第3章岩石中空隙与水分

1、第3章岩石中空隙与水分 水文地质学基础水文地质学基础 Fundamentals of Hydrogeoloy 第第3 3章章 岩土中的空隙和水岩土中的空隙和水 Interstices and water in Rocks 第3章岩石中空隙与水分 本本 章章 内内 容容 3.1 岩土中的空隙岩土中的空隙 3.2 岩土中的水岩土中的水 3.3 与水有关的岩土性质与水有关的岩土性质 3.4 有效应力原理与岩土变形破坏有效应力原理与岩土变形破坏 第3章岩石中空隙与水分 3.1 岩土中的空隙岩土中的空隙 1. 岩土空隙在地球上的分布：地壳表层十余公里，尤岩土空隙在地球上的分布：地壳表层十余公里，尤 其近

2、一、两公里以内。其近一、两公里以内。 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。运移通道。 3. 岩土空隙的描述：形状、大小、多少、分布规律和岩土空隙的描述：形状、大小、多少、分布规律和 连通性。连通性。 4. 岩土空隙的水文地质分类：松散岩石中的孔隙、坚岩土空隙的水文地质分类：松散岩石中的孔隙、坚 硬岩石中的裂隙、可溶岩石中的溶穴。硬岩石中的裂隙、可溶岩石中的溶穴。 第3章岩石中空隙与水分 岩土中的各种空隙岩土中的各种空隙 分选良好，分选良好， 排列疏松的砂排列疏松的砂 分选良好，分选良好， 排列紧密的砂排列紧密的砂 具有结构孔

3、隙的 粘土粘土 经过压缩的压缩的粘土 具有裂隙裂隙的岩石 具有溶隙溶隙及溶穴的 可溶岩 第3章岩石中空隙与水分 一、孔隙一、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。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。分地层。如河边砂砾中存在的孔隙。 3. 特征：特征： 描述量描述量形状形状分布

4、规律分布规律连通性连通性 n不具有方向性不具有方向性小而均匀小而均匀均匀均匀好好 第3章岩石中空隙与水分 u 多少：多少： 度量指标：孔隙度（度量指标：孔隙度（n n） （1 1）概念：某一体积岩土（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的）概念：某一体积岩土（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的 比例。比例。 （2 2）研究意义（作用）：影响岩石储容地下水的能力的大小。）研究意义（作用）：影响岩石储容地下水的能力的大小。 （3 3）测定方法：）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；砂、砾等松散岩土一般用注水方法，粘土遇水膨胀不能； 容重容重- -比重法：细砂，先测岩土的容重比重法：细

5、砂，先测岩土的容重r r、比重、比重 %100 V V n n %100)1 ( r n 第3章岩石中空隙与水分 （4）孔隙度的影响因素）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：颗粒排列方式：等粒状：最疏松排列：立方体：n=47.64%; n=47.64%; 最紧密排列：四面体：最紧密排列：四面体：n=25.95%n=25.95%。（未涉及粒径大小，粒。（未涉及粒径大小，粒 径大小不同，但等粒状、排列方式相同时，孔隙度是相同径大小不同，但等粒状、排列方式相同时，孔隙度是相同 的）的） 颗粒分选程度：颗粒分选程度：分选性越好，孔隙度越大；分选程度不好，大颗分选性越好，孔隙度越

6、大；分选程度不好，大颗 粒孔隙被小颗粒充填，降低孔隙。粒孔隙被小颗粒充填，降低孔隙。 颗粒形状：越不规则，越疏松，孔隙度就越大。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。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。对于粘性土，还与结构孔隙、次生孔隙有关。 第3章岩石中空隙与水分 粘性土的孔隙与孔隙度粘性土的孔隙与孔隙度 （1）粘土颗粒）粘土颗粒 粘性土：土体颗粒直径粘性土：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

7、力强 粘粒在悬浮推移互相接触时，就会连结起来形成粘粒在悬浮推移互相接触时，就会连结起来形成“粘粒团粘粒团” 细小粘粒团构成颗粒集合体，可形成比颗粒自身还大的结构孔隙细小粘粒团构成颗粒集合体，可形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。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）粘土孔隙 粘性土：蜂窝、絮状结构，如同海绵粘性土：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。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。次生孔隙：虫孔、根系孔、干裂缝等。 第3章岩石中空隙与水分 松散

