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1、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
2、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
3、?,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
4、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
5、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
6、、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、,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
15、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。,2.3.4 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
16、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