地下水对工程的各种作用和影响

本讲主要讲述渗透定律；地下水的赋存、补给、径流和排泄规律；地下水埋藏分类；地下水对工程的各种作用和影响、地下水向集水构造物运动的计算、地下水的化学成分和化学性质；水对建筑材料腐蚀性的判别。 二、重点、难点：

地下水运动的计算、水对建筑材料腐蚀性的判别 三、内容讲解：

一、地下水运动的基本定律

地下水在岩石空隙中的运动称为渗流(渗透)。发生渗流的区域称为渗流场。由于受到介质的阻滞，相对地表水来说，地下水的流动通常较为缓慢。

水体运动时，水的质点作有秩序、互不混杂地流动，称作层流运动。地下水在具狭小空隙的岩土介质(如砂、裂隙不很宽大的基岩)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，呈现层流运动。水的质点无秩序地、互相混杂地流动，称为紊流运动。作紊流运动时，水流所受阻力比层流状态大，消耗的能量较多。地下水在具宽大空隙(大的溶穴、宽大 裂隙)的岩土介质中运动时，流速较大，容易呈现紊流运动状态。

水体流动过程中，各个运动要素(水位、流速、流向等)不随时间改变时，称作稳定流。运动要素随时间变化的水流运动，称作非稳定流。严格地讲，自然界中地下水都属于非稳定流。但是，为了便于分析和运算，也可以将某些运动要素变化微小的渗流近似地看做稳定流。

1856年，法国水力学家达西(H．Darcy)通过大量的实验，得到线性渗透定律。

实验是在装有砂的圆筒中进行的(图16-6-1)。水由筒的上端加入，流经砂柱，由下端流出。上游用溢水设备控制水位，使实验过程中水头始终保持不变。在圆筒的上下端各设一根测压管，分别测定上下两个过水断面的水头。下端出口处设管嘴以测定流量。

【例题1】水体流动过程中，各个运动要素(水位、流速、流向等)不随时间改变时，则该流体称作（① ）；该流体所作的运动为（② ）。 A. 稳定流 B. 非稳定流 C. 层流运动 D. 紊流运动

答案：①A；②C；

【例题2】地下水在具宽大空隙(大的溶穴、宽大裂隙)的岩土介质中运动时，该流体为（① ）流体运动按（② ）考虑。 A. 稳定流 B. 非稳定流 C. 层流运动 D. 紊流运动

答案：①B；②D；

根据实验结果，得到下列关系式：

式中 Q—渗透流量(出口处流量，即为通过砂柱各断面的流量)； —过水断面(在实验中相当于砂柱横断面的面积)； h—水头损失(h=H1-H2，即上下游过水断面的水头差)； L—渗透路径(上下游过水断面的距离)；

J—水力梯度(相当于h／L，即水头差除以渗流路径)； K—渗透系数(m／d)。 上式即为达西公式。

同时，由水力学已知，通过某一断面的流量Q等于流速V与过水断面面积(的乘积， 即： Q＝ V (16-6-2)

)

至此，达西定律也可以另一种形式表示为：

V=KJ (16-6-3) V—渗透速度，其余各项意义同前。

现就达西定律有关参数的物理意义讨论如下。 1.水力梯度(J)

水力梯度J为沿渗流途径水头损失与相应渗透路径长度的比值。水在空隙中运动时，必须克服水与隙壁以及流动快慢不同的水质点之间的摩擦阻力(这种摩擦阻力随地下水流速增加而增大)，从而消耗机械能，造成水头损失。因此，水力梯度可以理解为水流通过单位长途渗透途径为克服摩擦阻力所耗失的机械能。从另一个角度，也可以将水力梯度理解为驱动力，即克服摩擦阻力使水以一定速度流动的力量。既然机械能消耗于渗透路径上，因此求算水力梯度J时，水头差必须与相应的渗透路径相对应。 2.渗透速度(V)

式中的过水断面 系指砂柱的横断面积；在该面积中，包括砂颗粒所占据的面积及空隙所占据的面积；而水流实际流过的乃是扣除

/

结合水所占据的范围以外的空隙面积 ，即：

/

= ne (16-6-4) 式中，ne为有效空隙度。

有效空隙度为重力水流动的空隙体积(不包括结合水占据的空间)与岩石体积之比。

显然，有效空隙度ne <孔隙度n。由于重力释水时空隙中所保持的除结合水外，还有孔角毛细水乃至悬挂毛细水，因此，有效孔隙度ne >给水度u。对于粘性土，由于空隙细小，结合水所占比例大，所以有效孔隙度很小。对于空隙大的岩层(例如溶穴发育的可溶岩，有宽大裂隙的裂隙岩层)， ne≈n≈u。 既然 不是实际的过水断面，可知V也并非真实的流速，而是假想水流通过包括骨架与空隙在内的断面( )时所具有的一种假想流速。