8、岩石孔隙度参考数值（据弗里泽等，松散岩石孔隙度参考数值（据弗里泽等，1987） 岩石名称岩石名称砾石砾石砂砂粉砂粉砂粘土粘土 孔隙度变化孔隙度变化 区间区间 25%-40%25%-50%35%-50%40%-70% 注：注： （）与粒径的关系不是粒径愈大则孔隙度愈大（）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（）孔隙度超过最疏松排列的47.64，达到，达到70 第3章岩石中空隙与水分 u 大小：大小： （1 1）研究意义（作用）：孔腹和孔喉，影响地下水的运动，）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。尤其是孔喉直径大

9、小对地下水流动起关键性作用。 （2 2）影响因素：）影响因素： 颗粒大小：尤其是细小颗粒的大小，颗粒越大形成颗粒大小：尤其是细小颗粒的大小，颗粒越大形成 的孔隙越大。的孔隙越大。 颗粒排列方式：理想等粒圆球状颗粒，颗粒直径为颗粒排列方式：理想等粒圆球状颗粒，颗粒直径为D D， 孔喉直径为孔喉直径为d d， 作立方体排列时，作立方体排列时，d=0.414Dd=0.414D；作四面体；作四面体 排列时，排列时，d=0.155Dd=0.155D。 对于粘性土：还与结构孔隙、次生孔隙有关。对于粘性土：还与结构孔隙、次生孔隙有关。 第3章岩石中空隙与水分 孔喉（直径为孔喉（直径为d）与孔腹（直径为）与孔

10、腹（直径为D） 通过孔隙通道中心切面图通过孔隙通道中心切面图 假定颗粒为等粒球体（直径为假定颗粒为等粒球体（直径为D）作立方体排列）作立方体排列 第3章岩石中空隙与水分 孔隙与粒径关系孔隙与粒径关系 砾石（模型）砾石（模型）砂土样品砂土样品 砂砾混合样品砂砾混合样品 第3章岩石中空隙与水分 立方体排列立方体排列四面体排列四面体排列 颗粒排列形式颗粒排列形式 第3章岩石中空隙与水分 自然界岩土空隙的复杂性自然界岩土空隙的复杂性 n 发育状况复杂：发育状况复杂： 粘性土层既有孔隙也有裂隙，按水井讲，粘土粘性土层既有孔隙也有裂隙，按水井讲，粘土隔水层，隔水层， 若粘土中有存在干缩裂隙可以为含水层，如

11、河南驻马店粘土若粘土中有存在干缩裂隙可以为含水层，如河南驻马店粘土 层，可以为含水层（取的是裂隙中的水）。层，可以为含水层（取的是裂隙中的水）。 坚硬岩石既有孔隙又有裂隙。坚硬岩石既有孔隙又有裂隙。 可溶岩保留原来的裂隙，甚至有孔隙存在。可溶岩保留原来的裂隙，甚至有孔隙存在。 n 岩石中的空隙必须以一定方式连接起来构成空隙网络才能岩石中的空隙必须以一定方式连接起来构成空隙网络才能 成为地下水有效的储容空间和运移通道。成为地下水有效的储容空间和运移通道。 第3章岩石中空隙与水分 第第2 2节节 岩土中水的存在形式岩土中水的存在形式 地壳岩土中的水地壳岩土中的水 岩土岩土“骨架骨架”中的中的 水水

12、 （矿物结合水）（矿物结合水） 沸石水：方沸石沸石水：方沸石(Na2Al2Si4O12nH2O) 结晶水：石膏结晶水：石膏(CaSO4 2H2O) 结构水：高岭石结构水：高岭石(Al4Si4O10(OH)8) 岩土空隙中的水岩土空隙中的水 结合水结合水 （矿物表面结合水）（矿物表面结合水） 强结合水强结合水 弱结合水弱结合水 液态水液态水 重力水重力水 毛细水毛细水 固态水固态水 气态水气态水 水文地质学水文地质学 的重点研究的重点研究 对象对象 第3章岩石中空隙与水分 一、结合水一、结合水 1、概念：、概念：分布在颗粒表面受静电引力大于重力，而不能分布在颗粒表面受静电引力大于重力，而不能 在

