水文地質學基礎(第六版)巖石中的空隙與水分.ppt

水文地質學基礎 General Hydrogeology,第3章 巖土中的空隙和水,本 章 內 容,3.1 巖土中的空隙 3.2 巖土中的水 3.3 與水有關的巖土性質 3.4 有效應力原理與巖土變形破壞,4.1 巖土中的空隙,1. 巖土空隙在地球上的分布：地殼表層十余公里，尤其近12公里以內。 2. 巖土空隙的水文地質意義：是地下水的賦存場所和運移通道。 3. 巖土空隙的描述：形狀、大小、多少、分布規(guī)律和連通性。 4. 巖土空隙的水文地質分類：松散巖土中的孔隙、堅硬巖石中的裂隙、可溶巖石中的溶穴。,巖土中的各種空隙,分選良好， 排列疏松的砂,分選良好， 排列緊密的砂,具有結構孔隙的粘土,經(jīng)過壓縮的粘土,具有裂隙的巖石,具有溶隙及溶穴的可溶巖,一、孔隙,1. 概念：存在于松散的或未完全膠結的巖土顆粒之間或顆粒集合體之間的空隙。 2. 分布：最新沉積、新生界、主要在第四系沉積層中的碎石土、砂土、粘土等，其次是膠結不完全的第三系或中生界部分地層。如河邊砂礫中存在的孔隙。 3. 特征：,多少： 度量指標：孔隙度（n） （1）概念：某一體積巖土（包括孔隙在內）中孔隙體積所占的比例。 （2）研究意義（作用）：影響巖石儲容地下水的能力的大小。 （3）測定方法： 砂、礫等松散巖土一般用注水方法，粘土遇水膨脹不能； 容重-比重法：細砂，先測巖土的容重r、比重,（4）孔隙度的影響因素,顆粒排列方式：等粒狀：最疏松排列：立方體：n=47.62%; 最緊密排列：四面體：n=25.95%。（未涉及粒徑大小，粒徑大小不同，但等粒狀、排列方式相同時，孔隙度是相同的） 顆粒分選程度：分選性越好，孔隙度越大；分選程度不好，大顆?？紫侗恍☆w粒充填，降低孔隙。（分選程度是指顆粒粒度的均勻程度，土力學中也稱不均勻系數(shù)。） 顆粒形狀：越不規(guī)則，越疏松，孔隙度就越大。 膠結充填：孔隙被膠結充填，孔隙度減小。 對于粘性土，還與結構孔隙、次生孔隙有關。,粘性土的孔隙與孔隙度,（1）粘土顆粒 粘性土：土體顆粒直徑0.005mm 粘土由于顆粒細小，比表面積大，顆粒表面常帶有電荷，所以連結力強 粘粒在懸浮推移互相接觸時，就會連結起來形成“粘粒團” 細小粘粒團構成顆粒集合體，可形成比顆粒自身還大的結構孔隙 集合體與集合體結合構成粘性土的沉積結構特征。 （2）粘土孔隙 粘性土：蜂窩、絮狀結構，如同海綿 結構孔隙：集合體與集合體、粘粒與粘粒之間的孔隙。 次生孔隙：蟲孔、根系孔、干裂縫等。,松散巖石孔隙度參考數(shù)值（據(jù)弗里澤等，1987）,注： （）與粒徑的關系不是粒徑愈大則孔隙度愈大 （）孔隙度超過最疏松排列的47.62，達到70,大小： （1）研究意義（作用）：孔腹和孔喉，影響地下水的運動，尤其是孔喉直徑大小對地下水流動起關鍵性作用。 （2）影響因素：,顆粒大小：尤其是細小顆粒的大小，顆粒越大形成的孔隙越大。 顆粒排列方式：理想等粒圓球狀顆粒，顆粒直徑為D，孔喉直徑為d 立方體排列時，d=0.414D 四面體排列時，d=0.155D。 對于粘性土：還與結構孔隙、次生孔隙有關。,孔喉（直徑為d）與孔腹（直徑為d） 通過孔隙通道中心切面圖 假定顆粒為等粒球體（直徑為D）作立方體排列,孔隙與粒徑關系,礫石（模型）,砂土樣品,砂礫混合樣品,立方體排列,四面體排列,顆粒排列形式,二、裂隙,1. 概念：巖石形成以后，由于各種內、外營力的作用，使巖石遭到破壞而形成的空隙。 2. 分布：主要分布在固結巖層：沉積巖、變質巖、巖漿巖等保留原來成巖孔隙，但主要是在后期應力作用下產(chǎn)生裂隙。 