岩石中的空隙与水

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本章内容2.1 2.1 岩石中的空隙岩石中的空隙2.2 2.2 空隙中的水空隙中的水2.3 2.3 岩石的水理性质岩石的水理性质2.1 2.1 岩石中的空隙岩石中的空隙岩石岩石水文地质学中指坚硬的岩石及松散的土层水文地质学中指坚硬的岩石及松散的土层空隙空隙岩、土中各种类型的空洞的总称岩、土中各种类型的空洞的总称 空隙是地下水赋存场所空隙是地下水赋存场所(places)(places)和运移通道和运移通道(conduits)(conduits) 空隙分为：空隙分为： 孔隙（孔隙（porepore）-uncon

2、solidated soil-unconsolidated soil-（第四纪地质学）（第四纪地质学） 裂隙（裂隙（fissurefissure）- hard rock - hard rock -（构造地质学）（构造地质学） 溶穴（溶穴（cavitycavity）- dissoluble rock - dissoluble rock -（岩溶地貌学）（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。标）和分析方法。岩土的空隙岩土的空隙孔隙（孔隙（pore, voidpore, void）：主要存在于松散岩石中

3、）：主要存在于松散岩石中 孔隙的描述有：孔隙的孔隙的描述有：孔隙的大小，多少，形状，连大小，多少，形状，连通与分布通与分布 松散岩石宏观上可以分为两大类：砂砾石与粘松散岩石宏观上可以分为两大类：砂砾石与粘性土性土1.1.砂砾石孔隙大小及其影响因素砂砾石孔隙大小及其影响因素 试样试样aa砾石砾石( (模型模型) )，试样，试样bb砂土样品，砂土样品， 试样试样cc砂砾混合样品砂砾混合样品2.1.1 孔隙孔隙孔隙与粒径关系孔隙与粒径关系松散砂砾石孔隙大小与分选的关系松散砂砾石孔隙大小与分选的关系好、坏？好、坏？四面体排列四面体排列立方体排列立方体排列颗粒排列方式与孔隙大小关系颗粒排列方式与孔隙大小

4、关系dd立方体排列的理想等径园球颗粒立方体排列的理想等径园球颗粒孔隙大小特征的描述：孔喉孔隙大小特征的描述：孔喉(d) d=0.414D(d) d=0.414D 孔腹孔腹(d) d=0.732D(d) d=0.732D四面体排列的理想等径园球颗粒四面体排列的理想等径园球颗粒 孔喉孔喉(d) d=0.155D(d) d=0.155D砂砾石土孔隙大小与什么有关？砂砾石土孔隙大小与什么有关？ 颗粒颗粒大小大小、排列排列（立方体或四面体）、（立方体或四面体）、分选分选、胶结胶结与与充填充填等。等。2.2.砂砾石的孔隙度（砂砾石的孔隙度（porosityporosity）及其影响因素）及其影响因素 孔隙

5、度定义：孔隙度定义：某一体积岩石（包括颗粒骨架与空隙在内）中某一体积岩石（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孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标, ,通常用通常用n n 表示表示 问：孔隙度的大小与什么有关？问：孔隙度的大小与什么有关？与颗粒大小与颗粒大小有关？有关？ a. a. 与排列有关与排列有关紧密与疏松紧密与疏松 理想最疏松孔隙为理想最疏松孔隙为47.64%47.64%，最紧密排列孔隙为，最紧密排列孔隙为25.95%25.95%。 b. b. 与分选有关与分选有关下面试样哪个孔隙度大？哪个小？下面试样哪个孔隙度大？哪

6、个小？ 影响影响孔隙度大小孔隙度大小的主要因素是试样的的主要因素是试样的分选程度分选程度。%100VVnn不同颗粒大小的试样不同颗粒大小的试样孔隙度？孔隙度？三种粒径虽然孔隙大小各异，但孔隙度完全相同三种粒径虽然孔隙大小各异，但孔隙度完全相同排列不同排列不同分选不同分选不同 自然界中松散岩石的孔隙度与上述讨论自然界中松散岩石的孔隙度与上述讨论的略有不同，的略有不同，P17P17表表2-12-1。矛盾之一：与粒径的关系不是愈大则愈大？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矛盾之二：孔隙度超过最疏松排列的47.64%47.64%达到达到70%70%3.3.粘性土的孔

