第3讲岩石的水理性质

1、水的储容及运移有关的岩石性质水的储容及运移有关的岩石性质含水层与隔水层含水层与隔水层地下水的类型地下水的类型一、一、与水的储容及运移有关的岩石性质与水的储容及运移有关的岩石性质影响水的储容及运移的因素：影响水的储容及运移的因素： 岩石空隙大小、多少、连通程度及岩石空隙大小、多少、连通程度及其分布均匀度。其分布均匀度。控制水活动的因素：控制水活动的因素： 岩石的容水性、含水性、给水性、岩石的容水性、含水性、给水性、持水性、透水性持水性、透水性岩土的水理性质岩土的水理性质概念概念： 指岩土控制水活动的性质指岩土控制水活动的性质 岩土主要水理性质岩土主要水理性质：容水性容水性持水性持水性给水性给水性

2、透水性透水性含水性含水性1.1.容水性（容水度）容水性（容水度） 岩石的容水性是指岩石容纳岩石的容水性是指岩石容纳一定水的能力。一定水的能力。表征指标：表征指标： 容水度容水度指岩土完全饱水时所容纳的最大水指岩土完全饱水时所容纳的最大水体积与岩土总体积之比，即体积与岩土总体积之比，即 = 100% = 100% 或或= 100%= 100% 容水度数值上一般与空隙度（裂隙率、岩溶容水度数值上一般与空隙度（裂隙率、岩溶率）相等，但膨胀土的容水度大于孔隙度。率）相等，但膨胀土的容水度大于孔隙度。VVwswGG2.2.含水性（含水量）含水性（含水量）概念：概念： 含水量含水量松散岩石实际保留水分的状

3、况。松散岩石实际保留水分的状况。重量含水量（重量含水量（WgWg）：）：松散岩石孔隙中所含水松散岩石孔隙中所含水的重量与干燥岩石重量的比值。的重量与干燥岩石重量的比值。体积含水量（体积含水量（WvWv）：）：含水的体积与包括孔隙含水的体积与包括孔隙在内的岩石体积的比值。在内的岩石体积的比值。饱和含水量饱和含水量WsWs： 孔隙充分饱水时的含水量称作饱和含水孔隙充分饱水时的含水量称作饱和含水量量WsWs。 饱和含水量与实际含水量之间的差值称饱和含水量与实际含水量之间的差值称为为饱和差饱和差。 实际含水量与饱和含水量之比称为实际含水量与饱和含水量之比称为饱和饱和度。度。3.3.给水性（给水度）给水

4、性（给水度）给水性：给水性： 地下水位下降时，其下降范围内饱水岩地下水位下降时，其下降范围内饱水岩石及相应的支持毛细水带中的水，在重力作石及相应的支持毛细水带中的水，在重力作用下从原先赋存的空隙中释出，这一现象称用下从原先赋存的空隙中释出，这一现象称为岩石的给水性（为岩石的给水性（）。）。表征指标：表征指标：给水度给水度 在单位水平面积岩层柱体中，当潜水位在单位水平面积岩层柱体中，当潜水位下降一个单位时，在重力作用下所释出的水下降一个单位时，在重力作用下所释出的水量。以小数或百分数表示。量。以小数或百分数表示。 = = （V V出水出水/V/V砂样容水砂样容水）100%100%含水率释水前水位

5、释水后水位单位水位降OOOODEAIHGFC结合水悬挂毛细水支持毛细水影响因素：影响因素： 重力释水不是瞬时完成，往往滞后重力释水不是瞬时完成，往往滞后于水位下降。对于均质的松散岩石，给于水位下降。对于均质的松散岩石，给水度的大小与岩性、初始地下水位埋藏水度的大小与岩性、初始地下水位埋藏深度、地下水位下降速率等因素有关。深度、地下水位下降速率等因素有关。表2-2 常见松散岩石的给水度Fetter,19804 4、持水性（持水度）、持水性（持水度）持水性：持水性： 岩石依靠分子引力和毛细力，在重力作用岩石依靠分子引力和毛细力，在重力作用下其岩石仍能保持一定水的性能。下其岩石仍能保持一定水的性能。