3. 分類：按成因分：,成巖裂隙： 巖漿作用：侵入、噴出，冷凝收縮（巖漿巖） 成巖作用 沉積作用：固結、干縮 （沉積巖）。 巖漿巖最普遍，玄武巖（基性）柱狀節(jié)理最有水文地質意義。 風化裂隙：風化作用 構造裂隙：構造應力作用 卸荷裂隙,特征,大?。捍蟮挠袠嬙鞌嗔褞?，小的要用顯微鏡看。具有級次，大構造斷裂帶，次級-，再次一級-。 連通性：總體上不好，局部可能很好，形成裂隙系統(tǒng)。找水，局部裂隙，最好找在最大斷裂帶上，主干斷裂， 裂隙含水系統(tǒng)。 多少：裂隙率。線裂隙率：與裂隙走向垂直方向上單位長度內裂隙所占的比例。 面裂隙率，體裂隙率。野外研究裂隙時應注意測定裂隙的方向、寬度、延伸長度、充填情況等，這些影響水的運動。,各種巖石裂隙率數(shù)值表（變化范圍）,三、溶穴,1. 概念：可溶巖石在地下水的溶蝕作用下形成。必須在原有空隙、裂隙發(fā)育基礎上產(chǎn)生的。 2. 分布：可溶巖的沉積巖，如常見的灰?guī)r，白云巖。 3. 種類：溶孔（壓水試驗，石灰?guī)r的微空隙），溶蝕裂隙，溶隙，地下暗河。,特征,形狀：有方向性，主要在裂隙基礎上進一步溶蝕而成，所以具有裂隙特征。 大?。簶O不均勻，暗河，主干溶蝕形成。 多少：巖溶率 分布：極不均勻（保留了裂隙特征） 連通性：總體上差，局部可以很好，形成溶穴含水系統(tǒng)。 找水就要找主干，但地質開采要避免碰到主干暗河。,四、地下水分類,按含水介質（空隙特征）分： 孔隙水、裂隙水、巖溶水,Outwash sand and gravel in a gravel pit,Actual tortuous flow paths through the pore spaces,Limestone exposed in a road cut,第2節(jié) 巖土中水的存在形式,地殼巖土中的水,巖土“骨架”中的水 （礦物結合水）,沸石水：方沸石(Na2Al2Si4O12nH2O),結晶水：石膏(CaSO42H2O),結構水：高嶺石(Al4Si4O10(OH)8),巖土空隙中的水,結合水 （礦物表面結合水）,強結合水,弱結合水,液態(tài)水,重力水,毛細水,固態(tài)水 氣態(tài)水,水文地質學的重點研究對象,一、結合水 1、概念：分布在顆粒表面受靜電引力大于重力，而不能在自身重力作用下發(fā)生運動的那部分水。 2、成因： 帶電荷的顆粒表面，一般帶負電，主要存在于細小空隙、裂隙； 極性分子水，水分子是偶極體，被吸入； 巖石顆粒周圍水分子受到庫侖力（靜電引力）的作用。 靜電引力受到距離的影響，結合水的自由不同。,3、類型及特征：按牢固程度劃分： 強結合水： 密度大于1，平均2g/cm3左右 冰點： -78 類似固體，不能流動。在溫度105上才能以氣態(tài)的形式脫離顆粒表面 溶解鹽類能力弱、不能為植物吸收 有較大的粘滯性、彈性和抗剪強度 。 弱結合水： 排列規(guī)則，密度大于1，為1.31.774g/cm3 在外力作用下可產(chǎn)生運動，但速度十分緩慢 溶解鹽類能力較弱 冰點為-15 有一定的粘滯性和抗剪強度 弱結合水的外層能被植物吸收利用 。,二、重力水 距固相顆粒表面比較遠，受其吸引力小，可以在自身重力下發(fā)生運動的水。 巖土空隙中的重力水能夠自由流動，井、泉取用的地下水都屬于重力水，為水文地質學的研究重點。,三、毛細水,毛細現(xiàn)象：在液體表面張力作用下，毛細管中水位上升一定高 度的現(xiàn)象。 毛細空隙是巖土中的細小空隙，一般指直徑小于1mm的孔隙或寬度小于0.25mm的裂隙。 