第二章 岩石中的孔隙与水分.ppt

,第二章岩石中的孔隙与水分,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.,,第一节岩石中的空隙,岩石水文地质学中指坚硬的岩石及松散的土层。岩石空隙是地下水储存场所和运动通道。空隙的多少、大小、形状、连通情况和分布规律，对地下水的分布和运动具有重要影响。孔隙–松散沉积物中的空隙;（第四纪地质学）裂隙–坚硬岩石地层中的空隙;（构造地质学）溶穴–可溶性基岩地层中经溶蚀后的空隙;（岩溶地貌学）,,第一节岩石中的空隙,不同介质中的空隙特征,,第一节岩石中的空隙孔隙,概念松散岩石是由大小不等的颗粒组成的。颗粒或颗粒集合体之间的空隙，称为孔隙。孔隙度（n）V表示包括孔隙在内的岩石体积Vn表示岩石中孔隙的体积,,思考试样a与b构成的孔隙哪种大哪种小孔隙大小与颗粒大小----有关吗简单归纳---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,松散土体宏观上可以分为2大类砂性土与粘性土类,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,孔隙与分选的关系,黄土,沙丘,洪积物,粒径mm,含量,松散砂砾石孔隙大小与分选的关系好、坏,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,颗粒排列等径圆球最疏松与最紧密,,立方体排列四面体排列,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,孔腹和孔喉,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dd0.414D孔腹d’d’0.732D（立方体排列的理想等径园球颗粒）,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,立方体排列四面体排列,,,等径园球颗粒立方体排列孔隙大小的描述孔喉dd0.414D孔腹d’d’0.732D,d’,,第一节岩石中的空隙孔隙,孔隙度（n）V表示包括孔隙在内的岩石体积Vn表示岩石中孔隙的体积思考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砂影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,不同颗粒大小的试样孔隙度,,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。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,自然界中松散岩石的孔隙度与上述讨论的还有些不同表2--1松散岩石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,孔隙度参考数值,,,第一节岩石中的空隙孔隙,对于粘性土特殊孔隙的影响1）结构性孔隙,,第一节岩石中的空隙孔隙,2）虫孔、根孔、干裂缝等次生空隙因此，对粘性土，它们对n的大小影响很大，不可忽视。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2000,,蒙脱石、片状粘土矿物淤泥粘土,,第一节岩石中的空隙孔隙,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，往往孔隙度反而减小。,,第一节岩石中的空隙孔隙,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。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,松散砂土孔隙粘土孔隙裂隙溶隙,,第一节岩石中的空隙裂隙,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,,,成岩裂隙、构造裂隙,,,,,第一节岩石中的空隙裂隙,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。,,第一节岩石中的空隙溶穴,,,第一节岩石中的空隙溶穴,概念可溶的沉积岩，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，这种空隙称为溶穴（隙）。岩溶率（Kk）,,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）,,第一节岩石中的空隙三者比较,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。三种主要类型的含水介质比较1.连通性孔隙介质最好，其它较差。2.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。3.空隙比率孔隙介质最大，裂隙最小。4.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。,,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,,第二节岩石中水的存在形式,,第二节岩石中水的存在形式结合水,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,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,存在形式气态固态液态设想实验材料（玻璃珠子、细管）水（水杯）,,,第二节岩石中水的存在形式结合水,,,,（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）吸附于吸湿水外部，只能沿土粒表面做微小的移动,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,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,结合水与重力水,,重力水受重力支配不能为土壤所保持的水分,,重力水远离固相表面，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。重力影响下可以自由运动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,,,毛细水受毛管力的作用保持在岩石中的水分,第二节岩石中水的存在形式毛细水,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,毛细水（capillarywater）1.基本概念毛细现象细小管插入水中，水上升至一定高度停下来毛细力毛细水受到表面吸引力，重力，还有另一种力称毛细力的作用，产生毛细现象。,,第二节岩石中水的存在形式毛细水,,第二节岩石中水的存在形式毛细水,我们可以把毛细力归纳为3点1.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2.毛细力的方向作用方向始终指向弯曲液面的凹例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---如同真空吸力凸形弯液面正的毛细压强,,第二节岩石中水的存在形式毛细水,3.