2水文地质学岩石中的空隙与水ppt课件

1、第二章 岩石中的空隙与水贵州大学资源与环境工程学院勘察与技术工程教研室本章内容本章内容2.1 2.1 岩石中的空隙岩石中的空隙2.2 2.2 空隙中的水空隙中的水2.3 2.3 岩石的水理性质岩石的水理性质2.1 2.1 岩石中的空隙岩石中的空隙岩石岩石水文地质学中指巩固的岩石及松散的土层水文地质学中指巩固的岩石及松散的土层空隙空隙岩、土中各种类型的空洞的总称岩、土中各种类型的空洞的总称 空隙是地下水赋存场所空隙是地下水赋存场所(places)(places)和运移通道和运移通道(conduits)(conduits) 空隙分为：空隙分为： 孔隙孔隙porepore-unconsolidate

2、d soil-unconsolidated soil-第四纪地质学第四纪地质学 裂隙裂隙fissurefissure- hard rock - hard rock -构造地质学构造地质学 溶穴溶穴cavitycavity- dissoluble rock - dissoluble rock -岩溶地貌学岩溶地貌学 下面以孔隙为例，讨论描画空隙特征的有关概念，参数目下面以孔隙为例，讨论描画空隙特征的有关概念，参数目的和分析方法。的和分析方法。岩土的空隙岩土的空隙孔隙孔隙pore, voidpore, void：主要存在于松散岩石中：主要存在于松散岩石中 孔隙的描画有：孔隙的大小，多少，外形，连孔

3、隙的描画有：孔隙的大小，多少，外形，连通与分布通与分布 松散岩石宏观上可以分为两大类：砂砾石与粘松散岩石宏观上可以分为两大类：砂砾石与粘性土性土1.1.砂砾石孔隙大小及其影响要素砂砾石孔隙大小及其影响要素 试样试样aa砾石砾石( (模型模型) )，试样，试样bb砂土样品，砂土样品， 试样试样cc砂砾混合样品砂砾混合样品2.1.1 孔隙孔隙孔隙与粒径关系孔隙与粒径关系松散砂砾石孔隙大小与分选的关系松散砂砾石孔隙大小与分选的关系好、坏？好、坏？四面体陈列四面体陈列立方体陈列立方体陈列颗粒陈列方式与孔隙大小关系颗粒陈列方式与孔隙大小关系dd立方体陈列的理想等径园球颗粒立方体陈列的理想等径园球颗粒孔隙

4、大小特征的描画：孔喉孔隙大小特征的描画：孔喉(d) d=0.414D(d) d=0.414D 孔腹孔腹(d(d) d) d=0.732D=0.732D四面体陈列的理想等径园球颗粒四面体陈列的理想等径园球颗粒 孔喉孔喉(d) d=0.155D(d) d=0.155D砂砾石土孔隙大小与什么有关？砂砾石土孔隙大小与什么有关？ 颗粒大小、陈列立方体或四面体、颗粒大小、陈列立方体或四面体、分选、胶结与充填等。分选、胶结与充填等。2.2.砂砾石的孔隙度砂砾石的孔隙度porosityporosity及其影响要素及其影响要素 孔隙度定义：某一体积岩石包括颗粒骨架与空隙在内中孔隙度定义：某一体积岩石包括颗粒骨架

5、与空隙在内中孔隙体积所占的比例。孔隙体积所占的比例。 孔隙度是描画松散岩石中孔隙多少的目的孔隙度是描画松散岩石中孔隙多少的目的, ,通常用通常用n n 表示表示 问：孔隙度的大小与什么有关？问：孔隙度的大小与什么有关？与颗粒大小有关？与颗粒大小有关？ a. a. 与陈列有关与陈列有关严密与疏松严密与疏松 理想最疏松孔隙为理想最疏松孔隙为47.64%47.64%，最严密陈列孔隙为，最严密陈列孔隙为25.95%25.95%。 b. b. 与分选有关与分选有关下面试样哪个孔隙度大？哪个小？下面试样哪个孔隙度大？哪个小？ 影响孔隙度大小的主要要素是试样的分选程度。影响孔隙度大小的主要要素是试样的分选程