令通过实际过水断面V时的实际流速为u，即：

Q=u (16-6-5) 比较以上两式不难得到： V=Wu= neu (16-6-6) 所以，V=neu

【例题3】下列关于水力梯度的叙述，正确的是（ ）。 A. 水力梯度为沿渗流途径水头损失与相应渗透路径长度的比值 B. 水力梯度为沿渗流途径水头损失与相应渗透路径高度差的比值 C. 水力梯度为沿渗流途径水头损失与相应渗透路径水平段长度的比值 D. 水力梯度为沿渗流途径水头损失与相应渗透路径平均截面积的比值 二、地下水的赋存与补、径、排规律

地下水即是赋存于地面以下岩石空隙中的水。地下水的功能主要包括资源、生态环境因子、灾害因子、地质营力与信息载体(张，1987)。

岩石中的空隙是地下水储存场所和运动通道。空隙的多少、大小、形状、连通情况和分布规律，对地下水的分布和运动具有重要影响。岩石中的空隙可分为三类：松散岩层中的孔隙，坚硬岩石中的裂隙和可溶岩石中的溶穴。赋存于不同岩层中的地下水，由于其介质特征不同，具有不同的分布与运动特点。因此，按岩层的空隙类型区分为三种类型的地下水，即：孔隙水、裂隙水和岩溶水。 【例题4】按岩层的空隙类型区分为三种类型的地下水中不包括（ ）。 A. 孔隙水 B. 裂隙水 C. 岩溶水 D. 承压力 答案：D

(一)地下水的赋存

地表以下一定深度上，岩石中的空隙被重力水所充满，形成地下水面。地下水面以上部分称为包气带；地下水面以下部分称为饱水带。包气带自上而下可分为土壤水带、中间带和毛细水带。饱水带岩石空隙全为液态水所充满。饱水带中的水体是连续分布的，能够传递静水压力，在水头差的作用下，可以发生连续运动。饱水带中的重力水是开发利用或工程作用研究的主要对象。

含水层是指能够透过并给出相当数量水的岩层。隔水层则是不能透过与给出水，或者透过与给出的水量微不足道的岩层。需要引起注意的是，上述定义中并没有给出区分含水层与隔水层的定量指标，这是因为它们的定义具有相对性，含水层、隔水层与弱透水层的定义取决于运用它们时的具体条件。

根据埋藏条件与含水介质类型的不同，可对地下水进行分类。地下水的埋藏条件是指含水岩层在地质剖面中所处的部位及受隔水层(弱透水层)的情况。据此可将地下水划分为包气带水、潜水及承压水。按含水介质(空隙)类型，可将地下水区分为孔隙水、裂隙水与岩溶水(表16-6-1)。

潜水：是饱水带中第一个具有自由表面的含水层中的地下水。潜水没有隔水顶板，或只有局部隔水顶板。潜水面为自由面，不承受大气压以外的任何附加压强。从潜水面到地面的距离为潜水埋藏深度。潜水面到隔水底板的距离为潜水含水层的厚度。

承压水：是指充满于两个稳定的隔水层(弱透水层)之间的含水层中的地下水。承压含水层上部的隔水层(弱透水层)称为隔水顶板，下部的隔水层(弱透水层)称作隔水底板。隔水顶板与隔水底板之间的距离为承压含水层的厚度。

上层滞水：当包气带存在局部隔水层(弱透水层)时，局部隔水层(弱透水层)上会积聚具有自由水面的重力水，便是上层滞水。上层滞水分布最接近地表，接受大气降水的补给，通过蒸发或向隔水底板(弱透水层底板)的边线下渗排泄。雨季获得补充，积存一定水量。旱季水量逐渐耗失。

【例题5】将地下水划分为包气带水、潜水和承压水，是根据（ ）进行划分的。 A. 埋藏条件 B. 含水介质类型 C. 水的性质 D. 含水层厚度 答案： A

【例题6】将地下水划分为孔隙水、裂隙水和岩溶水，是根据（ ）进行划分的。 A. 埋藏条件 B. 含水介质类型 C. 水的性质 D. 含水层厚度 答案： B

(二)地下水的补、径、排

含水层或含水系统从外界获得水量，通过径流将水量由补给处输送到排泄处向外界排出的不断往复过程即为地下水循环。在补给与排泄过程中，含水层与含水系统除了与外界交换水量外，还交换能量、热量与盐量。因此，补给、排泄与径流决定着地下水水量水质在空间与时间上的分布。

【例题7】决定着地下水水量水质在空间与时间上分布的是地下水的（ ）。 A. 补给 B. 排泄 C. 径流 D. A+B+C 答案：D

含水层或含水系统从外界获得水量的作用称作补给。补给除了获得水量，还获得一定盐量或热量，从而使含水层或含水系统的水化学与水温发生变化。

地下水的补给来源主要有大气降水、地表水、凝结水，来自其他含水层或含水系统的水，以及与人类活动有关的补给(如：灌溉回归水、水库渗漏水，以及专门性的人工补给)等。

大气降水包括雨、雪、雹，在很多情况下大气降水是地下水的主要补给方式。当大气降水降落到地表后，一部分变为地表径流，一部分蒸发重新回到大气圈，剩下一部分渗入地下成为地下水。

