第3章 岩石中的空隙与水分

水文地质学基础FundamentalsofHydrogeoloy第3章岩土中的空隙和水IntersticesandwaterinRocks本章内容4.1岩土中的空隙4.2岩土中的水4.3与水有关的岩土性质4.4有效应力原理与岩土变形破坏4.1岩土中的空隙1.岩土空隙在地球上的分布：地壳表层十余公里，尤其近1～2公里以内。2.岩土空隙的水文地质意义：是地下水的赋存场所和运移通道。3.岩土空隙的描述：形状、大小、多少、分布规律和连通性。4.岩土空隙的水文地质分类：松散岩土中的孔隙、坚硬岩石中的裂隙、可溶岩石中的溶穴。岩土中的各种空隙分选良好，排列疏松的砂分选良好，排列紧密的砂具有结构孔隙的粘土经过压缩的粘土具有裂隙的岩石具有溶隙及溶穴的可溶岩一、孔隙1.概念：存在于松散的或未完全胶结的岩土颗粒之间或颗粒集合体之间的空隙。2.分布：最新沉积、新生界、主要在第四系沉积层中的碎石土、砂土、粘土等，其次是胶结不完全的第三系或中生界部分地层。如河边砂砾中存在的孔隙。3.特征：描述量多少形状大小分布规律连通性n不具有方向性小而均匀均匀好多少：度量指标：孔隙度（n）（1）概念：某一体积岩土（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的比例。（2）研究意义（作用）：影响岩石储容地下水的能力的大小。（3）测定方法：砂、砾等松散岩土一般用注水方法，粘土遇水膨胀不能；容重-比重法：细砂，先测岩土的容重r、比重%100VVnn%100)1(rn（4）孔隙度的影响因素颗粒排列方式：等粒状：最疏松排列：立方体：n=47.62%;最紧密排列：四面体：n=25.95%。（未涉及粒径大小，粒径大小不同，但等粒状、排列方式相同时，孔隙度是相同的）颗粒分选程度：分选性越好，孔隙度越大；分选程度不好，大颗粒孔隙被小颗粒充填，降低孔隙。（分选程度是指颗粒粒度的均匀程度，土力学中也称不均匀系数。）颗粒形状：越不规则，越疏松，孔隙度就越大。胶结充填：孔隙被胶结充填，孔隙度减小。对于粘性土，还与结构孔隙、次生孔隙有关。粘性土的孔隙与孔隙度（1）粘土颗粒•粘性土：土体颗粒直径﹤0.005mm•粘土由于颗粒细小，比表面积大，颗粒表面常带有电荷，所以连结力强•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，可形成比颗粒自身还大的结构孔隙•集合体与集合体结合构成粘性土的沉积结构特征。（2）粘土孔隙粘性土：蜂窝、絮状结构，如同海绵•结构孔隙：集合体与集合体、粘粒与粘粒之间的孔隙。•次生孔隙：虫孔、根系孔、干裂缝等。松散岩石孔隙度参考数值（据弗里泽等，1987）岩石名称砾石砂粉砂粘土孔隙度变化区间25%-40%25%-50%35%-50%40%-70%注：（１）与粒径的关系不是粒径愈大则孔隙度愈大（２）孔隙度超过最疏松排列的47.62％，达到70％大小：（1）研究意义（作用）：孔腹和孔喉，影响地下水的运动，尤其是孔喉直径大小对地下水流动起关键性作用。（2）影响因素：颗粒大小：尤其是细小颗粒的大小，颗粒越大形成的孔隙越大。颗粒排列方式：理想等粒圆球状颗粒，颗粒直径为D，孔喉直径为d立方体排列时，d=0.414D四面体排列时，d=0.155D。对于粘性土：还与结构孔隙、次生孔隙有关。孔喉（直径为d）与孔腹（直径为D’）通过孔隙通道中心切面图假定颗粒为等粒球体（直径为D）作立方体排列孔隙与粒径关系砾石（模型）砂土样品砂砾混合样品立方体排列四面体排列颗粒排列形式二、裂隙1.概念：岩石形成以后，由于各种内、外营力的作用，使岩石遭到破坏而形成的空隙。2.分布：主要分布在固结岩层：沉积岩、变质岩、岩浆岩等保留原来成岩孔隙，但主要是在后期应力作用下产生裂隙。3.分类：按成因分：成岩裂隙：岩浆作用：侵入、喷出，冷凝收缩（岩浆岩）成岩作用沉积作用：固结、干缩（沉积岩）。岩浆岩最普遍，玄武岩（基性）柱状节理最有水文地质意义。