水文地质学基础(第六版)岩石中的空隙与水分.ppt

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1、水文地质学基础 General Hydrogeology,第3章 岩土中的空隙和水,本 章 内 容,3.1 岩土中的空隙3.2 岩土中的水3.3 与水有关的岩土性质3.4 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12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

2、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：,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,（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%;

3、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

4、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）,注：（）与粒径的关系不是粒径愈大则孔隙度愈大（）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，

5、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

6、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,特征,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。,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

7、.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。,特征,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。,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,Outwash sand and gravel in a gravel pit,Actual tortuous flow paths through the pore

8、 spaces,Limestone exposed in a road cut,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(Na2Al2Si4O12nH2O),结晶水：石膏(CaSO42H2O),结构水：高岭石(Al4Si4O10(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。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

9、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1.31.774g/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

10、。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。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，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

11、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（Na2A12Si4O12nH2O)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

12、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。,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。,影响给水度u大小

13、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：,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。,松散岩土持水度数值,透水性：渗透系数（K）：称水力传导系数（hydraulic conductivity)。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

14、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,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（），由饱水岩土骨架应力（，即有效应力）与孔隙水压力（u）共同承受。=+u 有效应力有：=-u,有效应力原理应用范围（1）孔隙水压力是连续的，对于岩土体任意水平都适用（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）有效应力原理不仅适用于土体，也适用于岩体,二.地下水位降低引起的土层压密 当由于抽取地下水引起地下水位下降时，孔隙水压力便相应的降低，即浮托力减小。然而，此时可近似地认为总应力不变，减小的这一部分浮托力必然要转由土层颗粒骨架承担，则有效应力增大。土层颗粒发生位移，排列更加紧密，孔隙度降低，土层受到压密，表现为体积的减小，高程损失，即地面沉降变形。,