡的下部坡脚，使岸坡陡倾、直立，甚至下部掏空形成反坡，然后岸坡坍塌破坏，河岸后退、河谷变宽、河道增长，或形成河曲等。

河水以复杂的紊流状态流动，其主流常是左右摇摆的呈螺旋状前进的曲线流动，或称环流，如图1－42所示。环流的表面水流流向凹岸，致使凹岸不断被冲刷淘空、垮落。侵蚀下来的物质又被环流底层的水流带向凸岸或下游堆积起来。随着侧蚀作用持续进行，凹岸不断后退，而凸岸则向河心逐渐增长。结果导致河谷越来越宽，越来越弯，形成河曲（图1－43）。极度弯曲的河道称为蛇曲。当河曲发展到一定程度时，同侧上下游两个相邻的弯曲之间的距离越来越小，洪水冲开狭窄地带，使河流裁弯取直。而被废弃的河道，则逐渐淤塞断流，成为与新河道隔开的牛轭湖，遗留的河床称为古河床。如长江的下荆江河段，河曲极为发育，从藕池口到城陵矶的直线距离仅87km，却有河曲16个，致使两地间河道长度达239km，对船只航行十分不利。这段河道经过多次变迁，由天然裁弯取直形成的牛轭湖也很多。

河流的下蚀作用和侧蚀作用，常是同时存在的，即河水对河床加深的同时，也在加宽河谷。但一般在上游以下蚀作用为主，侧向侵蚀微弱，所以常常形成陡峭的V形峡谷。而河流的中、下游则侧向侵蚀加强，下蚀作用减弱，所以河谷宽、河曲多。

（2）搬运作用和沉积作用。河水在流动过程中，搬运着河流自身侵蚀的和谷坡上崩塌、冲刷下来的物质。其中，大部分是机械碎屑物，少部分为溶解于水中的各种化合物。前者称为机械搬运，后者称为化学搬运。

机械碎屑物质在搬运过程中，可以沿河床滑动、滚动和跳跃，也可以悬浮于水中，相应的搬运物质分别称为推移质和悬移质。河流的机械搬运能力和物质被搬运的状态，受河流的流量特别是流速的控制。据试验得知，被搬运物质的质量与流速的六次方成正比，即流速增加1倍，被搬运物质的质量将增加至64倍。并且，当流速增加时，原来水中的推移质可以变为悬移质。反之，流速减小时，悬移质也可以变为推移质。

河流的机械搬运量除与河流的流量和流速有关外，还与流域内自然地理及地质条件有关。例如，流经黄土地区的河流，往往有着很高的泥沙含量。黄河在建水库前，在陕县测得的平均含沙量达36.9kg／m3。

当河床的坡度减小，或搬运物质增加而引起流速变慢时，则使河流的搬运能力降低，河水挟带的碎屑物质便逐渐沉积下来，形成层状的冲积物，称为沉积作用。

河流的沉积作用主要发生在河流入海、入湖和支流入干流处，或者在河流的中、下游，以及河曲的凸岸。且大部分都沉积在海洋和湖泊里。河谷沉积只占搬运物质的少部分，而且多是暂时性沉积，很容易被再次侵蚀和搬走。

由于河流搬运物质的颗粒大小与流速有关，所以，当流速减小时，被搬运的物质就按颗粒的大小或比重依次从大到小或从重到轻先后沉积下来。故一般在河流的上游沉积较粗的砂砾石土，越往下游沉积的物质越细，多为砂土或黏性土，并可形成广大的冲积平原及河口三角洲。更细的胶体颗粒或溶解质多带入湖、海中沉积。这称为机械分异作用，或称分选作用。

碎屑颗粒在搬运过程中，由于相互间或与河床之间的摩擦，导致颗粒棱角逐渐消失，最后颗粒被磨成球形、椭球形，称为磨圆作用。

河流形成的大量沉积物可能改变河床的形态和水流状况，淤浅河床，影响航运，水库淤积影响库容，以及影响闸门、渠道的运用等。

2.河谷地貌

地貌，即地球表面的形态特征。地貌与地形一词的区别在于后者只是指单纯的地表起伏形态，而地貌除指地表起伏形态外，还包含其形成原因、时代、发展和分布规律等特征。地貌形态是各种内、外地质营力相互作用的结果，大型的地貌主要是由内力地质作用形成的，如大陆、海洋、山岳、平原等。小型的地貌则主要是外力地质作用所形成的，如山峰、山脊、冲沟、河谷等。

河谷是河流挟带着砂砾在地表侵蚀、塑造的线状洼地。河谷由谷底和谷坡两大部分组成（图1－44）。谷底通常包括河床及河漫滩。河床是指平水期河水占据的谷底，或称河槽；河漫滩是河床两侧洪水时才能淹没的谷底部分，在枯水时则露出水面。谷坡是河谷两侧的岸坡。谷坡下部常年洪水不能淹没并具有陡坎的沿河平台叫阶地，但不是所有的河段均有阶地发育。谷肩（谷缘）是谷坡上的转折点，它是计算河谷宽度、深度和河谷制图的标志。