6、表征指标表征指标 持水度：在重力作用下，岩石所保持水度：在重力作用下，岩石所保持的水体积与岩石体积的比值。持的水体积与岩石体积的比值。残留含水量（残留含水量（W W0 0）：）： 包气带充分重力释水而又未受到蒸发、包气带充分重力释水而又未受到蒸发、蒸腾消耗时的含水量称作残留含水量（蒸腾消耗时的含水量称作残留含水量（W W0 0），），数值上相当于最大的持水度。数值上相当于最大的持水度。5 5、透水性（渗透系数）、透水性（渗透系数）岩石的透水性：岩石的透水性： 指岩石允许水透过的能力。指岩石允许水透过的能力。表征指标：表征指标： 表征岩石透水性的定量指标表征岩石透水性的定量指标渗透系渗透系数。数

7、。实例分析实例分析以松散岩石为例，分析一个理以松散岩石为例，分析一个理想孔隙通道中水的运动情况。想孔隙通道中水的运动情况。图图2-92-9表示圆管状孔隙通道的纵断面，孔隙的边缘表示圆管状孔隙通道的纵断面，孔隙的边缘上分布着在寻常条件下不运动的结合水，其余部分上分布着在寻常条件下不运动的结合水，其余部分是重力水。是重力水。 由于附着于隙壁的结合水层对于重力水，以及由于附着于隙壁的结合水层对于重力水，以及重力水质点之间存在着摩擦阻力，最近边缘的重力重力水质点之间存在着摩擦阻力，最近边缘的重力水流速趋于零，中心部分流速最大。水流速趋于零，中心部分流速最大。分析可见：分析可见：孔隙直径愈小，结合水所占

8、据的无效空孔隙直径愈小，结合水所占据的无效空间愈大，实际渗流断面就愈小；孔隙直径越小，透间愈大，实际渗流断面就愈小；孔隙直径越小，透水性越差。水性越差。 分析可见：分析可见： 决定透水性好坏的主要因素是决定透水性好坏的主要因素是孔隙大孔隙大小小；只有在孔隙大小达到一定程度，孔隙；只有在孔隙大小达到一定程度，孔隙度才对岩石的透水性起作用，孔隙度愈大，度才对岩石的透水性起作用，孔隙度愈大，透水性愈好。透水性愈好。实际的孔隙通道并不是直径均实际的孔隙通道并不是直径均一的圆管，而是直径变化、断一的圆管，而是直径变化、断面形状复杂的管道系统（图面形状复杂的管道系统（图a a）实际的孔隙通道不是直线的，实

9、际的孔隙通道不是直线的，而是曲直的（图而是曲直的（图a a）。）。颗粒分选性，既影响孔隙大颗粒分选性，既影响孔隙大小，还决定着孔隙通道沿程小，还决定着孔隙通道沿程直径的变化和曲折性（图直径的变化和曲折性（图a a），），Company Logo 饱水岩层中，根据岩层饱水岩层中，根据岩层而进行的划分而进行的划分 v 含水层含水层（AquiferAquifer）：）： 是能够透过并给出重力水的岩层是能够透过并给出重力水的岩层各类砂土，砂岩等各类砂土，砂岩等 v 隔水层隔水层（Aquifuge)Aquifuge)： 不能透过与给出水或透过与给出的水量微不足道的岩不能透过与给出水或透过与给出的水量微不

