岩石中的空隙与水.ppt
水文地质学,第二章 岩石中的空隙与水,贵州大学资源与环境工程学院勘察与技术工程教研室,本章内容,2.1 岩石中的空隙2.2 空隙中的水2.3 岩石的水理性质,2.1 岩石中的空隙,岩石水文地质学中指坚硬的岩石及松散的土层空隙岩、土中各种类型的空洞的总称 空隙是地下水赋存场所(places)和运移通道(conduits)空隙分为：孔隙（pore）-unconsolidated soil-（第四纪地质学）裂隙（fissure）-hard rock-（构造地质学）溶穴（cavity）-dissoluble rock-（岩溶地貌学）下面以孔隙为例，讨论描述空隙特征的有关概念，参数（指标）和分析方法。,岩土的空隙,孔隙（pore,void）：主要存在于松散岩石中 孔隙的描述有：孔隙的大小，多少，形状，连通与分布 松散岩石宏观上可以分为两大类：砂砾石与粘性土1.砂砾石孔隙大小及其影响因素 试样a砾石(模型)，试样b砂土样品，试样c砂砾混合样品,2.1.1 孔隙,孔隙与粒径关系,松散砂砾石孔隙大小与分选的关系好、坏？,四面体排列,立方体排列,颗粒排列方式与孔隙大小关系,d,立方体排列的理想等径园球颗粒孔隙大小特征的描述：孔喉(d)d=0.414D 孔腹(d)d=0.732D四面体排列的理想等径园球颗粒 孔喉(d)d=0.155D,砂砾石土孔隙大小与什么有关？,颗粒大小、排列（立方体或四面体）、分选、胶结与充填等。,2.砂砾石的孔隙度（porosity）及其影响因素 孔隙度定义：某一体积岩石（包括颗粒骨架与空隙在内）中孔隙体积所占的比例。孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标,通常用n 表示 问：孔隙度的大小与什么有关？与颗粒大小有关？a.与排列有关紧密与疏松 理想最疏松孔隙为47.64%，最紧密排列孔隙为25.95%。b.与分选有关下面试样哪个孔隙度大？哪个小？影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度。,不同颗粒大小的试样孔隙度？,三种粒径虽然孔隙大小各异，但孔隙度完全相同,排列不同,分选不同,自然界中松散岩石的孔隙度与上述讨论的略有不同，P17表2-1。,矛盾之一：与粒径的关系不是愈大则愈大？矛盾之二：孔隙度超过最疏松排列的47.64%达到70%,3.粘性土的孔隙与孔隙度 粘土颗粒 颗粒直径0.005mm；粘性土由于颗粒细小，比表面积大，连结力强；粘粒在悬浮推移互相接触时，就会连结起来形成“粘粒团”；细小“粘粒团”构成颗粒集合体；集合体与集合体结合构成粘性土的沉积结构特征。粘土孔隙 粘性土如同海绵、峰窝或絮状结构 结构孔隙集合体与集合体、粘粒与粘粒之间 次生孔隙虫孔、根系孔、裂隙裂痕等,粘性土的结构，不同比例电镜扫描片,2.1.2 裂隙,固结的坚硬岩石中，一般仅残存很小部分孔隙，而存在有各种内外力作用下产生的裂缝裂隙。按成因分为：风化（卸荷）裂隙、成岩裂隙、构造裂隙 裂隙：空间形态是两向延伸长，横向延伸短的“饼状”空隙，单个裂隙是孤立的；裂隙岩体：从水的赋存与运移角度来看，裂隙的描述包括：a 裂隙的连通性（组数、产状、长度和密度）；b 张开性（裂隙宽度）；c 裂隙率；d 充填情况。,风化（卸荷）裂隙,构造裂隙,成岩裂隙,2.1.3 溶穴,溶穴（solution cavity）cavern是扩大了的裂隙。在孔隙或裂隙基础，水流对可溶岩进一步作用的结果 溶穴可分为：溶孔、溶隙、溶洞。岩溶岩体：要描述裂隙特征及岩溶发育特征（裂隙+溶洞）a 岩溶发育方向；b 岩溶发育程度面/体岩溶率、钻孔遇洞率；c 溶洞（方向、规模等）。,溶洞,溶孔,溶隙,2.1.4 孔隙特征的对比,空隙特征的比较 含水介质由各类空隙所构成的岩石称为含水介质，也称为介质场。含水介质的空间分布与连通特征（孔隙含水介质、裂隙含水介质、溶质含水介质）是不同的。