水文地質(zhì)學課件ppt版 03gzj 巖石(土)中的空隙與水20120417

FundamentalsofHydrogeoloy

水文地質(zhì)學基礎第三章巖石(土)中的空隙與水教學提示：本章應著重闡明巖石的孔隙性與其對水的儲容、滯留、釋出及透過能力的關系；利用太沙基有效應力原理，解釋地下水位下降引起地面沉降的基本機制.本章內(nèi)容

3.1巖石(土)中的空隙3.2空隙中的水

3.3巖石(土)的水理性質(zhì)

3.4有效應力原理3.1巖石(土)中的空隙巖石(土)——水文地質(zhì)學中指堅硬的巖石及松散的土層空隙——巖、土中各種類型的空洞的總稱

空隙—是地下水賦存場所（places）和運移通道（conduits）空隙分為：1.孔隙（pore）--unconsolidatedsoil--（第四紀地質(zhì)學）2.裂隙（fissure）--hardrock---（構造地質(zhì)學）3.溶穴(隙)

（cavity）--dissolublerock--（巖溶地貌學）《工程地質(zhì)學》是從土層的物理力學指標（性能）來討論，如土的壓縮性或強度變形。

下面以孔隙為例，討論描述空隙特征的有關概念，參數(shù)（指標）和分析方法。概念孔隙：松散巖土固體顆粒間的空間(空隙)

孔隙（pore,void）

土體孔隙的描述有：孔隙的大小，多少，形狀，連通與分布松散土體宏觀上可以分為2大類：砂性土與粘性土類1、砂礫石孔隙大小及其影響因素

試樣a—礫石(模型)，試樣b—砂土樣品，試樣c—砂礫混合樣品

？提問：試樣a與b構成的孔隙哪種大？哪種?。看笮?---有關？

a—礫石(模型)b—砂土樣品c—砂礫混合樣品顆粒概念巖土中直徑大于1毫米、重力水可于其中自由運動的孔隙，是大孔隙（macro-pore，largepore）。巖土中直徑為0.01～1毫米、重力水和毛管水可存其中的孔隙，是小孔隙（smallpore）。巖土中直徑為0.1～10微米、無重力水但毛管現(xiàn)象明顯的孔隙，是微孔隙（micropore)。巖土中直徑為0.1微米～1毫米、具毛管特性的孔隙，稱毛管孔隙（capillarypore）。粘性土中直徑小于0.1微米、充滿結合水的孔隙，是超微孔隙（ultramicropore），又稱超毛管孔隙（uhracapillarypore）?？紫兜拇笮》诸惛拍羁紫?直徑)大小（mm）名稱特點備注>1.0大孔隙macro-pore，largepore重力水自由運動0.01~1.0小孔隙smallpore重力水、毛細水并存毛管孔隙capillarypore0.0001~0.01微孔隙micropore無重力水、毛細現(xiàn)象明顯<0.0001超微孔隙ultramicropore充滿結合水超毛管孔隙uhracapillarypore孔隙大小分類表顆粒排列方式等徑圓球最疏松與最緊密排列方式立方體排列四面體排列立方體排列與四面體排列——孔腹和孔喉孔隙大小的描述：孔喉(d)d=0.414D孔腹(d’)d’=0.732D（立方體排列的理想等徑園球顆粒）D

dDd等徑園球顆粒立方體排列孔隙大小的描述：

孔喉(d)d=0.414D孔腹(d’)d’=0.732D

松散砂礫石孔隙大小與分選的關系—好、壞？孔隙度砂礫石的孔隙度（porosity）及其影響因素

孔隙度是描述松散巖石(土)中孔隙多少的指標定義：某一體積巖石(土)（包括顆粒骨架與空隙在內(nèi)）中孔隙體積所占的比例。通常用n表示

？問：孔隙度的大小與什么有關？——與顆粒大小有關？a.與排列有關——緊密與疏松

理想最疏松孔隙為47.64%，最緊密排列孔隙為25.95%。b.與分選有關——下面試樣哪個孔隙度大？哪個??？

試樣：①礫石②砂石③混合樣完全混合試樣時，孔隙度n混=n礫×n砂（請自己推導證明）影響孔隙度大小的主要因素是試樣的分選程度。概念不同顆粒大小的試樣——孔隙度？不同顆粒大小的試樣的孔隙度是相同的--只要排列與分選性一致問：不同顆粒大小的試樣——孔隙度怎樣？不同排列的試樣——孔隙度？