风化裂隙：风化作用构造裂隙：构造应力作用卸荷裂隙４．特征描述量形状大小多少分布规律连通性有方向性相差悬殊不均匀k不均匀总体：不好局部：好，主干断裂大小：大的有构造断裂带，小的要用显微镜看。具有级次，大构造断裂带，次级------，再次一级------。连通性：总体上不好，局部可能很好，形成裂隙系统。找水，局部裂隙，最好找在最大断裂带上，主干断裂，裂隙含水系统。多少：裂隙率。线裂隙率：与裂隙走向垂直方向上单位长度内裂隙所占的比例。面裂隙率，体裂隙率。野外研究裂隙时应注意测定裂隙的方向、宽度、延伸长度、充填情况等，这些影响水的运动。岩石名称碎屑岩化学岩岩浆岩变质岩玄武岩凝灰岩现代火山岩裂隙率%3-30＜1-302-52-51-124-4050各种岩石裂隙率数值表（变化范围）三、溶穴1.概念：可溶岩石在地下水的溶蚀作用下形成。必须在原有空隙、裂隙发育基础上产生的。2.分布：可溶岩的沉积岩，如常见的灰岩，白云岩。3.种类：溶孔（压水试验，石灰岩的微空隙），溶蚀裂隙，溶隙，地下暗河。４．特征描述量形状大小多少分布规律连通性有方向性极不均匀KV极不均匀总体差，局部可以很好形状：有方向性，主要在裂隙基础上进一步溶蚀而成，所以具有裂隙特征。大小：极不均匀，暗河，主干溶蚀形成。多少：岩溶率分布：极不均匀（保留了裂隙特征）连通性：总体上差，局部可以很好，形成溶穴含水系统。找水就要找主干，但地质开采要避免碰到主干——暗河。VVKkv四、地下水分类按含水介质（空隙特征）分：孔隙水、裂隙水、岩溶水OutwashsandandgravelinagravelpitActualtortuousflowpathsthroughtheporespacesLimestoneexposedinaroadcut第2节岩土中水的存在形式地壳岩土中的水岩土“骨架”中的水（矿物结合水）沸石水：方沸石(Na2Al2Si4O12·nH2O)结晶水：石膏(CaSO42H2O)结构水：高岭石(Al4[Si4O10](OH)8)岩土空隙中的水结合水（矿物表面结合水）强结合水弱结合水液态水重力水毛细水固态水气态水水文地质学的重点研究对象一、结合水1、概念：分布在颗粒表面受静电引力大于重力，而不能在自身重力作用下发生运动的那部分水。一、结合水2、成因：带电荷的颗粒表面，一般带负电，主要存在于细小空隙、裂隙；极性分子水，水分子是偶极体，被吸入；岩石颗粒周围水分子受到库仑力（静电引力）的作用。静电引力受到距离的影响，结合水的自由不同。3、类型及特征：按牢固程度划分：强结合水：密度大于1，平均2g/cm3左右冰点：-78℃类似固体，不能流动。在温度105℃上才能以气态的形式脱离颗粒表面溶解盐类能力弱、不能为植物吸收有较大的粘滞性、弹性和抗剪强度。弱结合水：排列规则，密度大于1，为1.3~1.774g/cm3在外力作用下可产生运动，但速度十分缓慢溶解盐类能力较弱冰点为-15℃有一定的粘滞性和抗剪强度弱结合水的外层能被植物吸收利用。二、重力水距固相颗粒表面比较远，受其吸引力小，可以在自身重力下发生运动的水。岩土空隙中的重力水能够自由流动，井、泉取用的地下水都属于重力水，为水文地质学的研究重点。三、毛细水毛细现象：在液体表面张力作用下，毛细管中水位上升一定高度的现象。凹形的液面产生负的表面压强毛细现象PaPaP=PaP=Pa-PcPcP毛细空隙是岩土中的细小空隙，一般指直径小于1mm的孔隙或宽度小于0.25mm的裂隙。毛细上升高度与毛管直径成反比。松散岩石中细小的孔隙通道构成毛细管，所以在地下水面以上的包气带中广泛存在毛细水。结论：松散岩层的颗粒越粗，孔隙越大，则毛细上升高度越小毛细现象的产生与表面张力有关。任何液体都有力图缩小其表面的趋势。一个液体总是力求成为球状——同容积的液体表面最小的形状。（1）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f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：f=αLα为表面张力系数，单位为dyn/cm。