10、足道的岩层层裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、粘土（致密）裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、粘土（致密） v 弱透水层弱透水层（AquitardAquitard）：）： 渗透性很差，给出的水量微不足道，但在较大水力梯度渗透性很差，给出的水量微不足道，但在较大水力梯度作用下，具有一定的透水能力的岩层作用下，具有一定的透水能力的岩层各种粘土，泥各种粘土，泥质粉砂岩质粉砂岩Company LogoCompany Logo 定义中的模糊概念定义中的模糊概念“相当水量，微不足道，较大水力相当水量，微不足道，较大水力梯度梯度”等等 。对于是否是含水层，还要从实际应用角度来看。对于是否是含水层，还要从实际应用角度来

11、看划分的相对的性。划分的相对的性。 即：在利用与排除地下水的实际中应当考虑岩即：在利用与排除地下水的实际中应当考虑岩层所能给出水的数量大小是否具有实际意义。层所能给出水的数量大小是否具有实际意义。Company Logo例例1 1：黄土：黄土 利用地下水供水时利用地下水供水时, ,某一岩层能够给出的水量较小某一岩层能够给出的水量较小, ,对于对于水源丰沛、需水量很大的地区水源丰沛、需水量很大的地区, ,由于远不能满足供水需求由于远不能满足供水需求, ,而而被视作隔水层。被视作隔水层。 但在水源匮乏、需水量又小的地区但在水源匮乏、需水量又小的地区, ,同一岩层便能在一定同一岩层便能在一定程度上满

12、足程度上满足, ,甚至充分满足实际需要甚至充分满足实际需要; ;在后一地区在后一地区, ,这种岩层这种岩层便可看作含水层。便可看作含水层。Company Logo 例例2 2：如在某处一口井出水量：如在某处一口井出水量80m80m3 3/d/d，作，作为为1 1万人的供水，非含水层；作为饮料厂、装万人的供水，非含水层；作为饮料厂、装瓶生产则为含水层。瓶生产则为含水层。Company Logo例例3、从理论意义来看、从理论意义来看微不足道微不足道 ：微不足道，有：微不足道，有时空尺度的制约。时空尺度的制约。 如华北平原早期地下水开采就是典型的例子，深如华北平原早期地下水开采就是典型的例子，深层水

13、与浅层水的开采有一粘土隔水层；后开采深层，层水与浅层水的开采有一粘土隔水层；后开采深层，水量大，水位降低快，浅层水向深层水量大，水位降低快，浅层水向深层“越流越流”-粘土粘土层成为层成为“透水层透水层”。 时时间间的的相相对对性性54321 如图：如图：5个含水个含水层被层被4个弱透水层所个弱透水层所阻隔。阻隔。当含水层当含水层3中抽水时中抽水时,短期内相邻的含水短期内相邻的含水层层2与与4的水位均未的水位均未变动变动,图中所示图中所示a的的范围构成一个有水范围构成一个有水力联系的单元。力联系的单元。但当抽水持续时但当抽水持续时,最最终影响将波及图中终影响将波及图中b所示范围所示范围,这时这时

14、5个个含水层与含水层与4个弱透水个弱透水层构成一个发生统层构成一个发生统一水力联系的单元。一水力联系的单元。总结：总结： 人们把隔水层看作是绝对不透水与不释水的。本世纪人们把隔水层看作是绝对不透水与不释水的。本世纪40年代雅可布提出越流概念后年代雅可布提出越流概念后,人们才开始认识到人们才开始认识到,在原先在原先划入隔水层中的划入隔水层中的,有一类是弱透水层。有一类是弱透水层。弱透水层：弱透水层：指那些渗透性极差的岩层，一般情况下所能提指那些渗透性极差的岩层，一般情况下所能提供的水量微小，似乎可以看作隔水层；但在发生越流时供的水量微小，似乎可以看作隔水层；但在发生越流时,由于水流的水力梯度和发