大气降水补给地下水的数量受到很多因素的影响。与降水的强度、形式、植被、包气带岩性、地下水的埋深等密切相关。一般当降水量大、降水过程长、地形平坦、植被繁茂、上部岩层透水性好，地下水埋藏深度不大时，大气降水才能大量下渗补给地下水。这些影响因素中起主导作用的常常是包气带的岩性。

补给地下水的地表水包括江、河、湖、海、水库、池塘、水田等。在这些地表水体附近，地下水有可能获得地表水的补给。 河流补给地下水常见于某些大河流的下游和河流中上游的洪水期，在这样的条件下河水往往高于岸边的地下水位。如黄河下游郑州市以东的冲积平原，黄河河床高出两岸3～5m，在河水充分的补给下，河间洼地潜水埋深一般只有2～3m。 在干旱地区，降水量极微，河水的渗漏常常构成地下水主要或唯一的补给源。

地表水对地下水的补给强度主要受岩层透水性的影响，同时也取决于地表水水位与地下水水位的高差，以及供水的延续时间、河水流量、河水的含泥砂量。地表水作与地下水联系范围的大小等因素。 对于日温差较大的干旱地区，如广大的沙漠区，大气降水和地表水体的渗入补给量都很少，凝结水往往是该类地区地下水的主要补给来源。在一定的温度下空气中只能含有一定量的水蒸气，如每立方米的空气在10℃时最大含水量为9.3克，而在5℃时最大含水量为6.8克。在一定的温度下，超过其最大含水量的水分就会凝结为液态水从空气中分离出去。由于沙漠地区昼夜温差很大，白天空气中含水量可能还未达到最大值，但在夜晚温度很低时空气中的水汽却出现过饱和现象，多余的水汽就从空气中析离出来，在沙粒的表面凝结成液态水渗入地下补给地下水。

人工补给是地下水获得补给的另一重要途径。人工补给是通过人为地将地表水自流或用压力引入含水层，以增加地下水的补给量。人工补给地下水具有占地少、造价低、易管理、蒸发少等优点，不仅可增加地下水资源，而且可以改善地下水的水质，调节地下水、的温度，阻拦海水的地下倒灌，减小地面沉降等。 地下水的其他补给来源还有：岩浆侵入过程中分离出的水汽冷凝而成的“原生水”；沉积岩形成过程中封闭并保存在岩层中的“埋藏水”(封存水)等。这些水分布不广，水量有限，生产实践中也少见。

地下水的排泄即为含水层失去水量的过程。在排泄过程中，地下水的水量、水质及水位都会随着排泄过程发生变化。地下水排泄的方式有：泉、河流、蒸发、人工排泄等。

泉是地下水的天然露头。地下水只要在地形、地质、水文地质条件适当的地方，都可以泉水的形式排出地表。泉水常常是地下水的重要排泄方式之一。

泉的形成主要是由于地形受到侵蚀，使含水层暴霹于地表；其次是由于地下水在运动过程中岩石透水性变弱或受到局部隔水层阻挡，使地下水位抬高溢出地表；如果承压含水层被断层切割，且断层又导水，则地下水能沿断层上升到地表亦可形成泉。

泉水一般在山区及山前地区出露较多。在这些地段侵蚀强烈，岩层多次受褶皱、断裂、侵入作用，形成有利于地下水向地表排泄的通道，因而山区常有泉水。平原地区一般都堆积了较厚的第四纪松散岩层，地形切割微弱，地下水很少有条件直接排向地表，所以泉很少见。

根据补给泉的含水层的性质，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。下降泉由潜水或上层滞水补给。需要引起注意的是，仅仅根据泉口的水是否冒涌来判断是上升泉或下降泉，那是不合适的，下降泉泉口的水流也可显示上升运动；反之，通过松散覆盖物出露的上升泉，泉口附近的水流也可能呈下降运动。

根据泉水的出露原因，下降泉可分为侵蚀泉、接触泉与溢流泉。上升泉可分为侵蚀(上升)泉、断层泉及接触带泉。

蒸发是水由液态转化为气态的过程。地下水，特别是潜水可通过土壤蒸发、植物蒸发而消耗。对干旱气候条件下的松散沉积物构成的平原与盆地中，蒸发往往成为地下水的一种主要的排泄方式。

影响地下水蒸发排泄的因素很多。其中主要是温度、湿度、风速等，同时地下水埋藏深度和包气带岩性等因素也对地下水蒸发排泄强度有着直接影响。

此外，地下水的排泄方式还有人工排泄、不同含水层之间的排泄等。

地下水径流是整个地球水循环的一部分。大气降水或地表水通过包气带向下渗漏，补给含水层成为地下水，地下水又在重力作用下由水位高处向水位低处流动，最后在地形低洼处以泉的形式排出地表或直接排入地表水体，如此反复地循环就是地下水径流的根本原因。因此，天然状态下(除了某些盆地外)和开采状态下的地下水都是流动的。同时地下水的补给、径流和排泄是紧密联系在一起的，是形成地下水的一个完整的、不可分割的过程。

