水文地质学第二章

'2.1岩石中的空隙第二章岩石中的孔隙与水分岩石——水文地质学中指坚硬的岩石及松散的土层2.1岩石中的孔隙空隙——岩、土中各种类型的空洞的总称岩石中的空隙岩石空隙的如何影响地下水的储存和运动？2.2岩石中水的存在形式空隙的大小、多少、连通性、形状和分布规律对地下水的分布和运动具有重要影响。因此，我们要研究不同岩石所具有的空隙特征。2.3岩石的水理性质岩石空隙的分类：2.4有效应力原理松散岩石中的孔隙、坚硬岩石中的裂隙、可溶岩石中的溶穴以孔隙为例来重点讲述空隙的特征、基本概念、有关参数！下一页2.1.1孔隙孔隙：松散岩石是由大小不等的颗粒组成的，颗粒和颗粒集合体之间的空隙孔隙特征描述：孔隙的多少、孔隙的大小、孔隙的形状、连通与分布1、孔隙度及其影因素孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的定量指标概念：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。通常用n表示VnnV孔隙度的大小与什么有关？与颗粒大小有关？颗粒（1）与排列方式有关排列（2）与分选有关分选下页1 不同颗粒大小的介质——孔隙度？孔隙度与排列方式的关系孔隙度47.64%25.95%孔隙度与分选的关系孔隙度与颗粒形状和胶结充填情况的关系2 2.1.1孔隙2.1.1孔隙——粘土2粘性土的孔隙与孔隙度粘土颗粒：图粘性土石指土体颗粒小于0.005mm的直径；粘性土由于颗粒细小，比表面积大，连接力强；粘粒在悬浮、推移、相互接触时，就会连接起来，形成粘粒团问题：细小粘粒集合构成称为颗粒集合体；集合体与集合体结合构成粘性土的沉积结构特征(1)孔隙度与粒径的关系不是正比关系？(2)孔隙度超过最疏排列的47.64%，达到了70%下一页2.1.1孔隙3、孔隙的大小及影响因素孔隙的大小影响地下水的运动特征图总结：孔隙的大小与什么有关？（1）颗粒大小（2）排列方式（3）分选程度（4）胶结与充填程度（5）对于粘性土，还包括结构孔隙和次生孔隙孔隙大小特征的描述孔喉、孔腹图4、孔隙的连通程度影响地下水的分布和流动的整体特征孔隙连通性好，分布均匀，孔隙地下水分布和流动都比较均匀。下一页3 孔隙大小与颗粒大小、分选程度、排列方式的关系2.1.2裂隙裂隙分类1、裂隙：是指固结的坚硬岩石（沉积岩、岩浆岩和变质岩）在各种应力作用下岩石破裂变形而产生的空隙。以裂隙率表示。玄武岩成岩裂隙花岗岩构造裂隙风化裂隙2、裂隙的分类：成岩裂隙、构造裂隙、风化裂隙成岩裂隙：是指岩石在成岩过程中由于冷凝收缩（岩浆岩）或固结干缩（沉积岩）而产生的裂隙，以玄武岩柱状节理最有水文地质意义。构造裂隙：是指岩石在构造变动中受力而产生的裂隙。具有方向性，大小悬殊，分布不均匀。风化裂隙：是指岩石在风化营力作用下发生破坏而产生的裂隙。主要分布于地表附近。4 2.1.1l裂隙2.1.3溶穴在裂隙的基础上，水流对可溶岩进一步作用的结果，即扩大3、裂隙的描述（从水的赋存与运移角度来看）了的裂隙（1）裂隙的连通性（组数、产状、长度和密度）1、溶穴：是指可溶的沉积岩（如盐岩、石膏、石灰岩、白（2）张开性（裂隙的宽度）云岩等）在地下水溶蚀作用下所产生的空隙（空洞）。（3）裂隙率常见的溶穴有：溶孔、溶隙、溶洞等定义：是岩石中裂隙体积（Vr）与包含裂隙体积在内的岩2、岩溶岩体的描述：要描述裂隙特征及岩溶发育特征石体积（V）的比值，此为体积裂隙率，即VKrr,（1）岩溶发育方向V（2）溶蚀率—岩溶发育的程度VKrr100%（3）溶洞的方向及规模等V亦可用面积裂隙率或线裂隙率来表示溶穴、溶洞空隙特征的比较：①松散岩石中的孔隙连通性好，分布均匀，其中的地下水分布与流动比较均匀，为孔隙水。