水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ) 3.空隙與水

3.1巖土中的空隙第3章空隙與水（VoidsandWater）概述孔隙裂隙溶穴空隙特征的比較結(jié)合水重力水毛細(xì)水3.2巖土中的水3.3與水有關(guān)的巖土性質(zhì)概述巖土——包括堅(jiān)硬巖石及松散土類?？障丁獛r、土中各種類型空洞的總稱?？障兜念愋停嚎紫叮╬ore）——松散巖石（unconsolidatedsoil）裂隙(fissure)——堅(jiān)硬巖石（hardrock）溶穴(cavity)——可溶巖（dissolublerock）3.1巖土中的空隙

空隙的研究意義水文地質(zhì)意義：巖土中的空隙是水的儲(chǔ)容空間和傳輸通道;空隙特征決定巖土儲(chǔ)容、滯留、釋出以及傳輸水的能力，是認(rèn)識(shí)巖土水理性質(zhì)的基礎(chǔ);對(duì)巖土空隙性的研究,是分析與地下水有關(guān)問題的出發(fā)點(diǎn)。工程地質(zhì)意義：空隙發(fā)育的巖塊和巖體易遭受風(fēng)化，增強(qiáng)地下水的循環(huán)和聯(lián)系，降低其力學(xué)強(qiáng)度，增加其透水性；一般來說，空隙率愈大，巖塊的強(qiáng)度愈低，塑性變形和滲透性愈大；因此對(duì)巖土空隙性的全面研究，也是巖體力學(xué)和工程地質(zhì)學(xué)中的基本問題之一。描述空隙的指標(biāo)：空隙的大小、多少（空隙率）、形狀、方向性、連通情況等?？紫叮≒ores）研究孔隙的介質(zhì)通常對(duì)松散巖石而言。松散土體宏觀上分為兩類：砂性土與粘性土。孔隙的定義顆?；蝾w粒集合體之間的空隙?？缀砜赘沽ｉg孔隙集合體之間孔隙孔隙d‘d描述孔隙的指標(biāo)：形狀、大小、多少、連通與分布情況。形狀：孔喉、孔腹多少：孔隙度(porosity)定義：是指某一體積巖石（包括孔隙在內(nèi)）中孔隙體積所占的比例，常用n表示。大?。嚎讖剿牡刭|(zhì)（孔隙度）：孔隙度與孔隙比的關(guān)系：工程地質(zhì)（孔隙比）：孔隙與水實(shí)驗(yàn)通知42111，5月2日，周四，5、6節(jié)；42112，5月2日，周四，7、8節(jié)；地點(diǎn)：水工樓1052.1地球中水的分布2.2地球中水的循環(huán)(水文循環(huán)與地質(zhì)循環(huán)）2.3中國(guó)水資源概況2.4中國(guó)地下水概況復(fù)習(xí)：第2章地球中水的分布與循環(huán)3.1巖土中的空隙第3章空隙與水概述孔隙孔隙大小及其影響因素巖石顆粒愈粗，孔隙愈大；顆粒愈細(xì)，孔隙愈小!孔隙大小與顆粒大小的關(guān)系下面就以砂性土為例來分析影響孔隙大小和多少的因素孔隙大小影響巖土滯留、釋出及傳輸水的能力！顆粒排列愈緊密，孔隙越??！孔隙大小與排列方式的關(guān)系立方體排列：d=0.414D四面體排列：d=0.155DDdDd立方體排列四面體排列孔隙大小取決于細(xì)小顆粒所形成孔隙的大小。孔隙大小與分選（充填）的關(guān)系孔隙大小及其影響因素膠結(jié)程度越好，孔隙愈小！孔隙大小與膠結(jié)程度的關(guān)系顆粒大小排列方式分選、充填情況膠結(jié)情況影響孔隙大小的因素試樣a：礫石b：砂土c：砂礫混合樣，比較a、b、c孔隙度的大小？孔隙度(porosity)及其影響因素abc孔隙的多少?zèng)Q定巖土儲(chǔ)容水的能力。顆粒大小與孔隙度的關(guān)系當(dāng)砂樣與礫石樣都是等粒圓球,且排列方式相同時(shí)，n礫=n砂?？紫抖扰c顆粒大小無關(guān)！分選程度與孔隙度的關(guān)系當(dāng)砂樣與礫石樣混合時(shí)，礫石樣中孔隙被砂樣所充填,因此孔隙度變小。當(dāng)粗細(xì)顆粒（等粒圓球）完全混合時(shí)，混合樣的孔隙度：

