工程地質正水頭與負水頭

㈠ 水文地質基本知識

(一)地下水的形成和分類

1.地下水的形成

自然界中的水以氣態,液態和固態的形式存在於大氣圈、水圈和岩石圈中。大氣水、地表水和地下水並不是彼此孤立存在的,它們之間實際處於不斷運動,相互轉化的過程之中,這一過程稱為自然界中的水循環(圖1-12)。按其循環范圍和途徑的不同,分為大循環和小循環。

地下水的形成就是水的循環過程中水通過滲透和水汽的凝結作用而形成的。由大氣降水和地表水滲入地下形成的地下水稱為滲入水。其方式是大氣降水通過岩石的空隙向下滲入形成地下水,地表水是通過岩土空隙在地表水柱壓力和毛細力作用下滲入地下形成地下水。此外,在大氣中含有的水汽和岩石空隙中的水汽在溫度降低達到飽和時,就開始凝結成水滴,當水滴匯聚起來就成為地下水。我們把水汽凝結而形成的地下水稱為凝結水。而且我們還得出這樣的結論:地下水的來源主要來自大氣降水的滲入,地下水是水資源的重要組成部分,雖然能不斷得到補給,但它並非取之不盡用之不竭,如果不合理使用,水資源儲量將會減少乃至出現枯竭。

圖1-12 自然界中水的循環示意圖

①含水層;②隔水層;③大循環;④小循環

2.地下水的分類

地下水按含水層性質分為孔隙水、裂隙水和岩溶水三類。

(1)孔隙水

埋藏在孔隙岩層中的地下水稱為孔隙水。孔隙水廣泛分布於第四系鬆散沉積物中,如洪積、沖積、坡積、風積和海相沉積等岩層中。在堅硬和半堅硬的岩石中也有少量分布。孔隙水由於存在於岩土的孔隙中,因此孔隙的分布、大小、形狀、排列等,直接影響著孔隙水,這也就取決於鬆散沉積物的岩性、分布等特點。孔隙水具有如下特點:

1)孔隙水存在於岩土孔隙中,因此各種類型的具有孔隙的鬆散沉積物,都可以賦存孔隙潛水或孔隙承壓水。因此掌握沉積物的沉積規律、特徵,是尋找該含水層和初步評價含水層以及選擇供水施工工藝和供水結構設計的重要依據。

2)鬆散岩土孔隙發育,分布密集且均勻,相互連通,呈層狀分布,具有統一的水動力聯系,所以孔隙水一般呈層流運動。很少見到透水性突變等特徵。

3)由於鬆散沉積物具有不同的成因類型,它們所分布的地貌也不同,因此可形成不同類型的孔隙水,它們的均勻性也各有差異。

4)孔隙水的補給來源主要是大氣降水,在特定條件下,地表水也可成為重要的補給來源之一,在條件適宜的地方,深部裂隙水或岩溶水也可補給孔隙水。

5)孔隙水一般常存在於地殼表層,多以潛水形式出現,這對水源地勘察和供水井施工帶來便利,同時對采礦帶來一定的影響。

(2)裂隙水

埋藏和運動於基岩裂隙中的地下水稱為裂隙水。基岩的裂隙是地下水的儲藏和運動的場所,裂隙的發育程度和聯通性直接影響著裂隙水的分布和富集。因此,研究基岩的裂隙具有重要而實際的意義。基岩裂隙按其成因可分為成岩裂隙、構造裂隙和風化裂隙三種類型。裂隙水的埋藏和分布很不均勻,主要受地質構造、岩性及地貌等因素的控制。按埋藏條件和含水層產狀,可將裂隙水分為三種類型;面狀裂隙水、層狀裂隙水和脈狀裂隙水。

1)面狀裂隙水:賦存於各種基岩表部的風化裂隙中,某些巨大的交叉斷裂帶也屬這一類。這種裂隙水上部一般沒有連續分布的隔水層,具有潛水的特徵。風化裂隙廣泛分布,均勻密集,彼此連通構成面狀分布的網狀裂隙體系,因而構成統一水動力系統,具有統一的水面,屬面狀裂隙水或似層狀裂隙水。

2)層狀裂隙水:是指聚集於成岩裂隙及區域構造裂隙中的水。其埋藏和分布常有一定的呈層性,這種水稱為層狀裂隙水。由於各種裂隙交織相通,構成了具有統一地下水水面的網狀系統,因此,其埋藏和分布常具成層性。

3)脈狀裂隙水(帶狀裂隙水):是指埋藏和運動於構造斷裂帶或岩漿侵入接觸帶的水,常呈帶狀或脈狀分布。這種水由於受斷裂影響,往往補給源較遠,循環深度大,水量、水位較穩定。一般具有統一的地下水力聯系,有些地段可具承壓性。是良好的供水水源。脈狀裂隙水對礦床的開采、鑽探及地下洞穴工程,常常造成巨大的困難和威脅,有時可突然造成涌水事故。