影响地下水径流的方向、速度、类型、径流量的因素主要有：1.含水层的空隙性；2.地下水的埋藏条件；3.补给量；4.地形；5.地下水的化学成分；6.人为因素。

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地下径流量常用地下径流模数M来表示，其意义为一平方公里含水层面积上的地下水流量(m／s·km，米／秒·平方公里)。 年平均地下径流模数可按下式计算：

2

式中 F—地下水径流面积(km)；

2

Q—一年内在F面积上的地下水径流量(m)。

地下径流模数是反映地下径流量的一种特征值，受到补给、径流条件的控制，其数值大小是随地区性和季节性而变比的。

需要说明的是，在一定条件下，地下水补给、径流和排泄是可以相互转化的。当一个地区自然条件发生改变或人工改变地下水状态时，地下水的径流方向会随着改变，补给区和排泄区也相应发生变化，甚至排泄区可变为补给区。这一点是在地下水循环研究中，应该引起注意的。

【例题8】下列不属于地下水排泄方式的是（ ）。 A. 泉 B. 河流 C. 蒸发 D. 降水 答案：D

【例题9】影响地下水径流的方向、速度、类型、径流量的主要因素中不包括（ ）。 A. 含水层的空隙性 B. 地下水的埋藏条件 C. 地形

D. 地表植被发育情况 答案：D

三、地下水向取水构筑物运动的计算

地下取水构筑物分水平取水构筑物和垂直取水构筑物两大类。水平取水构筑物有渗渠、沟、渗水管等；垂直取水构筑物管井、大口井等。根据垂直取水构筑物所处的含水层类型可分为泉水井和承压井，根据井所揭露含水层的程度和进水条件可分为完整井和非完整井。

【例题10】已知某地地层如下：①层0~10m为粉质粘土；②层10~20m为中砂层，含砾；③层20~25m为粘土层；④层25~32m为卵石层；以下为不透水泥岩。地下水位位于地表下7m，其中第②层为潜水含水层，第④层为承压水含水层。1、当管井深度为22m时，该井为（ ）。 A. 承压水完整井 B. 潜水完整井 C. 承压水非完整井 D. 潜水非完整井 答案：B

2、当管井深度为30m，并且只开采第④层地下水时，该井为（ ）。 A. 承压水完整井 B. 潜水完整井 C. 承压水非完整井 D. 潜水非完整井 答案：C

抽水井抽水前，井中水位与含水层中水位齐平。当从井中以定流量抽水时，井中水位由快到慢逐渐下降，井四周的含水层中水位也随之逐渐下降，形成一个向外扩展的降落漏斗。图10-6-2(a)表示剖面上含水层中形成的水位降落漏斗，(b)表示井水位降深s随时间t的变化过

程。

当地下水补给来源丰富时，抽水井以定流量开始抽水后，水位随着时间不断下降，属非稳定流；抽水过程进行到t1时，降深为s1；此时，抽水过程继续进行时，降深不再随时间增加，为稳定流。若地下水补给来源不多，而抽水量较大，就可能在抽水期间，水位降深一直在增加，无法达到稳定，为非稳定流。

对于地下水向取水井的稳定流运动，可根据裘布依(Dupuit)理论进行求解。

1.承压水完整井

根据裘布依的稳定流理论，可以把在无限含水层中的抽水情况设想为一半径为R的圆形岛状含水层的情况。岛边界上的水头保持不变。如从井中定流量抽水，地下水经过一定时间的非稳定运动后，降落漏斗扩展到岛的边界，周围的补给量等于抽水量，则地下水运动出现稳定状态。

据此，袭布依假设在均质各向同性、水平无限延伸、初始水头水平的含水层中有一完整井，水流作轴对称的径向渗流，水头在以井轴为中心的圆柱形过水断面上相等。在以半径为R的圆柱形断面上，水头保持不变，即降深等于零。同时水的运动符合达西定律。

此时，水流有如下特征：①水流为水平径向流，即流线为指向井轴的径向直线，等水头面为以井为共轴的圆柱面，并和过水断面一致；②通过各过水断面的流量处处相等，并等于井的流量。 上述径向流的水头分布方程可表示为：

边界条件为：

H=Ho (当r=R时) (16-6-9a) H=hw (当r=rw时) (16-6-9b) 据此，可得承压水完整井的稳定流裘布依公式：

式中Sw—井中水位降深； Q—抽水井流量； M—含水层厚度； K—含水层渗透系数； rw—抽水井的半径； R—影响半径。

以上两式称为裘布依公式。依据裘布依公式可以通过利用现场实测的Q、s、H、R、rw值计算含水层的渗透系数K或者根据s、H、R、rw、K值预测出水量Q。 2.潜水完整井

