工程地质学与水文地质学讲义

工程地质学与

水文地质学讲义

学院：环境与建筑工程学院

专业：城市规划

课程类别：任选课

教师：何书

日期：2005年8月

总的教学安排

专业：城市规划

课程类别：任选课

总学时：32学时

上课时间：2005 – 2006年度第一学期1- 8周，周一7、8节；周三3、4节

上课地点：综合楼房115教室

实践环节：野外地质实习一次

教材：《工程地质学》，1999，李中林主编，华南理工大学出版社参考教材：《普通地质学》，1995，夏邦栋主编，地质出版社；《水文地质学基础》，1986，王大纯，地质出版社；《工程地质学》，2001，孙宪立主编，中国建筑工业出版社

教学纲要及学时分配

§1 绪论（2学时）

第一部分基础地质知识（10学时）

§2 地壳（1学时）

§3 矿物与岩石（3学时）

§4 地质构造（6学时）

第二部分水文地质（6学时）

§5 地下水概述（2学时）

§6 地下水的类型及其特征（2学时）

§7 地下水运动的基本规律（2学时）

第三部分岩土的工程地质特征（6学时）

§8 土的物质组成及物理力学性质（2学时）

§9 土的工程地质分类及其特征（2学时）

§10 岩石与岩体的工程地质性质（2学时）

第四部分不良地质现象的工程地质问题（4学时）

§11 常见不良地质现象（2学时）

§12 不良地质现象对地基稳定性及地下工程选址的影响（2学）第五部分工程地质勘察（2学时）

§13 工程地质勘察及方法

§1 绪论

§1.1 地球科学、地质学、工程地质学与水文地质学

一、地球科学与地质学概念

1、地球科学：简称地学，是人类认识、利用和改造人类目前唯一生存环境的关于地球的基础科学。它包括了地理学、天文学、气象学、海洋学、生态学和地质学等多个分支学科。

2、地质学：一门研究地球的科学，目前主要研究固体地球的上层，即地壳和地幔的上部。（简单介绍地球的形状及特点，包括形状、大小、形成时间）

二、工程地质学与水文地质学的概念及研究对象

1、工程地质学：是介于地学与工程学之间的一门边缘交叉学科，它是一门研究与工程建设有关的地质问题的学科。——目的就是使工程建筑与地质环境互相协调，既要保证工程建筑安全可靠、经济合理、运行正常，又要保证地质环境不会因工程的兴建而恶化，造成对工程建筑本身以及周围环境的危害。

2、水文地质学：

圈、大气圈、水圈、生物圈以及人类活动）影响下，数量和质量在时间和空间上的变化规律，并在此基础上，研究如何应用这一规律有效地利用地下水和调节地下水以兴利避害。——“找水”“地下水资源”“水与环境”

——工程地质学和水文地质学是地质学的分之学科，研究的是地质学的应用问题。

§1.2 工程地质条件与工程地质问题

一、工程地质条件

1、定义：与工程建筑有关的地质要素之综合，包括地形地貌条件、岩土类型及其工程地质性质、地质构造与地应力、水文地质条件、物理（自然）地质现象、以及天然建筑材料等六个要素。

2、工程地质条件是一个综合的概念，任何一个单一要素，或单独一两个要素不能称之为工程地质条件。一地的工程地质条件各要素之是相互联系、相互制约的，这是因为它们受着同一地质发展历史的控制，形成一定的组合模式。

——认识工程地质条件必须从基础地质入手，了解地区的地质发展历史，各要素的特征及其组合的规律性

二、工程地质问题

1、定义：工程建筑与工程地质条件（地质环境）相互作用、相互制约引起的，对建筑本身的顺利施工和正常运行或对周围环境可能产生影响的地质问题称之为工程地质问题。

2、工程地质评价，工程地质结论，处理措施方案都是通过工程地质问题分析才能得出，可以说工程地质问题分析是工程地质工作的中心环节。

3、工程地质问题要“吃透两头”：一头是“工程意图”，即工程设计人员对建筑物的机构和规模的构想，以便了解工程的要求；另一头是工程地质条件，哪些因素是有利的，哪些是不利的，深刻认识客观情况。

