第3讲岩石的水理性质.ppt

本节内容,水的储容及运移有关的岩石性质含水层与隔水层地下水的类型,一、与水的储容及运移有关的岩石性质,影响水的储容及运移的因素：岩石空隙大小、多少、连通程度及其分布均匀度。控制水活动的因素：岩石的容水性、含水性、给水性、持水性、透水性,岩土的水理性质,概念：指岩土控制水活动的性质岩土主要水理性质：,容水性,持水性,给水性,透水性,含水性,1.容水性（容水度）定义：岩石的容水性是指岩石容纳一定水的能力。,表征指标：容水度指岩土完全饱水时所容纳的最大水体积与岩土总体积之比，即=100%或=100%容水度数值上一般与空隙度（裂隙率、岩溶率）相等，但膨胀土的容水度大于孔隙度。,2.含水性（含水量）概念：含水量松散岩石实际保留水分的状况。重量含水量（Wg）：松散岩石孔隙中所含水的重量与干燥岩石重量的比值。体积含水量（Wv）：含水的体积与包括孔隙在内的岩石体积的比值。,饱和含水量Ws：孔隙充分饱水时的含水量称作饱和含水量Ws。饱和含水量与实际含水量之间的差值称为饱和差。实际含水量与饱和含水量之比称为饱和度。,3.给水性（给水度）给水性：地下水位下降时，其下降范围内饱水岩石及相应的支持毛细水带中的水，在重力作用下从原先赋存的空隙中释出，这一现象称为岩石的给水性（）。,表征指标：给水度在单位水平面积岩层柱体中，当潜水位下降一个单位时，在重力作用下所释出的水量。以小数或百分数表示。=（V出水/V砂样容水）100%,影响因素：重力释水不是瞬时完成，往往滞后于水位下降。对于均质的松散岩石，给水度的大小与岩性、初始地下水位埋藏深度、地下水位下降速率等因素有关。,表2-2常见松散岩石的给水度Fetter,1980,4、持水性（持水度）持水性：岩石依靠分子引力和毛细力，在重力作用下其岩石仍能保持一定水的性能。表征指标持水度：在重力作用下，岩石所保持的水体积与岩石体积的比值。,残留含水量（W0）：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（W0），数值上相当于最大的持水度。,5、透水性（渗透系数）岩石的透水性：指岩石允许水透过的能力。表征指标：表征岩石透水性的定量指标渗透系数。,实例分析以松散岩石为例，分析一个理想孔隙通道中水的运动情况。,图2-9表示圆管状孔隙通道的纵断面，孔隙的边缘上分布着在寻常条件下不运动的结合水，其余部分是重力水。由于附着于隙壁的结合水层对于重力水，以及重力水质点之间存在着摩擦阻力，最近边缘的重力水流速趋于零，中心部分流速最大。分析可见：孔隙直径愈小，结合水所占据的无效空间愈大，实际渗流断面就愈小；孔隙直径越小，透水性越差。,分析可见：决定透水性好坏的主要因素是孔隙大小；只有在孔隙大小达到一定程度，孔隙度才对岩石的透水性起作用，孔隙度愈大，透水性愈好。,实际的孔隙通道并不是直径均一的圆管，而是直径变化、断面形状复杂的管道系统（图a）,实际的孔隙通道不是直线的，而是曲直的（图a）。,颗粒分选性，既影响孔隙大小，还决定着孔隙通道沿程直径的变化和曲折性（图a），,CompanyLogo,二、含水层隔水层,1、基本概念饱水岩层中，根据岩层给水与透水能力而进行的划分含水层（Aquifer）：是能够透过并给出重力水的岩层各类砂土，砂岩等隔水层（Aquifuge)：不能透过与给出水或透过与给出的水量微不足道的岩层裂隙不发育的基岩、页岩、板岩、粘土（致密）弱透水层（Aquitard）：渗透性很差，给出的水量微不足道，但在较大水力梯度作用下，具有一定的透水能力的岩层各种粘土，泥质粉砂岩,CompanyLogo,2构成含水层具备条件,（1）有储水空间（2）有储存地下水的地质构造条件（3）有良好的补给水源和补给条件。,CompanyLogo,定义中的模糊概念“相当水量，微不足道，较大水力梯度”等。对于是否是含水层，还要从实际应用角度来看划分的相对的性。即：在利用与排除地下水的实际中应当考虑岩层所能给出水的数量大小是否具有实际意义。,3概念的相对性,CompanyLogo,例1：黄土利用地下水供水时,某一岩层能够给出的水量较小,对于水源丰沛、需水量很大的地区,由于远不能满足供水需求,而被视作隔水层。但在水源匮乏、需水量又小的地区,同一岩层便能在一定程度上满足,甚至充分满足实际需要;在后一地区,这种岩层便可看作含水层。,3概念的相对性,CompanyLogo,例2：如在某处一口井出水量80m3/d，作为1万人的供水，非含水层；作为饮料厂、装瓶生产则为含水层。,3概念的相对性,CompanyLogo,3.2.2概念的相对性,例3、从理论意义来看微不足道：微不足道，有时空尺度的制约。如华北平原早期地下水开采就是典型的例子，深层水与浅层水的开采有一粘土隔水层；后开采深层，水量大，水位降低快，浅层水向深层“越流”-粘土层成为“透水层”。,时间的相对性,如图：5个含水层被4个弱透水层所阻隔。