理想最疏松孔隙為47.64%，

最緊密排列孔隙為25.95%。D

dDd立方體排列四面體排列答：孔隙度是相同的--只要等圓球顆粒的排列與分選性一致！自然界中松散巖石(土)的孔隙度與上述討論的有些差異

表3-1松散巖石(土)孔隙度參考數(shù)值

矛盾之一：與粒徑的關系不是愈大則愈大？矛盾之二：孔隙度超過最疏松排列的47.64%—達到70%

自然界里巖土的孔隙度的實測值粘土顆粒粘性土是指土體顆粒＜0.005mm的直徑“粘性土由于顆粒細小，比表面積大，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”細小粘粒集合（團）構成（稱為）顆粒集合體。集合體與集合體結合構成粘性土的沉積結構特征粘土孔隙

粘性土如同海綿、峰窩或絮狀結構結構孔隙——集合體與集合體、粘粒與粘粒之間次生孔隙——蟲孔、根系孔、裂隙裂痕等粘性土的孔隙與孔隙度粘性土：存在特殊孔隙：1）結構性孔隙--集合體與集合體、粘粒與粘粒之間2）蟲孔、根孔、干裂縫等次生空隙因此，對粘性土，這些特殊空隙對n的大小影響很大，不可忽視。

強調(diào)蒙脫石、片狀粘土礦物——淤泥粘土×2000小結：影響孔隙度的因素1.顆粒大小：理論上講（按等體積球），n與顆粒大小無關，但實際上則無理想的等體積顆粒，大小必不相等，甚至大小懸殊。一般顆粒越大，則n越大。但由于分選性的影響，往往孔隙度隨顆粒的增大反而減小。2.分選性:分選性越差，顆粒大小越懸殊，n則越小。反之則越大。3.顆粒形狀:形狀越不規(guī)則，棱角越明顯，排列越疏松，n越大。反之則越小。4.膠結程度:膠結越好，n越小。

松散孔隙粘土孔隙裂隙、溶隙巖土中各種空隙的對比裂隙堅硬巖石中的空隙，除沉積巖尚包含一定的原生孔隙外，其余的巖石--巖漿巖和變質(zhì)巖一般均很少存在粒間孔隙。巖石中的空隙主要由各種成因的裂隙——成巖裂隙、構造裂隙和風化裂隙所構成。

裂隙的描述從水的賦存與運移角度來看，裂隙的描述包括：

1)裂隙的連通性（組數(shù)、產(chǎn)狀、長度和密度）

2)張開性（裂隙寬度）

3)裂隙率等裂隙（fissurefracture）

固結的堅硬巖石中，一般僅殘存很小部分孔隙，而存在有各種內(nèi)外力作用下產(chǎn)生的裂縫（縫隙）

類型：

風化（卸荷）裂隙、成巖裂隙、構造裂隙

裂隙：空間形態(tài)是兩向延伸長，橫向延伸短的“餅狀”空隙

單個裂隙是孤立的裂隙巖體：從水的賦存與運移角度來看，裂隙的描述包括：

1)裂隙的連通性（組數(shù)、產(chǎn)狀、長度和密度）

2)張開性（裂隙寬度）

3)裂隙率等裂隙率：線裂隙率、面裂隙率、體積裂隙率裂隙與裂隙率概念體積裂隙率（Kr）:裂隙體積（Vn）與包括裂隙在內(nèi)的巖石體積（V）的比值，即

面積裂隙率（Ka）:單位面積巖石上裂隙面積的多少。線裂隙率（Kl）:垂直裂隙走向方向上單位長度上裂隙的條數(shù)?；◢弾r的風化裂隙花崗巖成巖裂隙(后經(jīng)風化)風化（卸荷）裂隙、成巖裂隙、構造裂隙砂巖巖芯中的空隙冰凍的泉水溶穴（隙）可溶巖，如巖鹽、石膏、石灰?guī)r和白云巖等，在地下水溶蝕下會產(chǎn)生空洞（隙、縫、孔），這種空隙稱為溶穴（隙）。巖溶率（Kk）

