水文地质学基础岩石中的空隙与水解析

水文地质学基础岩石中的空隙与水解析第1页/共67页第二章岩石中的孔隙与水分2.1岩石中的空隙2.2岩石中水的存在形式2.3岩石的水理性质2.4有效应力原理与松散岩土压密第2页/共67页2.1岩石中的空隙岩石：指坚硬的岩石及松散的土层（水文地质学定义）2.1.1岩石空隙的种类空隙：岩石中没有被固体颗粒占据的那部分空间松散岩石中的孔隙坚硬岩石中的裂隙可溶岩石中的溶穴地下水赋存场所和运移通道未固结松散岩层固结岩层可溶岩层第3页/共67页分选好，排列疏松的砂分选好，排列紧密的砂分选不好，含泥砂的砾石部分胶结的砂岩2.1岩石中的空隙第4页/共67页有结构空隙的粘土经过压缩的粘土裂隙发育的岩石有溶隙和溶穴的可溶岩2.1岩石中的空隙第5页/共67页2.1.2孔隙

（1）孔隙是指松散岩石中颗粒或其集合体之间的空隙。特点：①呈小孔状，②分布均匀且密集，③连通性好。（2）孔隙度是指某一体积岩石（包括颗粒骨架和孔隙在内）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

VT=Vn+Vs,其中n为孔隙度，Vn为孔隙体积，Vs为岩石固体颗粒体积，VT为岩石总体积。

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（3）孔隙度(n)大小的影响因素：

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（3）孔隙度(n)大小的影响因素：①分选程度：分选差时n小，大小混杂时n小；

②颗粒排列：立方体时n=47.64%，四面体n=25.95%，其余一般介于两者之间，菱面体排列n=26.795%≈37%。

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（3）孔隙度(n)大小的影响因素：

③颗粒形状：棱角多、松散的，n大。④胶结充填：充填物多时n小。⑤结构及次生裂隙：粘性土中有结构孔隙和虫孔、根孔等次生裂隙，均使n增大。影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度。2.1岩石中的空隙第9页/共67页2.1岩石中的空隙第10页/共67页2.1岩石中的空隙第11页/共67页2.1岩石中的空隙第12页/共67页（4）孔隙大小的影响因素

孔喉是指孔隙通道中最细小的部分，孔腹是孔隙中最宽大的部分。孔隙大小影响地下水运动，孔喉对水流动的影响更大。

2.1岩石中的空隙第13页/共67页（4）孔隙大小的影响因素

①颗粒大小及分选性：颗粒大而均匀,孔隙就大；颗粒大小不均时，小颗粒充填大颗粒形成的孔隙，孔隙就小；2.1岩石中的空隙第14页/共67页（4）孔隙大小的影响因素

2.1岩石中的空隙第15页/共67页（4）孔隙大小的影响因素②颗粒排列方式：四面体排列孔喉直径d=0.155D，立方排d=0.414D；③颗粒形状：带棱角的易形成架空空间---较大的空隙；④结构孔隙及次生孔隙（粘性土）。2.1岩石中的空隙第16页/共67页2.1.2裂隙

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。

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。2.1岩石中的空隙第17页/共67页裂隙的分类成岩裂隙构造裂隙风化裂隙

主要发育岩浆岩中，以玄武岩柱状节理最佳，连通、导水性好具有方向性，大小悬殊，分布不均，张裂隙最佳，剪裂隙较差分布在地表附近，发育程度受气侯、地形、岩性、构造等控制特点裂隙：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。2.1岩石中的空隙第18页/共67页砂岩岩芯中的空隙2.1岩石中的空隙第19页/共67页2.1.2裂隙裂隙率（Kr）是岩石中裂隙体积（Vr）与包含裂隙体积在内的岩石体积（V）的比值，此为体积裂隙率，即Kr=Vr/V或Kr=Vr/V×100%。亦可用面积裂隙率和线裂隙率表示。2.1岩石中的空隙第20页/共67页裂隙玄武岩成岩裂隙花岗岩构造裂隙风化裂隙2.1岩石中的空隙第21页/共67页2.1岩石中的空隙第22页/共67页成岩和构造裂隙2.1岩石中的空隙第23页/共67页2.1.3溶穴（1）溶穴（溶隙）（Karst）是指可溶的沉积岩（如盐岩、石膏、石灰岩、白云岩等）在地下水溶蚀作用下所产生的空隙（空洞）。在裂隙基础，水流对可溶岩进一步作用的结果

