岩土中的空隙与水分水文地质学基础.ppt
第三章 岩土中的空隙和水,第1节 岩土中的空隙1、定义岩土的空隙：岩土中大小不等、形状各异的空间。岩土的空隙性：岩土空隙的大小、多少、形状、方向性、连通程度和空间变化。岩土空隙是地下水的储容空间和传输通道。,第1节 岩土中的空隙,2、空隙的分类A 松散岩土中的 孔隙；B 坚硬岩土中的 裂隙；C 可溶岩石中的 溶穴（溶洞）。,岩土中的各种空隙,E,F,岩土中的各种空隙,A,B,C,D,E,F,G,H,分选不良、含泥砂的砾石,部分胶结的砂,一、孔隙1、定义：孔隙松散岩土中颗粒（颗粒集合体）之间的空隙。孔隙度指单位体积岩土(包括孔隙在内)中孔隙体积所占的比例。孔隙比岩土中孔隙体积与固体体积的比值。,松散岩土的平均孔隙度,2、影响孔隙度的因素 A、颗粒的排列方式。等粒径的最松散（47.62%）排列方式和最紧密（25.95%）排列方式。,颗粒中心连线平面角的二面角。90，n47.62，立方体；60，n25.95，四面体。（斯利赫特公式）,B、颗粒的分选性 岩土的分选性越差，颗粒大小越悬殊，细小颗粒便充填于粗大颗粒之间的孔隙中，大大降低了岩土的孔隙度，因此孔隙度越小。相反，岩土的分选性越好，颗粒大小相同，无细小物质充填到孔隙中，孔隙度便会越大。,C、颗粒的形状及胶结物多少 岩土颗粒形状越不规则，棱角越明显，通常排列就越松散，孔隙度也越大；相反，岩土颗粒形状越规则，越磨圆，排列就越紧密，孔隙度也就越小。有胶结物的岩土颗粒其孔隙度一般较小，无胶结物的岩土颗粒孔隙度较大。,D、考虑粘性土的结构孔隙及次生孔隙 粘土的孔隙度往往可以超过上述理论最大值。因为粘土颗粒表面带有电荷，沉积时粘粒聚合，形成架空的颗粒集合体，可以形成大于颗粒直径大孔隙。此外，粘性土还发育有虫孔、根孔、干裂缝、节理等次生空隙。,3、影响孔隙大小的主要因素A 颗粒的大小 颗粒大，孔隙大；颗粒小，孔隙小。,B 颗粒的排列方式 立方体孔喉为0.414D，四面体孔喉为0.155D。C 粘性土时考虑结构孔隙及次生孔隙,二、裂隙 1.定义 松散沉积物的空隙主要是孔隙，而固结坚硬的岩石除沉积岩含有一定原生孔隙外，火成岩和变质岩也有空隙，主要表现为裂隙。裂隙坚硬岩石中由破裂变形而产生的裂隙式空隙。,裂隙按成因可分为三种：成岩裂隙 是岩石在成岩过程中由于冷凝收缩(岩浆岩)或固结(沉积岩)而产生的。岩浆岩中成岩裂隙比较发育，尤以玄武岩中柱状节理最有意义。构造裂隙 是岩石在应力作用下产生的裂隙，具有方向性，大小悬殊(由隐蔽的节理到大断层)，分布不均一。风化裂隙 是岩石在风化营力作用下破坏而产生的裂隙。如卸荷作用。,2.裂隙岩石的空隙特征 主要表现在裂隙发育方向、几何大小、分布的不均匀性、裂隙间的连通程度、裂隙的充填情况以及裂隙面的粗糙度等方面。裂隙率(Kr)是裂隙体积(Vr)与包括裂隙在内的岩石体积(V)的比值。,裂隙的方向、宽度、延伸长度、充填情况等，对水的运动具有重要影响。面裂隙率单位面积岩石上裂隙面积所占的比例。线裂隙率在垂直于裂隙方向上单位长度内裂隙所占比例。,三、溶穴 1.定义 溶穴(隙)可溶的沉积岩（岩盐、石膏、石灰岩、白云岩等）在地下水溶蚀下产生的空洞。岩溶率（KK）溶穴的体积与岩石总体积比值,2.可溶岩石的空隙特征 溶穴的规模十分悬殊，大的溶洞长达几十公里；而小的溶孔直径仅几毫米。岩溶发育带岩溶率可达百分之几十，而其附近岩石的岩溶率几乎为零。,四、空隙发育的多样性 松散岩石以孔隙为主，但粘土干缩后可产生裂隙，而这些超过其原有的孔隙。固结程度不高的沉积岩，往往既有孔隙，又有裂隙。可溶岩石，有时还可保留原生的孔隙与裂缝。