河谷可划分为山区（包括丘陵）河谷和平原河谷两种基本类型，两种河谷的形态有很大差异。平原河谷由于水流缓慢，多以沉积作用为主，河谷纵断面较平缓，横断面宽阔，河漫滩宽广，江中洲发育，河流在其自身沉积的松散冲积层上发育成河曲和汊道。山区河谷与水电工程关系密切。下面着重讨论山区河谷的地貌形态。

（1）河谷的类型及特征。

1）根据横断面形态特征分类。

a.峡谷。河谷的横断面呈V形，谷地深而狭窄，谷坡陡峭甚至直立，谷坡与河床无明显的分界线，谷底几乎被河床全部占据。两岸近直立，谷底全被河床占据者也称隘谷，如长江瞿塘峡。隘谷可进一步发展成两壁仍很陡峭，但谷底比隘谷宽，常有基岩或砾石露出水面以上的障谷。峡谷的河床面起伏不平，水流湍急，并多急流险滩。如金沙江虎跳峡，峡谷深达3000m，江面最窄处仅40～60m，一般谷坡坡角达70°。长江三峡也是典型的峡谷地段。

峡谷的形成与地壳运动、地质构造和岩性有密切关系。地壳上升和河流下切是最普遍的成因。古近纪以来地壳上升越强烈的地区，峡谷也越深、越多。如位于喜马拉雅山地区的雅鲁藏布江大峡谷，是世界上最大、最深的大峡谷。位于横断山脉的澜沧江、怒江以及金沙江也都形成很深的峡谷。峡谷多形成在坚硬岩石地区，尤其在石灰岩、白云岩、砂岩、石英岩地区最为多见。如长江三峡是地壳上升地区，大部分流经石灰岩、白云岩分布的地段均形成峡谷。而由庙河经三斗坪坝址区至南沱，则为花岗岩地段，河谷较宽阔，岸坡较缓，河漫滩也常有分布。这与花岗岩的风化特征有关。

峡谷地段水面落差大。常蕴藏着丰富的水能资源。如金沙江虎跳峡在12km的河段内，水面落差竟达220m；另外，在其下游的溪洛渡峡谷地段也有很大落差，现正建设一座278m高的混凝土拱坝和装机容量为1260万kW的水电站。当在峡谷地段发育有河曲时，更可获得廉价的电能。如雅砻江锦屏大河湾段，只需建一低坝拦水，开凿约17km长的引水洞，便可得到300m的落差，设计装机容量为320万kW。永定河自官厅至三家店为峡谷地段，在约110km长的河谷中，有300多米的落差，因有多处河曲，20世纪50年代即已在珠窝、落坡岭修建低坝（坝高分别为30多米和20多米），而在下马岭和下苇甸分别获得约90m和70m的水头，修建了引水式水电站。

b.浅槽谷。浅槽谷又称U形河谷或河漫滩河谷。河谷横剖面较宽、浅，谷面开阔，谷坡上常有阶地分布，谷底平坦，常有河漫滩分布，河床只占谷底的一小部分。河流以侧蚀作用为主，它是由V形谷发展而成的，多形成于低山、丘陵地区或河流的中、下游地区。

c.屉形谷。屉形谷横断面形态为宽广的“凵”形，谷坡已基本上不存在，阶地也不甚明显，只有浅滩、河漫滩、江中洲、汊河等发育。其中浅滩为高程在平水位以下的各种形态的泥沙堆积体，包括边滩、心滩、沙埂等。心滩不断淤高，其高程超过平水位时即转为江心洲。河流以侧蚀作用和堆积作用为主。多分布在河流下游、丘陵和平原地区。

2）根据河流与地质构造的关系分类。

a.纵谷。纵谷的特征是河谷延伸方向与岩层走向或地质构造线方向一致。河流是沿软弱岩层、断层带、向斜或背斜轴等发育而成的。根据地质构造特征又可命名为向斜谷、背斜谷、单斜谷、断层谷、地堑谷等，如图1－45所示。

b.横谷。横谷的特征是河谷延伸方向与岩层走向或地质构造线方向近于垂直。河流横穿褶皱轴或断层线。当穿过向斜轴或较大的断层破碎带时，往往形成河谷开阔的宽谷；穿过背斜轴时则常为狭窄的峡谷。重庆市北碚区的嘉陵江河段横切三个背斜、两个向斜，就是一个典型实例，如图1－46所示。

3）根据两岸谷坡对称情况分类。根据两岸谷坡对称情况，可分为对称谷和不对称谷，前者两岸谷坡坡度相近［图1－45（a）、（b）、（e）］，后者则一岸谷坡平缓、一岸陡峻［图1－45（c）、（d）］，谷坡平缓的一岸常有河漫滩分布，河水主流常靠近陡坡一侧流过。拱坝要求两岸地形尽量对称，当不对称时，容易产生不均匀变形。