4、各类建筑物的结构型式不同，其工作条件和工程作用力的大小方向不同，与地质环境的相互作用的特点亦不同，因为各有其工程地质问题。

§1.3 工程地质学的任务与实际意义

一、工程地质学的任务：

1、为工程建设进行地质研究，提供工程规划、设计、施工所需的地质资料，回答工程上所遇到的各种地质问题，满足工程上对地质的要求，以保证建筑物的安全可靠、经济合理、运行正常。

2、施工之前必须先进行设计，设计之前必须先进行勘察，而勘察是贯穿于整个工程的。

3、要完成工程地质学的基本任务，还需通过下列具体勘察任务：

（1）研究建筑地区的工程地质条件，指出有利因素和不利因素，阐明工程地质条件特征及其变化规律；

（2）分析存在的工程地质问题，做出定性分析，并在此基础上进行定量分析；

（3）选择地质条件较为优越的建筑场地；

（4）对选定的建筑场地做出工程地质评价；

（5）预测工程兴建后对周围地质环境造成的影响，做出环境质量评价；

（6）改造地质环境，进行工程地质处理，提高岩土体稳定性，保护环境质量。

二、工程地质学的实际意义

工程建筑的最基本要求就是安全可靠，不受破坏，看几个实例：

1、美国加利福尼亚州的圣弗朗西斯坝为一高70米的混凝土坝，修成蓄水两年，于1928年被冲垮。原因就是坝基部分存在泥质胶结的并含有石膏脉的砾石，遇水易受溶蚀崩解，成为坝基的弱点。如果做好地质工作，弱点是

可以查清的，也可以避免悲剧的发生。———岩体稳定性问题。

2、我国有一个工厂修建的很好，但是由于工程地质勘察工作做的不够，整个工厂位于滑坡上，建厂后滑坡活动加剧，建筑物受到破坏，无法正常生产。（用图说明）

§1.4 与矿山相关的水文地质与工程地质问题：

一、水文地质问题：

1、矿坑涌水问题：分露天和井下，涌水量的计算。

涌水来源及其地下水在矿区的储存和运动规律。

2、矿区饮水问题，水质问题。

二、工程地质问题：

1、各种地表的不良工程地质现象：泥石流、滑坡、地面塌

陷、崩塌。

2、岩石稳定性问题：露天边坡和井下围岩稳定性问题。

参考教材：

《普通地质学》，1995，夏邦栋主编，地质出版社；

《水文地质学基础》，1986，王大纯，地质出版社；

《工程地质学》，2001，孙宪立主编，中国建筑工业出版社

§2 地壳

§2.1 地球的形状

一、人类对地球形状的认识

1、最早预测地球的形状和大小的人：公元前3世纪，古希腊的厄拉多塞。基于同一时间位于埃及的两个距离800公里的城市，太阳照射的角度是不同的，于是他推测地球是球体。

2、我国最早，战国时期的哲学家惠施，提出地球是圆的。

3、1519年，葡萄牙航海家麦哲伦环球航行，人类第一次证实了地球是个球体。

二、地球的形状

通过实测和分析，终于得到确切的数据：地球的平均赤道半径为6738.14公里，极半径为6356.76公里，赤道周长和子午线方向的周长分别为40075公里和39941公里。测量还发现，北极地区约高出18.9米，南极地区则低下24～30米。

看起来，地球形状像一只梨子：它的赤道部分鼓起，是它的“梨身”；北极有点放尖，像个“梨蒂”；南极有点凹进去，像个“梨脐”，整个地球像个梨形的旋转体，因此人们称它为“梨形地球” 。其实地球确切地说，是个三轴椭球体。

§2.2 地球的圈层构造

地球不是一个均质体，而是一个具有圈层构造的球体。

以地表为界，分为外圈层和内圈层：

一、外圈层

1、大气圈：气体圈层，包裹着陆地和海洋

2、水圈：包括地表水和地下水

3、生物圈：生物生存和活动范围

二、内圈层

固体地球由外往里分为：地壳、地幔和地核：

1、莫霍面：位于地下数公里到30 - 40公里，地壳和地幔的分界面(南斯拉夫学者莫霍洛维奇)