,空隙特点与地下水类型 岩石中的空隙，连接成网络，成为地下水有效的储容空间和运移通道。孔隙连通良好，分布均匀，在不同方向上，孔隙通道的大小和多少很接近。地下水分布与流动都比较均匀。裂隙具有一定的方向性，连通性较差。地下水分布不均匀，水力联系差。溶穴空隙大小悬殊且分布极不均匀。地下水分布与流动通常极不均匀。三种类型地下水：孔隙水、裂隙水和岩溶水。,矛盾1：如表3.1所示，颗粒小而孔隙度大，这与我们说的孔隙度大小与颗粒大小无关是不是矛盾？为什么？矛盾2：计算得到最疏松土的孔隙度为47.62%，但是为什么表3.1的粘土达到70%，泥炭达到80%，这是为什么？,课后思考题,1.孔隙度大小和孔隙大小有什么区别和联系？它们对地下水的赋存和运移有怎样的影响？2.孔隙、裂隙、溶穴有什么区别和联系？概述其发育规律。,地壳岩土中的水,矿物格架水,沸石水 结晶水结构水,空隙中水,颗粒表面结合水,强结合水,弱结合水,液态水,固态水,气态水,重力水,毛细水,非结合水,第2节 岩石中水的存在形式,一、地壳岩石中各种形式的水,二、结合水（吸附水）1、定义 受引力大于水分子自身重力的那部分水，称为结合水。此部分水束缚于固相表面，不能在自身重力影响下运动。最接近固相表面的结合水称为强结合水，其外层称为弱结合水。,2、形成条件 松散岩土的颗粒表面、岩石空隙壁带有电荷；水分子是偶极体；3、特征*具有抗剪强度；不能在自重作用下移动；岩土颗粒周围水分子受到库仑力的作用；吸附力受到距离的影响，结合水与自由水不同。,4、分类与特点,三、重力水 1、定义 固体表面结合水层以外的水分子，受重力的影响大于固体表面的吸引力，能在自身重力作用下自由运动的地下水即重力水。岩土空隙中的重力水能够自由流动。井泉取用的地下水都是重力水，是水文地质研究的主要对象。,2、特征 靠近固体颗粒表面的重力水排列整齐，远处的排列紊乱；固体颗粒近处水分子呈层流运动，远处水分子呈紊流运动；,四、毛细水（毛管水）1、定义 毛细现象 毛细管中的水面产生上升的现象。毛细水 沿松散岩石的细小的孔道（毛细管）上升的在地下形成的水。毛细水带 毛细水集中分布的地带。2、分类 支持毛细水 地下水面支持作用的毛细水。悬挂毛细水 失去地下水支持作用的毛细水。孔角毛细水(触点毛细水)在包气带中粗粒颗粒接触点悬留的毛细水。,五、气态水、固态水及矿物中的水 在未饱和的岩土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。岩土的温度低于0时，液态水转为固态水。我国北方大部分地区有季节性冻土。东北及青藏高原有多年冻土。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（NaA1Si2O6H2O)中沸石水，在加热时可以从矿物中分离出去。,第3节 与水的储容及运移有关的岩土性质,1、容水度 容水度 是指岩土完全饱水时所能容纳的最大的水体积与岩石总体积的比值。一般的容水度在数值上与孔隙度(裂隙率、岩溶率)相当，但粘性土充水后体积扩大，容水度可大于孔隙度。它也是小数，和孔隙度有相同的性质。,2、含水量 含水量 松散岩土空隙中所包含的水与岩土的比值。重量含水量 松散岩土孔隙中所含水的重量与干燥岩土重量的比值。体积含水量 松散岩土空隙含水的体积与包括孔隙在内的岩石体积的比值。,重量含水量和体积含水量之间的关系：孔隙充分饱水时的含水量称作饱和含水量。饱和差饱和含水量与实际含水量之间的差值。饱和度实际含水量与饱和含水量之比称为。,3、给水度 1、给水度 完全饱水岩土单位体积所释出水体积。