13、自身重力作用下发生运动的那部分水。在自身重力作用下发生运动的那部分水。 2、成因：、成因： 带电荷的颗粒表面，带电荷的颗粒表面，一般带负电，主要存在于细小空隙、裂隙一般带负电，主要存在于细小空隙、裂隙； 极性分子水，水分子是偶极体，被吸入；极性分子水，水分子是偶极体，被吸入； 岩石颗粒周围水分子受到库仑力（静电引力）的作用。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。静电引力受到距离的影响，结合水的自由不同。 第3章岩石中空隙与水分 3、类型及特征：按牢固程度划分：、类型及特征：按牢固程度划分： 强结合水：强结合水： F 密度大于密度大于1，平均

14、，平均2g/cm3左右左右 F 冰点：冰点： -78 F 类似固体，不能流动。在温度类似固体，不能流动。在温度105上才能以气态的形式脱离颗粒表面上才能以气态的形式脱离颗粒表面 F 溶解盐类能力弱、不能为植物吸收溶解盐类能力弱、不能为植物吸收 F 有较大的粘滞性、弹性和抗剪强度有较大的粘滞性、弹性和抗剪强度 。 弱结合水：弱结合水： F 排列规则，密度大于排列规则，密度大于1，为，为1.31.774g/cm3 F 在外力作用下可产生运动，但速度十分缓慢在外力作用下可产生运动，但速度十分缓慢 F 溶解盐类能力较弱溶解盐类能力较弱 F 冰点为冰点为-15 有一定的粘滞性和抗剪强度有一定的粘滞性和抗

15、剪强度 F 弱结合水的外层能被植物吸收利用弱结合水的外层能被植物吸收利用 。 第3章岩石中空隙与水分 二、重力水二、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。下发生运动的水。 岩土空隙中的重力水能够自由流动，井、泉取用的地下水岩土空隙中的重力水能够自由流动，井、泉取用的地下水 都属于重力水，为水文地质学的研究重点。都属于重力水，为水文地质学的研究重点。 第3章岩石中空隙与水分 三、毛细水三、毛细水 毛细现象：在液体表面张力作用下，毛细管中水位毛细现象：在液体表面张力作用下，毛细管中水位 上升一定高上升一定高 度

16、的现象。度的现象。 毛细空隙是岩土中的细小空隙，一般指直径小于毛细空隙是岩土中的细小空隙，一般指直径小于 1mm的孔隙或宽度小于的孔隙或宽度小于0.25mm的裂隙。的裂隙。 毛细上升高度与毛管直径成反比。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，松散岩石中细小的孔隙通道构成毛细管，在地下在地下 水面以上的包气带中广泛存在毛细水。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，则毛细结论：松散岩层的颗粒越粗，孔隙越大，则毛细 上升高度越小。上升高度越小。 第3章岩石中空隙与水分 毛细水类型：毛细水类型： 1. 支持毛细水：下面有水面支持毛细水：下

17、面有水面 的支持。图中井的左侧表示高水的支持。图中井的左侧表示高水 位时砂层中的支持毛细水。位时砂层中的支持毛细水。 2. 悬挂毛细水：下部没有水悬挂毛细水：下部没有水 面支持。井的右侧表示水位降低面支持。井的右侧表示水位降低 后砂层中的悬挂毛细水。后砂层中的悬挂毛细水。 砾石层中孔隙直径已超过毛砾石层中孔隙直径已超过毛 细管，故不存在支持毛细水。细管，故不存在支持毛细水。 3. 孔角毛细水：包气带中颗孔角毛细水：包气带中颗 粒接触点上的毛细水。由于粗细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交替的地质条件和水位的变化而 形成将水滞留在孔角上。形成将水滞留在孔角上。 水水 井

18、井 砾石层砾石层 第3章岩石中空隙与水分 四、气态水、固态水及矿物中的水四、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。或在水气压力差的作用下流动。 岩石的温度低于岩石的温度低于00时，液态水转为固态水。我国大部时，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。程的破坏性比较强，融化时固态转为液态，体积变化。 矿物晶格内部及晶体间的水，就是沸石水、结晶

