第二章_巖石中的孔隙和水分

1、2022-2-71第二章第二章 巖石中的孔隙和水分巖石中的孔隙和水分2022-2-72 內(nèi)容：掌握巖土中空隙的三種類型：孔隙、裂隙和溶內(nèi)容：掌握巖土中空隙的三種類型：孔隙、裂隙和溶穴；重點(diǎn)掌握孔隙的大小、多少（空隙率）的表征及穴；重點(diǎn)掌握孔隙的大小、多少（空隙率）的表征及其影響因素；了解不同空隙的特征與他們之間的差異。其影響因素；了解不同空隙的特征與他們之間的差異。掌握空隙中水的存在形式，了解結(jié)合水、重力水、毛掌握空隙中水的存在形式，了解結(jié)合水、重力水、毛細(xì)水的特點(diǎn)；細(xì)水的特點(diǎn)；掌握巖土孔隙度、給水度、持水度的概掌握巖土孔隙度、給水度、持水度的概念和他們的關(guān)系，以及影響因素念和他們的關(guān)系，以及

2、影響因素；了解容水度、含水；了解容水度、含水量、透水性的概念。量、透水性的概念。 重難點(diǎn)：巖土中空隙的三種類型，以及影響孔隙的大重難點(diǎn)：巖土中空隙的三種類型，以及影響孔隙的大小、多少（空隙率）的因素（也是難點(diǎn)）；空隙中水小、多少（空隙率）的因素（也是難點(diǎn)）；空隙中水的存在形式及其特征；重點(diǎn)掌握巖土孔隙度、給水度的存在形式及其特征；重點(diǎn)掌握巖土孔隙度、給水度（也是難點(diǎn)）和持水度的概念以及他們的關(guān)系。（也是難點(diǎn)）和持水度的概念以及他們的關(guān)系。 2022-2-73 巖石中的孔隙：巖石中的孔隙： 巖石中水的存在形式巖石中水的存在形式 與水的儲容及運(yùn)移有關(guān)的巖石性質(zhì)與水的儲容及運(yùn)移有關(guān)的巖石性質(zhì) 有效應(yīng)

3、力原理與松散巖土壓密有效應(yīng)力原理與松散巖土壓密孔隙、裂隙、溶穴孔隙、裂隙、溶穴結(jié)合水、重力水、毛細(xì)水，結(jié)合水、重力水、毛細(xì)水，氣態(tài)水、固態(tài)水及礦物中的水氣態(tài)水、固態(tài)水及礦物中的水容水度、含水量、給水度容水度、含水量、給水度持水度、透水性持水度、透水性2022-2-74 第一節(jié)第一節(jié) 巖土中的空隙巖土中的空隙 地殼表層十余公里范圍內(nèi)，都或多或少存在著空隙，地殼表層十余公里范圍內(nèi)，都或多或少存在著空隙，特別是深部特別是深部12km以內(nèi)，空隙分布較為普遍。按維以內(nèi)，空隙分布較為普遍。按維爾納茨基（爾納茨基（）的形象說法，）的形象說法，“地殼表層就好象是飽含著水的海綿地殼表層就好象是飽含著水的海綿”。

4、 巖石巖石在水文地質(zhì)學(xué)中包括在水文地質(zhì)學(xué)中包括堅硬的巖石堅硬的巖石（基巖）（基巖）及及松散的土層松散的土層。 空隙空隙是指巖石（巖土）中各種類型的是指巖石（巖土）中各種類型的空洞空洞的的總稱。總稱。2022-2-75 圖圖21 巖石中的各種空隙據(jù)邁因策爾修改補(bǔ)充巖石中的各種空隙據(jù)邁因策爾修改補(bǔ)充 1分選良好，排序疏松的砂；分選良好，排序疏松的砂；2分選良好，排列緊密的砂；分選良好，排列緊密的砂；3分選不良分選不良的，含泥、砂的礫石；的，含泥、砂的礫石；4經(jīng)過部分膠結(jié)的砂巖；經(jīng)過部分膠結(jié)的砂巖；5具有結(jié)構(gòu)性孔隙的粘土；具有結(jié)構(gòu)性孔隙的粘土；6經(jīng)過壓縮的粘土；經(jīng)過壓縮的粘土；7具有裂隙的巖石；具有

