水文地质学课件ppt版 03gzj 岩石(土)中的空隙与水20120417

FundamentalsofHydrogeoloy

水文地质学基础第三章岩石(土)中的空隙与水教学提示：本章应着重阐明岩石的孔隙性与其对水的储容、滞留、释出及透过能力的关系；利用太沙基有效应力原理，解释地下水位下降引起地面沉降的基本机制.本章内容

3.1岩石(土)中的空隙3.2空隙中的水

3.3岩石(土)的水理性质

3.4有效应力原理3.1岩石(土)中的空隙岩石(土)——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：1.孔隙（pore）--unconsolidatedsoil--（第四纪地质学）2.裂隙（fissure）--hardrock---（构造地质学）3.溶穴(隙)

（cavity）--dissolublerock--（岩溶地貌学）《工程地质学》是从土层的物理力学指标（性能）来讨论，如土的压缩性或强度变形。

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。概念孔隙：松散岩土固体颗粒间的空间(空隙)

孔隙（pore,void）

土体孔隙的描述有：孔隙的大小，多少，形状，连通与分布松散土体宏观上可以分为2大类：砂性土与粘性土类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

？提问：试样a与b构成的孔隙哪种大？哪种小？大小----有关？

a—砾石(模型)b—砂土样品c—砂砾混合样品颗粒概念岩土中直径大于1毫米、重力水可于其中自由运动的孔隙，是大孔隙（macro-pore，largepore）。岩土中直径为0.01～1毫米、重力水和毛管水可存其中的孔隙，是小孔隙（smallpore）。岩土中直径为0.1～10微米、无重力水但毛管现象明显的孔隙，是微孔隙（micropore)。岩土中直径为0.1微米～1毫米、具毛管特性的孔隙，称毛管孔隙（capillarypore）。粘性土中直径小于0.1微米、充满结合水的孔隙，是超微孔隙（ultramicropore），又称超毛管孔隙（uhracapillarypore）。孔隙的大小分类概念孔隙(直径)大小（mm）名称特点备注>1.0大孔隙macro-pore，largepore重力水自由运动0.01~1.0小孔隙smallpore重力水、毛细水并存毛管孔隙capillarypore0.0001~0.01微孔隙micropore无重力水、毛细现象明显<0.0001超微孔隙ultramicropore充满结合水超毛管孔隙uhracapillarypore孔隙大小分类表颗粒排列方式等径圆球最疏松与最紧密排列方式立方体排列四面体排列立方体排列与四面体排列——孔腹和孔喉孔隙大小的描述：孔喉(d)d=0.414D孔腹(d’)d’=0.732D（立方体排列的理想等径园球颗粒）D

dDd等径园球颗粒立方体排列孔隙大小的描述：

孔喉(d)d=0.414D孔腹(d’)d’=0.732D

松散砂砾石孔隙大小与分选的关系—好、坏？孔隙度砂砾石的孔隙度（porosity）及其影响因素

孔隙度是描述松散岩石(土)中孔隙多少的指标定义：某一体积岩石(土)（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

？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？

试样：①砾石②砂石③混合样完全混合试样时，孔隙度n混=n砾×n砂（请自己推导证明）影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度。概念不同颗粒大小的试样——孔隙度？不同颗粒大小的试样的孔隙度是相同的--只要排列与分选性一致问：不同颗粒大小的试样——孔隙度怎样？不同排列的试样——孔隙度？

理想最疏松孔隙为47.64%，

最紧密排列孔隙为25.95%。D

dDd立方体排列四面体排列答：孔隙度是相同的--只要等圆球颗粒的排列与分选性一致！自然界中松散岩石(土)的孔隙度与上述讨论的有些差异

表3-1松散岩石(土)孔隙度参考数值

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%

自然界里岩土的孔隙度的实测值粘土颗粒粘性土是指土体颗粒＜0.005mm的直径“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”细小粘粒集合（团）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孔隙与孔隙度粘性土：存在特殊孔隙：1）结构性孔隙--集合体与集合体、粘粒与粘粒之间2）虫孔、根孔、干裂缝等次生空隙因此，对粘性土，这些特殊空隙对n的大小影响很大，不可忽视。