潜水完整井的裘布依假设条件与承压水完整井基本相同。所不同的是，潜水井抽水时形成的流线，从剖面上看在最接近水平隔水底板处流线近于水平，自下而上流线逐渐弯曲，最上面的流线是一条曲率最大的抛物线即潜水面。也可以说潜水面就是降落漏斗的界面，又称浸润曲线。等水位面为以井轴为中心的旋转曲面，这些旋转曲面便是地下水流向井的过水断面。它在井附近因水力坡度大，曲弯比较大，远离水井处，水力坡度逐渐变小，等水位面近似为圆柱面。远处水流的垂直流速很小可忽略不计，只考虑水平方向的流速，这样可把复杂的三维流问题近似为二维流问题来解。故对潜水井应用裘布依假设：认为流向井的潜水流是近似水平的，因而等水头面仍是共轴的圆柱面，并和过水断面一致。这一假设，在距抽水井附近一定范围内的区域是足够准确的。同时认为，通过不同过水断面的流量处处相等，并等于井的流量。

与承压水完整井相似，可以导出潜水完整井的裘布依公式。

式中 R为潜水井的影响半【例题11】利用裘布依公式计列各项中结果正确的是

径，其含义与承压水井相同。 算承压水完整井稳定流时下（ ）。

四、地下水的化学成分和化学性质

地下水的水质包括地下水的物理性质、化学成分及悬着物。由于补给来源及渗流路径的不同，造成了地下水的水质随时间及空间分布的变化而变化。因此，地下水的化学特征也为分析地下水形成的地质历史条件和过程提供了依据。同时，通过对水质变化分析，可以推演出地下水流动时所受到的土壤和岩石的影响，并借此可能揭示出埋藏于地下的矿床及其他沉积物。

无论是利用地下水或防治地下水的危害，都需要研究地下水的性质。作为供水水源时，不同行业有各自的水质要求；地下水的化学成分可以影响岩土的强度，从而造成对建筑工程的侵蚀及其他危害；地下水运动特征往往影响到废弃物地下处置的安全性。 地下水的物理性质一般是指：温度、颜色、透明度、嗅、味、比重及放射性等。 (一)地下水的化学成分

地下水中的化学成分主要以气体、离子及分子形式存在。到目前为止，地下水中已经发现的有60多种元素。各种元素在地下水中的含量取决于它们在地壳中的含量及其溶解度。如氧、钙、钾、钠、镁等元素在地壳中分布甚广，在地下水中最常见，而且含量亦最多。而有些元素如硅、铁等在地壳中分布虽广，但由于其溶解度小，所以在地下水中并不多见；相反，另一些元素如氯等，在地壳中含量虽少，但因其溶解度较大，所以在地下水中却大量存在。 1.地下水中的主要气体成分

地下水中溶解的气体有N2、O2、CO2、H2S、CH4及Rn(氡)等。一般情况下，地下水的气体含量不高，每公升只有几毫克到几十毫克。

2-地下水中的氧气和氮气主要来源于大气，它们随着大气降水及地表水补给地下水；而硫化氢是在缺氧的环境中由于微生物的作用，将SO4还原成H2S的。CO2来源于大气中的CO2，或有机物氧化以及深部碳酸盐岩石在高温下分解而成的。 2.地下水中的主要离子与分子成分

+++2+2+3+2+--2----2-3- 地下水中的阳离子主要有：H、Na、K、Ca、Mg、Fe及Fe等，阴离子主要有：OH、C1、SO4、NO、NO3、HCO3、CO3及PO4

++2+2+-2-3-等，但一般情况下在地下水化学成分中占主要地位的是以下六种离子：Na(K)、Ca、Mg、C1、SO4及HCO离子。它们是人们评价地下水

化学成分的主要项目。 --C1(氯离子)：几乎存在于所有的地下水中，其含量从每升地下水中数毫克到数百克不等。在含盐多的地下水中，C1含量常占优势，因此，--Cl常常是水中含盐量多寡的标志。C1来源主要是地下水溶解盐岩及含氯化物的其他矿物的结果。 2--2-SO4(硫酸根离子)：它是地下水中广泛存在的离子。其总含量在阴离子中仅次子C1。在每升地下水中SO4的含量变化范围由小于1毫克至