5、裂隙的巖石；8具有溶隙及溶穴的可溶巖具有溶隙及溶穴的可溶巖2022-2-76 研究空隙的意義：空隙是地下水的研究空隙的意義：空隙是地下水的賦存場所賦存場所（places）和）和運(yùn)移通道運(yùn)移通道（conduits）?？障兜亩啵??？障兜亩嗌?、大小、形狀、連通情況和分布規(guī)律，對地少、大小、形狀、連通情況和分布規(guī)律，對地下水的分布和運(yùn)動具有重要影響。下水的分布和運(yùn)動具有重要影響。 空隙依據(jù)成因分為三類，即：松散巖石中的空隙依據(jù)成因分為三類，即：松散巖石中的孔孔隙隙，堅硬巖石中的，堅硬巖石中的裂隙裂隙和可溶巖石中的和可溶巖石中的溶穴溶穴2022-2-77一、孔隙一、孔隙 孔隙孔隙: :松散巖石顆粒間的空

6、隙松散巖石顆粒間的空隙. .土體孔隙特征土體孔隙特征主要描述孔主要描述孔隙的隙的大小、多少、形狀、連通性與膠結(jié)大小、多少、形狀、連通性與膠結(jié)等。等。 松散土體宏觀上可以分為兩大類：松散土體宏觀上可以分為兩大類：砂礫石土砂礫石土和和粘性土粘性土。（1）砂礫石孔隙大小及其影響因素）砂礫石孔隙大小及其影響因素 首先，請大家比較以下三種砂礫石試樣的孔隙大小首先，請大家比較以下三種砂礫石試樣的孔隙大小 三種試樣所構(gòu)成的孔隙哪類大？哪類?。咳N試樣所構(gòu)成的孔隙哪類大？哪類小？ 第二章第二章 巖石中的孔隙與水分巖石中的孔隙與水分a礫石（模型）礫石（模型） b砂樣砂樣 c砂礫混合樣砂礫混合樣 2022-2-7

7、8顆粒名稱顆粒名稱粒徑粒徑/mm顆粒名稱顆粒名稱粒徑粒徑石塊石塊10粉粒粉粒石礫石礫粗粉粒粗粉粒0.05 0.01粗礫粗礫103細(xì)粉粒細(xì)粉粒0.01 0.005細(xì)礫細(xì)礫3 1黏粒黏粒砂粒砂粒粗黏粒粗黏粒0.005 0.001粗砂粒粗砂粒1 0.25細(xì)黏粒細(xì)黏粒0.001細(xì)砂粒細(xì)砂粒0.25 0.05我國土粒分級標(biāo)準(zhǔn)我國土粒分級標(biāo)準(zhǔn)92022-2-7 簡單歸納，簡單歸納，影響砂礫石土孔隙大影響砂礫石土孔隙大小的主要因素小的主要因素有：有： 顆粒大小顆粒大?。号c構(gòu)成砂礫石土：與構(gòu)成砂礫石土的顆粒粒徑成正比（圖的顆粒粒徑成正比（圖2-1理解）理解） 顆粒排列顆粒排列：立方體（疏松）、：立方體（疏松）

8、、 四面體（緊密）四面體（緊密） 由圖由圖2-2可以總結(jié)出，顆?？梢钥偨Y(jié)出，顆粒呈立方體排列為最疏松的排列呈立方體排列為最疏松的排列方式，顆粒呈四面體排列為最方式，顆粒呈四面體排列為最緊密的排列方式。因此，顆粒緊密的排列方式。因此，顆粒排列的緊密程度，影響孔隙大排列的緊密程度，影響孔隙大小。小。 第二章第二章 巖石中的孔隙與水分巖石中的孔隙與水分圖圖2-2 顆粒的排列形式顆粒的排列形式(參照格雷通參照格雷通) 2022-2-710試樣的分選試樣的分選： 試樣的分選是指樣品的顆粒粒徑的級配情況。試樣的分選是指樣品的顆粒粒徑的級配情況。 在顆粒成分累積曲線上，取累積含量為在顆粒成分累積曲線上，取累