6、度。%100VVnn不同颗粒大小的试样不同颗粒大小的试样孔隙度？孔隙度？三种粒径虽然孔隙大小各异，但孔隙度完全一样三种粒径虽然孔隙大小各异，但孔隙度完全一样陈列不同陈列不同分选不同分选不同 自然界中松散岩石的孔隙度与上述讨论自然界中松散岩石的孔隙度与上述讨论的略有不同，的略有不同，P17P17表表2-12-1。矛盾之一：与粒径的关系不是愈大那么愈大？矛盾之一：与粒径的关系不是愈大那么愈大？矛盾之二：孔隙度超越最疏松陈列的矛盾之二：孔隙度超越最疏松陈列的47.64%47.64%到达到达70%70%3.3.粘性土的孔隙与孔隙度粘性土的孔隙与孔隙度 粘土颗粒粘土颗粒 颗粒直径颗粒直径0.005mm0

7、.005mm； 粘性土由于颗粒细小，比外表积大，连结力强；粘性土由于颗粒细小，比外表积大，连结力强； 粘粒在悬浮推移相互接触时，就会连结起来构成粘粒在悬浮推移相互接触时，就会连结起来构成“粘粒团；粘粒团； 细小细小“粘粒团构成颗粒集合体；粘粒团构成颗粒集合体； 集合体与集合体结合构成粘性土的堆积构造特征。集合体与集合体结合构成粘性土的堆积构造特征。 粘土孔隙粘土孔隙 粘性土好像海绵、峰窝或絮状构造粘性土好像海绵、峰窝或絮状构造 构造孔隙构造孔隙集合体与集合体、粘粒与粘粒之间集合体与集合体、粘粒与粘粒之间 次生孔隙次生孔隙虫孔、根系孔、裂隙裂痕等虫孔、根系孔、裂隙裂痕等粘性土的构造，不同比例电镜

8、扫描片粘性土的构造，不同比例电镜扫描片2.1.2 裂隙裂隙 固结的巩固岩石中，普通仅残存很小部分孔隙，而存在有固结的巩固岩石中，普通仅残存很小部分孔隙，而存在有各种内外力作用下产生的裂痕各种内外力作用下产生的裂痕裂隙。裂隙。 按成因分为：风化卸荷裂隙、成岩裂隙、构造裂隙按成因分为：风化卸荷裂隙、成岩裂隙、构造裂隙 裂隙：空间形状是两向延伸长，横向延伸短的裂隙：空间形状是两向延伸长，横向延伸短的“饼状空饼状空隙，单个裂隙是孤立的；隙，单个裂隙是孤立的； 裂隙岩体：从水的赋存与运移角度来看，裂隙的描画包括：裂隙岩体：从水的赋存与运移角度来看，裂隙的描画包括： a a 裂隙的连通性组数、产状、长度和

9、密度；裂隙的连通性组数、产状、长度和密度； b b 张开性裂隙宽度；张开性裂隙宽度； c c 裂隙率；裂隙率； d d 充填情况。充填情况。风化卸荷裂隙风化卸荷裂隙构造裂隙构造裂隙成岩裂隙成岩裂隙2.1.3 溶穴溶穴溶穴溶穴solution cavitysolution cavity cavern cavern是扩展了的裂隙。在孔隙或裂隙根底，水流对可溶岩进是扩展了的裂隙。在孔隙或裂隙根底，水流对可溶岩进一步作用的结果一步作用的结果 溶穴可分为：溶孔、溶隙、溶洞。溶穴可分为：溶孔、溶隙、溶洞。 岩溶岩体：要描画裂隙特征及岩溶发育特征裂隙岩溶岩体：要描画裂隙特征及岩溶发育特征裂隙+ +溶洞溶洞