2-数克不等。SO4的主要来源是地下水溶解石膏(CaSO4·2H2O)及其他硫酸盐类沉积物或含硫矿物。

HCO3(重碳酸根离子)：地下水中广泛存在的阴离子，但其含量一般不超lg／l。因为HCO3主要来源于碳酸盐类岩石，而这类岩石的溶解度

-很小，只有当地下水中存在CO2时才较易溶于水。通常情况下，以HCO3为主要成分的地下水含盐量较少，一般为淡水。 ++

Na，K(钠、钾离子)：它们是地下水中分布最为广泛的阳离子，含量随着水中含盐量而变，可由每升地下水数毫克急剧增加到数十克。它

++

们主要是地下水溶解盐岩及含有该离子的岩石而得。相对Na而言K更易于被植物所吸收，也容易形成难溶于水的水云母等矿物，所以地

+

下水中K含量一般不大。

2+2+

Ca(钙离子)：在地下水中分布广泛，但含量不高，很少超过lg／1，因为Ca主要来源于地下水溶解碳酸盐类岩石，而这类岩石的溶解

2+2+

度很低，所以Ca只是低含盐量地下水的主要阳离子，随着含盐量的增高，Ca的相对含量很快减少。 2+2+

Mg(镁离子)：分布也很广泛，其主要来源是地下水溶解白云岩及泥灰岩的结果。镁盐的溶解度大于钙盐，但因为Mg易于被植物吸收，所

2+2+

以在地下水中Mg的含量一般比Ca为小。

【例题13】一般情况下在地下水化学成分中占主要地位的离子中不包括（ ）。

++

A. Na(K)

2+

B. Ca

2-

C. SO4

+

D. H

--

答案：D

(二)地下水化学成分的性质 1.总矿化度

地下水中所含各种离子、分子与化合物(不包括气体)之总和称为地下水的总矿化度，以克／升表示。它表明地下水中总含盐量的多少。地下水的总矿化度通常是以水样在105～110℃时蒸干后所得的干枯残余物的多少来表示。也可以通过理论计算求得，即把水样分析

-所得的全部离子、分子及化合物含量相加而得。但由于水分蒸干时一部分HCO3被破坏逸失：

--蒸干结果所得HCO3的含量只大约相当于实际含量的一半，因此，利用分析结果计算总矿化度时，HCO3只应取其含量的一半。

【例题14】地下水中所含各种离子、分子与化合物(不包括气体)之总和称为地下水的（ ）。 A. 总矿化度 B. 总硬度 C. 临时硬度 D. 永久硬度 答案：A 2.酸碱度

7+-地下水酸碱度用氢离子浓度或pH值来衡量。水的离解度很小，当水温为22C时，一千万(10)个水分子中仅有一个离解成H、OH，这时水

-14+-+--7+-的离子浓度积为10。纯水中，H和OH的浓度是相等的，即[H]=[OH]=10，水呈中性。水中H的离子浓度大于OH的浓度时，呈酸性。水

的酸碱性常用pH值来表示。pH值是水中氢离子浓度的负对数值，即：

+

Ph=-lg[H] (16-6-14)

+-7+-7+-7

当[H]为10时，pH=7说明水呈中性，当[H]大于10时，pH<7，说明水呈酸性。[H]小于10时，pH>7，说明水呈碱性。按pH值可将地下水划分为五类(如表16-6-2)。

【例题15】当地下水的PH值为4.5时，水的类型为（ ）。 A. 强酸性水 B. 弱酸性水 C. 中性水 D. 弱碱性水 答案：A 3.硬度

2+2+

地下水中钙镁离子的含量是以硬度来表征的。 地下水中Ca和Mg的含量超出一定指标时，对生活和工业用水都有较大影响，它使肥皂

2+2+

去污力下降；在锅炉中成垢，水垢不易传热，浪费燃料，甚至会因传热不均而引起爆炸。因此人们对水中的Ca、Mg含量给予了高度的重

2+2+

视。水中Ca、Mg含量的多少用“硬度”概念来表示。硬度可分为总硬度、暂时硬度和永久硬度。

按pH值划分的水的类型 表16-6-2

2+2+

总硬度：地下水中的含Ca、Mg离子的总量。

2+2+

暂时硬度：将水加热至沸腾，由于脱碳酸作用，使水中失去了一部分Ca、Mg，形成碳酸

2+2+

盐沉淀，这部分Ca、Mg的量叫做暂时硬度。

2+2+

水久硬度：指水煮沸后仍留在水中的Ca、Mg含量。永久硬度等于总硬度减去暂时硬度。

00

硬度的大小，可用毫克当量／升或德国度(H)为单位来表示。我国目前广泛采用德国度(H)表示方法。一个德国度相当于1升水中含有10mgCaO或7.2mgMgO。

2+2+

由于1升水中含CaO 28mg相当于1毫克当量，所以，1毫克当量的硬度相当于以德国度表示的硬度2.8度，于是；知道了Ca、Mg的毫克当量数，乘以2.8，即可换算成德国度。地下水按硬度可分为5类(见表16-6-3)。 【例题16】对于水的硬度的大小可用（ ）为单位来表示。