n混=n粗×n細(xì)。分選程度是影響孔隙度大小的主要因素，分選愈差，孔隙度愈??！排列方式與孔隙度的關(guān)系

θ＝90o，理想最疏松排列（立方體）：孔隙度為47.64%；

θ＝60o，理想最緊密排列（四面體）：孔隙度為25.95%。在實(shí)際中，天然砂礫石孔隙度一般介于兩者之間。排列愈緊密，孔隙度愈小!θ為顆粒中心連線平面角的二面角。斯利赫特公式:其它因素與孔隙度的關(guān)系顆粒的形狀對(duì)孔隙度也有影響，顆粒形狀愈不規(guī)則、棱角愈明顯，通常排列愈松散，孔隙度也越大。在自然界中，孔隙度的大小與沉積物的壓密、膠結(jié)有關(guān)。巖石的壓密作用，往往促使松散沉積物顆粒進(jìn)行重新排列，而且逐漸趨向較穩(wěn)定的、較緊密的四面體排列，孔隙度變?。怀练e較早或者埋藏在深部的沉積物，其孔隙度往往比沉積較晚或者埋藏在淺部的沉積物的孔隙度要小一些。膠結(jié)作用由于膠結(jié)物不斷充填孔隙，使得孔隙進(jìn)一步變小，孔隙數(shù)量變少，降低了巖石的孔隙度。自然界松散巖體孔隙度參考值巖石名稱礫石砂粉砂粘土孔隙度（％）25-3525-5035-5040-70孔隙度與粒徑有關(guān)？孔隙度超過最疏松排列的47.64%，可達(dá)70%？與前面的分析矛盾！為什么？粘性土的孔隙與孔隙度粘土顆粒指直徑<0.005(0.002)mm的顆粒；粘性土顆粒細(xì)小，比表面積大，連結(jié)力強(qiáng)；顆粒表面帶電，粘粒在懸浮、推移、互相接觸時(shí)，易連結(jié)起來形成粘粒團(tuán)，細(xì)小粘粒集合（團(tuán)）構(gòu)成顆粒集合體。集合體與集合體結(jié)合構(gòu)成粘性土的沉積結(jié)構(gòu)特征。粘土孔隙粒間孔隙—粘粒之間的空隙；結(jié)構(gòu)孔隙—集合體與集合體之間的空隙；次生空隙—蟲孔、根孔、干裂縫等。粘性土中的次生空隙——蟲孔、根孔、裂縫等粘性土中結(jié)構(gòu)孔隙和次生空隙的存在，使得粘性土的孔隙率超過理論最大值。小結(jié)影響孔隙度大小的因素：分選（影響砂性土孔隙度的主要因素）；排列方式；顆粒形狀、壓密作用以及膠結(jié)作用等；