7、隙与孔隙度粘性土的孔隙与孔隙度 粘土颗粒粘土颗粒 颗粒颗粒直径直径0.005mm0.005mm； 粘性土由于颗粒细小，比表面积大，粘性土由于颗粒细小，比表面积大，连结力强连结力强； 粘粒在悬浮推移互相接触时，就会连结起来形成粘粒在悬浮推移互相接触时，就会连结起来形成“粘粒团粘粒团”； 细小细小“粘粒团粘粒团”构成颗粒构成颗粒集合体集合体； 集合体与集合体结合构成粘性土的沉积结构特征。集合体与集合体结合构成粘性土的沉积结构特征。 粘土孔隙粘土孔隙 粘性土如同海绵、峰窝或絮状结构粘性土如同海绵、峰窝或絮状结构 结构孔隙结构孔隙集合体与集合体、粘粒与粘粒之间集合体与集合体、粘粒与粘粒之间 次生孔隙次

8、生孔隙虫孔、根系孔、裂隙裂痕等虫孔、根系孔、裂隙裂痕等粘性土的结构，不同比例电镜扫描片粘性土的结构，不同比例电镜扫描片2.1.2 裂隙裂隙 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各种内外力作用下产生的裂缝裂隙。裂隙。 按成因分为：按成因分为：风化（卸荷）裂隙、成岩裂隙、构造裂隙风化（卸荷）裂隙、成岩裂隙、构造裂隙 裂隙：裂隙：空间形态是两向延伸长，横向延伸短的空间形态是两向延伸长，横向延伸短的“饼状饼状”空空隙，单个裂隙是孤立的；隙，单个裂隙是孤立的； 裂隙岩体：裂隙岩体：从水的赋存与运移角度来看，裂隙的描

9、述包括：从水的赋存与运移角度来看，裂隙的描述包括： a a 裂隙的连通性裂隙的连通性（组数、产状、长度和密度）；（组数、产状、长度和密度）； b b 张开性张开性（裂隙宽度）；（裂隙宽度）； c c 裂隙率裂隙率； d d 充填情况充填情况。风化（卸荷）裂隙风化（卸荷）裂隙构造裂隙构造裂隙成岩裂隙成岩裂隙2.1.3 溶穴溶穴溶穴（溶穴（solution cavitysolution cavity） caverncavern是扩大了的裂隙。是扩大了的裂隙。在孔隙或裂隙基础，水流对可溶岩进在孔隙或裂隙基础，水流对可溶岩进一步作用的结果一步作用的结果 溶穴可分为：溶穴可分为：溶孔、溶隙、溶洞溶孔、溶

10、隙、溶洞。 岩溶岩体：要描述裂隙特征及岩溶发育特征（裂隙岩溶岩体：要描述裂隙特征及岩溶发育特征（裂隙+ +溶洞）溶洞） a a 岩溶发育方向；岩溶发育方向； b b 岩溶发育程度岩溶发育程度面面/ /体岩溶率、钻孔遇洞率；体岩溶率、钻孔遇洞率； c c 溶洞（方向、规模等）。溶洞（方向、规模等）。溶洞溶洞溶孔溶孔溶隙溶隙2.1.4 孔隙特征的对比孔隙特征的对比空隙特征的比较空隙特征的比较 含水介质含水介质由各类空隙所构成的岩石称为含水介质，由各类空隙所构成的岩石称为含水介质，也称为介质场。也称为介质场。 含水介质的含水介质的空间分布空间分布与与连通特征连通特征（孔隙含水介质、裂（孔隙含水介质、

11、裂隙含水介质、溶质含水介质）是不同的。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：三种主要类型的含水介质比较： 连通性连通性 孔隙介质最好，其它较差孔隙介质最好，其它较差 空间分布空间分布孔隙介质分布最均匀，裂隙不均匀，溶穴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 空隙比率空隙比率孔隙介质最大，裂隙最小孔隙介质最大，裂隙最小 渗透性渗透性孔隙介质孔隙介质- -各向同性，裂隙与溶穴各向同性，裂隙与溶穴- -各向异性各向异性 造成空隙介质上述差异的主要原因：沉积物形成和空隙形造成空隙介

12、质上述差异的主要原因：沉积物形成和空隙形成的环境成的环境2.1.4 空隙特征的对比空隙特征的对比1.1.什么叫孔隙度？孔隙度大与孔隙大有区别吗？什么叫孔隙度？孔隙度大与孔隙大有区别吗？2.2.坚硬的花岗岩、砂岩、灰岩的空隙特征有何异同坚硬的花岗岩、砂岩、灰岩的空隙特征有何异同点？点？岩石中的空隙岩石中的空隙思考题思考题本章内容本章内容2.1 2.1 岩石中的空隙岩石中的空隙2.2 2.2 空隙中的水空隙中的水2.3 2.3 岩石的水理性质岩石的水理性质2.2 2.2 空隙中的水空隙中的水空隙中水的三种存在状态：空隙中水的三种存在状态： 气态气态 液态液态 固态固态空隙中水的三种存在形式：空隙中