A. 毫克当量 B. 升 C. 矿化度 D. 德国度 答案：D

【例题17】地下水的总硬度是指（ ）。 A. 地下水中的所含离子的总量

2+2+

B. 地下水中的含Ca、Mg离子的总量

2+2+

C. 地下水中的含Ca、Mg等所有阳离子的总量

2--D. 地下水中的含SO4、Cl等阴离子的总量 答案：B

0

【例题18】当地下水的硬度为17.0H时，水的类别为（ ）。 A. 软水 B. 微软水 C. 硬水

D. 极硬水 答案：C

4.侵蚀性

溶解在地下水中的CO2，以游离形式存在，含有游离CO2的地下水可对混凝土产生侵蚀作用。

2+-CaCO3+CO2+H2O=Ca+2HCO3

上式为平衡方程式，用于维持这一平衡的CO2含量称为平衡CO2。如果水中CO2增加，超出平衡CO2含量，反应式就会向右进行，直到建立起新的平衡为止，这时新增加的CO2一部分将用于形成新的条件下的平衡，另一部分还游离的CO2，可促使上述平衡向右端进行，即

促使新的Ca CO3的溶解。

这部分游离的、将消耗于溶解CaCO3的CO2称为侵蚀性的CO2。它能溶解混凝土中的CaCO3使混凝土的结构遭受破坏。

地下水化学成分的分析内容是与地下水的用途密切相关的，作为供水水文地质勘察，一般进行简分析和全分析。此外，根据具体用途，还可以对地下水进行专项分析。

通过上述分析得到的各种离子分析结果以毫克／升表示的含量。根据这一含量可求得各种离

子的毫克当量数

检验分析结果的正确性，可以看水样分析结果中阴离子毫克当量／升的总和是否等于阳离子的毫克当量／升的总和。

分析结束后，应出具详细的分析报告，一个水样的分析报告应该包括以下几方面的内容：

1.水样采集地点及位置；2.物理性质；3.水样分析结果；4.试验有关人员等内容(详见表16-6-4)。

在水文地质报告中，常用库尔洛夫式表示水质类型，其具体表达方式是：将水质分析结果中，阴、阳离子的含量以毫克当量百分数的形式分别列于一个分子式的分子及分母上，且自左至右按毫克当量百分数大小顺序由大到小依次排列，离子符号的右下脚标写明该离

-34

子的毫克当量百分数值，其中HCO3写成HCO，SO4写成SO，空出右下脚以填写毫克当量百分数值。离子含量低于10％毫克当量百分数的略去不写。分子式的前端，以“M”下脚标的形式给出水体的矿化度，其单位规定为克／升。“M”符号的前面列出各种气体及特殊元素(如Br、I等)单位为克／升。分子式的右端则表示水的温度(T)，单位为摄氏度。据此，表16-6-4中水样的库尔洛夫式为：

库尔洛夫式表明水质特点简单明了，所以水文地质报告中常采用这种方法来表示水质成分。

根据库尔洛夫式确定水的类型时，只考虑毫克当量百分数大于25％的离子，如果不只一种离子超过25％，则命名时将含量小的放在前面。例如上例为HCO3-C1-Na型水。

【例题19】HCO3-C1-Na型水的表示方法采用的是（ ）。 A. 德国度式 B. 矿化度式 C. 总硬度式 D. 库尔洛夫式 答案：D

五、地下水对建筑材料腐蚀性的判别 (一)腐蚀类型

硅酸盐水泥遇水硬化，并且形成Ca(OH)2、水化硅酸钙CaOSiO2·12H2O、水化铝酸钙CaOAl2O3·6H20等，这些物质往往会受到地下水的腐蚀。根据地下水对建筑结构材料腐蚀性评价标准，腐蚀类型有三种： 1.结晶类腐蚀

根据《中华人民共和国法定计量单位》(中华人民共和国令，1984.2.27)之规定：“物质的量”应以“摩[尔](单位符号“mol”)来

表示。但考虑到后文要介绍的库尔洛夫式及舒卡列夫分类等方法需要用到毫克当量有关的单位，故本教材仍将沿用毫克当量等有关单位。为了让大家进一步明确各相关单位之间的换算关系，现将常用离子在已知mg／1为单位时，求取毫克当量／升、摩尔／升时的转换系数列于表16-6-5。

表中：每升毫克×Fl=每升毫克当量，每升毫克当量×F2=每升摩尔。

2-2- 如果地下水中SO4离子的含量超过规定值，那么SO4离子将与混凝土中的Ca(OH)2起反应，生成二水石膏结晶体CaSO4·2H2O，这种石膏再与水化铝酸钙发生化学反应，生成水化硫铝酸钙，这是一种铝和钙的复合硫酸盐，习惯上称为水泥杆菌。由于水泥杆菌结合了许多的结晶水，因而其体积比化合前增大很多，约为原体积的221.86％，于是在混凝土中产生很大的内应力，使混凝土的结构遭受破坏。 水泥中水化铝酸钙含量少，抗结晶腐蚀强，因此，要想提高水泥的抗结晶腐蚀，主要是控制水泥的矿物成分。 2.分解类腐蚀