9、積含量為60處的顆粒處的顆粒直徑直徑 ，除以累積含量為，除以累積含量為10處的顆粒直徑處的顆粒直徑 ，此系數(shù)可表，此系數(shù)可表征松散巖石的分選程度。征松散巖石的分選程度。 試樣顆粒粒徑分布域大，試樣的分選也就差，顆粒大小試樣顆粒粒徑分布域大，試樣的分選也就差，顆粒大小越混雜，大孔隙易被小顆粒充填，樣品的孔隙也就變小。越混雜，大孔隙易被小顆粒充填，樣品的孔隙也就變小。樣品分選較差時，孔隙大小取決于充填大孔隙中實際構(gòu)成樣品分選較差時，孔隙大小取決于充填大孔隙中實際構(gòu)成孔隙的細(xì)小顆粒的直徑（如圖孔隙的細(xì)小顆粒的直徑（如圖2-1，3）。）。顆粒形狀及膠結(jié)充填情況等顆粒形狀及膠結(jié)充填情況等。（自學(xué)）。（自

10、學(xué)）。 第二章第二章 巖石中的孔隙與水分巖石中的孔隙與水分2022-2-711 孔隙的大小孔隙的大小：可以用孔喉（：可以用孔喉（d）和孔腹（）和孔腹（d ）來定量表征。來定量表征。 理想條件下孔喉（理想條件下孔喉（d）、孔腹（）、孔腹（ d ）與構(gòu)）與構(gòu)成孔隙顆粒的直徑有關(guān)，如圖成孔隙顆粒的直徑有關(guān)，如圖2-2理想等粒圓理想等粒圓球狀顆粒，立方體排列條件下，有以下關(guān)系：球狀顆粒，立方體排列條件下，有以下關(guān)系： 孔喉孔喉(d)與顆粒與顆粒(D)的關(guān)系為：的關(guān)系為： d = 0.414D 孔腹孔腹(d )與顆粒與顆粒(D)的關(guān)系為的關(guān)系為: d = 0.732D 第二章第二章 巖石中的孔隙與水分巖

11、石中的孔隙與水分2022-2-712（2）砂礫石的孔隙度（）砂礫石的孔隙度（porosity）及其影響因素）及其影響因素 孔隙度是描述松散巖石中孔隙多少的指標(biāo)，常用孔隙度是描述松散巖石中孔隙多少的指標(biāo)，常用n表示。表示。 孔隙度是指某一體積巖土孔隙度是指某一體積巖土( (包括孔隙在內(nèi)包括孔隙在內(nèi)) )中孔隙體中孔隙體積所占的比例。積所占的比例。 式中：式中： 為孔隙度，為孔隙度， 為孔隙體積，為孔隙體積， 為巖石總體積。為巖石總體積。 孔隙度是一個比值，常用可用小數(shù)或百分?jǐn)?shù)表示?？紫抖仁且粋€比值，常用可用小數(shù)或百分?jǐn)?shù)表示。請思考并回答：砂礫類土的孔隙度大小與什么有關(guān)？請思考并回答：砂礫類土的孔

12、隙度大小與什么有關(guān)？( 100%)nVnV 第二章第二章 巖石中的孔隙與水分巖石中的孔隙與水分2022-2-713a. 與排列有關(guān)與排列有關(guān)：試樣排列的緊密與疏松是影響孔隙度的重：試樣排列的緊密與疏松是影響孔隙度的重要因素要因素 由幾何學(xué)可知，立方體排列為最松散排列，四面體由幾何學(xué)可知，立方體排列為最松散排列，四面體排列為最緊密排列，自然界中松散巖石的孔隙度大多介排列為最緊密排列，自然界中松散巖石的孔隙度大多介于此兩者之間。理想最疏松排列孔隙度為于此兩者之間。理想最疏松排列孔隙度為47.64%，最緊，最緊密排列孔隙度為密排列孔隙度為25.95% 。（參照圖。（參照圖2-2） b. 與分選有關(guān)與

13、分選有關(guān)：這點(diǎn)與上述討論影響孔隙大小的原理相：這點(diǎn)與上述討論影響孔隙大小的原理相同，圖同，圖2-1三種砂礫石試樣的模型圖，不難理解分選好三種砂礫石試樣的模型圖，不難理解分選好壞是影響孔隙度的主要原因。壞是影響孔隙度的主要原因。 比較一下：比較一下：礫石與礫石與砂石的孔隙度大小。砂石的孔隙度大小。 理想情況下礫石與砂石混合的試樣孔隙度：理想情況下礫石與砂石混合的試樣孔隙度： n混合混合=n礫石礫石n沙石沙石 第二章第二章 巖石中的孔隙與水分巖石中的孔隙與水分2022-2-714 c. 與顆粒形狀、膠結(jié)充填情況有關(guān)與顆粒形狀、膠結(jié)充填情況有關(guān)： 顆粒形狀與沉積物磨圓度有關(guān)，扁平裝和棱角狀的顆粒形狀

