地下水的分类

地下水的分类_土木工程地质

5.3　地下水的分类

地下水的分类方法很多，但归纳起来常用的分类方法有两种：一种是根据地下水的某一因素或某一特征进行分类；另一种是根据地下水的若干特征综合考虑进行分类。前一种分类方法一般按地下水的来源、水温、化学成分等特征分类。这种分类有较大的局限性，不能反映各特征间的内在联系。而后一种分类方法是根据地下水的某一主要特征，同时也兼顾到其他特征来进行分类。它比较全面地反映不同类型地下水的规律和特征，因此也称为综合分类法。

综合分类主要考虑地下水的埋藏条件和含水介质（空隙）类型。地下水按埋藏条件分为上层滞水、潜水和承压水；按含水介质（空隙）类型分为孔隙水、裂隙水和岩溶水。

将上述两种分类条件综合起来，可划分为9种复合类型的地下水，每种类型都有各自的特征，如表5－8所示。

表5－8　地下水分类表

续表

5.3.1　上层滞水、潜水和承压水

1）上层滞水

（1）上层滞水的概念

上层滞水是包气带中局部隔水层之上具有自由水面的重力水（见图5－3）。它是大气降水或地表水下渗时，受包气带中局部隔水层的阻隔聚集而成的。

图5－3　上层滞水及潜水埋藏图

在松散沉积物中，上层滞水分布于砂砾层内的黏性土透镜体之上；在基岩中分布于透水的裂隙岩层或岩溶岩层内的相对隔水夹层（如薄层页岩、泥灰岩等岩体）之上。

（2）上层滞水的特征

上层滞水埋藏浅，分布范围有限，其上无隔水层，具有如下特征。

①具有自由水面。

②上层滞水接近地表，补给区和分布区一致，直接接受当地大气降水或地表水的补给，以蒸发的形式排泄。

③受季节影响大，动态很不稳定；雨季获得补充，积存一定水量，旱季水量逐渐消耗，甚至干涸。

④上层滞水水量不大，季节变化强烈，富水性差，只能用于农村少量人口的供水及小型灌溉供水。

⑤上层滞水因接近地表易受污染。

⑥工程建设中上层滞水常突然涌入基坑威胁基坑施工安全。

2）潜水

（1）潜水的概念

潜水是埋藏于地表以下第一个稳定隔水层之上的具有自由水面的重力水（见图5－3）。潜水一般多储存在第四系松散沉积物中，也可以存在于裂隙基岩或可溶性基岩中，成为裂隙潜水和岩溶潜水。

潜水面任意一点的高程，称为该点的潜水位（H）。潜水面至地面的距离为潜水的埋藏深度（h）。自潜水面至隔水底板之间的垂直距离为含水层厚度（H0）。

（2）潜水的特征

根据潜水的埋藏条件，潜水具有以下特征。

①潜水具有自由水面，仅受大气压力，因此，也称为无压水。在重力作用下可以由水位高处向水位低处渗流，形成潜水径流。

②潜水的分布区和补给区基本上是一致的。在一般情况下，大气降水、地面水等都可以直接补给潜水。

③潜水的动态（如水位、水量、水温、水质等随时间的变化）随季节不同而有明显变化。如雨季降水多，潜水补给充沛，潜水面上升，含水层厚度增大，水量增加，埋藏深度变浅；而在枯水季节则相反。

④在潜水含水层之上因无连续隔水层覆盖，一般埋藏较浅，因此容易受到污染。

⑤规模大的潜水含水层是很好的供水水源。

⑥工程建设中埋深较浅的潜水可能造成施工困难，必要时需采取降水措施。地下室和地下建筑需要采取防水措施。

（3）潜水面的形状及其表示方法

①潜水面的形状：在自然界中，潜水面的形状因时因地而异，它受地形、地质、气象、水文等各种自然因素和人为因素的影响。一般情况下，潜水面不是水平的，而是向着邻近洼地（如冲沟、河流、湖泊等）倾斜的曲面。