强调蒙脱石、片状粘土矿物——淤泥粘土×2000小结：影响孔隙度的因素1.颗粒大小：理论上讲（按等体积球），n与颗粒大小无关，但实际上则无理想的等体积颗粒，大小必不相等，甚至大小悬殊。一般颗粒越大，则n越大。但由于分选性的影响，往往孔隙度随颗粒的增大反而减小。2.分选性:分选性越差，颗粒大小越悬殊，n则越小。反之则越大。3.颗粒形状:形状越不规则，棱角越明显，排列越疏松，n越大。反之则越小。4.胶结程度:胶结越好，n越小。

松散孔隙粘土孔隙裂隙、溶隙岩土中各种空隙的对比裂隙坚硬岩石中的空隙，除沉积岩尚包含一定的原生孔隙外，其余的岩石--岩浆岩和变质岩一般均很少存在粒间孔隙。岩石中的空隙主要由各种成因的裂隙——成岩裂隙、构造裂隙和风化裂隙所构成。

裂隙的描述从水的赋存与运移角度来看，裂隙的描述包括：

1)裂隙的连通性（组数、产状、长度和密度）

2)张开性（裂隙宽度）

3)裂隙率等裂隙（fissurefracture）

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（缝隙）

类型：

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：

1)裂隙的连通性（组数、产状、长度和密度）

2)张开性（裂隙宽度）

3)裂隙率等裂隙率：线裂隙率、面裂隙率、体积裂隙率裂隙与裂隙率概念体积裂隙率（Kr）:裂隙体积（Vn）与包括裂隙在内的岩石体积（V）的比值，即

面积裂隙率（Ka）:单位面积岩石上裂隙面积的多少。线裂隙率（Kl）:垂直裂隙走向方向上单位长度上裂隙的条数。花岗岩的风化裂隙花岗岩成岩裂隙(后经风化)风化（卸荷）裂隙、成岩裂隙、构造裂隙砂岩岩芯中的空隙冰冻的泉水溶穴（隙）可溶岩，如岩盐、石膏、石灰岩和白云岩等，在地下水溶蚀下会产生空洞（隙、缝、孔），这种空隙称为溶穴（隙）。岩溶率（Kk）

概念溶穴（solutioncavity）cavern

在裂隙基础上，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、溶洞等溶穴（隙）概念描述内容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）含水介质——由各类空隙所构成的岩石(土)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、岩溶含水介质）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，裂隙最小空隙渗透性—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

含水介质及其空隙特征的对比概念空隙发育的复杂性

松散层主要发育孔隙，但粘性土失水干缩后可产生裂隙；坚硬岩石中也不全为裂隙或裂隙-溶穴。如有些沉积岩往往存在大量的原生孔隙，其数量有时可大大超过裂隙与溶穴。思考题：1）什么叫孔隙度？孔隙度大与孔隙大有区别吗？2）粘性土孔隙度大——是含水层吗？3）试总结砂砾类土体的孔隙形状特点，并加以概化（图示）。3）坚硬的花岗岩、砂岩、灰岩的空隙特征有何异同点？（可以通过查阅资料和文献回答）

岩石(土)中的空隙——思考题本章内容

3.1岩石(土)中的空隙3.2空隙中的水

3.3岩石(土)的水理性质岩石（土）中水的存在形式矿物结合水结构水：以H+和OH-离子形式存在于矿物结晶格架中，与矿物结合紧密。结晶水：以H2O分子形式存在于矿物结晶格架中，与矿物结合紧密。沸石水：以H2O分子形式存在于矿物晶格的空隙中，与矿物结合不紧密。岩石空隙中水3.2岩土空隙中的水3.2岩土空隙中的水存在形式：气态固态液态

（1）2个玻璃珠子之间滴上几滴水，接触部位就会有所残留水（2）在饱水试样中取1颗和2个颗粒，颗粒和颗粒孔隙间的水？（3）将玻璃细管插入水中，取出，管中残留水？通过上述3例及图示→空隙中水的存在形式：

结合水——（absorbedwater,boundwater）

重力水——（gravitationalwater；bulkwater）

毛细水——（capillarywater）

设想实验：材料（玻璃珠子、细管）+水（水杯）结合水（absorbedwater,boundwater）系指受电分子吸引力吸附于土粒表面的水，这种电分子吸引力高达几千到几万个大气压，使水分子和土粒表面牢固的粘结在一起。处于土颗粒表面水膜中的水，受到表面引力的控制而不服从静水力学规律，其冰点低于零度。