2、影响因素 岩性影响(颗粒大小、分选和粗细颗粒成层分布情况）颗粒大的松散岩石、裂隙（溶穴）宽大，重力释水后，结合水与孔角毛细水较少，给水度接近孔隙度、裂隙率与岩溶率。空隙细小(如粘 性土)，重力释水时大部分水以结合水与悬挂毛细水形式滞留于空隙中，给水度很小。释水速度的影响 均质的颗粒较细小的松散岩石，释水比较充分，给水度才能达到其理论最大值。,地下水下降速度的影响 地下水下降速度越快，滞留于空隙中的水分越多，释出的水分越少，即给水度越小；相反，下降速度越慢，空隙中水分能充分释出，释出水越多，即给水度越大。3、特征 地下水位下降，原先饱水带岩土空隙中的水只释出一部分；粉细砂仅能释出孔隙度的10%-30%；结合水不释出，孔角毛细水不释出，地下水位快速下降时，一部分水以悬挂毛细水形式滞留于非饱和带。,常见松散岩土的给水度,4、持水度 持水度 饱水的岩土释水后，单位体积内保持的水量。给水度、持水度与孔隙度的关系是：影响因素 持水度的影响因素与给水度的相同（颗粒大小、分选情况、粗细颗粒成层分布状况及地下水下降速度）。包气带充分重力释水而又未受到蒸发、蒸腾消耗时的含水量称作残留含水量，数值上相当于最大的持水度。,5、透水性 透水性是指岩石透水的能力。表征岩土透水性的定量指标是渗透系数。影响岩土透水性的因素 1、孔隙大小 松散岩土孔隙通道边缘上是不运动的结合水，其余是重力水。边缘上的水流速为零，中心处流速最大。孔隙直径愈小，结合水所占据的空间愈大，中心处最大流速愈小，实际渗流断面平均流速就愈小，透水性就愈差。孔隙直径小于两倍结合水层厚度时不透水。,然而，岩土的透水能力并不取决于平均孔隙直径，而在很大程度上取决于最小的孔隙直径。2、孔隙通道弯曲性 此外，孔隙通道愈弯曲，流程就愈长，流动阻力愈大。颗粒的大小与分选性，是通过响孔隙大小和通道直径的沿程变化和曲折性影响透水性的。,第4节 有效应力原理与岩土体变形破坏,1.有效应力原理 有效应力原理是太沙基于1925年提出的，即有效应力等于总应力减去空隙水压力。1.1 有效应力：是指岩土骨架所承受的应力。在封闭或相对封闭的条件下，上覆载荷的总应力由饱水岩土骨架应力与空隙水压力共同承受：所以有效应力为：,第4节 有效应力原理与岩土体变形破坏,1.2 有效应力适用条件：（1）由于空隙水压力是连续的，所以对于岩土体任意水平面都适用；（2）对于饱水含水层或含水体，封闭或相对封闭是孔隙水压力形成的必要前提；（3）有效应力原理适用于土体和岩体。,第4节 有效应力原理与岩土体变形破坏,2.地下水位变化引起的土体变形 通常情况下，开采承压水或半承压水都能导致测压水位降低，孔隙水压力随着降低，这样有效应力增大，砂层骨架将会发生压缩（颗粒发生相对位移，排列更加紧密，颗粒接触面积增大），砂层也就压缩，从而表现为轻微的地面沉降。当测压水位恢复到原来高度时，孔隙水压力恢复，砂层和地面都将回弹，但沙粒不可能完全恢复到原状，所以砂层和地面不会完全回弹。当砂土岩层和粘土层相邻时，抽取砂土层里面的地下水，导致水位下降，相邻粘土层水会向砂层释水，这样粘土层发生压密，导致粘性土骨架因压密而发生塑性变形，当地下水位恢复后，粘性土不能回弹，从而导致不可恢复的地面沉降。,第4节 有效应力原理与岩土体变形破坏,3.地下水位变化引起岩土体位移破坏 自然界中的岩土体经常存在不连续面，例如裂隙、断裂面、潜在滑动面等，当发生降水或河水水位抬升及一些人为原因如水库蓄水时，就能使得这些不连续面的地下水位抬升，这时孔隙水压力增加，有效应力就会降低，不连续面的抗剪力降低，岩土体可能因重力作用发生滑坡或崩坍作用。,