潜水面的形状与地形有一致性，一般地面坡度越陡，潜水面坡度也越大。但潜水面坡度总是小于地面坡度，比地形要平缓得多。

当含水层的透水性和厚度沿渗流方向发生变化时，会引起潜水面形状的改变。在同一含水层中，当岩层的透水性随渗流方向增强或含水层度增大时，则潜水面形状趋于平缓，反之变陡，如图5－4所示。

气象、水文因素会直接影响潜水面的变化，如大气降水和蒸发，可使潜水面上升或下降。在某些情况下，地面水体的变化也会引起潜水面形状的改变。人为修建水库或渠道以及抽取或排除地下水，都会引起地下水位的升高或降低，改变潜水面的形状。

图5－4　潜水面形状与岩层厚度、透水性的关系

1—砂；2—砾石；3—隔水层；4—潜水流向

②潜水面的表示方法：常用潜水等水位线图和剖面图的方法清晰地表示潜水面的形状。两种方法常配合使用。

a.潜水等水位线图：它是指潜水面标高相等各点的连线图，也称为潜水面等高线图〔见图5－5（a）〕。潜水等水位线图一般在地形图上绘制。其绘制方法与绘制地形等高线图基本相同，即在大致相同的日期内测得潜水面各点（如井、泉、钻孔、试坑等）的水位资料，将水位标高相同的各点连线而成。

因为潜水面时刻都在变化，所以等水位线图要注明测定水位的日期。通过不同时期内等水位线图的对比，有助于了解潜水的动态变化。

b.剖面图：在具有代表性的剖面方向上，按一定比例尺，根据地形、钻孔、试坑或井、泉的地层柱状图资料，绘制潜水剖面图〔见图5－5（b）〕，也称为水文地质剖面图。剖面图可以反映出潜水面与地形、含水层岩性及厚度、隔水层底板等的变化关系。

（4）潜水等水位线图的用途

潜水等水位线图具有重要意义，利用潜水等水位线图可以解决如下问题。

①确定潜水的流向。因为潜水是沿着潜水面坡度最大的方向流动，所以垂直等水位线从高水位指向低水位的方向，即为潜水的流向，常用箭头表示，如图5－5所示。

②确定潜水的埋藏深度。某地点的地面标高与该点的潜水位标高之差，即为该点的潜水埋藏深度。根据各点的埋藏深度还可以作出潜水埋藏深度图。

③确定潜水面的水力坡降。在潜水流向上任取两点得水位差，与水的渗流路径之比，即为潜水的水力坡降。一般潜水的水力坡降很小，常为千分之几至百分之几。

④确定潜水与地表水的相互关系。在近河地段等水位线图上可以看出，潜水与河水有以下关系：潜水补给河水，如图5－6（a）所示，潜水面倾向河流，多见于河流的中上游山区；河水补给潜水，如图5－6（b）所示，潜水面背向河流，多见于河流的下游；一岸河水补给潜水，另一岸为潜水补给河水，如图5－6（c）所示，即潜水面一岸背向河流，另一岸倾向河流。

图5－5　潜水等水位线图（a）及水文地质剖面图（b）

1—砂土；2—黏性土；3—地形等高线；4—潜水等水位线；5—河流及流向；6—潜水流向；7—潜水面；8—下降泉；9—钻孔（剖面图）；10—钻孔（平面图）；11—钻孔编号；12—I－I′剖面线

⑤确定含水层的厚度。若在等水位线图上有隔水底板等高线时，则可确定任一点的含水层厚度，其值为潜水位标高与隔水底板标高之差。

⑥推断含水层透水性及厚度的变化。潜水自透水性较弱的岩层流入透水性强的岩层时，潜水面坡度由陡变缓，等水位线由密变疏；相反，潜水面坡度便由缓变陡，等水位线由疏变密。潜水含水层岩性均匀，当流量一定时，含水层薄的地方水面坡度变陡，含水层厚的地方水面坡度变缓，相应的等水位线便密集或稀疏。