②坚硬基岩中的裂隙，宽窄不等，多具有方向性，连通性较差，分布不均匀，其中的地下水相互关联差，分布流动不均匀，为裂隙水。③可溶岩石中的溶穴是一部分原有裂隙与原生孔缝溶蚀而成，大小悬殊，分布不均，其中的地下水分布与流动多极不均匀，为岩溶水。产生差异的原因？空隙介质的形成环境5 2.2岩石中水的存在形式思考题：①什么叫孔隙度？孔隙度大与空隙大有区别吗？②粘性土孔隙度为什么大？粘性土是含水层吗？沸石水岩石骨架中的水③坚硬的花岗岩、砂岩、灰岩的空隙特征有何异同点？结晶水（矿物结合水）岩石中的水结构水弱结合水结合水强结合水液态水毛细水岩石空隙中的水重力水固态水气态水2.2.1结合水定义——是指受固相表面的引力大于水分子自身重力的那部结合水与重力水分水，亦即被岩土颗粒的分子引力和静电引力吸附在颗粒表面的水。结合水具有一定的抗剪强度！结合水与重力水抗剪强度的产生与大小与什么有关？表面引力，即服从库仑定律，随距离的加大而减弱特点：①厚度较大，状态处于固态与液态之间②吸引力小，密度较大③有溶解能力④有一定运动能力，在饱水带中，能传递静水压力，静水压力大于结合水的抗剪强度时能够运移，其外层可被植被吸收，有抗剪强度。粘性土中，强结合水占48%，弱结合水占48%。砂性土中，强结合水占0.5%，弱结合水占0.2%。下一页6 2.2.2重力水2.2.3毛细水定义——是指距离固体表面更远、重力对其影响大于固体表1、基本概念面对其吸引力、能在重力影响下自由运动的那部分水。毛细现象：①根据细小管插入水中，水上升至一定高度停下来毛细现象1②在图层中挖个洞，在洞内放个接渗器，能否接到水?无重力作用下水的存在？毛细现象2定义：地层岩石空隙中如果存在一定的重力水，就可以通过泉，或由于毛细管力作用而保存于包气带内岩层空隙中的地下水，井流出（抽出）可分为支持毛细水、悬挂毛细水和孔角（触点）毛细水。毛细水的存在形式：为水文地质学和地下水水文学的主要研究对象支持毛细水、悬挂毛细水、孔角毛细水图毛细现象7 2.3岩石的水理性质毛细水类型岩石（包括岩石骨架与空隙在内的总称）水理性质：就是水文地质学主要涉及的与水分储容、释出与运移有关的性质，主要包括：一、容水性容水性是指指在常压下岩土空隙容纳一定水量的能力。衡量指标为容水度。容水度：是指岩石完全饱和时所能容纳的最大的水体积与岩石总体积的比值。用小数或%表示，一般小于或等于孔隙度。W0=V0/V×100%。对于膨胀土，容水度可大于孔隙度。对于膨胀土，容水度可大于孔隙度。2.3岩石的水理性质2.3岩石的水理性质二、含水性三、给水性含水性是岩石实际含有水的性能，用含水量表示。给水性是饱和岩土在重力作用下能自由排出水的能力。用给水度表示。1、含水量：含水量（watercontent）是岩石空隙中所保留的水分的多少。1、给水度（μ）是指地下水位下降一个单位深度、从地下水位延伸到地表面的单位面积岩石柱体在重力作用下所释放出2、重量含水量（Wg）：是松散岩石孔隙中所含水的重量（Gw）来的水的体积。常用小数表示，无量纲。与干燥岩石重量（Gs）的比值，Wg=Gw/Gs或Wg=Gw/Gs×100%3、体积含水量（Wv）：是岩石中所含水的体积（Vw）与包含VV，100%孔隙在内的岩石体积（Vs）的比值，Wv=Vw/Vs或VVWv=Vw/Vs×100%。总总给水度记岩石的干容重为γd，则有Wv=γ•Wg。