19、水及结矿物晶格内部及晶体间的水，就是沸石水、结晶水及结 构水。方沸石（构水。方沸石（NaNa2 2A1A12 2SiSi4 4O O12 12nH nH2 2O)O)中沸石水，在加热时可以中沸石水，在加热时可以 从矿物中分离出去。从矿物中分离出去。 第3章岩石中空隙与水分 第第3节节 与水有关的岩土性质与水有关的岩土性质 u 容水性容水性：岩石能容纳一定数量水的性质。用容水度表示。：岩石能容纳一定数量水的性质。用容水度表示。 u 给水性给水性：饱水岩石在重力作用下能自由排出一定数量水的：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。性质。用给水度表示。 u 持水性持水性：岩石

20、在重力释水后能在空隙中保持一定数量水的：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。性质。用持水度表示。 u透水性透水性：岩石允许让水通过的性质。用渗透系数或单位吸水：岩石允许让水通过的性质。用渗透系数或单位吸水 量表示。量表示。 第3章岩石中空隙与水分 容水度（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。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。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。容水度与孔隙度（裂隙率、岩溶率）相等。 %100)( V V M m c 第3章岩石中空隙与水分 含水量含水量

21、 是松散岩土空隙中所包含的水与岩土的比值。是松散岩土空隙中所包含的水与岩土的比值。 含水量可采用重量比和体积比表示。含水量可采用重量比和体积比表示。 重量含水量：岩土空隙含水重量与干燥岩土重量的比值重量含水量：岩土空隙含水重量与干燥岩土重量的比值 体积含水量：岩土空隙含水体积与包含空隙在内的岩土体体积含水量：岩土空隙含水体积与包含空隙在内的岩土体 积的比值。积的比值。 gv WW 第3章岩石中空隙与水分 岩石名称岩石名称粘粘 土土 亚亚 砂砂 粉粉 砂砂 细砂细砂中砂中砂粗砂粗砂砾砂砾砂细砾细砾中砾中砾粗砾粗砾 平均给水平均给水 度度% 27821262725252322 常见的松散岩土的平均

22、给水度常见的松散岩土的平均给水度 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。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。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。积岩石柱体中所能释放出的水体积。 %100)( V V u u 第3章岩石中空隙与水分 影响给水度影响给水度u大小的因素：大小的因素： 岩性影响。有三个方面：岩性影响。有三个方面： 组成岩石的矿物成分

23、（决定空隙的大小、多少）组成岩石的矿物成分（决定空隙的大小、多少） 颗粒大小、级配及分选程度颗粒大小、级配及分选程度 空隙情况空隙情况 初始地下水埋藏深度初始地下水埋藏深度 地下水位下降速率地下水位下降速率 第3章岩石中空隙与水分 给水度、持水度与容水度的关系给水度、持水度与容水度的关系 在数值上：在数值上： cr MSu 持水度（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。体积与单位疏干体积的比值。 %100)( V V S s r 松散岩土持水度数值松散岩土持水度数值 岩石名称岩石名称粗砂粗砂中砂中

24、砂细砂细砂极细砂极细砂亚粘土亚粘土粘土粘土 颗粒大小颗粒大小mm2-0.50.5-0.250.25-0.10.1-0.050.05-0.0020.002 最大分子水容度最大分子水容度1.571.62.734.7510.844.85 第3章岩石中空隙与水分 透水性：透水性： 渗透系数（渗透系数（K）：称水力传导系数（）：称水力传导系数（hydraulic conductivity)。 在各向同性介质中，单位水力梯度下的在各向同性介质中，单位水力梯度下的渗透流速渗透流速（m/d） ，表，表 示流体通过孔隙骨架的难易程度。示流体通过孔隙骨架的难易程度。 影响渗透性大小的因素的微观分析影响渗透性大小的因素的微观分析: 以松散岩土为例，讨论理想孔隙通道中流体渗流机制。以松散岩土为例，讨论理想孔隙通道中流体渗流机制。 第3章岩石中空隙与水分 岩性岩性渗透系数渗透系数m/d岩性岩性渗透系数渗透系数m/d 亚粘土亚粘土 亚砂土亚砂土 粉砂粉砂 细砂细砂 0.001-0.1 0.1-0.5 0.5-1 1-5 中砂中砂 粗砂粗砂 砾石砾石 卵石卵石 5-20 20-50 50-150 100-500 松散岩石渗透系数经验值松散岩石渗透系数经验值 渗透系数渗透系数K 可以通过经验公式、达西试验或抽可以通过经验公式、达西试验或抽 水试验等方法求出。水试验等方法求出。 第3章岩