(3)岩溶水

貯存和運動於岩溶中的地下水稱為岩溶水。岩溶水的分布較孔隙水和裂隙水有更大的不均勻性。它主要發育在石灰岩地區。由於水流對可溶性岩石(石灰岩、白雲岩、石膏、鉀鹽、石鹽等)以化學溶蝕為主,機械破碎為輔的一種特殊的地質作用,產生了特殊的地質現象(如石芽、溶溝、溶洞、石林、峰林、地下暗河等),將這種作用稱為岩溶作用,將這種現象稱為岩溶現象或岩溶形態,將這種地表岩溶現象,稱為地表岩溶。由此可見,地下岩溶是岩溶水貯存和運動的場所。因而它與孔隙水、裂隙水相比,具有獨特的埋藏、分布和運動條件。岩溶含水層水量往往比較豐富,常可作大型供水水源。

在岩溶地區采礦和勘探時,要仔細研究岩溶的發育規律,以防造成損失。

地下水也可按埋藏條件,分為上層滯水、潛水和承壓水三類。

1)上層滯水。存在於包氣帶中局部隔水層上面的重力水叫作上層滯水(圖1-13)。一般分布不廣,是降水或地表水下滲時,被局部隔水層或弱透水層所阻而存積起來的地下水。這種水與季節和氣候有直接聯系。濕潤季節或雨後出現,乾旱季節或雨後不久即消失。補給區與分布區相一致。上層滯水一般只能作小型或暫時性供水水源。由於它距地表近,易被污染,如作飲用時要加以注意。防範水質污染。

圖1-13 上層滯水和潛水示意圖

aa'—地面;bb'—潛水面;cc'—隔水層面;OO'—基準面;h₁—潛水埋藏深度;h—含水層高度;H—潛水位

2)潛水。埋藏在地表以下第一個穩定的隔水層以上,具有自由水面的重力水。潛水的自由水現稱為潛水面如圖1-13所示;潛水面至地表的距離稱為潛水的埋藏深度(h₁);潛水面上任一點的標高(H)稱為潛水位;潛水面至隔水板頂面的距離稱為含水厚度(h)。潛水的基本特點是:潛水面上部,一般無穩定隔水層存在,因此潛水具有自由的水面,不承受靜水壓力屬無壓水。在重力作用下,潛水由較高處向低處流動;通常大氣降水、地表水經過包氣帶直接滲入而補給潛水,所以大多數情況下,潛水的分布區就是補給區,二者完全一致;潛水動態(水位、水質、水量等)受氣候影響隨季節性變化。如雨季,降水充沛,潛水獲得補給量較多,致使潛水面上升,埋藏深度變小。因而呈現季節性變化;由於潛水埋藏較淺,易污染,易於取用。常為民用水源及工農業供水水源。

3)承壓水。充滿於兩個隔水層之間的地下水叫作承壓水(圖1-14)。當這種含水層未被水充滿時,其性質與潛水相似,稱為無壓層間水。由於承壓水具有隔水頂板,因而它具有與潛水不同的特點,承壓水的特點是:承壓水具有承壓性能,當鑽孔揭穿到含水層後,在靜水壓力作用下,初見水位與穩定水位不一致,穩定水位高於初見水位。當水能溢出地表時,可形成自流,這種水頭稱正水頭。如果承壓水頭不能流出地表,這種水頭稱負水頭;承壓水分布區與補給區不一致,且往往補給區小於承壓區,因承壓水具有隔水頂板,使承壓含水層不能自隔水頂板上部的地表直接接受補給。補給區往往處於承壓區一側,位於地形較高的含水層出露的位置。排泄區位於地形較補給區低的位置;承壓水自補給區流入承壓區再向低處排泄,故承壓水的水量、水質、水溫等受氣候影響較小,隨季節變化不大,且顯得穩定;承壓水受地表污染少,它是最具戰略價值的水源地。

圖1-14 承壓盆地構造圖

a—補給區;b—承壓區;c—排泄區1—隔水層;2—含水層;3—噴水鑽孔;4—不自噴鑽孔;5—地下水流向;6—靜止水位;7—泉;H—承壓水頭厚度(m);M—含水層厚度(m)

(二)含水層及水文地質單元

1.含水層

地殼中的岩層有的含水,有的不含水,有的雖然含水(結合水、毛細水)但不能透水。我們把不透水且不含水的岩土層稱為隔水層。透水的而又飽含重力水的岩土層稱為含水層。

作為含水層必須是具備下列基本條件。

(1)岩層要有儲存地下水的空間

岩土層要能含水,首先是在岩土層中必須要有儲存地下水的空間(空隙),外部的水才能進入岩土層把水儲存起來,並能在其中運動,才有可能成為含水層。由此可知,岩層具有空隙是含水層形成的先決條件,也是確定含水層存在的重要標志。