結(jié)構(gòu)孔隙及次生空隙（影響粘性土孔隙度的主要因素）。思考題試樣a：礫石b：砂土c：砂礫混合樣，比較a、b、c構(gòu)成的孔隙、孔隙度大??？孔隙大，孔隙度也大嗎？請(qǐng)同學(xué)們聯(lián)系實(shí)際，以洪積扇為例說明影響孔隙和孔隙度大小的因素？裂隙（fractures）固結(jié)的堅(jiān)硬巖石中，一般僅殘存很小部分孔隙，而主要發(fā)育各種內(nèi)外力作用下產(chǎn)生的裂隙；裂隙的分類風(fēng)化（卸荷）裂隙；成巖裂隙；構(gòu)造裂隙。裂隙的方向、寬度、延伸長(zhǎng)度、充填情況等，對(duì)水的運(yùn)動(dòng)具有重要影響.溶穴（solutioncavity）可溶的沉積巖（巖鹽、石膏、石灰?guī)r、白云巖等）在地下水溶蝕下產(chǎn)生的空洞。主要包括溶孔、溶隙、溶洞等。在裂隙基礎(chǔ)上，水流對(duì)可溶巖進(jìn)一步作用的結(jié)果——是擴(kuò)大了的裂隙；空隙特征的比較巖石中的空隙，連接成網(wǎng)絡(luò)，成為地下水有效的儲(chǔ)容空間和運(yùn)移通道。含水介質(zhì)——由各類空隙所構(gòu)成的巖石稱為含水介質(zhì)。含水介質(zhì)分類：孔隙含水介質(zhì)、裂隙含水介質(zhì)、溶穴含水介質(zhì)；含水介質(zhì)空隙特征比較：孔隙連通良好，分布均勻，在不同方向上，孔隙通道的大小和多少很接近。地下水分布與流動(dòng)都比較均勻。裂隙具有一定的方向性，連通性較差。地下水分布不均勻，水力聯(lián)系差。溶穴大小懸殊且分布極不均勻。地下水分布與流動(dòng)通常極不均勻。3.2巖土中的水巖土中水的存在形式巖石空隙中的水重力水（Gravitationalwater）毛細(xì)水（Capillarywater）結(jié)合水（Boundwater）

巖土中水的存在形式巖石中的水巖土骨架中的水（礦物結(jié)合水）沸石水結(jié)晶水結(jié)構(gòu)水巖土空隙中的水結(jié)合水液態(tài)水氣態(tài)水固態(tài)水強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水重力水毛細(xì)水支持毛細(xì)水孔角毛細(xì)水懸掛毛細(xì)水以H+和OH離子的形式存在于礦物結(jié)晶格架某一位置上的水，稱為結(jié)構(gòu)水。以水分子的形式存在于礦物結(jié)晶格架一定位置上的水，稱為結(jié)晶水。以水分子的形式存在于礦物結(jié)晶格包和結(jié)晶包之間的水，稱為沸石水。高嶺石：Al4(Si4O10)OH8石膏：CaSO4·2H2O、膽礬：CuSO4·5H2O、蘇打：Na2CO3·10H2O方沸石：NaAlSi2O6·H2O巖土空隙中的水結(jié)合水（Boundwater）定義——附著于固體表面，在自身重力作用下不能自由移動(dòng)的水。rF特性：介于固體與液體之間；具有抗剪強(qiáng)度。分類——強(qiáng)結(jié)合水（吸著水）和弱結(jié)合水（薄膜水）強(qiáng)結(jié)合水——水分子排列緊密，不能流動(dòng)，但可轉(zhuǎn)化為氣態(tài)水而移動(dòng)；弱結(jié)合水——水分子排列相對(duì)疏松，可以從薄膜厚的地方向薄的地方運(yùn)動(dòng)，可溶解鹽類，外層可被植物吸收利用，能夠傳遞靜水壓力。巖土空隙中的水重力水（Gravitationalwater）定義：是指在自身重力作用下能夠自由移動(dòng)的那部分水。在飽水巖層中，巖石空隙直徑大于2倍結(jié)合水厚度時(shí)，其中間分布的水都是重力水。它分布最廣，是空隙中水的主要存在形式，是供水、排水的主要對(duì)象，也是水文地質(zhì)研究的主要對(duì)象。巖土空隙中的水毛細(xì)水（Capillarywater）毛細(xì)現(xiàn)象

將一根玻璃毛細(xì)管插入水中，毛細(xì)管內(nèi)的水面即會(huì)上升到至一定高度，這便是發(fā)生在固、液、氣三相界面上的毛細(xì)現(xiàn)象。毛細(xì)水的存在形式支持毛細(xì)水在地下水面支持下存在，隨地下水升降而升降。毛細(xì)上升高度與水面上部的巖石孔隙性質(zhì)有關(guān)。懸掛毛細(xì)水脫離水面，巖石細(xì)小孔隙中保留的水分，稱為懸掛毛細(xì)水。粗粒層和細(xì)粒層相間時(shí)，在一定條件下，由于上下彎液面的毛細(xì)力的作用，在細(xì)土層中會(huì)保留與地下水不相連接的毛細(xì)水——懸掛毛細(xì)水。孔角毛細(xì)水巖石顆粒接觸處的孔隙形成彎液面，將水滯留在孔角上。3.1巖土中的空隙復(fù)習(xí)：第3章空隙與水（VoidsandWater）概述孔隙裂隙溶穴空隙特征的比較結(jié)合水重力水毛細(xì)水3.2巖土中的水3.3與水有關(guān)的巖土性質(zhì)孔隙與水實(shí)驗(yàn)通知42111，5月2日，周四，5、6節(jié)；42112，5月2日，周四，7、8節(jié)；地點(diǎn)：水工樓1053.3與水有關(guān)的巖土性質(zhì)容水度（Storativity）含水量（