13、水的三种存在形式： 结合水结合水（absorbed water, bound waterabsorbed water, bound water） 重力水重力水（gravitational water;bulk watergravitational water;bulk water） 毛细水毛细水（capillary watercapillary water）结合水（结合水（absorbed water, bound waterabsorbed water, bound water） 定义：定义：附着于固体表面，在自身重力下不能运动的水附着于固体表面，在自身重力下不能运动的水（结合水具有一定的抗

14、剪强度）（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抗剪强度的产生及大小与什么有关 性质：性质：结合水具有固态和液态水的双重性质；即自身重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。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：意义：只要有固相表面就存在结合水，存在范围广，其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），量很小（结合水膜很薄），当孔隙直径小于当孔隙直径小于2 2倍结合水膜厚度倍结合水膜厚度时，孔隙中只含有不能自由运动的结合水时，孔隙中只含有不能自由运动的结合水（又称无效空间）

15、。（又称无效空间）。2.2.1 结合水结合水结合水与重力水重力水结合水与重力水结合水与重力水图中随圆形小粒代表水分子，结合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水部分的水分子带正电荷一端朝向颗粒颗粒图中箭头代表水分图中箭头代表水分子所受合力方向子所受合力方向2.2.2 重力水重力水重力水（重力水（gravitational water; bulk watergravitational 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。弱，主要

16、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无重力作用下水的存在？如在太空中瓶中的水分布受受表面吸引的作用液态水的特征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）。泉，或井流出（抽出）。 重力水重力水是是水文地质水文地质学研究的主要对象，也是学研究的主要对象，也是勘察勘察的的主要主要对象。对象。重力水重力水2.2.3 毛细水毛细水毛细水（毛细水（capillary watercapillary water） 1.1.基本概念基本概念 毛细现象：毛细现象：

17、 毛细现象的实质毛细现象的实质 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）。（分子间相互吸引力）。 表面张力：表面张力：设想在液面上划一根长度为设想在液面上划一根长度为L L的线段，此线段的线段，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：的大小表示为：fL L式中：式中：表面张力系数，单位为表面张力系数，单位为dyn(dyn(

18、达达因）因）/cm/cm（1dyn=11dyn=11010-5-5N)N) 毛细现象的产生与表面张力有关毛细现象的产生与表面张力有关Lf f附加表面压强附加表面压强 P Pc c 定义定义：表面张力的作用，使液面呈弯曲状，弯曲：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：用方向总是指向液体表面的曲率中心方向：凹进的弯液面，对液体凹进的弯液面，对液体附加一个负附加一个负的表面压强的表面压强( (图图a)a)；凸起的弯液凸起的弯液面，对液体面，对液体附加

19、一个正附加一个正的表面压强的表面压强（图（图b b）。）。P=PP=Po o+P+Pc cP=PP=Po o-P-Pc cP Po oP Po oP Po oP=PP=Po oP=PP=Po oP Po o图图a a图图b bP Pc cP Pc c 当液面是当液面是凸形凸形时，时，附加表面压强附加表面压强是正的，此时是正的，此时实际实际表面压强？表面压强？ 当液面为凹形时，当液面为凹形时，附加表面压强是负附加表面压强是负的，此时的，此时实际表面实际表面压强？压强？ 平的液面实际表平的液面实际表面压强面压强 ？附加表面压强附加表面压强 P Pc c 的大小：的大小： （1 1）任意形状的弯液面

20、：）任意形状的弯液面：所产生的附加表面压强所产生的附加表面压强P Pc c 都可以都可以用用拉普拉斯公式拉普拉斯公式表示：表示：)11(21RRpc式中：式中：表面张力系数表面张力系数 R1、R2液体表面的两个液体表面的两个主要曲率半径主要曲率半径P=PP=Po o+P+Pc cP=PP=Po o-P-Pc cP Po oP Po oP Po oP=PP=Po oP=PP=Po oP Po o图图a a图图b bP Pc cP Pc c（2 2）半圆球形液面）半圆球形液面 设想切取一个半径为设想切取一个半径为R R的半圆球形液面（如图示）。在此液的半圆球形液面（如图示）。在此液面的圆周状边线上

21、都存在着指向液层内部的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；表面张力合；表面张力合力力f f为为 22 R R，作用于垂直于面积作用于垂直于面积为为 R R2 2的投影圆面。的投影圆面。表面张力所引表面张力所引起的附加表面压强起的附加表面压强P Pc c 为：为：R R2 2p pc c22RRf)11(21RRpc 对任何形状的弯液面对任何形状的弯液面附加表面压强附加表面压强P Pc c 计算式：计算式：当当 时时21RR R R2 2p pc c 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。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