（2）河床地貌特征。山区河流，其河床的最大特征是不平整性，到处分布着岩坎、石滩、深槽和深潭等。

1）岩坎和石滩。岩坎由基岩构成，常常出现在软硬交替的岩层所组成的河段上［图1－47（a）］。坚硬岩石横穿河床，由于水流差异性侵蚀，在河床纵剖面上形成许多阶梯。有时，断层横切河流也可以形成岩坎。河流在岩坎处形成急流。当岩坎高度大于水深时，即形成瀑布［图1－47（b）］。在向源侵蚀的作用下，岩坎总是向上游后退，直至消失。

石滩是分布较长的浅水河床，可由基岩或堆积在河床中的块石和卵石构成。其中，堆积石滩常不稳定，在水流作用下较易移动、变形和消失，而基岩石滩则较稳定。由于岩体规模和产状不同，基岩石滩可以是成片分布的礁石，也可以是横河向或顺河向的石埂（石梁）。大的基岩石滩是良好的闸、坝地基。

2）深槽和深潭。深槽和深潭是河床中常见的地貌形态，由于它们的存在，给水工建筑物的布置、基坑开挖、坝基防渗和稳定等方面带来了不少困难和问题。山区河流除水流的作用外，主要受地质构造因素的影响，如河床中的断层、节理密集带、不整合面和软弱夹层等抗冲刷能力较弱的部位，由于冲刷的不均一性而形成深槽。深槽一般和主流方向一致，深槽的规模有的很大，例如，四川某坝址深槽宽约40m，深约70m。深潭是一种深陷的凹坑，深度可达几米至几十米。它主要形成于软弱结构面的交汇处、岩体的囊状风化带和瀑布的下游。有时，携带砂、砾石的漩涡流磨蚀河床基岩，也能形成深潭。

（3）河漫滩。河漫滩是在河床两侧，洪水季节被淹没，枯水季节露出水面的一部分谷底，如图1－44所示。山区河谷中河漫滩较少出现，多在河曲的凸岸或局部河谷开阔地段才有，范围也较小。丘陵和平原地区的河谷则广泛分布，范围也大。有时河漫滩比河床的宽度大几倍甚至几十倍。河曲型河漫滩是河流侧蚀作用使河谷凹岸岸坡后退，凸岸堆积，河谷变弯，谷底展宽，不断发展而形成的。除此之外，还有汊道型及堰堤式河漫滩等。河漫滩处的沉积层，常常是下部颗粒相对较粗、上部较细，通常称为二元结构的沉积层，具斜层理与交错层理。

（4）河流阶地。在河谷发育过程中，由于地壳上升、气候变化、侵蚀面下降等因素的影响，使河流下切，河床不断加深，原先的河床或河漫滩抬升，高出一般洪水位，形成顺河谷呈带状分布的平台，这种地貌形态称为阶地（图1－48）。一般河谷中常常出现多级阶地。从高于河漫滩或河床算起，向上依次称为一级阶地、二级阶地等（图1－48）。一级阶地形成的时代最晚，一般保存较好，越老的阶地形态相对保存越差。

阶地的形成基本上经历了两个阶段。首先是在一个相当稳定的大地构造环境下，河流以侧蚀或堆积作用为主，形成宽广的河谷。然后，地壳上升，河流下切，于是便形成阶地。地壳稳定一段时间后，再次上升，便又形成另一级阶地。一般地壳上升越强烈的地区，阶地也越高。

根据成因，阶地可分为侵蚀阶地、基座阶地和堆积阶地等几种类型。

1）侵蚀阶地。其特点是阶地面上基岩直接裸露或只有很少的残余冲积物［图1－49（a）］，侵蚀阶地只在山区河谷中常见。作为大坝的接头、厂房或桥梁等建筑物的地基是有利的。

2）基座阶地。其特点是上部的冲积物覆盖在下部的基岩之上［图1－49（b）］。它是由于后期河流的下蚀深度超过原有河谷谷底的冲积物厚度，切入基岩内部而形成的，分布于地壳上升显著的山区。

3）堆积阶地。堆积阶地完全由冲积物组成，反映了在阶地形成过程中，河流下切的深度没有超过冲积物的厚度。堆积阶地在河流的中、下游最为常见。堆积阶地又可进一步分为上叠阶地和内叠阶地两种。

上叠阶地的特点是新阶地的堆积物完全叠置在老阶地的堆积物上［图1－49（c）］。说明地壳升降运动的幅度在逐渐减小，河流后期每次下切的深度、河床侧蚀的范围和堆积的规模都比前期规模为小。