10、a a 岩溶发育方向；岩溶发育方向； b b 岩溶发育程度岩溶发育程度面面/ /体岩溶率、钻孔遇洞率；体岩溶率、钻孔遇洞率； c c 溶洞方向、规模等。溶洞方向、规模等。溶洞溶洞溶孔溶孔溶隙溶隙2.1.4 孔隙特征的对比孔隙特征的对比空隙特征的比较空隙特征的比较 含水介质含水介质由各类空隙所构成的岩石称为含水介质，由各类空隙所构成的岩石称为含水介质，也称为介质场。也称为介质场。 含水介质的空间分布与连通特征孔隙含水介质、裂含水介质的空间分布与连通特征孔隙含水介质、裂隙含水介质、溶质含水介质是不同的。隙含水介质、溶质含水介质是不同的。 三种主要类型的含水介质比较：三种主要类型的含水介质比较： 连

11、通性连通性 孔隙介质最好，其它较差孔隙介质最好，其它较差 空间分布空间分布孔隙介质分布最均匀，裂隙不均匀，溶穴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，溶穴极悬殊极不均匀；孔隙大小均匀，裂隙大小悬殊，溶穴极悬殊 空隙比率空隙比率孔隙介质最大，裂隙最小孔隙介质最大，裂隙最小 浸透性浸透性孔隙介质孔隙介质- -各向同性，裂隙与溶穴各向同性，裂隙与溶穴- -各向异性各向异性 呵斥空隙介质上述差别的主要缘由：堆积物构成和空隙构呵斥空隙介质上述差别的主要缘由：堆积物构成和空隙构成的环境成的环境2.1.4 空隙特征的对比空隙特征的对比1.1.什么叫孔隙度？孔隙度大与孔隙大有

12、区别吗？什么叫孔隙度？孔隙度大与孔隙大有区别吗？2.2.巩固的花岗岩、砂岩、灰岩的空隙特征有何异同巩固的花岗岩、砂岩、灰岩的空隙特征有何异同点？点？岩石中的空隙岩石中的空隙思索题思索题本章内容本章内容2.1 2.1 岩石中的空隙岩石中的空隙2.2 2.2 空隙中的水空隙中的水2.3 2.3 岩石的水理性质岩石的水理性质2.2 2.2 空隙中的水空隙中的水空隙中水的三种存在形状：空隙中水的三种存在形状： 气态气态 液态液态 固态固态空隙中水的三种存在方式：空隙中水的三种存在方式： 结合水结合水absorbed water, bound waterabsorbed water, bound wat

13、er 重力水重力水gravitational water;bulk watergravitational water;bulk water 毛细水毛细水capillary watercapillary water结合水结合水absorbed water, bound waterabsorbed water, bound water 定义：附着于固体外表，在本身重力下不能运动的水定义：附着于固体外表，在本身重力下不能运动的水结合水具有一定的抗剪强度结合水具有一定的抗剪强度 抗剪强度的产生及大小与什么有关抗剪强度的产生及大小与什么有关 性质：结合水具有固态和液态水的双重性质；即本身重性质：结合水具

14、有固态和液态水的双重性质；即本身重力作用下不能运动，在外力作用下可以挪动运动及变形。力作用下不能运动，在外力作用下可以挪动运动及变形。 意义：只需有固相外表就存在结合水，存在范围广，其意义：只需有固相外表就存在结合水，存在范围广，其量很小结合水膜很薄，当孔隙直径小于量很小结合水膜很薄，当孔隙直径小于2 2倍结合水膜厚度倍结合水膜厚度时，孔隙中只含有不能自在运动的结合水又称无效空间。时，孔隙中只含有不能自在运动的结合水又称无效空间。2.2.1 结合水结合水结合水与重力水重力水结合水与重力水结合水与重力水图中随圆形小粒代表水分子，结合图中随圆形小粒代表水分子，结合水部分的水分子带正电荷一端朝向水部