2、古登堡面：位于地下约2900公里，地幔和地核的分界面（美国地球物理学学家）

地壳：上为硅铝层，下为硅镁层

地幔：根据化学成分的不同分为两层：上层——化学成分主要是硅氧；下层——主要是金属氧化物和硫化物组成

地核：主要化学成分是铁、镍

§2.3 地壳中的元素和克拉克值

通过大量岩石组分分析，地壳中主要元素含量由大到小：

O、Si、Al、Fe、Ca、Na、K、Mg、Ti、H，这几种元素占到地壳总重量的98%以上。其中O占到46.3%，Si占到28.15%。

克拉克值：元素在地壳中的平均质量百分数。

§3 矿物与岩石

§3.1 矿物

一、矿物的基本概念：

1、矿物：自然产出并具有一定的化学成分和内部构造的物质

矿物绝大多数是固体，少量呈液态（水、水银）、气态（天然气、硫化氢）。

2、造岩矿物：构成岩石的主要矿物（矿物多达3000多种，但构成岩石的矿物只有二十多种）

3、晶体：内部质点呈有序排列（既在三维空间周期性重复排列）。外表常呈一定形态，几何外形：如岩盐为正方体、方解石为菱面体、云母呈片状等等。

4、在自然中，晶质矿物很少以单体出现，常以集合体形态出现：晶簇（cu）、纤维状、粒状、鲕状、土状，块状等。

二、矿物的物理性质

矿物的物理性质取决于矿物的化学成分和晶体构造，因此，矿物的物理性质是肉眼鉴定矿物大主要依据。

1、颜色

矿物对不同波长的可见光波吸收和反射程度的反映。可分为自色、他色、假色。

2、条痕

矿物粉末的颜色。条痕显示自色

3、光泽

矿物表面对可见光反射的能力。根据矿物光泽的强弱分为：金属光泽、半金属光泽、非金属光泽。

4、透明度

矿物容许可见光透过的能力。通常是指把矿物磨成0.03mm的薄片的情况下。分透明、半透明、不透明三个级别。

5、硬度

矿物抵抗外力刻划、压入、研磨的能力。摩氏硬度计（相对硬度）：

（1）滑石（2）石膏（3）方解石（4）萤石（5）磷灰石

（6）正长石（7）石英（8）黄玉（9）刚玉（10）金刚石

指甲（2-2.5）小铁刀（3-3.5）玻璃片（5-5.5）钢刀（6-6.5）

6、解理和断口

矿物受打击后，能沿一定方向裂开成光滑平面的性质，称为解理。裂开的光滑面称为解理面，如方解石。极完全解理、完全解理、中等解理、不完全解理。

矿物受打击后，沿任意方向发生不规则的断裂，其凹凸不平的断裂面称为断口。如石英，贝壳状断口。

三、常见造岩矿物及鉴别方法

肉眼鉴定：先确定矿物的硬度、光泽、解理和比重；然后观察矿物的颜色、形态和透明度；并注意矿物是否具有磁性、发光性或挠性，如酸是否起泡等特征，逐步缩小范围，最后定出矿物的名称。

