岩石中的空隙与水

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2.1岩石中的空隙2.2空隙中的水2.3岩石的水理性质2.1岩石中的空隙岩石——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：孔隙（pore）--unconsolidatedsoil--（第四纪地质学）裂隙（fissure）--hardrock---（构造地质学）溶穴（cavity）--dissolublerock--（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（指标）和分析方法。岩土的空隙孔隙（pore,void）：主要存在于松散岩石中孔隙的描述有：孔隙的大小，多少，形状，连通与分布松散岩石宏观上可以分为两大类：砂砾石与粘性土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2.1.1孔隙孔隙与粒径关系松散砂砾石孔隙大小与分选的关系—好、坏？四面体排列立方体排列颗粒排列方式与孔隙大小关系d’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(d)d=0.414D孔腹(d’)d’=0.732D四面体排列的理想等径园球颗粒孔喉(d)d=0.155D砂砾石土孔隙大小与什么有关？颗粒大小、排列（立方体或四面体）、分选、胶结与充填等。2.砂砾石的孔隙度（porosity）及其影响因素孔隙度定义：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。孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标,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？影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度。%100VVnn不同颗粒大小的试样——孔隙度？三种粒径虽然孔隙大小各异，但孔隙度完全相同排列不同分选不同自然界中松散岩石的孔隙度与上述讨论的略有不同，P17表2-1。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%3.粘性土的孔隙与孔隙度粘土颗粒•颗粒直径＜0.005mm；•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“粘粒团”构成颗粒集合体；•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结构，不同比例电镜扫描片2.1.2裂隙固结的坚硬岩石中，一般仅残存很小部分孔隙，而存在有各种内外力作用下产生的裂缝——裂隙。按成因分为：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：a裂隙的连通性（组数、产状、长度和密度）；b张开性（裂隙宽度）；c裂隙率；d充填情况。风化（卸荷）裂隙构造裂隙成岩裂隙2.1.3溶穴溶穴（solutioncavity）cavern——是扩大了的裂隙。在孔隙或裂隙基础，水流对可溶岩进一步作用的结果溶穴可分为：溶孔、溶隙、溶洞。岩溶岩体：要描述裂隙特征及岩溶发育特征（裂隙+溶洞）a岩溶发育方向；b岩溶发育程度—面/体岩溶率、钻孔遇洞率；c溶洞（方向、规模等）。溶洞溶孔溶隙2.1.4孔隙特征的对比空隙特征的比较含水介质——由各类空隙所构成的岩石称为含水介质，也称为介质场。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、溶质含水介质）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2.1.4空隙特征的对比1.什么叫孔隙度？孔隙度大与孔隙大有区别吗？2.坚硬的花岗岩、砂岩、灰岩的空隙特征有何异同点？岩石中的空隙——思考题本章内容2.1岩石中的空隙2.2空隙中的水2.3岩石的水理性质2.2空隙中的水空隙中水的三种存在状态：气态液态固态空隙中水的三种存在形式：结合水——（absorbedwater,boundwater）重力水——（gravitationalwater;bulkwater）毛细水——（capillarywater）结合水（absorbedwater,boundwater）定义：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剪强度）抗剪强度的产生及大小与什么有关性质：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）。2.2.1结合水结合水与重力水重力水结合水与重力水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颗粒图中箭头代表水分子所受合力方向2.2.2重力水重力水（gravitationalwater;bulkwater）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。无重力作用下水的存在？如在太空中瓶中的水分布—受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。重力水2.2.3毛细水毛细水（capillarywater）1.基本概念毛细现象：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（分子间相互吸引力）。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：fL式中：α－表面张力系数，单位为dyn(达因）/cm（1dyn=1×10-5N)毛细现象的产生与表面张力有关Lf附加表面压强Pc定义：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，对液体附加一个负的表面压强(图a)；凸起的弯液面，对液体附加一个正的表面压强（图b）。P=Po+PcP=Po-PcPoPoPoP=PoP=PoPo图a图bPcPc当液面是凸形时，附加表面压强是正的，此时实际表面压强？当液面为凹形时，附加表面压强是负的，此时实际表面压强？平的液面实际表面压强？附加表面压强Pc的大小：（1）任意形状的弯液面：所产生的附加表面压强Pc都可以用拉普拉斯公式表示：)11(21RRpc式中：α－表面张力系数R1、R2－液体表面的两个主要曲率半径P=Po+PcP=Po-PcPoPoPoP=PoP=PoPo图a图bPcPc（2）半圆球形液面设想切取一个半径为R的半圆球形液面（如图示）。在此液面的圆周状边线上都存在着指向液层内部的表面张力；表面张力合力f为α·2πR，作用于垂直于面积为πR2的投影圆面。表面张力所引起的附加表面压强Pc为：R2ααpc22RRf)11(21RRpc对任何形状的弯液面附加表面压强Pc计算式：当时21RRR2αpc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是: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，与表面的曲率半径成反比。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。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；反之亦然毛细力大，毛细上升高度也越大2.毛细水的存在形式（statesforms）在岩石空隙中，毛细水的存在形式可分为三种：(1)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孔隙性质有关。(2)悬挂毛细水（suspensioncapillarywater）脱离水面，岩石细小孔隙中保留的水分。(3)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的，孔角毛细水是孤立的支持毛细水悬挂毛细水孔角毛细水毛细水的存在形式思考：1.上细下粗土层，滴水，水停留在何处？2.黄土层中挖平洞，下大雨后，洞内能否接到水？小结：岩石空隙中的水——有三种存在形式三种形式的水有差异——与受力状态有关自己总结、比较——加深理解本章内容2.1岩石中的空隙2.2空隙中的水2.3岩石的水理性质2.3岩石的水理性质岩石（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、释出及运移有关的性质。主要包括：容水度、含水量、持水度、给水度、透水性五个方面。2.3.1容水度__nr岩石完全饱水时，所能容纳的最大水体积与岩石总体积之比。容水度与孔隙度相等？——反映岩石最大含水能力2.3.2含水量（watercontent）__W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，（是某岩样某时的含水状态），又称岩石的天然含水量W0。饱和含水量Ws、饱和差、饱和度2.3.3持水度（specificretention）__Sr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）与岩石总体积之比。反映岩石的持水能力——最大保持水分的能力。2.3.4给水度（specificyield）__μ(waterdrainedfromsoilundergravityflow)1.定义：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。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？（1）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？（2）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（支持毛细水高度）,μ值可达最大；当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值较小。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。rrSnrSn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。（3）地下水位下降速度地下水位下降快慢会影响到μ的大小——下降快μμ理、下降慢μ→μ理这是因为释水滞后，而导致的释水减量（4）土层结构上述讨论为均质土特征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。给水度小结：均值土:当地下水位初始埋深大于hc，降速缓慢:初始埋深小于hc时，埋深愈浅，μ愈小；水位降速愈快，μ愈小；一般而言，层状土μ小于均值土给水度、持水度与孔隙度三者间关系：rrSnnSr2.3.5透水性（permeability）指岩石允许水