,三种主要类型的含水介质比较：连通性 孔隙介质最好，其它较差 空间分布孔隙介质分布最均匀，裂隙不均匀，溶穴极不均匀；孔隙大小均匀，裂隙大小悬殊，溶穴极悬殊 空隙比率孔隙介质最大，裂隙最小 渗透性孔隙介质-各向同性，裂隙与溶穴-各向异性 造成空隙介质上述差异的主要原因：沉积物形成和空隙形成的环境,2.1.4 空隙特征的对比,1.什么叫孔隙度？孔隙度大与孔隙大有区别吗？2.坚硬的花岗岩、砂岩、灰岩的空隙特征有何异同点？,岩石中的空隙思考题,本章内容,2.1 岩石中的空隙2.2 空隙中的水2.3 岩石的水理性质,2.2 空隙中的水,空隙中水的三种存在状态：气态 液态 固态空隙中水的三种存在形式：,结合水（absorbed water,bound water）重力水（gravitational water;bulk water）毛细水（capillary water）,结合水（absorbed water,bound water）定义：附着于固体表面，在自身重力下不能运动的水（结合水具有一定的抗剪强度）抗剪强度的产生及大小与什么有关 性质：结合水具有固态和液态水的双重性质；即自身重力作用下不能运动，在外力作用下能够移动（运动）及变形。意义：只要有固相表面就存在结合水，存在范围广，其量很小（结合水膜很薄），当孔隙直径小于2倍结合水膜厚度时，孔隙中只含有不能自由运动的结合水（又称无效空间）。,2.2.1 结合水,结合水与重力水,重力水,结合水与重力水,图中随圆形小粒代表水分子，结合水部分的水分子带正电荷一端朝向颗粒,图中箭头代表水分子所受合力方向,2.2.2 重力水,重力水（gravitational water;bulk water）远离固相表面，水分子受固相表面吸引力的影响极其微弱，主要受重力影响。自身重力影响下可以自由运动。无重力作用下水的存在？如在太空中瓶中的水分布受表面吸引的作用液态水的特征 地层内岩石空隙中如果存在一定的重力水，就可以通过泉，或井流出（抽出）。重力水是水文地质学研究的主要对象，也是勘察的主要对象。,重力水,2.2.3 毛细水,毛细水（capillary water）1.基本概念 毛细现象：,毛细现象的实质 固、液、气三相接触时，液体表面将受到表面张力的作用（分子间相互吸引力）。表面张力：设想在液面上划一根长度为L的线段，此线段两边的液面，以一定的力相互吸引，力的作用方向平行于液面而与此线段垂直，大小与线段长度成正比，即为表面张力，力的大小表示为：,式中：表面张力系数，单位为dyn(达因）/cm（1dyn=110-5N),毛细现象的产生与表面张力有关,附加表面压强 Pc 定义：表面张力的作用，使液面呈弯曲状，弯曲的液面将对液面以内的液体产生附加表面压强。附加表面压强的作用方向总是指向液体表面的曲率中心方向：凹进的弯液面，对液体附加一个负的表面压强(图a)；凸起的弯液面，对液体附加一个正的表面压强（图b）。,Pc,Pc,当液面是凸形时，附加表面压强是正的，此时实际表面压强？当液面为凹形时，附加表面压强是负的，此时实际表面压强？平的液面实际表面压强？,附加表面压强 Pc 的大小：（1）任意形状的弯液面：所产生的附加表面压强Pc 都可以用拉普拉斯公式表示：,式中：表面张力系数 R1、R2液体表面的两个主要曲率半径,Pc,Pc,（2）半圆球形液面 设想切取一个半径为R的半圆球形液面（如图示）。在此液面的圆周状边线上都存在着指向液层内部的表面张力；表面张力合力f为2R，作用于垂直于面积为R2的投影圆面。表面张力所引起的附加表面压强Pc 为：,f,对任何形状的弯液面附加表面压强Pc 计算式：,当 时,半圆球形是任意液面的特殊形式，都可用拉普拉斯公式描述。,拉普拉斯公式的函义是:弯曲的液面将产生一个指向液面凹侧的附加表面压强，附加表面压强与表面张力系数成正比，与表面的曲率半径成反比。,毛细力：毛细力的产生：是在三相界面上内弯液面引起液面弯曲产生的。毛细力的方向：作用方向始终指向弯曲液面的凹侧。凹凸弯液面是指相对于液相一侧而言的 凹形弯液面负的毛细压强（negative）-如同真空吸力；凸形弯液面正的毛细压强（positive）。