§3.2 岩石（自学为主）

岩石：在各种地质作用下，由一种或几种矿物组成的集合体。

自然界有各种各样的岩石，按成因分类，可分为三类：岩浆岩、沉积岩、变质岩

一、岩浆岩（在地表分布约占20%，体积占地壳65%）

1、定义：地幔中具有挥发性成分的高温硅酸盐熔融体，即岩浆，沿着地壳岩石的裂缝上升到地壳中或喷出地表，热量逐渐消失，最后冷却凝固而成的岩石。

2、产状：岩浆岩体的形状、大小、深度以及与围岩的关系。有岩基、岩株、岩盆和岩盘、岩墙、岩床。见书14页

3、矿物成分：

1）硅铝矿物：SiO2、Al2O3含量高，不含铁、镁，矿物颜色比较浅，又称浅色矿物；

2）硅镁矿物：SiO2、Al2O3含量低，而FeO、MgO含量高，矿物颜色较深，又称深色或暗色矿物。

4、结构和构造：

1）结构：指组成岩浆岩的矿物颗粒大小和结晶程度等。在实际工作中，结构一般着重微观的室内研究。

常见的有等粒结构、不等粒结构（斑状和似斑状结构：大的矿物颗粒散布于小颗粒之中，大的叫斑晶，小的叫基质，若基质为显晶质，则为似斑状结构）

2）构造：指岩石外表的整体特征，它是由矿物集合体的排列方式和充

填方式决定的。

常见的有块状构造、流纹状构造、气孔状构造、杏仁状构造。

5、岩浆岩的分类：自学(讲解一块标本，花岗岩)按SiO2含量分为四大类：超基性岩、基性岩、中性岩、酸性岩。见P16

二、沉积岩（在地表分布约占75%，体积约占7.9%）

1、定义：母岩的风化物质、火山物质、有机物质以及宇宙物质等，经过水、风等介质搬运以后，在一定条件下沉积下来，再经过成岩作用形成的岩石。

2、沉积岩的物质组成：

沉积岩有两部分组成：沉积物颗粒和胶结物。沉积物颗粒主要是单矿物和岩屑（先成的岩浆岩、沉积岩和变质岩经物理风化作用产生的岩石碎屑）组成。

1）矿物成分：碎屑矿物、粘土矿物和化学沉积矿物

2）胶结物：泥质胶结、钙质胶结、硅质胶结和铁质胶结。含量超过25%可参与命名。

3、沉积物的结构和构造：

1）结构：由其组成物质的形态、性质、颗粒大小来决定的。碎屑结构、泥质结构、结晶结构和生物结构

2）构造：指其组成部分的空间分布及其相互间的排列关系。最主要的构造就是层理构造。见P19

4、沉积岩的分类

根据沉积岩的成因、物质成分及结构构造等，可将沉积岩分为三大类：碎屑岩类、粘土岩类和化学及生物化学岩类。

三、变质岩

1、定义：地壳内部原由的岩石，由于受到高温、高压或化学流动性流体的作用下，导致其成分、结构和构造发生改变，形成的新岩石。

2、变质岩的矿物成分：

一部分是与岩浆岩和沉积岩共有的矿物，主要有石英、长石、云母等；另一部分是变质岩所特有的矿物：石榴子石、红柱石、蓝晶石等。

3、变质岩的结构和构造

1）结构：变余结构、变晶结构和压碎结构

2）构造：片理构造（片状构造、千枚状构造和片麻状构造）、块状构造。

4、变质岩的分类：

按变质岩的成因分为三大类：区域变质岩、接触变质岩和动力变质岩。

§4 地质构造

§4.1 地质年代

一、地质年代的概念：

1、定义：地质体形成或地质事件发生的时代。

2、两层含义：

1）地质体形成或地质事件发生的先后顺序；

2）地质体形成或地质事件发生距今多少年。

前者称为相对年代，后者成为绝对年代。

二、相对地质年代的确定

1、地层层序律：

原始产出的地层具有下老上新的规律（用图说明）

地层：在一定地质时期内所形成的层状岩石，层状岩石泛称岩层。

2、生物层序律：

化石：埋藏在岩层中的古生物遗体或遗迹称为化石。

动物的骨骼、甲壳、足迹、蛋、粪以及植物的根茎、叶或其痕迹均可以成为化石。

一般地，年代越老的地层中所含生物越简单、原始、低级，不同时期的地层中含有不同类型的化石及其组合，而在相同的时期且在相同的地理环境中形成的地层，只要原先的海洋或陆地相通，都含有相同的化石及其组合，这就是生物层序律。

3、切割律或穿插关系

切割者新，被切割者老；包裹者新，被包裹者老。

三、同位素地质年代确定法

它是根据岩石中所含的放射性同位素和它的蜕变产物的相对含量来确定的。比如：U235——Pb207,1g铀在一年内可以蜕变出7.4×10-9g铅，根据含铀矿物或岩石中的铅铀比率，即可测出该含铀矿物或岩石的实际形成地质年代。