当水位下降一个单位深度，土层孔隙中所有的水是否都流出d来？水分分布8 单位水平面积给水度土层中会保留什么形式的水？地下水位结合水一个单位孔角毛细水地下水位下降悬挂毛细水支持毛细水含水层隔水层2.3岩石的水理性质2.3岩石的水理性质三、给水性三、给水性2、影响给水度（μ）的因素2、影响给水度（μ）的因素（1）岩性（空隙的大小与多少）（3）地下水位的下降速度颗粒粗大的岩石，空隙宽大，重力释水时，持水性差，给水抽水时降速过大时给水度偏小，降速缓慢时给水度接近理论度大；值；颗粒细小的岩石，空隙狭小，以结合水和毛细水为主，给水（4）土层结构度小。以上讨论均针对均质土；（2）地下水位初始埋深岩土层为层状非均质土时，往往会影响μ值，例如粗细颗粒当地下水位初始埋深小于最大毛细上升高度时，地下水位下层析相间分布的层状松散岩石，地下水位下降时，细粒夹层降一个高度时，原重力水大多转化为支持毛细水，土层给水中的水以悬挂毛细水的形式滞留而不释出，给水度偏小。量大大降低，μ值小。当地下水位埋深大于支持毛细水带高度时，可达μ值。9 2.3岩石的水理性质2.3岩石的水理性质四、持水性小结持水性是饱和岩土在重力排水后，岩土依靠分子力和毛细力给水度：而在岩石空隙中能保持一定水分的能力。•均质土，当地下水位初始埋深大于毛细上升最大高度，降1、持水度（S）是指地下水位下降一个单位深度、单位水平速缓慢，μ≈WS-W0r面积岩石柱体中反抗重力而保持于岩石空隙中的水的体积。•初始埋深小于毛细上升最大高度时，埋深愈浅，μ愈小常用小数表示，无量纲。•水位降速愈快，μ愈小•一般而言，层状土给水度小于均质土Snr持水度：残留含水量（W0）相当于最大持水度，是岩石充分释水的结•所有影响给水度的因素均影响持水度！果，又称田间持水量。饱和含水量（Ws）相当于容水度，是岩石充分饱水的结果。2.3岩石的水理性质五、透水性持水性是岩土允许水透过的能力。表征岩石透水性的定量指标是渗透系数。1、渗透系数（K）渗透系数在第四章专门讲解2、影响渗透性的因素（1）孔隙直径大小。孔隙直径越小，结合水占据的无效空间越大，透水性就小。反之透水性就大。透水能力很大程度上取决于最小的孔隙直径。图1（2）孔隙度。当孔隙大小达到一定程度，孔隙度才对岩石透水性起作用。图1（3）圆管通道：形状弯曲而变化时，渗透性较差。图2（4）颗粒分选性：比对孔隙度的影响要大。下一页10 2.4有效应力原理一、有效应力太沙基（Terzaghi，1925）提出：作用在饱和砂层水平单元面积AB上的总应力P为该单元上松散岩石骨架与水的重量之和。水所承受的应力相当于孔隙水压力，即:uhw式中，γw——水的容重；h——AB面上的测压管高度；u——为AB面处水对上覆地层的浮托力.AB处应力处于平衡，总应力等于孔隙水压力u与有效应力Pz之和，即PuPZPZPu有效应力等于总应力减去孔隙水压力，这就是著名的太沙基有效应力原理。2.4有效应力原理二、地下水变动引起的岩土压缩设含水砂层饱水，水位下降后其测压管高度仍高出饱水砂层顶面。抽水引起水位h降低时，可以认为总应力P不变，u降低△u，Pz增加△Pz，即原先由水承受的应力由于水头降低、浮托力减少而部分地（相应）转由砂层骨架（颗粒本身）承担：Pz+△Pz=P-(u-△u)砂砾质土，基本呈弹性变形。粘性土释水压密，其孔隙度、给水度、渗透系数等参数均变小，并出现地面沉降（landsubsidence）。11 小结本章主要讲授岩石中空隙类型的概念、表示方法、空隙中水的类型、岩石的水理性质及表示方法、太沙基有效应力原理与地面沉降要求掌握基本概念、有关影响因素。12'