- 地下水中含有CO2和HCO3，CO2与混凝土中的Ca(OH)2作用，生成碳酸钙沉淀。 Ca(OH)2=CO2+CaCO3+H2O

由于CaCO3不溶于水，它可填充混凝土的孔隙，在混凝土周围形成一层保护膜，能防止Ca(OH)2的分解。但是，当地下水中CO2的

-含量超过一定数值，而HCO3离子的含量过低，则超量的CO2再与CaCO3反应，生成重碳酸钙Ca(HCO3)2并溶于水，即：

2+- CaCO3+CO2=Ca+2HCO3

上述反应是可逆的：当CO2含量增加时，平衡被破坏，反应向右进行，固体CaCO3继续分解；当CO2含量变少时，反应向左移动，

-固体CaCO3沉淀析出。如果CO2和HCO3的浓度平衡时，反应就停止。所以，当地下水中CO2的含量超过平衡时所需的数量时；混凝土中的CaCO3就被溶解而受腐蚀，这就是分解类腐蚀。我们将超过平衡浓度的CO2叫侵蚀性CO2；地下水中侵蚀性CO2愈多，对混凝土的腐蚀愈强。

-地下水流量、流速都很大时，CO2易补充，平衡难建立因而腐蚀加快。另一方面，HCO3离子含量愈高，对混凝土腐蚀性愈弱。地下水的酸度过大，即pH值小于某一数值时，混凝土中的Ca(OH)2也要分解，特别是当反应生成物为易溶于水的氯化物时，对混凝土的分解腐蚀愈强烈。

3.结晶分解复合类腐蚀

+--2+

当地下水中NH4、NO3、Cl和Mg离子的含量超过一定数量时，与混凝土中的Ca(OH)2发生反应，例如： MgSO4+Ca(OH)2=Mg(OH)2+Ca SO4 (石膏) MgCl2+Ca(OH)2=Mg(OH)2+CaCl2

Ca(OH)2与镁盐作用的生成物中，除Mg(OH)2不易溶解外，CaCl2则易溶于水，并随之流失；硬石膏CaSO4，一方面与混凝土中的水化铝酸钙反应生成水泥杆菌：

3CaO·Al2O36H2O+3CaSO4+25H2O=3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O 另一方面，硬石膏遇水后生成二水石膏： CaSO4+2H2O=CaSO4·2H2O

二水石膏在结晶时，体积膨胀，破坏混凝土的结构。

综上所述，地下水对混凝土建筑物的腐蚀是一项复杂的物理化学过程，在一定的工程地质与水文地质条件下，对建筑材料的耐久性影响很大。

【例题20】地下水对建筑结构材料的腐蚀类型中不包括（ ）。 A. 结晶类腐蚀 B. 分解类腐蚀 C. 结晶分解类腐蚀 D. 电化学腐蚀 答案：D

2-【例题21】当地下水中的SO4离子的含量超过规定值时，建筑结构材料所发生的腐蚀主要以（ ）为显著。 A. 结晶类腐蚀 B. 分解类腐蚀

C. 结晶分解类腐蚀 D. 电化学腐蚀 答案：A

+--2+

【例题22】当地下水中NH4、NO3、Cl和Mg离子的含量超过一定数量时，与混凝土中的Ca(OH)2发生反应，此时所发生的腐蚀为（ ）。 A. 结晶类腐蚀 B. 分解类腐蚀 C. 结晶分解类腐蚀 D. 电化学腐蚀 答案：C

(二)腐蚀性评价标准

2-- 根据各种化学腐蚀所引起的破坏作用，将SO4离子的含量归纳为结晶类腐蚀性的评价指标：将侵蚀性CO2、HCO3离子和pH值归纳

2++-2--为分解类腐蚀性的评价指标；而将Mg、NH4、Cl、SO4、NO3离子的含量作为结晶分解类腐蚀性的评价指标。同时，在评价地下水对建筑

结构材料的腐蚀性时必须结合建筑场地所属的环境类别。建筑场地根据气候区、土层透水性、干湿交替和冻融交替情况区分为三类环境，见表16-6-6。

【例题23】分解类腐蚀性的评价指标当中不包括（ ）。 A. 侵蚀性CO2

-B. HCO3离子 C. PH值

2-D. SO4离子 答案：D

【例题24】作为结晶分解类腐蚀性的评价指标当中不包括（ ）离子的含量。

2+

A. Mg

2-

B. SO4

-

C. Cl

2+

D. Ca答案：D

【例题25】建筑场地划分环境类别的根据当中不包括（ ）。 A. 气候区

B. 干湿交替情况 C. 土层透水性 D. 地下水中离子情况 答案：D

地下水对建筑材料腐蚀性评价标准见表16-6-7～表16-6-9。

【例题26】某场地位于半干旱区，地下水位在地表下5m，属弱透水土层中的地下水，建筑物基础为桩基础，桩长为12m，水中SO4的含量为600mg/L，根据结晶类腐蚀评价标准判断地下水对桩基础的腐蚀等级为（ ）。 A. 无腐蚀性 B. 弱腐蚀性 C. 中腐蚀性 D. 强腐蚀性 答案：B

2-