概念溶穴（solutioncavity）cavern

在裂隙基礎上，水流對可溶巖進一步作用的結果——是擴大了的裂隙溶穴：溶蝕的裂隙，有溶孔、溶隙、溶洞等溶穴（隙）概念描述內(nèi)容要描述裂隙特征及巖溶發(fā)育特征

（裂隙+溶洞）

1）巖溶發(fā)育方向

2）溶蝕率--鉆孔巖溶發(fā)育程度

3）溶洞（方向、規(guī)模等）含水介質(zhì)——由各類空隙所構成的巖石(土)稱為含水介質(zhì)，也稱為介質(zhì)場。含水介質(zhì)的空間分布與連通特征（孔隙含水介質(zhì)、裂隙含水介質(zhì)、巖溶含水介質(zhì)）是不同的，三種主要類型的含水介質(zhì)比較：連通性—孔隙介質(zhì)最好，其它較差空間分布—孔隙介質(zhì)分布最均勻，裂隙不均勻，溶穴極不均勻孔隙大小均勻，裂隙大小懸殊，溶穴極懸殊空隙比率—孔隙介質(zhì)最大，裂隙最小空隙滲透性—孔隙介質(zhì)-各向同性，裂隙與溶穴-各向異性造成空隙介質(zhì)上述差異的主要原因：沉積物形成和空隙形成的環(huán)境

含水介質(zhì)及其空隙特征的對比概念空隙發(fā)育的復雜性

松散層主要發(fā)育孔隙，但粘性土失水干縮后可產(chǎn)生裂隙；堅硬巖石中也不全為裂隙或裂隙-溶穴。如有些沉積巖往往存在大量的原生孔隙，其數(shù)量有時可大大超過裂隙與溶穴。思考題：1）什么叫孔隙度？孔隙度大與孔隙大有區(qū)別嗎？2）粘性土孔隙度大——是含水層嗎？3）試總結砂礫類土體的孔隙形狀特點，并加以概化（圖示）。3）堅硬的花崗巖、砂巖、灰?guī)r的空隙特征有何異同點？（可以通過查閱資料和文獻回答）

巖石(土)中的空隙——思考題本章內(nèi)容

3.1巖石(土)中的空隙3.2空隙中的水

3.3巖石(土)的水理性質(zhì)巖石（土）中水的存在形式礦物結合水結構水：以H+和OH-離子形式存在于礦物結晶格架中，與礦物結合緊密。結晶水：以H2O分子形式存在于礦物結晶格架中，與礦物結合緊密。沸石水：以H2O分子形式存在于礦物晶格的空隙中，與礦物結合不緊密。巖石空隙中水3.2巖土空隙中的水3.2巖土空隙中的水存在形式：氣態(tài)固態(tài)液態(tài)

（1）2個玻璃珠子之間滴上幾滴水，接觸部位就會有所殘留水（2）在飽水試樣中取1顆和2個顆粒，顆粒和顆?？紫堕g的水？（3）將玻璃細管插入水中，取出，管中殘留水？通過上述3例及圖示→空隙中水的存在形式：

結合水——（absorbedwater,boundwater）

重力水——（gravitationalwater；bulkwater）

毛細水——（capillarywater）

設想實驗：材料（玻璃珠子、細管）+水（水杯）結合水（absorbedwater,boundwater）系指受電分子吸引力吸附于土粒表面的水，這種電分子吸引力高達幾千到幾萬個大氣壓，使水分子和土粒表面牢固的粘結在一起。處于土顆粒表面水膜中的水，受到表面引力的控制而不服從靜水力學規(guī)律，其冰點低于零度。