22、是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。半径成反比。毛细力：毛细力： 毛细力的产生：毛细力的产生：是在三相界面上内弯液面引起是在三相界面上内弯液面引起液面弯曲产生的。液面弯曲产生的。 毛细力的方向：毛细力的方向：作用方向始终指向弯曲液面的凹作用方向始终指向弯曲液面的凹侧。侧。 凹凸弯液面是指相对于液相一侧而言的凹凸弯液面是指相对于液相一侧而言的 凹形弯液面凹形弯液面负的毛细压强（负的毛细压强（negative

23、negative）-如如同真空吸力；同真空吸力； 凸形弯液面凸形弯液面正的毛细压强（正的毛细压强（positivepositive）。）。 毛细力的大小：毛细力的大小： 毛细力大小与弯液面的曲率成正比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毛细力大，毛细上升高度也越大2.2.毛细水的存在形式（毛细水的存在形式（states formsstates forms） 在岩石空隙中，毛细水的存在形式可分为三种：在岩石空隙中，毛细水的存在形式可分为三种：

24、(1) (1) 支持毛细水（支持毛细水（supporting capillary water supporting capillary water ） 在地下水面支持下存在的（附着水面上的），随地下水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。升降而升降。上升高度与水面上部的岩石孔隙性质有关。 (2) (2) 悬挂毛细水（悬挂毛细水（suspension capillary water suspension capillary water ） 脱离水面，岩石细小孔隙中保留的水分。脱离水面，岩石细小孔隙中保留的水分。 (3) (3) 孔角毛细

25、水（触点毛细水）（孔角毛细水（触点毛细水）（corner water, contigcorner water, contiguity water?uity water?） 孔角毛细水与悬挂毛细水是不同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支持毛细细水水悬悬挂毛挂毛细细水水孔角毛孔角毛细细水水毛细水的存在形式毛细水的存在形式思考：思考：1.1.上细下粗土层，滴水，水停留在何处？上细下粗土层，滴水，水停留在何处？2.2.黄土层中挖平洞，下大雨后，洞内能黄土层中挖平洞，下大雨后，洞内能否接到水？否接到水

26、？小结：小结： 岩石空隙中的水岩石空隙中的水有三种存在形式有三种存在形式 三种形式的水有差异三种形式的水有差异与受力状态有关与受力状态有关 自己总结、比较自己总结、比较加深理解加深理解本章内容本章内容2.1 2.1 岩石中的空隙岩石中的空隙2.2 2.2 空隙中的水空隙中的水2.3 2.3 岩石的水理性质岩石的水理性质2.3 2.3 岩石的水理性质岩石的水理性质 岩石（包括骨架与空隙在内的总称）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：有关的性质。主要包括：容水度、含水量、持水度、给水

27、度、容水度、含水量、持水度、给水度、透水性透水性五个方面。五个方面。 2.3.1 2.3.1 容水度容水度_ n_ nr r 岩石岩石完全饱水完全饱水时，所能容纳的时，所能容纳的最大水体积最大水体积与与岩石总体积岩石总体积之比。之比。 容水度与孔隙度相等？容水度与孔隙度相等？ 反映岩石最大含水能力反映岩石最大含水能力2.3.2 2.3.2 含水量（含水量（water contentwater content）_W_W 岩石中水的体积与岩石体积（包括空隙）之比。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，（是某岩样某时反映岩石样实际保留水分的状况，（是某岩样某时的含

28、水状态），又称岩石的天然含水量的含水状态），又称岩石的天然含水量W W0 0 。 饱和含水量WsWs 、饱和差、饱和度2.3.3 2.3.3 持水度（持水度（specific retentionspecific retention）_S_Sr r 岩石的持水体积岩石的持水体积（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）与岩石总与岩石总体积之比。体积之比。 反映岩石的持水能力反映岩石的持水能力最大保持水分的能力。最大保持水分的能力。2.3.42.3.4 给水度（给水度（specific yieldspecific yield） _ _ (water drained fr

29、om soil under gravity flow)(water drained from soil under gravity flow) 1.1.定义：定义：当地下水位下降一个单位高度时，单位水平面积岩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。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当水位下降一个单位，土层孔隙中是否所有的水都流出来？来？ 在土层中会保留什么形式的水？在土层中会保留什么形式的水？ 结合水结合水( (膜膜) )，孔角毛细水，有时悬挂毛细水与支持毛细水，孔角毛细水，有时悬挂毛细水与支持毛细水NoImage2.2.影响给水度（影响给水度（值）的因素值）的因素 砾石、粗砂、细砂、砂砾混合样砾石、粗砂、细砂、砂砾混合样相比较，哪种样给水相比较，哪种样给水度大？度大？ （1 1）岩性）岩性 空隙大的样品，给水度大，空隙大的样品，给水度大，n n 砾粗砂砾粗砂 粉砂粉砂 （与粒径有关）（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。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除岩性外，同一岩层中其它原因也可造成