Water/Moisturecontent）給水度（Specificyield）持水度（Specificretention）滲透性（Permeability）水文地質(zhì)學(xué)中水理性質(zhì)是指與水分儲(chǔ)容、滯留、釋出與傳輸有關(guān)的性質(zhì)。容水度（

Storativity

）概念容水度（ω）：指巖石完全飽水時(shí)所能容納的最大的水體積與巖石總體積的比值。影響容水度的因素容水度的大小取決于巖土空隙的多少;孔隙度n與容水度ω的關(guān)系一般有：n=ω；對(duì)于膨脹性粘土，充水后體積擴(kuò)大，容水度可大于孔隙度。含水量（

Water/Moisturecontent）它是描述地下巖土實(shí)際含水狀況的參數(shù)。含水量的度量指標(biāo)重量含水量Wg

松散巖石孔隙中所含水的重量Gw與干燥巖石重量GS的比值。

Wg

=

Gw/

GS×100%體積含水量WV

松散巖石孔隙中所含水的體積Vw與包括孔隙在內(nèi)的巖石體積V的比值。

WV

=

Vw/

V×100%當(dāng)水的比重為1，巖石的干容重為γa時(shí)：

WV

=γa﹒Wg

飽和含水量Ws

孔隙充分飽水時(shí)的含水量，=容水度。飽和差飽和含水量與實(shí)際含水量之間的差值。飽和度實(shí)際含水量與飽和含水量之比。體積含水量：飽和含水量：飽和度：

a：骨架；b：水分；c：氣體；dabchhh稱重烘干法（重量含水量）中子儀時(shí)域反射儀TDRMP406石膏塊土壤含水量的測(cè)定方法中子儀（neutralprobe）原理：應(yīng)用氫原子對(duì)中子的慢化效應(yīng)測(cè)定土壤含水量。組成:中子源、慢中子檢測(cè)器、計(jì)數(shù)器、電源等部分組成。優(yōu)點(diǎn):可以測(cè)量土壤從干燥至飽和范圍內(nèi)全部含水量;原位測(cè)量土壤含水量;可以測(cè)量任意土壤類型中沿土壤剖面不同深度的土壤含水量;方法簡(jiǎn)便易行。缺點(diǎn):中子儀測(cè)量土壤含水量是以中子源為球心的一個(gè)球體范圍內(nèi)土體含水量的平均值,受影響球半徑的限制,表層30cm難以得到正確的測(cè)量值;需要建立適合于當(dāng)?shù)厥褂玫闹凶觾x標(biāo)定方程;放射源時(shí)域反射儀TDR（土壤水分測(cè)量Trase系統(tǒng)）TDR系統(tǒng)使用時(shí)域反射原理(基于電磁脈沖信號(hào)沿探針在土壤中反射時(shí)間的長(zhǎng)短,反射時(shí)間長(zhǎng)短與介質(zhì)中的水分含量有關(guān))，精確測(cè)量土壤的體積含水量。可同時(shí)監(jiān)測(cè)多達(dá)256個(gè)不同位置和不同深度的測(cè)點(diǎn)，表層探頭長(zhǎng)15cm-70cm。TRASE的精度高達(dá)2％。TRASE已經(jīng)應(yīng)用在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、建筑業(yè)、水利等領(lǐng)域中，用于測(cè)量不同介質(zhì)的含水量。精密土壤水分探頭(MP406)通過測(cè)量電介質(zhì)常數(shù)的變化并轉(zhuǎn)換為與土壤含水量成比例的毫伏信號(hào)，可測(cè)量土壤體積含水量；測(cè)量土壤含水量簡(jiǎn)單、快捷、經(jīng)濟(jì)。測(cè)量土壤容積含水量精度達(dá)2％—5％；MP-406使用簡(jiǎn)單，將探頭插入土壤，按動(dòng)表頭按鍵即可直接讀出土壤含水量。MP-406還可測(cè)量不同介質(zhì)的含水量，如測(cè)量糧食行業(yè)粉狀或顆粒狀介質(zhì)、建筑行業(yè)中攪拌料的水分。MP—406特征：受土壤含鹽量影響??；易于對(duì)特殊土壤進(jìn)行標(biāo)定，內(nèi)置適合于大多數(shù)土壤類型的標(biāo)定曲線；探頭全封閉設(shè)計(jì)，可埋入土壤使用可接數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行定點(diǎn)觀測(cè)。石膏塊（gypsumblocks）通過測(cè)量石膏塊內(nèi)兩個(gè)電極間的電阻來顯示含水量；石膏塊永久埋入土壤，壽命3-5年；適于干燥土壤環(huán)境；測(cè)量范圍：3-100kpa。概念給水度（μ）：地下水位下降一個(gè)單位深度，從地下水位延伸到地表面的單位水平面積巖石柱體，在重力作用下釋出的水的體積與疏干體積的比值。給水度（SpecificYield）