含義：附著于固體表面，在自身重力下不能運動的水！即結合水具有一定的抗剪強度？抗剪強度的產(chǎn)生與大小與什么有關？

表面引力—服從庫侖定律，隨固體表面的距離加大而減弱

性質(zhì)結合水具有固態(tài)和液態(tài)水的雙重性質(zhì)；即自身重力作用下不能運動，在外力作用下能夠移動（運動）及變形意義只要有固相表面就存在結合水，存在范圍廣，其量很小（結合水膜很?。斂紫吨睆叫∮?倍結合水膜厚度時，孔隙中只含有不能自由運動的結合水（又稱無效空間）概念結合水與重力水

表面引力—服從庫侖定律，隨固體表面的距離加大而減弱結合水與重力水強結合水：吸著水植物根系不能吸收弱結合水：薄膜水植物根系可以吸收重力水可以自由流動土粒強結合水（吸著水）緊束在土粒表面，不能自由移動弱結合水（薄膜水）

吸附于吸著水外部，只能沿土粒表面做微小的移動結合水具有固態(tài)和液態(tài)水的雙重性質(zhì)；即自身重力作用下不能運動，在外力作用下能夠移動（運動）及變形重力水：

受重力支配不能為土壤所保持的水分重力水（gravitationalwater;bulkwater）重力影響下可以自由運動的水

特點：遠離固相表面，水分子受固相表面吸引力的影響極其微弱，主要受重力影響。無重力作用下水的怎樣存在？如在太空中瓶中的水分布—受表面吸引的作用，具有液態(tài)水的特征地層內(nèi)巖石(土)空隙中如果存在一定的重力水，就可以通過泉，或井流出（抽出）重力水是水文地質(zhì)學研究的主要對象，也是勘察的主要對象

概念毛細水:受毛管力的作用保持在巖石中的水分毛細力：

毛細力的產(chǎn)生：是在三相界面上內(nèi)彎液面引起——液面彎曲產(chǎn)生的毛細力的方向：作用方向始終指向彎曲液面的凹側一方凹凸彎液面是指相對于液相一側而言的凹形彎液面—負的毛細壓強（negative）---如同真空吸力凸形彎液面—正的毛細壓強（positive）毛細力的大?。好毩Υ笮∨c彎液面的曲率成正比（曲率大,毛細力大;曲率小，毛細力小）

一根毛細管子，管徑越小，毛細力越大；反之亦然

毛細力越大，毛細上升高度也越大毛細水：毛細水是受到水與空氣交界面處表面張力作用的自由水

概念Smallerporesholdwaterwithgreaterenergy

土的最大毛細上升高度[據(jù)西林—別克丘林，1958]

（支持）毛細水，孔角毛細水概念在巖石(土)空隙中，毛細水的存在形式可分為三種：a)支持毛細水（supportingcapillarywater）

在地下水面支持下存在的（附著水面上的），隨地下水升降而升降。上升高度與水面上部的巖石(土)孔隙性質(zhì)有關b)懸掛毛細水（suspensioncapillarywater）

脫離水面，巖石(土)細小孔隙中保留的水分，稱為懸掛毛細水c)孔角毛細水（觸點毛細水）（cornerwater,contiguitywater?）孔角毛細水與懸掛毛細水是不同——？懸掛毛細水似串珠狀且連續(xù)分布，孔角毛細水是孤立的