⑦确定泉水出露点和沼泽化的范围。在潜水等水位线和地形等高线高程相等处，是潜水面到达地面的标志，也是泉水出露和形成沼泽的地点。

图5－6　潜水与河流的关系示意图

（a）潜水补给河流；（b）河流补给潜水；（c）左岸潜水补给河流，右岸河流补给潜水

⑧确定取水工程位置。根据等水位线图的资料，还可以合理布置给水或排水建筑物的位置，一般应在平行等水位线（垂直于流向）和地下水汇流处，开挖截水渠或打井。

图5－7　承压水埋藏示意图

H—承压水头；M—含水层厚度；H₂—承压水位标高；H₁—隔水顶板标高；h—承压水位埋深

3）承压水

（1）承压水的概念

承压水是充满于两个稳定隔水层（或弱透水层）之间的地下水，是一种有压重力水（见图5－7）。

承压水含水层上部的隔水层称为隔水顶板；下部的隔水层称为隔水底板；顶、底板之间的垂直距离称为承压含水层的厚度（M）。在承压水分布区钻孔时，钻穿隔水顶板后才能见到水面，此时的水面高程为初见水位（H1）；以后水位不断上升，达到一定高度便稳定下来，该水面高程称为承压水位（即测压水位H2）。一般承压水位低于地面的称为负水头，高出地面的称为正水头。承压水在适宜的地形条件下，可以溢出地表甚至自喷，自喷的区域称为自流区。承压水位高出隔水顶板底面的距离称为承压水头（H）；地面标高与承压水位的差值称为承压水位埋深；将各点承压水位连成的面称为承压水面。

（2）承压水的特征

承压水一般埋藏较深，上覆隔水顶板，与外界联系较差。其埋藏条件决定了它与潜水具有不同的特征。

①承压水具有承压性能，其最重要的特征是没有自由水面。

②由于隔水顶板的存在，承压水含水层分布区与补给区不一致，补给区常远小于分布区。

③承压水动态受气象、水文因素的季节性变化影响不显著，其含水层水量比较稳定。

④承压水不易受到地面污染。

⑤规模大的承压水含水层是很好的供水水源，其卫生条件可靠。

⑥在工程建设中承压水能引起基坑突涌，破坏基坑的稳定性。

（3）承压水的埋藏类型

承压水的形成主要决定于地质构造。在适宜的地质构造条件下，无论是孔隙水、裂隙水或岩溶水均能构成承压水。适宜形成承压水的蓄水构造（蓄水构造是指适宜蓄存、富集地下水的一种地质构造）大体可分为两类：一类是盆地或向斜蓄水构造，称为承压（或自流）盆地；另一类是单斜蓄水构造，称为承压（或自流）斜地。

①承压水盆地：按水文地质特征分成补给区、排泄区和承压区三个组成部分（见图5－8）。

图5－8　向斜盆地中的承压水

1—隔水层；2—含水层；3—地下水位；4—地下水流向；5—泉（上升泉）；6—钻孔，虚线为进水部分；7—自流孔；8—大气降水补给；H—承压水头；M—含水层厚度

补给区一般位于盆地边缘地势较高处，含水层出露地表，可直接接受大气降水和地表水的入渗补给；排泄区一般位于盆地边缘的低洼地区，地下水常以泉的形式，排泄于地表。承压区一般位于盆地中部，是含水层被隔水层覆盖的地区，分布范围广，承受静水压力。承压区地形较低洼的部位当承压水位高出地表时可形成自流区。

②承压水斜地：承压水斜地的形成分三种情况。

第一种是含水层被断层所截而形成的承压斜地。单斜含水层的上部出露地表成为补给区。下部被断层切割，若断层不导水，则向深部循环的地下水受阻，在补给区能形成泉排泄。此时补给区与排泄区在相邻地段。若断层是导水的，断层出露的位置又较低时，承压水可通过断层排泄于地表，此时补给区与排泄区位于承压区的两侧，与承压盆地相似〔见图5－9（a）、（b）〕。