内叠阶地是指新的阶地套在老的阶地之内［图1－49（d）］。每次河流冲积物分布的范围均比前次的为小，反映它们在形成过程中，每次下切的深度大致相同，而堆积作用却逐渐减弱。

此外，由于地壳下降，早期形成的阶地被后期河流冲积物所掩埋，就形成埋藏阶地。

模块三　地下水的特征

地下水是赋存和运动于地表以下岩层或土层空隙（包括孔隙、裂隙和溶隙等）中的水。它主要是由大气降水和地表水渗入地下形成的。在干旱地区，水汽也可以直接在岩石的空隙中凝成少量的地下水。

地下水的分布极其广泛，它密切地联系着人类生活和经济活动的各个方面。例如，地下水常为农业灌溉、城市供水及工矿企业用水提供良好的水源，地热资源广泛用于发电、工业锅炉和医疗卫生等方面，一些矿泉水具有良好的医疗和保健作用等。因此，地下水是一种宝贵的资源。但是，地下水也往往给国民经济建设带来一定的困难和危害。例如，过量开采地下水可能导致海水入侵、地面沉降等。

在水利建设中，地下水与建筑物地基的渗漏和稳定有很大关系：①地下水位低于库水位时，可能产生渗漏；②地下水在渗流压力作用下，有可能带走松散岩层、断层破碎带和其他软弱结构面中的细小颗粒（即潜蚀作用），使岩（土）体被淘空，引起地基破坏；③地下水还可使黏土质岩石软化、泥化；④有的岩石，由于地下水的渗入致使体积膨胀，产生较大的膨胀压力，引起工程失事；⑤地下水溶蚀可溶性岩石所产生的大量空洞，成为渗漏的通道；⑥在开挖基坑和地下洞室工程时，有时会发生大量地下水突然涌入，给施工带来很大困难。此外，地下水可能对混凝土具有腐蚀性，可分为分解结晶类、分解结晶复合类及结晶类三种腐蚀性类型。所有这些，都是对水利工程不利的。因此，在分析水利工程建筑物的稳定和渗漏时，必须查明建筑地区地下水的形成、埋藏、分布和运动规律，即建筑地区的水文地质条件。

1.地下水的性质

（1）地下水的物理性质。地下水的物理性质有温度、颜色、透明度、气味、味道、密度及导电性等。

1）温度。地下水的温度受埋藏深度和所处的自然条件影响。根据温度将地下水分为以下几类：非常冷水（＜0℃）、极冷水（0～4℃）、冷水（4～20℃）、温水（20～37℃）、热水（37～42℃）、极热水（42～100℃）、沸腾的水（＞100℃）。

2）颜色。地下水一般无色，在含某些离子或富集悬浮物质时则有色。地下水的颜色由所含化学成分及悬浮物决定。例如，含Ca2＋、Mg2＋的水为微蓝色；含Fe2＋的水为灰蓝色；含Fe3＋的水为褐黄色；含有机腐殖质时呈黄褐或浅黑色。

3）透明度。地下水多半是透明的。当水中含有某种离子、悬浮物、有机质及胶体时，地下水的透明度就会改变。根据透明度可将地下水分为以下几种：透明的、微浑浊的、浑浊的和极浑浊的。

4）气味。地下水含有气体或有机质时，具有一定的气味。如含腐殖质时，具腐草味或腐泥臭味；含硫化氢时有臭蛋味。一般水温在40℃左右，气味最显著。

5）味道。地下水的味道主要取决于地下水的化学成分及溶解的气体成分。地下水一般淡而无味，含NaCl的水具咸味；含较多CO2的水清凉爽口；含CaCO3和MgCO3的水味美可口，俗称“甜水”；当MgCl2和MgSO4存在时，地下水有苦味。一般水温在20～30℃时，水的味道最明显。

6）密度。地下水的密度与水中溶解盐类的数量成正比。一般地下水的密度接近于1。

7）导电性。地下水的导电性决定水中含有电解质的性质和含量。当然也受温度的影响。

（2）地下水的化学性质。

1）化学成分。地下水的化学成分包括各种离子成分、气体成分、胶体成分和有机物等。自然界中存在的元素几乎都可在地下水中找到，只是含量不同而已。地下水中各元素的含量主要取决于其周围岩石的性质及其溶解度。主要气体成分有CO2、O2、N2、H2S、CH4；主要离子成分有Cl－、SO2－4、HCO－3、Na＋、K＋、Ca2＋、Mg2＋；胶体成分分布最广的有Fe（OH）3、Al（OH）3和黏性胶体、腐殖质及SiO2等；有机物多是以碳、氢、氧为主的高分子化合物。