含义：附着于固体表面，在自身重力下不能运动的水！即结合水具有一定的抗剪强度？抗剪强度的产生与大小与什么有关？

表面引力—服从库仑定律，随固体表面的距离加大而减弱

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）概念结合水与重力水

表面引力—服从库仑定律，随固体表面的距离加大而减弱结合水与重力水强结合水：吸着水植物根系不能吸收弱结合水：薄膜水植物根系可以吸收重力水可以自由流动土粒强结合水（吸着水）紧束在土粒表面，不能自由移动弱结合水（薄膜水）

吸附于吸着水外部，只能沿土粒表面做微小的移动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）及变形重力水：

受重力支配不能为土壤所保持的水分重力水（gravitationalwater;bulkwater）重力影响下可以自由运动的水

特点：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。无重力作用下水的怎样存在？如在太空中瓶中的水分布—受表面吸引的作用，具有液态水的特征地层内岩石(土)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

概念毛细水:受毛管力的作用保持在岩石中的水分毛细力：

毛细力的产生：是在三相界面上内弯液面引起——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一方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

毛细力越大，毛细上升高度也越大毛细水：毛细水是受到水与空气交界面处表面张力作用的自由水

概念Smallerporesholdwaterwithgreaterenergy

土的最大毛细上升高度[据西林—别克丘林，1958]

（支持）毛细水，孔角毛细水概念在岩石(土)空隙中，毛细水的存在形式可分为三种：a)支持毛细水（supportingcapillarywater）

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(土)孔隙性质有关b)悬挂毛细水（suspensioncapillarywater）

脱离水面，岩石(土)细小孔隙中保留的水分，称为悬挂毛细水c)孔角毛细水（触点毛细水）（cornerwater,contiguitywater?）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，孔角毛细水是孤立的

毛细水的存在形式（statesforms）概念支持毛细水与悬挂毛细水地下水位下降汽态水：

存在于岩石空隙中的水汽

岩土空隙中的水----气态水储存并运动于未饱和岩石空隙中呈水汽状态的水。水汽来源

地表水气进入地下水面蒸发水汽运动

从水汽压大处向水汽压小的方向运动或从绝对湿度大处向绝对湿度小的方向运动从温度高处向温度低的方向运动岩土空隙中的水----气态水概念指以固态形式存在于岩石空隙中的水（地下冰）。我国北方冬季常形成冻土；东北及青藏高原有一部分地下水多年保持固态—多年冻土。岩土空隙中的水----固态水3.2空隙中的水——小结小结

岩石(土)空隙中的液态水——有三种存在形式三种形式的液态水有差异——与受力状态有关自己总结、比较——加深理解____有比较就会有记忆

3.3岩石（土）的水理性质岩石（土）

（包括骨架与空隙在内的总称）水理性质：就水文地质学主要涉及的是与水分储容、释出与运移有关的性质包括：一、容水度和孔隙度（porosity）（反映岩石（土）最大含水能力）

孔隙度——n;容水度——nr

？两者有何关系

岩石（土）完全饱水时，所能容纳的最大水体积与岩石（土）总体积之比二、含水量（watercontent）__

岩石（土）样实际保留水分的状况，（是某岩（土）样某时的含水状态），又称岩石（土）的天然含水量三、持水度（specificretention）__Sr

岩石（土）的持水能力——最大保持水分的能力岩石（土）的持水量（持水体积）与岩石（土）总体积之比一、容水度（Mc）

单位体积饱水岩石中所能容纳的最大水的体积。

若以重量计，则称容水量。

除膨胀性粘性土外，容水度与孔隙度（体积裂隙率、岩溶率）相当。二、含水量:一定量的土壤中所含水分的数量。（1）土壤重量含水率

（2）土壤容积含水率

三、持水度（Sr）

重力释水后单位体积岩石中所能保持的最大水体积（一般为最大簿膜水层厚度时的体积）。

若以重量计，则称持水量。

若空隙中除持有最大簿膜水外，还保持有一定量的悬挂毛细水和孔角水，则称田间持水度或田间持水量。四、给水度（specificyield）——(e

d)(waterdrainedfromsoilundergravityflow)定义：当地下水位下降一个单位高度时，单位水平面积岩石(土)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细水