图5－9　断裂构造及岩相变化形成的承压斜地

1—隔水层；2—含水层；3—泉；4—地下水流向；5—导水断层；6—隔水断层

第二种是含水层岩性发生相变和尖灭、裂隙随深度增加而闭合，使其透水性在某一深度变弱（成为不透水层）形成承压斜地。此种情况与阻水断层形成的承压斜地相似〔见图5－9（c）〕。

第三种是侵入岩体阻截形成的承压斜地。各种侵入岩体（如花岗岩、闪长岩等），当它们侵入到透水性很强的岩层中并处于含水层下游时，便起到阻水作用而形成承压斜地。

承压水盆地和承压水斜地在我国分布非常广泛。根据其地质年代和岩性的不同，可分为两类：一类是第四系松散沉积物构成的承压水盆地和承压水斜地，广泛地存在于山间盆地和山前平原中；另一类是第四系以前坚硬岩层构成的承压水盆地和承压水斜地。

（4）承压水等水压线图

承压水面上高程相同点的连线，称为承压水等水压线图（见图5－10）。承压水等水压线图的绘制方法，与潜水等水位线图相似。在某一承压含水层内，将一定数量的钻孔、井、泉（上升泉）的初见水位（或含水层顶板的高程）和稳定水位（即承压水位）等资料，绘在一定比例尺的地形图上，用内插法将承压水位等高的点相连，即得等水压线图。

承压水等水压线图可以反映承压水（位）面的起伏情况。承压水（位）面和潜水面不同，潜水面是一个实际存在的地下水面，而承压水（位）面是一个势面，这个面可以与地形极不吻合，甚至高出地面。只有当钻孔打穿上覆隔水层至含水层顶面时才能测到。因此，承压水等水压线图通常要附以含水层顶板等高线。

图5－10　承压含水层等水压线图

1—地形等高线（m）；2—含水层顶板等高线（m）；3—等水压线（m）；4—地下水流向；5—承压水溢区；6—钻孔；7—自流井；8—含水层；9—隔水层；10—承压水位表；11—钻孔；12—自流井

（5）承压水等水压线图的用途

根据承压水等水压线图，可以分析确定如下问题。

①确定承压水的流向。承压水的流向应垂直等水压线，常用箭头表示，箭头指向较低的等水压线。

②确定承压水位距地表的深度。可由地面高程减去承压水位得到。这个数字越小，开采利用越方便；该值是负值时，表示水会自溢于地表。据此可选定开采承压水的地点。

③确定承压含水层的埋藏深度。用地面高程减去含水层顶板高程即得。

④确定承压水头的大小。承压水位与含水层顶板高程之差，即为承压水头高度。据此，可以预测开挖基坑和洞室时的水压力。

⑤计算承压水某地段的水力坡降，也就是确定承压水（位）面水力坡降。在流向方向上，取任意两点的承压水位差除以两点间的距离，即得该地段的平均水力坡降。

5.3.2　孔隙水、裂隙水、岩溶水

1）孔隙水

孔隙水存在于松散岩土的孔隙中，这些松散岩土层包括第四系和基岩风化壳。它多呈均匀而连续的层状分布。孔隙水的存在条件和特征取决于岩土的孔隙情况，因为岩土孔隙的大小和多少，不仅关系到岩土透水性的好坏，而且也直接影响到岩土中地下水量的多少，以及地下水在岩土中的运动条件和地下水的水质。一般情况下，颗粒大而均匀，则含水层孔隙也大、透水性好，地下水水量大、运动快、水质好；反之，则含水层孔隙小、透水性差，地下水运动慢、水质差、水量也小。

孔隙水由于埋藏条件不同，可形成上层滞水、潜水或承压水，即分别称为孔隙—上层滞水、孔隙—潜水和孔隙—承压水。

2）裂隙水

埋藏在坚硬岩石裂隙中的地下水称为裂隙水。它主要分布在山区和第四系松散覆盖层下面的基岩中，裂隙的性质和发育程度决定了裂隙水的存在和富水性。岩石的裂隙按成因可分为风化裂隙、成岩裂隙和构造裂隙三种类型，相应地也将裂隙水分为三种，即成岩裂隙水、风化裂隙水和构造裂隙水。