2）化学性质。地下水的化学性质主要包括地下水的酸碱度、硬度和矿化度。

a.地下水的酸碱度。地下水的酸性和碱性程度取决于水中H＋浓度大小。为方便起见，H＋浓度一般用对数表示，并取其负号，以符号“pH”表示。地下水按pH值可分为五类（表1－7）。

b.地下水的硬度。硬度主要是由于水中含有Ca2＋、Mg2＋而具有的性质。含大量Ca2＋、Mg2＋的地下水，对生活和工业上的使用都很不利。地下水的硬度可分为总硬度、暂时硬度和永久硬度。

地下水的总硬度是指水中Ca2＋、Mg2＋的总量。暂时硬度指水加热沸腾后，由于脱碳酸作用，而从水中析出的那部分Ca2＋、Mg2＋的含量。水加热沸腾后，仍留在水中的Ca2＋、Mg2＋含量称为永久硬度。永久硬度在数值上等于总硬度和暂时硬度之差。

地下水硬度的大小我国采用德国制硬度来计量，以符号H°表示，1H°相当于1L水中含10mg CaO或7.2mg MgO，根据总硬度把地下水分为五类（表1－8）。

c.地下水的矿化度。地下水中所含有的各种离子、分子和化合物的总量（不包括游离气体）称为矿化度，单位为g／L。它是评价水质的重要指标之一。习惯上用105～110℃温度将地下水样品蒸干后所得的干涸残余物总量来表示矿化度。由于地下水中盐类的溶解度不同，使得离子成分与地下水矿化度之间有一定的规律。总体上看，氯盐的溶解度最大，硫酸盐次之，碳酸盐较小，钙的硫酸盐更小，钙、镁的碳酸盐溶解度最小。随着矿化度增大，钙、镁的碳酸盐首先达到饱和并沉淀析出，继续增大时，钙的硫酸盐也饱和析出。因此，高矿化水中以易溶的氯离子和钠离子占优势。

根据总矿化度的大小，地下水可分为以下类型（表1－9）。

2.地下水的主要类型与特征

地下水的运动和聚集，必须具有一定的岩性和构造条件。空隙多而大的岩层能使水流通过，称为透水层。能够透过并给出相当数量水的岩层，称为含水层。不能透过并给出水或只是能通过与给出极少量水的岩层，称为隔水层。含水层和隔水层的不同组合，形成不同类型的地下水。

根据埋藏条件，地下水可分为包气带水、潜水和承压水三类（图1－50）。不论是哪种类型的地下水，均可按其含水层的空隙性质分为孔隙水、裂隙水和岩溶水。因此，地下水可以组合成九种不同的类型（表1－10）。

（1）包气带水。地表到地下水面之间的岩土空隙中既有空气，又有地下水，这部分地下水称为包气带水。包气带水存在于包气带中，其中包括土壤水和上层滞水。

1）土壤水。土壤水位于地表以下的土壤层中，主要是以结合水和毛细水的形式存在的，靠大气降水渗入、水汽凝结及潜水补给。大气降水入渗，必须通过土壤层，这时渗入水的一部分就保持在土壤层里，多余部分的重力水下降补给潜水。土壤水的主要排泄途径是蒸发。这种水不能直接被人们利用，它可以是植物生长的水源。

2）上层滞水。上层滞水是局部或暂时储存于包气带中局部隔水层或弱透水层之上的重力水。这种局部隔水层或弱透水层在松散堆积物地区可能由黏土、亚黏土等组成的透镜体组成，在基岩裂隙介质中可能由局部地段裂隙不发育或裂隙被充填所造成，在岩溶介质中则可能由于差异性溶蚀使局部地段岩溶发育较差或存在非可溶岩透镜体所造成。

由于上层滞水的埋藏最接近地表，因而它和气候、水文条件的变化密切相关。上层滞水主要接受大气降水和地表水的补给，而消耗于蒸发和逐渐向下渗透补给潜水，其补给区与分布区一致。

上层滞水的水量一方面取决于补给来源，即气象、水文因素，同时还取决于下伏隔水层的分布范围。通常其分布范围较小，因而不能保持常年有水，水量随季节性变化较大。但当气候湿润，隔水层分布范围较大、埋藏较深时，也可赋存一定水量。因此，在缺水地区可以利用它来做小型生活用水水源地，或暂时性供水水源。由于距地表近，补给水入渗途径短，所以易受污染，做水源地时，应注意水质问题。另外，上层滞水危害工程建设，常突然涌入基坑危害施工安全，应考虑排水的措施。

（2）潜水。

1）潜水及其特征。潜水是埋藏在地表以下第一个连续、稳定的隔水层以上，具有自由水面的重力水（图1－51和图1－52）。

潜水的主要特征如下：

a.潜水面以上无稳定的隔水层存在，大气降水和地表水可直接渗入补给，成为潜水的主要补给来源。因此，在大多数的情况下潜水的分布区与补给区是一致的，因而某些气象水文要素的变化能很快影响潜水的变化，潜水的水质也易于受到污染。

b.潜水自水位较高处向水位较低处渗流。在山脊地带潜水位的最高处可形成潜水分水岭（图1－51），自此处潜水流向不同的方向。潜水面的形状是因时因地而异的，它受地形、含水层的透水性和厚度、隔水层底板的起伏、气象、水文等自然因素控制，并常与地形有一定程度的一致性。一般地面坡度越大，潜水面的坡度也越大，但潜水面坡度常小于当地的地面坡度（图1－51）。