——是扩大了的裂隙溶穴：溶蚀的裂隙，有溶孔、溶隙、溶洞等2.1岩石中的空隙第24页/共67页溶洞溶孔溶隙第25页/共67页2.1.3溶穴岩溶岩体：要描述裂隙特征及岩溶发育特征（裂隙+溶洞）1）岩溶发育方向2）溶蚀率--钻孔岩溶发育程度3）溶洞（方向、规模等）（2）岩溶率（Kk）是指溶穴的体积（Vk）与包含溶穴在内的岩石体积（V）的比值，即即Kk=Vk/V或Kk=Vk/V×100%。2.1岩石中的空隙第26页/共67页天坑石林第27页/共67页第28页/共67页

（3）空隙网络是由岩石中的空隙按一定方式连接起来所构成的网络有效的储水空间和运移通道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，连通性较差，分布不均匀，宽窄不等，多具有方向性，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。2.1岩石中的空隙第29页/共67页2.1岩石中的空隙第30页/共67页第31页/共67页2.1岩石中的空隙第32页/共67页2.2岩石中水的存在形式

岩土中水的存在状态：固态、液态、气态

结构水，以H+和OH-离子的形式存在于矿物结晶格架某一位置上的水。结晶水是矿物结晶构造中的水，以H2O分子形式存在于矿物结晶格架固定位置上的水。

沸石水(zeolitewater)：方沸石（Na2Al2Si4O12•nH2O）。第33页/共67页气态水、固态水

岩石空隙中的这部分水含量小。其中气态水存在于包气带中，可以随空气流动而流动，在一定温度、压力下可与液态水相互转化。冻土地区存在固态水(solidwater)。2.2岩石中水的存在形式第34页/共67页2.2.1结合水

结合水是指受固相表面的引力大于水分子自身重力的那部分水，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。2.2岩石中水的存在形式第35页/共67页2.2.1结合水强结合水：最接近固相表面的结合水，为紧附于岩土颗粒表面结合最牢固的一层水，其所受吸引力可相当于一万个大气压。其含量，在粘性土中为48%，在砂土中为0.5%。特点：①分子排列紧密②吸引力大，密度大（2g/l）③不受重力支持④无溶解能力，不能运动⑤不导电弱结合水：结合水的外层由于分子力而粘附在岩土颗粒上的水，又称薄膜水。其含量，在粘性土中为48%，在砂土中为0.2%。特点：①分子排列不紧密，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溶解能力较低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⑤其外层可被植被吸收，有抗剪强度。2.2岩石中水的存在形式第36页/共67页结合水和重力水结合水与重力水（a）椭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；（b）箭头代表水分子所受合力方向2.2岩石中水的存在形式第37页/共67页2.2.2重力水

重力水是指距离固体表面更远、重力对其影响大于固体表面对其吸引力、能在重力影响下自由运动的那部分水。井、泉所采取的均为重力水，为水文地质学的主要研究对象。2.2岩石中水的存在形式第38页/共67页2.2岩石中水的存在形式毛细水（capillarywater）是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。毛细管由松散岩石中细小的孔隙通道构成。2.2.3毛细水第39页/共67页毛细力：受到表面吸引力，重力，还有另一种力——称称毛细力的作用，产生毛细现象。2.2岩石中水的存在形式第40页/共67页毛细水的存在形式：悬挂毛细水似串珠状且连续分布，孔角毛细水孤立分布。第41页/共67页毛细水2.2岩石中水的存在形式第42页/共67页第43页/共67页2.3岩石的水理性质