（1）成岩裂隙水

成岩裂隙为岩石在形成过程中所产生的空隙，一般常见于岩浆岩中。喷出岩类的成岩裂隙尤以玄武岩最为发育，这一类裂隙在水平和垂直方向上，都较均匀，亦有固定层位，彼此相互连通。侵入岩体中的成岩裂隙，通常在其与围岩接触的部分最为发育。而赋存在成岩裂隙中的地下水称为成岩裂隙水。

喷出岩中的成岩裂隙常呈层状分布，当其出露地表，接受大气降水补给时，形成层状潜水。它与风化裂隙中的潜水相似。所不同的是分布不广，水量往往较大，裂隙不随深度减弱，而下伏隔水层一般为其他的不透水岩层；侵入岩中的裂隙，特别是在与围岩接触的地方，常由于裂隙发育而形成富水带。

成岩裂隙中的地下水水量有时可以很大，在疏干和利用上，皆不可忽视，特别是在工程建设时，更应予以重视。

（2）风化裂隙水

赋存在风化裂隙中的水为风化裂隙水。风化裂隙是由岩石的风化作用形成的，其特点是广泛地分布于出露基岩的表面，延伸短，无一定方向，发育密集而均匀，构成彼此连通的裂隙体系，一般发育深度为几米到几十米，少数也可深达百米以上。风化裂隙水绝大部分为潜水，具有统一的水面，多分布于出露基岩的表层，其下新鲜的基岩为含水层的下限。水平方向透水性均匀，垂直方向随深度而减弱。风化裂隙水的补给来源主要为大气降水，其补给量的大小受气候及地形因素的影响很大，气候潮湿多雨和地形平缓地区，风化裂隙水较丰富，常以泉的形式排泄于河流中。

（3）构造裂隙水

构造裂隙是由于岩石受构造运动应力作用所形成的，而赋存于其中的地下水就称为构造裂隙水。由于构造裂隙较为复杂，构造裂隙水的变化也较大，一般按裂隙分布的产状，又将构造裂隙水分为层状裂隙水和脉状裂隙水两类。

层状裂隙水埋藏于沉积岩、变质岩的节理及片理等裂隙中。由于这类裂隙常发育均匀，能形成相互连通的含水层，具有统一的水面，可视为潜水含水层。当其上部被新的沉积层所覆盖时，就可以形成层状裂隙承压水。脉状裂隙水往往存在于断层破碎带中，通常为承压水性质，在地形低洼处，常沿断层带以泉的形式排泄。其富水性决定于断层性质、两盘岩性及次生充填情况。经研究证明，一般情况下，压性断层所产生的破碎带不仅规模较小，而且两盘的裂隙一般都是闭合的，裂隙的富水性较差。当遇到规模较大的张性断层时，两盘又是坚硬脆性岩石，则不仅破碎带规模大，且裂隙的张开性也好，富水性强。当这样的断层沟通含水层或地表水体时，断层带特别是富水优势断裂带兼具贮水空间、集水廊道及导水通道的功能，对地下工程建设危害较大，必须给予高度重视。

3）岩溶水

埋藏于溶隙中的重力水称为岩溶水。岩溶水可以是潜水，也可以是承压水。一般说来，在裸露的石灰岩分布区的岩溶水主要是潜水；当岩溶化岩层被其他岩层所覆盖时，岩溶潜水可能转变为岩溶承压水。

岩溶的发育特点也决定了岩溶水的特征。岩溶水具有水量大、运动快、在垂直和水平方向上分布不均匀的特性，其动态变化受气候影响显著，由于溶隙较孔隙、裂隙大得多，能迅速接受大气降水补给，水位年变幅有时可达数十米。大量岩溶水以地下径流的形式流向低处，集中排泄，即在谷地或是非岩溶化岩层接触处以成群的泉水出露地表，水量可达每秒数百升，甚至每秒数立方米。

在建筑场地内有岩溶水存在，不但在施工中可能会有突然涌水的事故发生，而且对建筑物的稳定性也可能有很大影响。因此，应根据工程勘察结果，进行适当防治。