3.3岩石(土)的水理性质给水度与颗粒粒径的关系给水度随时间变化的关系均质土包气带水分分布2、影响给水度——μ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a)岩性：空隙大的样品，给水度大，μ≈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μ不同，为什么？b)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,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—也是最大理论给水度3.3岩石(土)的水理性质CompanyLogo给水度与地下水位埋深的关系当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，μ变小。c)与地下水位下降速度有关地下水位下降快慢会影响到μ的大小

——（下降快μ<μ理、下降慢μ→μ理）这是因为释水滞后，而导致的释水减量d)土层结构均质土特征与上述讨论一致岩土层为层状非均质土时，往往会影响μ值，多层状土的特征而言，上粗下细，上细下粗结构影响是不同的。四、给水度——2、影响μ值的因素

给水度：

均值土，当地下水位初始埋深大于hc，降速缓慢，μ=ωS-ω0

ωS-饱和含水量；ω0-持水度初始埋深小于hc时，埋深愈浅，μ越小

水位降速愈快，μ越小↓一般而言，层状土μ小于均值土。

给水度小结常见岩石（土）的给水度

岩石名称

给水度（%）最大最小平均粘土亚粘土粉砂细砂中砂粗砂砾砂细砾中砾粗砾512192832353535262603310152020211312271821262725252322五、透水性（permeability）反映岩土透过水的能力岩石(土)空隙直径越大

—透水能力越强

—透水性越好！

3.3岩石(土)的水理性质渗透系数渗透系数K（coefficientofpermeability）在有些教科书中也称为水力传导率

（hydraulicconductivity）

定义：水力梯度为I=1时的渗透流速（V=KI）具有速度量纲L2T-1

由公式V=KI分析

当I一定时，岩层的K

愈大，则V

也愈大，Q

大因此，渗透系数

K

是表征岩石透水性的定量指标

渗透系数K

影响因素：——

以松散岩石,等径孔隙为例来分析

γ——水的重率；μ——动力粘滞系数

从公式即得出：k与岩石性质有关k∝（d02，ne）与流体物理性质有关k∝（γ/μ）将在地下水运动一章中详细介绍对松散层:颗粒大小、形状、分选程度、密实度、胶结情况水质、水温、液体类型对坚硬岩体更取决于裂隙的几何结构特征：延伸方向、宽度、密度、长度、连通性、充填物、裂隙面的粗糙程度等。影响渗透性大小的因素:

单位吸水量specificwaterabsorption单位吸水量（率）（w）

指单位长度的试段在单位压力水头的作用下的稳定流量。（L/min.m.m或Lu）

1Lu定义为当试段压力为1MPa时,每米试段的压力流量为L/min的值.1L/min.m.m=100Lu定义1：压水试验中,在单位水头压力下,单位长度试验段每分钟所吸收的水量.

定义2：压水试验中，在每米水柱压力下每米试段长度内岩体每分钟的吸水量数。以L/min·m·m表示。

坝(闸)基岩土体透水性分类根据水利水电工程地质勘察资料内业整理规程SDJ19-78

对坚硬岩体：透水性分级单位吸水量（Lu）

极严重透水大于1000

严重透水1000~100

较严重透水100~10

中等透水10~5

微透水5~1

极微透水小于1

对松散层：透水性分级渗透系数（m/d）

极强透水大于100

强透水100~25

较强透水25~5

弱透水5~0.2

微弱透水0.2~0.02

弱透水小于0.02

坝(闸)基岩土体透水性分类3.3太沙基有效应力原理

作用在饱水岩层中任一平面上的总应力等于有效应力与孔隙水压力之和。

有效应力原理与岩土体变形破坏有效应力原理有效应力原理太沙基（K.Terzaghi）P=P’+uP-总应力P’-颗粒承受应力U-水应力必须说明：地面沉降或太沙基原理的应用，必须是建立在“相对封闭”的水文地质环境当中，否则是无效的！第二章填空题1．岩石空隙是地下水储存场所和运动通道。空隙的

、

、

、

和

，对地下水的分布和运动具有重要影响。2．岩石空隙可分为松散岩石中的

、坚硬岩石中的

、和可溶岩石中的

。3．岩石裂隙按成因分为：

、

、