岩石的水理性质是与水的储容、运移及释出有关的岩石性质的总称。容水性容水度含水性含水量给水性给水度持水性持水度渗透性渗透系数第44页/共67页

2.3.1容水性

容水性是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。容水度是反映岩石最大含水能力。

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，W0=V0/V×100%。

容水度一般小于或等于孔隙度。2.3岩石的水理性质

对于膨胀土，容水度可大于孔隙度。第45页/共67页2.3岩石的水理性质2.3.2含水性

含水性是岩石实际保留水分的状况，反映的是某岩样在某时刻的含水状态。用含水量W表示。

含水量（watercontent）是岩石空隙中所保留的水分的多少。

重量含水量（Wg）是松散岩石孔隙中所含水的重量（Gw）与干燥岩石重量（Gs）的比值，Wg=Gw/Gs×100%。

体积含水量（Wv）是岩石中所含水的体积（Vw）与包含孔隙在内的岩石体积（V）的比值，Wv=Vw/V×100%。

记岩石的干容重(单位体积干土重量)为gd，则有

Wv=gd•Wg。第46页/共67页

饱和含水量（Ws）是岩石孔隙充分饱水时的含水量。数值上在粗颗粒及宽裂隙岩石中接近于土或岩石的给水度。

饱和度是实际含水量与饱和含水量之比，亦即岩石孔隙中水的体积与孔隙体积之比，以百分数表示。反映岩石中孔隙的充水程度。

饱和差（土壤饱和差）是岩石的饱和含水量与实际含水量之差，亦即岩石的容水度与天然湿度(含水量)之差。2.3岩石的水理性质第47页/共67页2.3.3给水性

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）给水度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来的水的体积。常用小数表示，无量纲。2.3岩石的水理性质第48页/共67页2.3.3给水性

2.3岩石的水理性质第49页/共67页2.3岩石的水理性质第50页/共67页（2）给水度的影响因素

①岩性：颗粒粗大的松散岩石，空隙宽大，重力释水时持水性差，给水度大。②地层结构：含有细颗粒夹层时给水度较小。③空隙大小与性质：空隙宽大时给水度较大，而空隙狭小时，结合水与毛细水为主，持水性强，给水度小。④水位埋深（在毛细带内）：当地下水位初始埋深大于支持毛细水带高度时（H0》hc）,可达最大μ值。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，μ变小。土层含水量曲线分析：当水位埋深足够大时，土层给水度不发生变化（为定值），此时给水度为最大理论给水度。⑤水位降速：抽水时降速过大时给水度偏小，降速很小时给水度较稳定。2.3岩石的水理性质第51页/共67页2.3岩石的水理性质第52页/共67页

给水度是饱和介质在重力排水作用下可以给出的水体积与多孔介质体积之比。2.3岩石的水理性质第53页/共67页常见松散岩石的给水度

2.3岩石的水理性质第54页/共67页2.3.4持水性

持水性是饱和岩土在重力排水后，岩土依靠分子力和毛管力而在岩石空隙中能保持一定水分的能力。

持水度（Sr）（specificretention）是指地下水位下降一个单位深度、单位水平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。常用小数表示，无量纲。存在关系式：m+Sr=n。

残留含水量（W0）相当于最大持水度，是岩石充分释水的结果，又称田间持水量。2.3岩石的水理性质第55页/共67页2.3岩石的水理性质第56页/共67页2.3岩石的水理性质第57页/共67页持水性

各种土壤的田间持水量2.3岩石的水理性质第58页/共67页2.3.5渗透性

岩石的渗透性（waterpermeability）是指岩石允许重力水透过的能力。用渗透系数K表征。2.3岩石的水理性质第59页/共67页2.3.5渗透性

岩石渗透性的影响因素有：（1）孔隙直径的大小。透水能力很大程度上取决于最小的孔隙直径。（2）孔隙通道：形状弯曲而变化时，渗透性较差。（3）颗粒分选性：比对孔隙度的影响要大。2.3岩石的水理性质第60页/共67页2.3.6毛细性

岩石的毛细性（capillarity）是指水通过岩土的毛细管受毛细作用向各方向运动的性能。用毛细上升高度表示。

毛细性是水在土壤空隙和岩石裂隙中受毛细管力的作用下而作垂直运动的性能。

2.3岩石的水理性质第61页/共67页2.4有效应力原理与