15、分的水分子带正电荷一端朝向颗粒颗粒图中箭头代表水分图中箭头代表水分子所受合力方向子所受合力方向2.2.2 重力水重力水重力水重力水gravitational water; bulk watergravitational water; bulk water 远离固相外表，水分子受固相外表吸引力的影响极其微远离固相外表，水分子受固相外表吸引力的影响极其微弱，主要受重力影响。本身重力影响下可以自在运动。弱，主要受重力影响。本身重力影响下可以自在运动。 无重力作用下水的存在？如在太空中瓶中的水分布无重力作用下水的存在？如在太空中瓶中的水分布受受外表吸引的作用液态水的特征外表吸引的作用液态水的特征 地层

16、内岩石空隙中假设存在一定的重力水，就可以经过地层内岩石空隙中假设存在一定的重力水，就可以经过泉，或井流出抽出。泉，或井流出抽出。 重力水是水文地质学研讨的主要对象，也是勘察的主要重力水是水文地质学研讨的主要对象，也是勘察的主要对象。对象。重力水重力水2.2.3 毛细水毛细水毛细水毛细水capillary watercapillary water 1. 1.根本概念根本概念 毛细景象：毛细景象： 毛细景象的本质毛细景象的本质 固、液、气三相接触时，液体外表将遭到外表张力的固、液、气三相接触时，液体外表将遭到外表张力的作用分子间相互吸引力。作用分子间相互吸引力。 外表张力：想象在液面上划一根长度为

17、外表张力：想象在液面上划一根长度为L L的线段，此线段的线段，此线段两边的液面，以一定的力相互吸引，力的作用方向平行于液面两边的液面，以一定的力相互吸引，力的作用方向平行于液面而与此线段垂直，大小与线段长度成正比，即为外表张力，力而与此线段垂直，大小与线段长度成正比，即为外表张力，力的大小表示为：的大小表示为：fL L式中：式中：外表张力系数，单位为外表张力系数，单位为dyn(dyn(达达因因/cm/cm1dyn=11dyn=110-5N)10-5N) 毛细景象的产生与外表张力有关毛细景象的产生与外表张力有关Lf f附加外表压强附加外表压强 Pc Pc 定义：外表张力的作用，使液面呈弯曲状，弯

18、曲定义：外表张力的作用，使液面呈弯曲状，弯曲的液面将对液面以内的液体产生附加外表压强。附加外表压强的作的液面将对液面以内的液体产生附加外表压强。附加外表压强的作用方向总是指向液体外表的曲率中心方向：凹进的弯液面，对液体用方向总是指向液体外表的曲率中心方向：凹进的弯液面，对液体附加一个负附加一个负的外表压强的外表压强( (图图a)a)；凸起的弯液凸起的弯液面，对液体面，对液体附加一个正附加一个正的外表压强的外表压强图图b b。P=Po+PcP=Po+PcP=Po-PcP=Po-PcPoPoPoPoPoPoP=PoP=PoP=PoP=PoPoPo图图a a图图b bPcPcPcPc 当液面是凸形当

19、液面是凸形时，附加外表压强时，附加外表压强是正的，此时实践是正的，此时实践外表压强？外表压强？ 当液面为凹形时，当液面为凹形时，附加外表压强是负附加外表压强是负的，此时实践外表的，此时实践外表压强？压强？ 平的液面实践外平的液面实践外表压强表压强 ？附加外表压强附加外表压强 Pc Pc 的大小：的大小： 1 1任不测形的弯液面：所产生的附加外表压强任不测形的弯液面：所产生的附加外表压强Pc Pc 都可以都可以用拉普拉斯公式用拉普拉斯公式表示：表示：)11(21RRpc式中：式中：外表张力系数外表张力系数 R1、R2液体外表的两个液体外表的两个主要曲率半径主要曲率半径P=Po+PP=Po+Pc