(2)要有儲存地下水的地質條件

岩層有了空隙,雖然是含水層形成的首要條件,但它不是唯一的條件。同時,必須是具備一定的有利於地下水聚集和儲存的地質條件,才能構成含水層。

(3)要有一定的補給水量

有了容水的空隙岩土層和有利蓄水的地質條件,並不一定有豐富的地下水,還必須具備充足的補給水量,才能使具有一定地質條件的空隙岩土層有水而構成含水層。有一定的補給水量不僅是形成含水層的一個重要條件,更重要的是關繫到含水層水量的多少及其保證程度的一個主要因素。

2.水文地質單元

由水文地質要素(補給區、排泄區、含水層、隔水層等)組一個統一而完整的水文地質結構(單位),稱為水文地質單元。一個水文地質單元可包括若干個蓄水構造,或者只有一個蓄水構造。研究水文地質單元才能揭示地下水的產生和發展變化規律,才能確切地認識、保護和合理地開發利用地下水資源。

補給區是指地下水接受水源補給的地區。它一般位於地形的相對高處或相對於排泄區的高處。

排泄區是指排泄地下水的地段,它一般處於地形的相對低處。河流、泉、某些斷層都可以成為地下水的排泄通道。

㈡ 承壓水頭的分析及其理解：

如果在某處打井那麼剛滲透出水的位置叫做初見水位層，此時停止挖掘如果該處地下水存在承壓水或者上層滯水那麼此後井中水位不斷上升，到一定高度後便穩定下來，不再上升，此時該水面的高程稱為穩定水位，也即該點處承壓含水層的承壓水位（也叫測壓水位），如果承壓水位高於地表那麼該處會形成噴泉。承壓含水層某一點，由隔水層頂界面到測壓水位面的垂直距離叫作該點處承壓水的承壓水頭（也即靜止水位高出含水層頂板的距離）。當測壓水位面高於地面時，承壓水頭稱為正水頭，反之為負水頭。

㈢ 承壓水頭埋深是什麼意思

井管距地面的距離或者地下管道距地面的距離。

如果在某處打井那麼剛滲透出水的位置叫做初見水位層，此時停止挖掘如果該處地下水存在承壓水或者上層滯水那麼此後井中水位不斷上升，到一定高度後便穩定下來，不再上升，此時該水面的高程稱為穩定水位，也即該點處承壓含水層的承壓水位（也叫測壓水位），如果承壓水位高於地表那麼該處會形成噴泉。承壓含水層某一點，由隔水層頂界面到測壓水位面的垂直距離叫作該點處承壓水的承壓水頭（也即靜止水位高出含水層頂板的距離）。當測壓水位面高於地面時，承壓水頭稱為正水頭，反之為負水頭。

㈣ 什麼是負水頭現象

虹吸濾池在過濾時，由於濾後水位永遠高於濾層，保持正水頭過濾，所以不會發生負水頭現象。每個單元濾池內的水位，由於通過濾層的水頭損失不同而不同.

㈤ 什麼叫負水頭，他對過濾和沖洗有何影響如何避免過濾層中負水頭現象

「負水頭」是指濾層截留了大量雜質以致砂面以下某一深度處的水頭損失超過該處水深。
負水頭會導致溶解於水中的氣體釋放出來而形成氣囊。氣囊對過濾有破壞作用，一是減少了過濾面積；二是氣囊的上升可能將部分細濾料和輕質濾料帶出，破壞濾層結構。
避免出現負水頭的方法可以採用增加砂面上的水深，或令濾池出口位置等於或高於濾層表面，
水.業`導.航,網，解答。

㈥ 靜止水位的分析及其理解

如果在某處打井那麼剛滲透出水的位置叫做初見水位層，此時停止挖掘如果該處
地下水存在承壓水或者上層滯水那麼此後井中水位不斷上升，如果承壓水位高於地表那麼該處會形成噴泉。 承壓含水層某一點，由隔水層頂界面到測壓水位面的垂直距離叫作該點處承壓水的承壓水頭（也即靜止水位高出含水層頂板的距離）。當測壓水位面高於地面時，承壓水頭稱為正水頭，反之為負水頭。

㈦ 水利工程地質題求解

一、承壓水埋深為90=86=4米；承壓水位高於地面96-90=6米；水頭大小為6米，正水頭；
二、

㈧ 水處理過程中「負水頭」對過濾和沖洗有和何影響

「負水頭」是指濾層截留了大量雜質以致砂面以下某一深度處的水頭損失超過該處水深。

負水頭會導致溶解於水中的氣體釋放出來而形成氣囊。氣囊對過濾有破壞作用，一是減少了過濾面積；二是氣囊的上升可能將部分細濾料和輕質濾料帶出，破壞濾層結構。

避免出現負水頭的方法可以採用增加砂面上的水深，或令濾池出口位置等於或高於濾層表面，
水.業`導.航,網，解答。

㈨ 負水頭對過濾和沖擊有何影響

過濾過程中，當濾層截留了大量雜質以致濾層某一深度處的水頭損失超過該處水深時，便出現負水頭