（1dyn=1×N）PaPa-PcLff毛细现象及其实质毛细现象及其实质（2）附加表面压强（Pc）表面张力的作用，弯曲的液面将对液面以内的液体产生附加表面压强（Pc），而这一附加表面压强总是指向液体表面的曲率中心方向：凸起的弯液面，对液面内侧的液体，附加一个正的表面压强；凹进的弯液面，对液面内侧的液体，附加一个负的表面压强—毛细压强（毛细负压）Pc毛细水类型：1.支持毛细水：下面有水面的支持。图中井的左侧表示高水位时砂层中的支持毛细水。2.悬挂毛细水：下部没有水面支持。井的右侧表示水位降低后砂层中的悬挂毛细水。砾石层中孔隙直径已超过毛细管，故不存在支持毛细水。3.孔角毛细水：包气带中颗粒接触点上的毛细水。由于粗细交替的地质条件和水位的变化而形成将水滞留在孔角上。水井砾石层四、气态水、固态水及矿物中的水在未饱和水的空隙中存在着气态水。气态水可以随空气或在水气压力差的作用下流动。岩石的温度低于0℃时，液态水转为固态水。我国大部分地区有季节性冻土。东北及青藏高原，有多年冻土，对工程的破坏性比较强，融化时固态转为液态，体积变化。矿物晶格内及矿物孔洞中的水，就是沸石水、结晶水及结构水。方沸石（Na2A12Si4O12·nH2O)中沸石水，在加热时可以从矿物中分离出去。第3节与水有关的岩土性质容水性：岩石能容纳一定数量水的性质。用容水度表示。给水性：饱水岩石在重力作用下能自由排出一定数量水的性质。用给水度表示。持水性：岩石在重力释水后能在空隙中保持一定数量水的性质。用持水度表示。透水性：岩石允许让水通过的性质。用渗透系数或单位吸水量表示。容水度（Mc）岩土完全饱水时所能容纳的水的体积与岩土体积的比值。若以重量计，则称容水量。容水度与孔隙度（裂隙率、岩溶率）相等。%100)(VVMmc岩石名称粘土亚砂粉砂细砂中砂粗砂砾砂细砾中砾粗砾平均给水度%27821262725252322常见的松散岩土的平均给水度给水度（u）地下水位下降单位体积时，释出水的体积和疏干体积的比值。反映饱水岩石在重力作用下所能排出的最大水的体积。即当地下水位下降一个单位时，在重力作用下单位水平面积岩石柱体中所能释放出的水体积。%100)(VVuu影响给水度u大小的因素：岩性影响。有三个方面：组成岩石的矿物成分（决定空隙的大小、多少）颗粒大小、级配及分选程度空隙情况初始地下水埋藏深度地下水位下降速率给水度、持水度与容水度的关系在数值上：crMSu持水度（Sr）地下水位下降时，滞留于非饱和带中而不释出的水的体积与单位疏干体积的比值。%100)(VVSsr松散岩土持水度数值岩石名称粗砂中砂细砂极细砂亚粘土粘土颗粒大小mm2-0.50.5-0.250.25-0.10.1-0.050.05-0.002＜0.002最大分子水容度1.571.62.734.7510.844.85透水性：渗透系数（K）：称水力传导系数（hydraulicconductivity)。在各向同性介质中，单位水力梯度下的渗透流速（m/d），表示流体通过孔隙骨架的难易程度。影响渗透性大小的因素: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：同松散层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。透水性透水性岩性渗透系数m/d岩性渗透系数m/d亚粘土亚砂土粉砂细砂0.001-0.10.1-0.50.5-11-5中砂粗砂砾石卵石5-2020-5050-150100-500松散岩石渗透系数经验值渗透系数K可以通过经验公式、达西试验或抽水试验等方法求出。第4节有效应力原理与松散岩土压密一.有效应力原理1925年，太沙基（K.Terzaghi）提出有效应力原理：有效应力=总应力-孔隙水压力有效应力：岩土骨架所承受的应力。在封闭（或相对封闭）条件下，上覆载荷的总应力（σ），由饱水岩土骨架应力（σ′，即有效应力）与孔隙