毛細水的存在形式（statesforms）概念支持毛細水與懸掛毛細水地下水位下降汽態(tài)水：

存在于巖石空隙中的水汽

巖土空隙中的水----氣態(tài)水儲存并運動于未飽和巖石空隙中呈水汽狀態(tài)的水。水汽來源

地表水氣進入地下水面蒸發(fā)水汽運動

從水汽壓大處向水汽壓小的方向運動或從絕對濕度大處向絕對濕度小的方向運動從溫度高處向溫度低的方向運動巖土空隙中的水----氣態(tài)水概念指以固態(tài)形式存在于巖石空隙中的水（地下冰）。我國北方冬季常形成凍土；東北及青藏高原有一部分地下水多年保持固態(tài)—多年凍土。巖土空隙中的水----固態(tài)水3.2空隙中的水——小結小結

巖石(土)空隙中的液態(tài)水——有三種存在形式三種形式的液態(tài)水有差異——與受力狀態(tài)有關自己總結、比較——加深理解____有比較就會有記憶

3.3巖石（土）的水理性質(zhì)巖石（土）

（包括骨架與空隙在內(nèi)的總稱）水理性質(zhì)：就水文地質(zhì)學主要涉及的是與水分儲容、釋出與運移有關的性質(zhì)包括：一、容水度和孔隙度（porosity）（反映巖石（土）最大含水能力）

孔隙度——n;容水度——nr

？兩者有何關系

巖石（土）完全飽水時，所能容納的最大水體積與巖石（土）總體積之比二、含水量（watercontent）__

巖石（土）樣實際保留水分的狀況，（是某巖（土）樣某時的含水狀態(tài)），又稱巖石（土）的天然含水量三、持水度（specificretention）__Sr

巖石（土）的持水能力——最大保持水分的能力巖石（土）的持水量（持水體積）與巖石（土）總體積之比一、容水度（Mc）

單位體積飽水巖石中所能容納的最大水的體積。

若以重量計，則稱容水量。

除膨脹性粘性土外，容水度與孔隙度（體積裂隙率、巖溶率）相當。二、含水量:一定量的土壤中所含水分的數(shù)量。（1）土壤重量含水率

（2）土壤容積含水率

三、持水度（Sr）

重力釋水后單位體積巖石中所能保持的最大水體積（一般為最大簿膜水層厚度時的體積）。

若以重量計，則稱持水量。

若空隙中除持有最大簿膜水外，還保持有一定量的懸掛毛細水和孔角水，則稱田間持水度或田間持水量。四、給水度（specificyield）——(e

d)(waterdrainedfromsoilundergravityflow)定義：當?shù)叵滤幌陆狄粋€單位高度時，單位水平面積巖石(土)柱體，在重力作用下釋放出來的水體積，稱為給水度

當水位下降一個單位，土層孔隙中是否所有的水都流出來？在土層中會保留什么形式的水？

結合水(膜)，孔角毛細水，有時懸掛毛細水與支持毛細水

3.3巖石(土)的水理性質(zhì)給水度與顆粒粒徑的關系給水度隨時間變化的關系均質(zhì)土包氣帶水分分布2、影響給水度——μ值的因素？礫石、粗砂、細砂、砂礫混合樣相比較，哪種樣給水度大a)巖性：空隙大的樣品，給水度大，μ≈n礫＞粗砂＞…＞粉砂——（與粒徑有關）顆粒細小者，比表面積大，結合水與孔角毛細水殘留多，除巖性外，同一巖層中其它原因也可造成μ不同，為什么？b)地下水位初始埋深（H0）當?shù)叵滤怀跏悸裆畲笥谥С置毸畮Ц叨葧rH0＞＞hc,可達最大μ值H0＜＜hc

時，地下水位下降1個高度時，原重力水大多轉化為支持毛細水，土層給水量大大降低，μ變小。土層含水量曲線分析：當水位埋深足夠大時，土層給水度不發(fā)生變化（為定值），此時給水度—也是最大理論給水度3.3巖石(土)的水理性質(zhì)CompanyLogo給水度與地下水位埋深的關系當H0＜＜hc