2）潜水等水位线图及埋藏深度图。

潜水面反映了潜水与地形、岩性、气象、水文等之间的关系，同时能表现出潜水的埋藏、运动和变化的基本特点。因此，为能清晰地表示潜水面的形态，通常采用平面图和剖面图两种图示方法，并互相配合使用。

平面图是根据潜水面上各测点（井、孔、泉等）的水位标高，标在地形图上，画出一系列水位相等的线，这种图称为等水位线图（图1－52），其绘制方法与绘制地形等高线图一样。由于潜水面经常发生变化，因此在绘制等水位线图时，各测点水位资料的时间应大致相同，并应在等水位线图上注明。通过对不同时期等水位线图的对比，有助于了解潜水的动态。一般在一个地区应绘制潜水的最高水位和最低水位时期的两张等水位线图。

根据等水位线图可以了解以下情况：

a.确定潜水的流向及水力梯度。垂直于等水位线，自高等水位线指向低等水位线的方向即为流向。图1－52中箭头方向即为潜水流向。在流动方向上，取任意两点的水位高差，除以两点间在平面上的实际距离，即为此两点间的平均水力梯度。

b.确定潜水与河水的相互关系。潜水与河水一般有如下三种关系：

（a）河岸两侧的等水位线与河流斜交、锐角都指向河流的上游，表明潜水补给河水［图1－53（a）］。这种情况多见于河流的中、上游山区。

（b）等水位线与河流斜交的锐角在两岸都指向河流下游，表明河水补给两岸的潜水［图1－53（b）］。这种情况多见于河流的下游。

（c）等水位线与河流斜交，表明一岸潜水补给河水，另一岸则相反［图1－53（c）］。一般在山前地区的河流有这种情况。

c.确定潜水面埋藏深度。潜水面的埋藏深度等于该点的地形标高减去潜水位。根据各点的埋藏深度值，可绘出潜水等埋深线（图1－53）。

d.确定含水层厚度。当等水位线图上有隔水层顶板等高线时，同一测点的潜水水位与隔水层顶板标高之差即为含水层厚度。

水文地质剖面图（图1－54）是在地质剖面图的基础上，绘制出有关水文地质特征的资料（如潜水水位和含水层厚度等）。在水文地质剖面图上，潜水埋藏深度、含水层厚度、岩性及其变化、潜水面坡度、潜水与地表水的关系等都能清晰地表示出来，它是水利水电工程中常用的图件之一。

（3）承压水。

1）承压水及其特征。承压水是指存在于两个隔水层之间的含水层中，具有承压性质的地下水。由于隔水顶板的存在，能明显地分出补给区、承压区和排泄区三部分。补给区大多是含水层出露地表的部分，比承压区和排泄区的位置为高；承压区是隔水顶板以下，被水充满的含水层部分；排泄区是承压水流出地表或流向潜水的地段（图1－55）。

承压区中地下水承受静水压力，当钻孔打穿隔水顶板时所见的水位，称为初见水位。随后，地下水上升到含水层顶板以上某一高度稳定不变，这时的水位（即稳定水面的标高）叫作承压水位。承压水位如高出地面，则地下水可以溢出或喷出地表，如图1－55中H1的位置。所以，通常又称承压水为自流水。承压水位与隔水层顶板的距离称为水头（图1－55），水头高出地面者称为正水头H1，低于地面者称为负水头H2。

由于承压水的补给区和承压区不一致，故承压水的水位、水量、水质及水温等受气象、水文因素的影响较小。

基岩地区承压水的埋藏类型，主要决定于地质构造，即在适宜的地质构造条件下，孔隙水、裂隙水和岩溶水均可形成承压水。最适宜于形成承压水的地质构造有向斜构造和单斜构造两类。

向斜储水构造又称为承压盆地，它由明显的补给区、承压区和排泄区组成（图1－55）。

单斜储水构造又称为承压斜地，它的形成可能是含水层岩性发生相变或尖灭（图1－56），也可能是含水层被断层所切（图1－57）。

2）等水压线图。等水压线图就是承压水面的等高线图（图1－58），它是根据观测点的承压水位绘制的。在图中也可同时绘出含水层顶板及底板等高线。这样就和等水位线图一样，可从图中确定：承压水的流向，并可计算其水力梯度；承压水位的埋深；承压水含水层的埋深；承压水的水头大小及含水层的厚度等。例如，据图1－58可确定A、C、E点的数据如下：