四、地层单位

1、地质年代单位和年代地层单位

地质年代单位年代地层单位：

(以地质时期中的时间为依据) （以地层形成的地质时代作为划分的依据）

宙宇

代界

纪系

世统

2、岩石地层单位：

在一个新的地区进行地层工作的时候，首先应根据岩性特征在垂直方向上的差异，将地层分层，建立起地层系统和层序，这样划分出来的地层单位称为岩石地层单位。

群（总体外貌特征一致）、组（一种岩石组成，两种或更多种互层）、段（岩性相当一致）。

五、地质年代表：（见P29）

1、年代越老者延续时间越长，越新者越短。

2、纪以下一般分三世，二叠、白垩和第四纪分两世，第三纪分五世。

3、前寒武纪地层由于形成时间较早，研究难度较大，划分对比粗略，故其

长期未能统一。

4、只能称早、中、晚世，上、中、下统。

§4.2 岩层产状及其测定

一、水平岩层和倾斜岩层

1、水平岩层：倾角小于5度的岩层

2、倾斜岩层：沉积岩层由于水平运动的影响，改变了原始状态，形成倾角大于5度的岩层

二、岩层的产状

1、走向：岩层层面与水平面的交线称为该岩层的走向线，走向线所指的方向即走向

2、倾向：在岩层层面上垂直岩层走向线的射线叫做岩层的倾斜线，倾斜线在水平面上的投影，叫倾向先，倾向线所指的方向即为倾向。

3、倾角：岩层层面与水平面之间的二面角，即倾斜线与倾向线之间的夹角。

三、岩层产状的测定与表示方法

1、岩层产状的测定：

2、岩层产状的表示方法：

通常采用方位角法，即只记倾向与倾角。

§4.3 地壳运动

一、定义：又称构造运动，是由于地壳的内部原因（重力、地内热能等）和外部原因（行星引力）引起地壳形态的变化的运动。

二、基本类型：

1、升降运动：此起彼伏，相互补偿（局部）

2、水平运动：地壳以水平运动为主。

两种主要观点：1）板块学说地幔对流学说；2）李四光，地质力学观点。关键在动力来源的问题上产生分歧。

§4.4 岩层的接触关系（用图说明）

一、整合关系

新老地层大致平行，沉积岩岩性与生物变化都呈渐变关系，它们是连续沉积的。

二、不整合关系

1、平行不整合关系：上下两套地层的产状彼此平行，但在两套地层之间缺失了一些时代的地层，表明在这段时期出现过间断沉积。

2、角度不整合关系：上下两套地层之间缺失了部分地层，且产状不同。§4.5 构造及其主要类型

一、原生构造与次生构造

1、原生构造：岩层或岩体在成岩过程中形成的构造

2、次生构造：岩层或岩体在内动力地质作用下产生的变形，如褶皱、断层、节理、劈理等。

二、褶皱

1、褶皱现象

1）褶皱构造：地壳中的岩层在褶皱运动的作用下，发生一系列向上或向下的波状弯曲，并保持其连续完整性，这样的变形结果，即为褶皱构造。

2）背斜：其核心部位的岩层时代相对较老，外侧岩层较新一种岩层弯曲变形。

3）向斜：其核心部位的岩层时代较新，外侧岩层较老的一种岩层弯曲变形。

2、褶皱要素

1）核部：泛指褶皱中心部分的岩层。

2）翼部：系指褶皱核部两侧的岩层。

3）转折端：系指从褶皱翼向另一翼过渡的部分。

4）枢纽：在褶皱的各个横剖面上，同一褶皱面的各最大弯曲点的连线。

5）轴面：一个褶皱内各相邻褶皱面上的枢纽连成的面。

6）褶轴：轴面与水平面的交线。

7）脊线：背斜或背行的同一褶皱面的各横剖面上的最高点的连线。

3、褶皱的形态分类

1）按轴面的产状分类：

直立、倾斜、倒转及平卧褶皱。

2）按枢纽产状分类：

水平褶皱、倾伏褶皱

4、褶皱的野外识别

地层呈有规律的对称重复

三、断裂构造

断裂构造：岩石受力作用超过强度极限时岩石所发生的破裂，同时产生一些破裂面，使岩石丧失了连续完整性。