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.,,,Smallerporesholdwaterwithgreaterenergy,,第二节岩石中水的存在形式毛细水,土的最大毛细上升高度[据西林别克丘林，1958],,,,,,饱和带、包气带、毛细水,,,饱水带,包气带,潜水面,重力排水区,,,,第二节岩石中水的存在形式毛细水,毛细水类型支持毛细水存在于饱水带以上并与地下水面相连的毛细空隙中的水。能传递静水压力，当温度低于0℃时冰结。悬挂毛细水存在于包气带并与地下水面不相连的毛细空隙中的水。呈“悬挂”状态，经蒸发后消失。成因入渗重力水；地下水面急剧下降由支持毛细水转化而成。孔角毛细水（触点毛细水）颗粒与颗粒接触处孔隙狭窄地方呈点滴状态的水。结合紧密，不易移动。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,滴水下雨砂土黄土器皿砾石,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,,,第二节岩石中水的存在形式气态水,概念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,,汽态水存在于岩石空隙中的水汽,,第二节岩石中水的存在形式固态水,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。,,第三节岩石的水理性质,1.容水性2.含水量3.给水性4.持水性5.透水性,,第三节岩石的水理性质容水度,1.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。,四、土壤含水率,2.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,,第三节岩石的水理性质给水度,3.给水度（u）单位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，单位水平面积岩石柱体，在重力作用下中所能释放出的水体积。在数值上,,,,第三节岩石的水理性质给水度,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保留的水有结合水膜，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。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。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,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,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给水度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。,,给水度与颗粒粒径的关系,给水度随时间变化的关系,,,,第三节岩石的水理性质给水度,常见岩石的给水度,,第三节岩石的水理性质持水度,4.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。,,第三节岩石的水理性质渗透系数单位吸水率,5.渗透系数（K）水力坡降为1时的渗透流速（m/d）。单位吸水率（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.1L/min.m.m100Lu,,,,,,,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。,,第三节岩石的水理性质渗透系数,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1000100较严重透水10010中等透水105微透水51极微透水小于1,,第三节岩石的水理性质渗透系数单位吸水率,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10025较强透水255弱透水50.2微弱透水0.20.02弱透水小于0.02,四有效应力原理与松散岩石压密,1.太沙基有效应力原理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。,,,,2.地下水位下降引起的岩土压密PZ△PZP（u△u）,第二章,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、、。,判断题,1．松散岩石中也存在裂隙，坚硬岩石中也存在孔隙。（）2．松散岩石中颗粒的形状对孔隙度没有影响。（）3．两种颗粒直径不同的等粒圆球状岩石，排列方式相同时，孔隙度完全相同。（）4．裂隙率是裂隙体积与不包括裂隙在内的岩石体积的比值。（）,1.结合水具有抗剪强度。（）2．在饱水带中也存在孔角毛细水。（）3．在松散的砂层中，一般来说容水度在数值上与孔隙度相当。（）4．在连通性较好的含水层中，岩石的空隙越大，给水度越大。（）,5．松散岩石中，当初始地下水位埋藏深度小于最大毛细上升高度时，地下水位下降后，给水度偏小。（）6．对于颗粒较小的松散岩石，地下水位下降速率较大时，给水度的值也大。（）7．颗粒较小的松散岩石中，重力释水并非瞬时完成，往往滞后于水位下降，所以给水度与时间有关。（）,8．松散岩石中孔隙度等于给水度与持水度之和。（）9．松散岩石中，孔隙直径愈小，连通性愈差，透水性就愈差。（）10．在松散岩石中，不论孔隙大小如何，孔隙度对岩石的透水性不起作用。（）11．饱含水的砂层因孔隙水压力下降而压密，待孔隙压力恢复后，砂层仍不能恢复原状。（）,12．粘性土因孔隙水压力下降而压密，待孔隙压力恢复后，粘性土层仍不能恢复原状。（）13．在一定条件下，含水层的给水度可以是时间的函数，也可以是一个常数。（）14．在其它条件相同而只是岩性不同的两个潜水含水层中.在补给期时，给水度大,水位上升大，给水度小，水位上升小。（）15．某一松散的饱水岩层体积含水量为30％，那么该岩层的孔隙度为0.3。（）,思考题,1．岩石空隙分为哪几类，各有什么特点2．为什么说空隙大小和数量不同的岩石，其容纳、保持、释出及透水的能力不同3．地下水位的埋藏深度和下降速率，对松散岩石的给水度产生什么影响,,1参考答案岩石空隙分为孔隙、裂隙和溶穴。孔隙分布于颗粒之间，连通好，分布均匀，在不同方向上孔隙通道的大小和多少都很接近；裂隙具有一定的方向性，连通性较孔隙为差，分布不均匀；溶穴孔隙大小悬殊而且分布极不均匀。,2参考答案岩石容纳、保持、释出及透水的能力与空隙的大小和多少有关。而空隙的大小和多少决定着地壳岩石中各种形式水所占的比例。空隙越大，结合水所占的比例越小，则容纳、释出及透水能力越强，持水能力越弱；反之，空隙度越小，结合水所占的比例越大，则容纳、释出及透水能力越弱，持水能力越强。所以说空隙大小和数量不同的岩石其容纳、保持、释出及透水的能力不同。,,3参考答案初始地下水位埋藏深度小于最大毛细上升高度时，地下水位下降，重力水的一部分将转化为支持毛细水而保持于地下水面以上，给水度偏小；在细小颗粒层状相间分布的松散岩石，地下水位下降时，易形成悬挂毛细水不能释放出来，另外，重力释水并非瞬时完成，而往往迟后于水位下降，给水度一般偏小。,