　　 A　　C　　E

①　103　108　104

②　91　 94　 92

③　83　 85.1 82

④　20　 22.9 22

⑤　12　 14　 12

⑥　8　　8.9　10

①——地面绝对标高，m；

②——承压水位，m；

③——含水层顶板绝对标高，m；

④——含水层距地表深度，m（第①项减第③项）；

⑤——稳定水位距地表深度，m（第①项减第②项）；

⑥——水头，m（第②项减第③项）。

3）承压水的补给、径流及排泄。承压水的补给方式一般有：当承压水补给区直接出露于地表时，大气降水是主要的补给来源；当补给区位于河床或湖沼地带，地表水可以补给承压水；当补给区位于潜水含水层之下，潜水位高于承压水位时，潜水便可直接补给到承压含水层中。此外，在适宜的地形和地质构造条件下，承压水之间还可以互相补给。

承压水的排泄有多种形式：若含水层某些区段或其排泄区出露在地表，则承压水泄流成泉或者补给地表水（图1－56）；若含水层被断层切割且断层是导水的，则沿断层线承压水以泉的方式排出（图1－57）。此外，还有其他排泄形式。

承压水径流条件决定于地形、含水层透水性和地质构造，以及补给区与排泄区的承压水位差。补给区与排泄区的地形高差和水位差越大，含水层透水性越好，构造挠曲程度越小，承压水径流便越通畅，水交替便越强烈；相反，承压水径流缓慢，水交替微弱。承压水径流条件的好坏、水交替强弱，决定了水的矿化度高低及水质好坏。

（4）裂隙水。裂隙水是指赋存于基岩裂隙中的地下水。岩石中的裂隙是地下水运移、储存的场所，它的发育程度和成因类型影响着地下水的分布和富集。在裂隙发育的地区，含水丰富；反之，甚少。所以在同一构造单元或同一地段内，含水性有很大的变化，因而形成裂隙水分布的不均一性。

岩层中的裂隙常具有一定的方向性，即在某些方向上，裂隙的张开程度和连通性比较好，因而其导水性强，水力联系好，常成为地下水的主要径流通道。在另一些方向，裂隙闭合或连通性差，其导水性和水力联系也差，径流不通畅。因而，裂隙岩石的导水性具有明显的各向异性。裂隙水的这些特征常使相距很近的钻孔中的水头、水量相差数十倍，甚至一孔有水，另一孔无水，给设计和施工带来一些复杂问题。而裂隙水又是山区主要的和广泛分布的地下水，与水利工程的关系密切。

裂隙水储存于各种成因类型的裂隙中，它的埋藏分布与裂隙的发育特点相适应。根据埋藏分布的特征，可将裂隙水划分为面状裂隙水、层状裂隙水和脉状裂隙水三种。

1）面状裂隙水。指分布于各种基岩表部风化裂隙中的地下水，又称风化裂隙水。其上部一般没有连续分布的隔水层，因此，它具有潜水的基本特征。风化裂隙常是广泛分布、均匀密集的。因而，储存于其中的水能相互贯通，构成统一的水动力系统，并具有统一的水面。

风化裂隙含水和透水性的强弱，随岩石的风化程度、风化层物质等因素的不同而各异。在全风化带及一些强风化带中因富含黏土物质，含水性和透水性反而减弱。一般将微风化带视为面状裂隙水的下限。

2）层状裂隙水。指赋存于成岩裂隙或富含裂隙的夹层中的水，其埋藏和分布一般与岩层的分布一致，因而常有一定的成层性。由于各种裂隙交织相通构成了地下水运动和储存的网状通道，所以裂隙中的水相互之间有一定的水力联系，通常具有统一的水面。虽然如此，层状裂隙水在不同的部位和不同的方向上，因裂隙的密度、张开程度和连通性不同，其透水性和富水性仍有较大的差别，具有不均一的特点。在岩层出露的浅部，它可以形成潜水，当层状裂隙水被不透水层覆盖时，则形成承压水。

3）脉状裂隙水。指赋存于构造断裂中的地下水，其主要特征是：①沿断裂带呈带状或脉状分布；②多为承压水；③埋藏于大断裂带中者，补给来源较远，循环深度较大，水量丰富，水位及水质均较稳定，而埋藏于规模小、延伸不远、连通性差的断层或裂隙中者，则相反；④脉状含水带可以穿过数个不同时代、不同岩性的地层和不同的构造部位，因此，在同一含水带中地下水的分布具有不均匀性。例如，断层带通过脆性岩石时，岩石破碎、裂隙发育，通常是强含水的；当通过塑性岩石时，裂隙不很发育，且多被泥质充填，而形成微弱的含水带或不含水。