15、生渗透的过水断面很大，故相邻由于水流的水力梯度和发生渗透的过水断面很大，故相邻含水层通过弱透水层交换的水量相当大，则不能再把它看含水层通过弱透水层交换的水量相当大，则不能再把它看作隔水层了。作隔水层了。 如：松散沉积物中的粘性土如：松散沉积物中的粘性土,坚硬基岩中裂隙稀少而狭坚硬基岩中裂隙稀少而狭小的岩层都可认为是弱透水层。小的岩层都可认为是弱透水层。Company Logov地下水分类：地下水分类： 主要依据主要依据含水介质的类型（赋存空间）含水介质的类型（赋存空间） 埋藏条件（赋存部位）埋藏条件（赋存部位） v表表3-13-1含水介质三类，埋藏三分，组合共分为含水介质三类，埋藏三分，组合共

16、分为9 9类类 孔隙水孔隙水裂隙水裂隙水岩溶水岩溶水包气带包气带上层滞水上层滞水上层滞水上层滞水上层滞水上层滞水潜水潜水孔隙潜水孔隙潜水裂隙潜水裂隙潜水岩溶潜水岩溶潜水承压水承压水孔隙承压水孔隙承压水裂隙承压水裂隙承压水岩溶承压水岩溶承压水 Company Logo一、包气带与饱水带的划分一、包气带与饱水带的划分 地下水面（水位）：地下水面（水位）： 地下一定深度岩石中的空隙被重力水所充满，地下一定深度岩石中的空隙被重力水所充满， 形成一个自由水面，以海拔高度表示称之形成一个自由水面，以海拔高度表示称之地下水位地下水位 （一般通过打井，地下开挖来确定）（一般通过打井，地下开挖来确定）Compa

17、ny Logo包包气气带带与与饱饱水水带带地下水位地下水位Company Logo包气带包气带（zone of aeration or zone of unsaturation） v特点：特点： 岩石空隙未被水充满岩石空隙未被水充满 是固、液、气三相介质并存介质是固、液、气三相介质并存介质 v水的存在形式（多样）水的存在形式（多样） 结合水、毛细水（各种）、重力水、气态水结合水、毛细水（各种）、重力水、气态水 v包气带水的垂直分带包气带水的垂直分带 土壤水带，土壤水带， 中间带（过渡带）中间带（过渡带） 支持毛细水带，毛细饱和水带支持毛细水带，毛细饱和水带 包气带是饱水带中地下水参与水文循环的

18、一个重要通道；包气带是饱水带中地下水参与水文循环的一个重要通道；“重力重力水水”通过包气带获得降水、地表水的入渗补给（补充），部分通过包气带获得降水、地表水的入渗补给（补充），部分水又通过包气带将水分传输，蒸发，消耗出去。水又通过包气带将水分传输，蒸发，消耗出去。Company Logo饱水带（饱水带（saturation zone） v岩石空隙被水完全充满岩石空隙被水完全充满 是二相介质（固相是二相介质（固相+液相水）液相水） v空隙中水的存在形式：空隙中水的存在形式： 重力水重力水 结合水结合水 重力水：连续分布（孔隙是连通）重力水：连续分布（孔隙是连通）传递压力传递压力在水在水头差作用下

19、，地下水（空隙中的水）可以连续运动。头差作用下，地下水（空隙中的水）可以连续运动。 地下开挖，坑道，巷道，基坑，打井在此带均有重地下开挖，坑道，巷道，基坑，打井在此带均有重力水涌出来！力水涌出来！ Company Logo2上层滞水上层滞水 当包气带存在当包气带存在局部隔（弱透）局部隔（弱透）水层时水层时,局部隔局部隔(弱透）水层上弱透）水层上会积聚具有自会积聚具有自由水面的重力由水面的重力水水上层滞上层滞水。水。Company Logo2.1上层滞水的补给、径流、排泄上层滞水的补给、径流、排泄上层滞水分布最接近地表上层滞水分布最接近地表,接受大气降水的补给接受大气降水的补给,通过蒸发或向隔水