毛细力的大小：毛细力大小与弯液面的曲率成正比（曲率大,毛细力大;曲率小，毛细力小）。一根毛细管子，管径越小，毛细力越大；反之亦然 毛细力大，毛细上升高度也越大,2.毛细水的存在形式（states forms）在岩石空隙中，毛细水的存在形式可分为三种：(1)支持毛细水（supporting capillary water）在地下水面支持下存在的（附着水面上的），随地下水升降而升降。上升高度与水面上部的岩石孔隙性质有关。(2)悬挂毛细水（suspension capillary water）脱离水面，岩石细小孔隙中保留的水分。(3)孔角毛细水（触点毛细水）（corner water,contiguity water?）孔角毛细水与悬挂毛细水是不同？悬挂毛细水似串珠状且连续分布的，孔角毛细水是孤立的,支持毛细水,悬挂毛细水,孔角毛细水,毛细水的存在形式,思考：1.上细下粗土层，滴水，水停留在何处？2.黄土层中挖平洞，下大雨后，洞内能否接到水？,小结：岩石空隙中的水有三种存在形式 三种形式的水有差异与受力状态有关 自己总结、比较加深理解,本章内容,2.1 岩石中的空隙2.2 空隙中的水2.3 岩石的水理性质,2.3 岩石的水理性质,岩石（包括骨架与空隙在内的总称）水理性质：水文地质学主要指与水分储容、释出及运移有关的性质。主要包括：容水度、含水量、持水度、给水度、透水性五个方面。2.3.1 容水度_ nr 岩石完全饱水时，所能容纳的最大水体积与岩石总体积之比。容水度与孔隙度相等？反映岩石最大含水能力,2.3.2 含水量（water content）_W 岩石中水的体积与岩石体积（包括空隙）之比。反映岩石样实际保留水分的状况，（是某岩样某时的含水状态），又称岩石的天然含水量W0。饱和含水量Ws、饱和差、饱和度2.3.3 持水度（specific retention）_Sr 岩石的持水体积（地下水位下降一个单位深度，单位水平面积岩石柱体中保持于空隙中的水量）与岩石总体积之比。反映岩石的持水能力最大保持水分的能力。,给水度（specific yield）_(water drained from soil under gravity flow)1.定义：当地下水位下降一个单位高度时，单位水平面积岩石柱体，在重力作用下释放出来的水体积，称为给水度。当水位下降一个单位，土层孔隙中是否所有的水都流出来？在土层中会保留什么形式的水？结合水(膜)，孔角毛细水，有时悬挂毛细水与支持毛细水,2.影响给水度（值）的因素 砾石、粗砂、细砂、砂砾混合样相比较，哪种样给水度大？（1）岩性 空隙大的样品，给水度大，n 砾粗砂 粉砂（与粒径有关）颗粒细小者，比表面积大，结合水与孔角毛细水残留多。除岩性外，同一岩层中其它原因也可造成不同，为什么？,（2）地下水位初始埋深（H0）当地下水位初始埋深大于支持毛细水带高度时H0 hc（支持毛细水高度）,值可达最大；当H0 hc 时，地下水位下降1个高度时，原重力水大多转化为支持毛细水，土层给水量大大降低，值较小。当水位埋深足够大时，土层给水度不发生变化（为定值），此时给水度也是最大理论给水度。,当H0 hc 时，地下水位下降时，原重力水大多转化为支持毛细水，土层给水量大大降低，变小。,（3）地下水位下降速度 地下水位下降快慢会影响到的大小 下降快理、下降慢理 这是因为释水滞后，而导致的释水减量（4）土层结构 上述讨论为均质土特征 岩土层为层状非均质土时，往往会影响值，多层状土的特征而言，上粗下细，上细下粗结构影响是不同的。,给水度小结：均值土:当地下水位初始埋深大于hc，降速缓慢:初始埋深小于hc时，埋深愈浅，愈小；水位降速愈快，愈小；一般而言，层状土小于均值土给水度、持水度与孔隙度三者间关系：,2.3.5 透水性（permeability）指岩石允许水透过的能力 反映岩土透过水的能力 岩石空隙直径越大透水能力越强透水性越好！后续讲“地下水的运动”时再讨论,