當(dāng)水位下降時(shí)，土層孔隙中是否所有的水都流出來？釋出的是什么水?在土層中保留的又是什么形式的水？巖層柱體單位水降單位面積地面影響給水度大小的因素（均質(zhì)松散巖石）巖性主要表現(xiàn)為空隙的大小和多少，孔隙的大小猶為顯著。初始地下水位埋深當(dāng)埋深大于最大毛細(xì)上升高度時(shí),土層給水度不發(fā)生變化（為定值），μ→μ理。當(dāng)埋深小于最大毛細(xì)上升高度時(shí)，地下水位下降后，重力水的一部分轉(zhuǎn)化為支持毛細(xì)水而保留于地下水面之上，從而使給水度偏小。巖性亞粘土粉砂細(xì)砂粗砂細(xì)礫粗礫給水度71821272522常見松散巖石的給水度（%）思考題：為什么上表中的給水度先變大后變小？地下水位降速重力釋水滯后于水位下降，釋水滯后，而導(dǎo)致的釋水減量。當(dāng)水位速降時(shí)，大孔道優(yōu)先釋水，空氣進(jìn)入，使得小孔道的水形成懸掛毛細(xì)水而不能釋出，故降速愈快，給水度偏小。下降快μ<μ理、下降慢μ→μ理；？上粗下細(xì)？土層的結(jié)構(gòu)層狀土層（上細(xì)下粗）的給水度小于均質(zhì)土層的給水度;細(xì)粒中的水以懸掛毛細(xì)水形式滯留而不釋出。給水度小結(jié)孔隙大小和多少都對(duì)μ有影響，而孔隙的大小猶為顯著;均質(zhì)土，當(dāng)?shù)叵滤怀跏悸裆畲笥谧畲竺?xì)上升高度，降速緩慢，μ→μ理；初始埋深小于最大毛細(xì)上升高度時(shí)，埋深愈淺，μ↓；水位降速愈快，μ↓；一般而言，層狀土(上細(xì)下粗)μ小于均質(zhì)土。持水度（SpecificRetention）概念持水度（Sr）：地下水位下降一個(gè)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體積與單位疏干體積的比值。影響持水度的主要因素：顆粒大小顆粒細(xì)小的粘土比表面積（單位體積中固相表面面積）大，結(jié)合水含量大，持水度也大，有時(shí)可與容水度相等，在重力作用下完全不釋水；砂的持水度較小，而礫石和具有寬大裂隙或溶穴的巖石，持水度則微不足道。滲透性（Permeability）概念滲透性：是指巖體傳輸水或其他流體（如油氣）的性能。表征巖土滲透性的定量指標(biāo)