20、底板通过蒸发或向隔水底板(弱透水层底板弱透水层底板)的边缘的边缘下渗排泄。下渗排泄。 雨季获得补充雨季获得补充,积存一定水量。旱季水量逐渐积存一定水量。旱季水量逐渐耗失。当分布范围小且补给不很经常时耗失。当分布范围小且补给不很经常时,不能终不能终年保持有水。年保持有水。2.2上层滞水的特征上层滞水的特征水量小水量小, ,动态变化显著动态变化显著, ,只有在缺水地区才能成只有在缺水地区才能成为小型供水水源或暂时性供水水源。为小型供水水源或暂时性供水水源。包气带中的上层滞水包气带中的上层滞水, ,对其下部的潜水的补给对其下部的潜水的补给与蒸发排泄与蒸发排泄, ,起到一定的滞后调节作用。起到一定的滞

21、后调节作用。上层滞水极易受污染上层滞水极易受污染, ,利用其作为饮用水源时利用其作为饮用水源时要格外注意卫生防护。要格外注意卫生防护。Company Logo3.1 3.1 潜水与潜水含水层概念潜水与潜水含水层概念 v潜水：潜水： 地表以下，第一个具有自由表面的稳定含水层中的地表以下，第一个具有自由表面的稳定含水层中的水水 自由表面自由表面即设有隔水层限制，与大气直接相通，即设有隔水层限制，与大气直接相通，除大气压强外不受其它力。除大气压强外不受其它力。 稳定稳定具有一定的空间连续性（范围）以示区分上具有一定的空间连续性（范围）以示区分上层滞水层滞水 v潜水含水层潜水含水层 -赋存潜水的岩层赋

22、存潜水的岩层 屋建筑时的基坑排水，大堤堤角处的散浸渗漏（潜水）屋建筑时的基坑排水，大堤堤角处的散浸渗漏（潜水） Company Logo 潜水面：潜水的表潜水面：潜水的表面为自由水面，称面为自由水面，称作潜水面；作潜水面；潜水含水层厚度：潜水含水层厚度：从潜水面到隔水底从潜水面到隔水底板的距离；板的距离；潜水埋藏深度：潜潜水埋藏深度：潜水面到地面的距离水面到地面的距离 3.3 3.3潜水的补给、径流、排泄潜水的补给、径流、排泄潜水的补给：潜水的补给： 潜水含水层上面不存在完整的隔水或弱透水顶潜水含水层上面不存在完整的隔水或弱透水顶板板, ,与包气带直接连通与包气带直接连通, ,其全部分布范围都

23、可以通其全部分布范围都可以通过包气带接受大气降水、地表水的补给。过包气带接受大气降水、地表水的补给。潜水的径流：潜水的径流： 潜水在重潜水在重力作用下由水力作用下由水位高的地方向位高的地方向水位低的地方水位低的地方径流。径流。潜水的排泄：潜水的排泄： 除了流入其它含水层以外除了流入其它含水层以外, ,泄入大气圈与地表泄入大气圈与地表水圈的方式有两类水圈的方式有两类: : 一类是径流到地形低洼处一类是径流到地形低洼处, ,以泉、泄流等形式以泉、泄流等形式向地表或地表水体排泄向地表或地表水体排泄, ,即径流排泄。即径流排泄。 另一类是通过土面蒸发或植物蒸腾的形式进另一类是通过土面蒸发或植物蒸腾的形式进入大气入大气, ,即蒸发排泄。即蒸发排泄。潜水与大气圈及地表水圈联系密切潜水与大气圈及地表水圈联系密切, ,影响显著。动态有明显的季节变影响显著。动态有明显的季节变化特点；化特点；潜水积极参与水循环潜水积极参与水循环, ,资源易于补充恢复资源易于补充恢复, ,但受气候影响但受气候影响, ,且含水层厚且含水层厚度一般比较有限度一般比较有限, ,其资源通常缺乏多年调节性。其资源通常缺乏多年调节性。 潜水的水质主要取决于气候、地形及岩性条件。潜水容易受到污染。潜水的水质主要取决于气候、地形及岩性条件。潜水容易受到污染。 综上所述综上所述,