14、與沉積物磨圓度有關(guān)，扁平裝和棱角狀的顆粒容易形成架空狀結(jié)構(gòu)，造成顆粒；顆粒間發(fā)生膠顆粒容易形成架空狀結(jié)構(gòu)，造成顆粒；顆粒間發(fā)生膠結(jié)或孔隙被充填，直接減少孔隙數(shù)量，使孔隙度減小。結(jié)或孔隙被充填，直接減少孔隙數(shù)量，使孔隙度減小。 d自然界中松散巖石的孔隙度大小自然界中松散巖石的孔隙度大小，可以參見表，可以參見表2-1。表表21 松散巖石孔隙度參考數(shù)值據(jù)弗里澤等，松散巖石孔隙度參考數(shù)值據(jù)弗里澤等，1987 第二章第二章 巖石中的孔隙與水分巖石中的孔隙與水分2022-2-715 思考表思考表2-1給出的孔隙度數(shù)值與上述分析影響孔隙度大給出的孔隙度數(shù)值與上述分析影響孔隙度大小的因素是否不一致？小的因素是

15、否不一致？ 請總結(jié)有哪些不同？為什么會不同。請總結(jié)有哪些不同？為什么會不同。 不同：不同：（1）在表）在表2-1中，自然界中松散巖石的孔隙度與粒徑大中，自然界中松散巖石的孔隙度與粒徑大小有關(guān)，粒徑小孔隙度大。小有關(guān)，粒徑小孔隙度大。 （2）孔隙度超過最疏松排列的）孔隙度超過最疏松排列的47.64%？粘性土孔隙度？粘性土孔隙度高達(dá)高達(dá)70%-80%。 第二章第二章 巖石中的孔隙與水分巖石中的孔隙與水分2022-2-716（3）粘性土的孔隙與孔隙度）粘性土的孔隙與孔隙度 粘性土粘性土通常是指土體粒徑通常是指土體粒徑粗砂粗砂粉砂；孔隙粉砂；孔隙細(xì)小（粘性土），比表面積大，結(jié)合水與孔角毛細(xì)水細(xì)?。ㄕ承?/p>

16、土），比表面積大，結(jié)合水與孔角毛細(xì)水殘留多，給水度小。殘留多，給水度小。 地下水位初始埋深地下水位初始埋深（ H0）：當(dāng)?shù)叵滤怀跏悸裆钚∮冢寒?dāng)?shù)叵滤怀跏悸裆钚∮谥С置?xì)水帶高度支持毛細(xì)水帶高度 時，當(dāng)?shù)叵滤幌陆禃r，原重力水時，當(dāng)?shù)叵滤幌陆禃r，原重力水大多轉(zhuǎn)化為支持毛細(xì)水而保留于地下水面之上，從而大多轉(zhuǎn)化為支持毛細(xì)水而保留于地下水面之上，從而使使變小。變小。 第二章第二章 巖石中的孔隙與水分巖石中的孔隙與水分2022-2-742常見松散巖土的給水度常見松散巖土的給水度051015202530粘土亞粘土粉砂細(xì)砂中砂粗紗礫石細(xì)礫中礫粗礫 第二章第二章 巖石中的孔隙與水分巖石中的孔隙與水分2

17、022-2-743 與地下水位下降速度有關(guān)：與地下水位下降速度有關(guān)： 當(dāng)?shù)叵滤幌陆邓俾蚀髸r，給水度偏小，此點(diǎn)對于細(xì)當(dāng)?shù)叵滤幌陆邓俾蚀髸r，給水度偏小，此點(diǎn)對于細(xì)粒松散巖石尤為明顯?？赡艿脑颍褐亓︶屗⒎撬查g完粒松散巖石尤為明顯?？赡艿脑颍褐亓︶屗⒎撬查g完成，而往往滯后于水位下降；此外，迅速失水時大小孔道成，而往往滯后于水位下降；此外，迅速失水時大小孔道失水不同步，在小孔道形成懸掛毛細(xì)水而不能釋出。失水不同步，在小孔道形成懸掛毛細(xì)水而不能釋出。 土層結(jié)構(gòu)：土層結(jié)構(gòu)： 均質(zhì)土特征與上述討論一致，巖土層為層狀非均質(zhì)土均質(zhì)土特征與上述討論一致，巖土層為層狀非均質(zhì)土?xí)r，往往會影響時，往往會影響值