毛細上升高度與毛管直徑成反比。 松散巖石中細小的孔隙通道構成毛細管，在地下水面以上的包氣帶中廣泛存在毛細水。 結論：松散巖層的顆粒越粗，孔隙越大，則毛細上升高度越小。,毛細水類型： 1. 支持毛細水：下面有水面的支持。圖中井的左側表示高水位時砂層中的支持毛細水。 2. 懸掛毛細水：下部沒有水面支持。井的右側表示水位降低后砂層中的懸掛毛細水。 礫石層中孔隙直徑已超過毛細管，故不存在支持毛細水。 3. 孔角毛細水：包氣帶中顆粒接觸點上的毛細水。由于粗細交替的地質條件和水位的變化而形成將水滯留在孔角上。,水 井,礫石層,四、氣態(tài)水、固態(tài)水及礦物中的水 在未飽和水的空隙中存在著氣態(tài)水。氣態(tài)水可以隨空氣或在水氣壓力差的作用下流動。 巖石的溫度低于0時，液態(tài)水轉為固態(tài)水。我國大部分地區(qū)有季節(jié)性凍土。東北及青藏高原，有多年凍土，對工程的破壞性比較強，融化時固態(tài)轉為液態(tài)，體積變化。 礦物晶格內及礦物孔洞中的水，就是沸石水、結晶水及結構水。方沸石（Na2A12Si4O12nH2O)中沸石水，在加熱時可以從礦物中分離出去。,第3節(jié) 與水有關的巖土性質,容水性：巖石能容納一定數(shù)量水的性質。用容水度表示。 給水性：飽水巖石在重力作用下能自由排出一定數(shù)量水的性質。用給水度表示。 持水性：巖石在重力釋水后能在空隙中保持一定數(shù)量水的性質。用持水度表示。 透水性：巖石允許讓水通過的性質。用滲透系數(shù)或單位吸水量表示。,容水度（Mc） 巖土完全飽水時所能容納的水的體積與巖土體積的比值。若以重量計，則稱容水量。 容水度與孔隙度（裂隙率、巖溶率）相等。,常見的松散巖土的平均給水度,給水度（u） 地下水位下降單位體積時，釋出水的體積和疏干體積的比值。 反映飽水巖石在重力作用下所能排出的最大水的體積。即當?shù)叵滤幌陆狄粋€單位時，在重力作用下單位水平面積巖石柱體中所能釋放出的水體積。,影響給水度u大小的因素： 巖性影響。有三個方面： 組成巖石的礦物成分（決定空隙的大小、多少） 顆粒大小、級配及分選程度 空隙情況 初始地下水埋藏深度 地下水位下降速率,給水度、持水度與容水度的關系 在數(shù)值上：,持水度（Sr） 地下水位下降時，滯留于非飽和帶中而不釋出的水的體積與單位疏干體積的比值。,松散巖土持水度數(shù)值,透水性： 滲透系數(shù)（K）：稱水力傳導系數(shù)（hydraulic conductivity)。在各向同性介質中，單位水力梯度下的滲透流速（m/d） ，表示流體通過孔隙骨架的難易程度。,影響滲透性大小的因素: 對松散層: 顆粒大小、形狀、分選程度、密實度、膠結情況 水質、水溫、液體類型。 對堅硬巖體 ： 同松散層 更取決于裂隙的幾何結構特征：延伸方向、寬度、密度、長度、連通性、充填物、裂隙面的粗糙程度等。,透水性,透水性,松散巖石滲透系數(shù)經(jīng)驗值,滲透系數(shù)K 可以通過經(jīng)驗公式、達西試驗或抽水試驗等方法求出。,第4節(jié) 有效應力原理與松散巖土壓密,一 . 有效應力原理 1925年，太沙基（K.Terzaghi）提出 有效應力原理：有效應力=總應力-孔隙水壓力 有效應力：巖土骨架所承受的應力。 在封閉（或相對封閉）條件下，上覆載荷的總應力（），由飽水巖土骨架應力（，即有效應力）與孔隙水壓力（u）共同承受。 =+ u 有效應力有： = - u,有效應力原理應用范圍 （1）孔隙水壓力是連續(xù)的，對于巖土體任意水平