20、cP=Po-P=Po-PcPcPoPoPoPoPoPoP=PoP=PoP=PoP=PoPoPo图图a a图图b bPcPcPcPc2 2半圆球形液面半圆球形液面 想象切取一个半径为想象切取一个半径为R R的半圆球形液面如图示。在此液的半圆球形液面如图示。在此液面的圆周状边线上都存在着指向液层内部的外表张力；外表张力合面的圆周状边线上都存在着指向液层内部的外表张力；外表张力合力力f f为为2R2R，作用于垂直于面积，作用于垂直于面积为为R2R2的投影圆面。外表张力所引的投影圆面。外表张力所引起的附加外表压强起的附加外表压强Pc Pc 为：为：R R2 2p pc c22RRf)11(21RRpc

21、 对任何外形的弯液面对任何外形的弯液面附加外表压强附加外表压强Pc Pc 计算式：计算式：当当 时时21RR R R2 2p pc c 半圆球形是恣意液面的特殊方式，都可用拉普拉斯公式描画。半圆球形是恣意液面的特殊方式，都可用拉普拉斯公式描画。拉普拉斯公式的函义是拉普拉斯公式的函义是: :弯曲的液面将产生一个指向液面凹侧的附弯曲的液面将产生一个指向液面凹侧的附加外表压强，附加外表压强与外表张力系数成正比，与外表的曲率加外表压强，附加外表压强与外表张力系数成正比，与外表的曲率半径成反比。半径成反比。毛细力：毛细力： 毛细力的产生：是在三相界面上内弯液面引起毛细力的产生：是在三相界面上内弯液面引起

22、液面弯曲产生的。液面弯曲产生的。 毛细力的方向：作用方向一直指向弯曲液面的凹毛细力的方向：作用方向一直指向弯曲液面的凹侧。侧。 凹凸弯液面是指相对于液相一侧而言的凹凸弯液面是指相对于液相一侧而言的 凹形弯液面凹形弯液面负的毛细压强负的毛细压强negativenegative-好好像真空吸力；像真空吸力； 凸形弯液面凸形弯液面正的毛细压强正的毛细压强positivepositive。 毛细力的大小：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小与弯液面的曲率成正比曲率大, ,毛毛细力大细力大; ;曲率小，毛细力小。曲率小，毛细力小。 一根毛细管子，管径越小，毛细力越大；反之亦然一

23、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毛细力大，毛细上升高度也越大2.2.毛细水的存在方式毛细水的存在方式states formsstates forms 在岩石空隙中，毛细水的存在方式可分为三种：在岩石空隙中，毛细水的存在方式可分为三种： (1) (1) 支持毛细水支持毛细水supporting capillary water supporting capillary water 在地下水面支持下存在的附着水面上的，随地下水在地下水面支持下存在的附着水面上的，随地下水升降而升降。上升高度与水面上部的岩石孔隙性质有关。升降而升降。上升高度与水面上部的岩石孔隙性

24、质有关。 (2) (2) 悬挂毛细水悬挂毛细水suspension capillary water suspension capillary water 脱离水面，岩石细小孔隙中保管的水分。脱离水面，岩石细小孔隙中保管的水分。 (3) (3) 孔角毛细水触点毛细水孔角毛细水触点毛细水corner water, corner water, contiguity water?contiguity water? 孔角毛细水与悬挂毛细水是不同孔角毛细水与悬挂毛细水是不同？悬挂毛细水似串珠状且延续分布的，孔角毛细水是孤立的悬挂毛细水似串珠状且延续分布的，孔角毛细水是孤立的支持毛支持毛细细水水悬悬挂毛挂毛