時，地下水位下降時，原重力水大多轉化為支持毛細水，土層給水量大大降低，μ變小。c)與地下水位下降速度有關地下水位下降快慢會影響到μ的大小

——（下降快μ<μ理、下降慢μ→μ理）這是因為釋水滯后，而導致的釋水減量d)土層結構均質(zhì)土特征與上述討論一致巖土層為層狀非均質(zhì)土時，往往會影響μ值，多層狀土的特征而言，上粗下細，上細下粗結構影響是不同的。四、給水度——2、影響μ值的因素

給水度：

均值土，當?shù)叵滤怀跏悸裆畲笥趆c，降速緩慢，μ=ωS-ω0

ωS-飽和含水量；ω0-持水度初始埋深小于hc時，埋深愈淺，μ越小

水位降速愈快，μ越小↓一般而言，層狀土μ小于均值土。

給水度小結常見巖石（土）的給水度

巖石名稱

給水度（%）最大最小平均粘土亞粘土粉砂細砂中砂粗砂礫砂細礫中礫粗礫512192832353535262603310152020211312271821262725252322五、透水性（permeability）反映巖土透過水的能力巖石(土)空隙直徑越大

—透水能力越強

—透水性越好！

3.3巖石(土)的水理性質(zhì)滲透系數(shù)滲透系數(shù)K（coefficientofpermeability）在有些教科書中也稱為水力傳導率

（hydraulicconductivity）

定義：水力梯度為I=1時的滲透流速（V=KI）具有速度量綱L2T-1

由公式V=KI分析

當I一定時，巖層的K

愈大，則V

也愈大，Q

大因此，滲透系數(shù)

K

是表征巖石透水性的定量指標

滲透系數(shù)K

影響因素：——

以松散巖石,等徑孔隙為例來分析

γ——水的重率；μ——動力粘滯系數(shù)

從公式即得出：k與巖石性質(zhì)有關k∝（d02，ne）與流體物理性質(zhì)有關k∝（γ/μ）將在地下水運動一章中詳細介紹對松散層:顆粒大小、形狀、分選程度、密實度、膠結情況水質(zhì)、水溫、液體類型對堅硬巖體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。影響滲透性大小的因素:

單位吸水量specificwaterabsorption單位吸水量（率）（w）

指單位長度的試段在單位壓力水頭的作用下的穩(wěn)定流量。（L/min.m.m或Lu）

1Lu定義為當試段壓力為1MPa時,每米試段的壓力流量為L/min的值.1L/min.m.m=100Lu定義1：壓水試驗中,在單位水頭壓力下,單位長度試驗段每分鐘所吸收的水量.

定義2：壓水試驗中，在每米水柱壓力下每米試段長度內(nèi)巖體每分鐘的吸水量數(shù)。以L/min·m·m表示。

壩(閘)基巖土體透水性分類根據(jù)水利水電工程地質(zhì)勘察資料內(nèi)業(yè)整理規(guī)程SDJ19-78

對堅硬巖體：透水性分級單位吸水量（Lu）

極嚴重透水大于1000

嚴重透水1000~100

較嚴重透水100~10

中等透水10~5

微透水5~1

極微透水小于1

對松散層：透水性分級滲透系數(shù)（m/d）

極強透水大于100

強透水100~25

較強透水25~5

弱透水5~0.2

微弱透水0.2~0.02

弱透水小于0.02

壩(閘)基巖土體透水性分類3.3太沙基有效應力原理

作用在飽水巖層中任一平面上的總應力等于有效應力與孔隙水壓力之和。

有效應力原理與巖土體變形破壞有效應力原理有效應力原理太沙基（K.Terzaghi）P=P’+uP-總應力P’-顆粒承受應力U-水應力必須說明：地面沉降或太沙基原理的應用，必須是建立在“相對封閉”的水文地質(zhì)環(huán)境當中，否則是無效的！第二章填空題1．巖石空隙是地下水儲存場所和運動通道?？障兜?/p>

、

、

、

和

，對地下水的分布和運動具有重要影響。2．巖石空隙可分為松散巖石中的

、堅硬巖石中的

、和可溶巖石中的

。3．巖石裂隙按成因分為：

、

、