18、，多層狀土的特征而言，上粗下細(xì)，值，多層狀土的特征而言，上粗下細(xì)，上細(xì)下粗產(chǎn)生不同影響給水度。上細(xì)下粗產(chǎn)生不同影響給水度。 第二章第二章 巖石中的孔隙與水分巖石中的孔隙與水分2022-2-744 給水度小結(jié)（影響給水度的因素）：給水度小結(jié)（影響給水度的因素）： 均值土、地下水位初始埋深大于支持毛細(xì)水高度（均值土、地下水位初始埋深大于支持毛細(xì)水高度（hc)、水位降速慢時，給水度最接近理論值。水位降速慢時，給水度最接近理論值。 水位初始埋深小于支持毛細(xì)水高度水位初始埋深小于支持毛細(xì)水高度 時，埋深愈淺，時，埋深愈淺，越小。越小。 水位降速愈快，水位降速愈快，偏小。偏小。 一般而言，層狀土的給水度一

19、般而言，層狀土的給水度小于均值土層。小于均值土層。 第二章第二章 巖石中的孔隙與水分巖石中的孔隙與水分2022-2-745 4 4、持水度、持水度（Sr） 持水度持水度反映反映巖石最小含水能力巖石最小含水能力的指標(biāo)的指標(biāo) 如前所述，地下水位下降時，一部分水由于毛細(xì)力（以如前所述，地下水位下降時，一部分水由于毛細(xì)力（以及分子力）的作用而仍舊反抗重力保持于空隙中。及分子力）的作用而仍舊反抗重力保持于空隙中。 定義定義：地下水位下降一個單位深度，單位水平面積巖石柱：地下水位下降一個單位深度，單位水平面積巖石柱體中反抗重力而保持于巖石空隙中的水量。體中反抗重力而保持于巖石空隙中的水量。 給水度、持水度

20、與孔隙度給水度、持水度與孔隙度的關(guān)系是：的關(guān)系是： 影響因素給水度的因素與影響持水度的相同。影響因素給水度的因素與影響持水度的相同。 殘留含水量殘留含水量（W0): 包氣帶充分重力釋水而又未受到蒸發(fā)、包氣帶充分重力釋水而又未受到蒸發(fā)、蒸騰消耗時的含水量。數(shù)值上相當(dāng)于最大的持水度。蒸騰消耗時的含水量。數(shù)值上相當(dāng)于最大的持水度。rSn 第二章第二章 巖石中的孔隙與水分巖石中的孔隙與水分2022-2-746 圖圖29 理想圓管狀空隙中重力水流速分布理想圓管狀空隙中重力水流速分布（陰線部分代表結(jié)合水，箭頭長度代表重力水質(zhì)點(diǎn)實際流速）（陰線部分代表結(jié)合水，箭頭長度代表重力水質(zhì)點(diǎn)實際流速）5 5、透水性、透水性 透水性是指巖石允許水透過的能力。表征巖土透水性的透水性是指巖石允許水透過的能力。表征巖土透水性的定量指標(biāo)是滲透系數(shù)。定量指標(biāo)是滲透系數(shù)。 影響因素：影響因素：以松散巖石為例，分析一個理想孔隙通道中水的運(yùn)動情況。以松散巖石為例，分析一個理想孔隙通道中水的運(yùn)動情況。2022-2-747 孔隙大小及孔隙度孔隙大小及孔隙度 當(dāng)孔隙度一定而孔隙直徑越大，當(dāng)孔隙度一定而孔隙直徑越大，則圓管通道的數(shù)量越少，但有效則圓管通道的數(shù)量越少，但有效滲流斷面越大，透水能力就越強(qiáng)；滲流斷面越大，透水能力就越強(qiáng)；反之，孔隙直徑越小，透水能力反之，孔隙直徑越小，透水能力就越弱。由此可見，決定透水性就