当含水层3中抽水时,短期内相邻的含水层2与4的水位均未变动,图中所示a的范围构成一个有水力联系的单元。但当抽水持续时,最终影响将波及图中b所示范围,这时5个含水层与4个弱透水层构成一个发生统一水力联系的单元。,总结：,人们把隔水层看作是绝对不透水与不释水的。本世纪40年代雅可布提出越流概念后,人们才开始认识到,在原先划入隔水层中的,有一类是弱透水层。弱透水层：指那些渗透性极差的岩层，一般情况下所能提供的水量微小，似乎可以看作隔水层；但在发生越流时,由于水流的水力梯度和发生渗透的过水断面很大，故相邻含水层通过弱透水层交换的水量相当大，则不能再把它看作隔水层了。如：松散沉积物中的粘性土,坚硬基岩中裂隙稀少而狭小的岩层都可认为是弱透水层。,CompanyLogo,地下水分类：主要依据含水介质的类型（赋存空间）埋藏条件（赋存部位）表3-1含水介质三类，埋藏三分，组合共分为9类,三、地下水的类型,CompanyLogo,1包气带与饱水带,一、包气带与饱水带的划分地下水面（水位）：地下一定深度岩石中的空隙被重力水所充满，形成一个自由水面，以海拔高度表示称之地下水位（一般通过打井，地下开挖来确定）,CompanyLogo,包气带与饱水带,地下水位,地下水面以上称为包气带；地下水面以下称为饱水带,CompanyLogo,1.1包气带,包气带（zoneofaerationorzoneofunsaturation）特点：岩石空隙未被水充满是固、液、气三相介质并存介质水的存在形式（多样）结合水、毛细水（各种）、重力水、气态水包气带水的垂直分带土壤水带，中间带（过渡带）支持毛细水带，毛细饱和水带包气带是饱水带中地下水参与水文循环的一个重要通道；“重力水”通过包气带获得降水、地表水的入渗补给（补充），部分水又通过包气带将水分传输，蒸发，消耗出去。,CompanyLogo,饱水带（saturationzone）岩石空隙被水完全充满是二相介质（固相+液相水）空隙中水的存在形式：重力水结合水重力水：连续分布（孔隙是连通）传递压力在水头差作用下，地下水（空隙中的水）可以连续运动。地下开挖，坑道，巷道，基坑，打井在此带均有重力水涌出来！,1.2饱水带,CompanyLogo,2上层滞水,当包气带存在局部隔（弱透）水层时,局部隔(弱透）水层上会积聚具有自由水面的重力水上层滞水。,CompanyLogo,2.1上层滞水的补给、径流、排泄,上层滞水分布最接近地表,接受大气降水的补给,通过蒸发或向隔水底板(弱透水层底板)的边缘下渗排泄。雨季获得补充,积存一定水量。旱季水量逐渐耗失。当分布范围小且补给不很经常时,不能终年保持有水。,2.2上层滞水的特征,水量小,动态变化显著,只有在缺水地区才能成为小型供水水源或暂时性供水水源。包气带中的上层滞水,对其下部的潜水的补给与蒸发排泄,起到一定的滞后调节作用。上层滞水极易受污染,利用其作为饮用水源时要格外注意卫生防护。,CompanyLogo,3.1潜水与潜水含水层概念潜水：地表以下，第一个具有自由表面的稳定含水层中的水自由表面即设有隔水层限制，与大气直接相通，除大气压强外不受其它力。稳定具有一定的空间连续性（范围）以示区分上层滞水潜水含水层-赋存潜水的岩层屋建筑时的基坑排水，大堤堤角处的散浸渗漏（潜水）,3潜水与潜水含水层,CompanyLogo,3.2潜水几个基本要素,潜水面：潜水的表面为自由水面，称作潜水面；潜水含水层厚度：从潜水面到隔水底板的距离；潜水埋藏深度：潜水面到地面的距离,3.3潜水的补给、径流、排泄潜水的补给：潜水含水层上面不存在完整的隔水或弱透水顶板,与包气带直接连通,其全部分布范围都可以通过包气带接受大气降水、地表水的补给。,潜水的径流：潜水在重力作用下由水位高的地方向水位低的地方径流。,潜水的排泄：除了流入其它含水层以外,泄入大气圈与地表水圈的方式有两类:一类是径流到地形低洼处,以泉、泄流等形式向地表或地表水体排泄,即径流排泄。另一类是通过土面蒸发或植物蒸腾的形式进入大气,即蒸发排泄。,潜水与大气圈及地表水圈联系密切,影响显著。动态有明显的季节变化特点；潜水积极参与水循环,资源易于补充恢复,但受气候影响,且含水层厚度一般比较有限,其资源通常缺乏多年调节性。潜水的水质主要取决于气候、地形及岩性条件。潜水容易受到污染。,综上所述,潜水的基本特点是与大气圈、地表水圈联系密切,积极参与水循环;决定这一特点的根本原因是其埋藏特征位置浅且上面没有连续的隔水层。,3.4潜水的特征,3.5潜水面的形状：自由表面；因其埋藏条件的差异，潜水面的形状呈倾斜的、水平的、抛物线型的，或各种形状的组合；潜水面的区域轮廓与地形的变化基本一致而较缓和。,绘制潜水等水位线图获取信息-资料的手段调查、勘探，分析,3.6潜水研究基本方法,CompanyLogo,某地潜水等水位线图（平面）,河,河,流,流,CompanyLogo,通过潜水等水位线图可以解决以下问题,确定潜水流向；垂直于等水位线由高低求潜水水