脉状裂隙水水量丰富者，常常是良好的供水水源，但它对隧洞工程往往造成危害，在施工中可产生突然的涌水事故，以及对衬砌产生较高的外水压力。

（5）泉。泉是地下水出露于地表的天然露头，是地下水的一种重要排泄方式。因此，它是反映岩层富水性和地下水的分布、类型、补给、径流、排泄条件和变化的一个重要标志。

泉是在一定的地形、地质和水文地质条件的结合下出现的。山区及丘陵区的沟谷中和坡脚，常可以见到泉，而在平原地区很少有泉。我国有不少的泉流量超过1m3／s，甚至超过10m3／s。水量丰富、动态稳定、水质适宜的泉，是宝贵的水源，有的还可用于发电。

按照泉的含水层性质，可将泉分为上升泉及下降泉两大类。上升泉由承压含水层补给，水流在压力作用下呈上升运动。下降泉由潜水或上层滞水补给，水流作下降运动。

根据泉的出露原因又可分为侵蚀泉、接触泉、溢出泉和断层泉四类。侵蚀泉是沟谷切割到含水层时形成的，含水层若为潜水则形成侵蚀下降泉［图1－59（a）］；若为承压水则形成侵蚀上升泉［图1－59（b）］。接触泉是地下水自含水层和其下面隔水层的接触处涌出地表，或在侵入体与围岩接触带，地下水沿裂隙上升至地表形成的［图1－59（c）、（d）］。溢出泉是指地下水在运动过程中，由于前方岩层的透水性变弱，或隔水层隆起以及阻水断层等因素，水流受阻而溢出地表形成的泉［图1－59（e）］。断层泉是承压水沿导水断层上升，在地面标高低于承压水位处，涌出地表形成的［图1－59（f）］，这类泉常沿断层成串分布。

3.环境水对混凝土的腐蚀性

环境水主要指天然地表水和地下水。环境水对混凝土的腐蚀性是指环境水所含的特定化学成分对混凝土产生的不同类型的腐蚀，从而降低了混凝土的整体性、耐久性和强度的过程和结果。

为评价环境水对混凝土的腐蚀性而进行的水化学成分分析试验中，除特殊需要外，一般只进行水质简易分析。分析项目主要有K＋、Na＋、、等阳离子，Cl－、、等阴离子，溶于水的侵蚀性CO2、游离CO2气体，以及水的酸碱度的重要衡量指标pH值等。

据《水利水电工程地质勘察规范》（GB 50287—99），环境水对混凝土可能产生的腐蚀性分为三类。

（1）分解类腐蚀。水中某些化学成分使混凝土表面的炭化层与混凝土中固态游离石灰质溶于水，降低混凝土毛细孔中的碱度，引起水泥结石的分解，导致混凝土的破坏，此为分解类腐蚀。如溶出型腐蚀、一般酸性型腐蚀和碳酸型腐蚀。

（2）结晶类腐蚀。由于水中某些离子与混凝土中的固态游离石灰质或水泥结石作用，形成结晶体，体积增大，如生成CaSO4·2H2O时，体积增大1倍；生成MgSO4·7H2O时体积增大4.3倍，产生膨胀力而导致混凝土破坏，此为结晶类腐蚀，如硫酸盐型腐蚀。

（3）分解结晶复合类腐蚀。水中含某些弱碱硫酸盐，如MgSO4、（NH4）2SO4等，即使混凝土发生分解，又在混凝土中形成结晶体，而导致混凝土破坏。此为分解结晶复合类腐蚀，如硫酸镁型腐蚀。

知识强化与技能提升

一、判断题

1.河流具有搬运能力因为水具有浮力。（　　）

2.岩层不透水是因为岩石颗粒间的空隙被水充满了。（　　）

3.承压水是指存在于两个隔水层之间的重力水。（　　）

4.岩溶水是指能溶解岩石的水。（　　）

二、选择题

1.岩石具有透水性是因为（　　）。

A.岩石的孔隙大于水分子的体积　　　B.结合水不能将岩石孔隙充满

C.岩石孔隙中含有重力水　　　　　　D.岩石孔隙中存在重力水通道

2.地表水的地质作用是指（　　）。

A.地表流水将风化物质搬运到低洼地方沉积成岩的作用

B.地表流水的侵蚀，搬运和沉积作用

C.淋滤、洗刷、冲刷和河流地质作用

D.地表水对岩，土的破坏作用

3.河流阶地的形成可能是因为（　　）。

A.地壳上升，河流下切　　　　　B.地壳下降，河床堆积

C.地壳稳定，河流侧蚀　　　　　D.河的侵蚀和沉积共同作用

4.地下水可以（　　）。

A.按pH值分为酸性水、中性水、碱性水

B.按埋藏条件分为上层滞水、潜水、承压水

C.按含水层性质分为孔隙水、裂隙水、岩溶水

D.按钙、镁离子含量分为侵蚀性和非侵蚀性水

三、简答题

1.地表流水地质作用的类型和产物有哪些？

2.河流阶地有哪些主要类型？

3.地下水在岩、土中的存在形式有哪些？

4.地下水对混凝土的侵蚀类型有哪些？