25、细细水水孔角毛孔角毛细细水水毛细水的存在方式毛细水的存在方式思索：思索：1.1.上细下粗土层，滴水，水停留在何处？上细下粗土层，滴水，水停留在何处？2.2.黄土层中挖平洞，下大雨后，洞内能黄土层中挖平洞，下大雨后，洞内能否接到水？否接到水？小结：小结： 岩石空隙中的水岩石空隙中的水有三种存在方式有三种存在方式 三种方式的水有差别三种方式的水有差别与受力形状有关与受力形状有关 本人总结、比较本人总结、比较加深了解加深了解本章内容本章内容2.1 2.1 岩石中的空隙岩石中的空隙2.2 2.2 空隙中的水空隙中的水2.3 2.3 岩石的水理性质岩石的水理性质2.3 2.3 岩石的水理性质岩石的水理性

26、质 岩石包括骨架与空隙在内的总称岩石包括骨架与空隙在内的总称 水理性质：水文地质学主要指与水分储容、释出及运移水理性质：水文地质学主要指与水分储容、释出及运移有关的性质。主要包括：容水度、含水量、持水度、给水度、有关的性质。主要包括：容水度、含水量、持水度、给水度、透水性五个方面。透水性五个方面。 2.3.1 2.3.1 容水度容水度_ nr _ nr 岩石完全饱水时，所能包容的最大水体积与岩石总体积岩石完全饱水时，所能包容的最大水体积与岩石总体积之比。之比。 容水度与孔隙度相等？容水度与孔隙度相等？ 反映岩石最大含水才干反映岩石最大含水才干2.3.2 2.3.2 含水量含水量water co

27、ntentwater content_W_W 岩石中水的体积与岩石体积包括空隙之比。岩石中水的体积与岩石体积包括空隙之比。 反映岩石样实践保管水分的情况，是某岩样某时反映岩石样实践保管水分的情况，是某岩样某时的含水形状，又称岩石的天然含水量的含水形状，又称岩石的天然含水量W0 W0 。 饱和含水量饱和含水量Ws Ws 、饱和差、饱和度、饱和差、饱和度2.3.3 2.3.3 持水度持水度specific retentionspecific retention_Sr_Sr 岩石的持水体积地下水位下降一个单位深度，单岩石的持水体积地下水位下降一个单位深度，单位程度面积岩石柱体中坚持于空隙中的水量与岩

28、石总位程度面积岩石柱体中坚持于空隙中的水量与岩石总体积之比。体积之比。 反映岩石的持水才干反映岩石的持水才干最大坚持水分的才干。最大坚持水分的才干。2.3.4 2.3.4 给水度给水度specific yieldspecific yield _ _ (water drained from soil under gravity flow)(water drained from soil under gravity flow) 1. 1.定义：当地下水位下降一个单位高度时，单位程度面积岩定义：当地下水位下降一个单位高度时，单位程度面积岩石柱体，在重力作用下释放出来的水体积，称为给水度。石柱体，在重

29、力作用下释放出来的水体积，称为给水度。 当水位下降一个单位，土层孔隙中能否一切的水都流出当水位下降一个单位，土层孔隙中能否一切的水都流出来？来？ 在土层中会保管什么方式的水？在土层中会保管什么方式的水？ 结合水结合水( (膜膜) )，孔角毛细水，有时悬挂毛细水与支持毛细水，孔角毛细水，有时悬挂毛细水与支持毛细水NoImage2.2.影响给水度影响给水度值的要素值的要素 砾石、粗砂、细砂、砂砾混合样相比较，哪种样给水砾石、粗砂、细砂、砂砾混合样相比较，哪种样给水度大？度大？ 1 1岩性岩性 空隙大的样品，给水度大，空隙大的样品，给水度大，nn 砾粗砂砾粗砂 粉砂粉砂 与粒径有关与粒径有关 颗粒细小者，比外表积大，结合水与孔角毛细水残留多。颗粒细小者，比外表积大，结合水与孔角毛细水残留多。 除岩性外，同一岩层中其它缘由也可呵斥除岩性外，同一岩层中其它