水文地质学基础第二章课件

水文地质学基础FundamentalsofHydrogeology第二章岩石中的空隙与水分2.1岩石中的空隙2.2岩石中水的存在形式2.3与水的储容及运移有关的岩石性质2.4有效应力原理与松散岩土压密

地下水是赋存于地面以下岩石空隙中的水。地壳表层就象是一个饱含水的海绵！地下水的赋存空间是空隙！这是水文地质学基础地质。

自然界的岩石没有无空隙的，也就是说再致密的岩石也存在空隙。

岩石—水文地质学中指坚硬的岩石及松散的土层。

岩石中的空隙

—岩石中大小不等、形状各异的空间。

空隙—是地下水赋存场所和运移通道。

岩石的空隙性—岩石空隙的大小、多少、形状、连通情况和分布规律。

岩石中的空隙按成因分为三大类：

a.松散岩石中的孔隙(pore)；b.坚硬岩石中的裂隙(fissure)；c.可溶岩石中的溶穴（溶洞）(vugularporespace)。2.1岩石中的空隙

一、孔隙

松散岩石是由大小不等的颗粒组成，在颗粒之间充满空隙，这些空隙相互连通并呈孔状，就称“孔隙”。松散岩石的空隙性主要表现为孔隙的多少和大小。

孔隙

—松散岩石中颗粒或颗粒集合体之间的空隙。

孔隙度（n）——孔隙体积（Vn）在包括孔隙在内的某一岩石体积（V）中所占的比例。孔隙度是反映孔隙多少的一个参数。

其中：——岩石的孔隙体积，V——包括孔隙在内的整个岩石总体积。

孔隙度的大小主要取决于颗粒排列情况及分选程度，另外颗粒形状及胶结充填情况也影响孔隙度。

①颗粒的排列—以理想等粒圆球状颗粒为例，理论上几何计算立方体排列最疏松，孔隙度为47.64%，四面体排列为最紧密，孔隙度为25.95%。

注意：三种颗粒直径不同的等粒岩石，排列方式相同时，孔隙度完全相同。

②颗粒的分选—在颗粒大小不等时，分选差则孔隙度小，分选好则孔隙度大。

③颗粒的形状及胶结—磨圆愈好，孔隙度愈小，胶结可以降低孔隙度。

④考虑粘性土的结构孔隙及次生孔隙。

松散岩石储容水分的能力，与孔隙度关系很大，而地下水的运动条件则首先取决于孔隙的大小，影响孔隙大小的主要因素是颗粒大小，颗粒排列方式，对于粘性土，结构孔隙及次生孔隙的影响不可忽视。

孔隙大小特征的描述：

孔喉：孔隙通道最细小的部分。

孔腹：孔隙通道最宽大的部分。

①颗粒的大小—颗粒大则孔隙大，反之则孔隙小。注意：对于分选不好，颗粒大小悬殊的松散岩石来说，孔隙大小并不取决于颗粒的平均直径，而是取决于细小颗粒的直径。

②颗粒的排列方式—以理想等粒圆球状颗粒为例，颗粒直径为D，孔喉直径为d，立方体排列时，d=0.424D，作四面体排列时，d=0.155D。

③考虑粘性土的结构孔隙及次生孔隙。

孔隙通道最细小的部分称作孔喉，最宽大的部分称作孔腹，孔喉对水流的影响更大。二、裂隙(fissure)

裂隙—坚硬岩石中由破裂变形而产生的裂缝式空隙。松散沉积物的空隙主要是孔隙，而固结坚硬岩石除沉积岩含有一定原生孔隙外，火成岩和变质岩的空隙主要表现为裂隙。裂隙按成因可分为三种：成岩裂隙、构造裂隙和风化裂隙。

a.

成岩裂隙

—岩石在形成过程中产生的裂隙。

b.

构造裂隙

—岩石在构造运动中受力破坏所产生的裂隙。

c.

风化裂隙

—岩石在风化作用下破坏而产生的裂隙。风化裂隙

赋存于岩体的风化带中。风化作用与卸荷作用决定了岩体的风化裂隙带在近地表处呈壳状分布，通常厚数米至数十米。风化裂隙通常分布比较均匀，连通性好，从地表至地下逐渐闭合。成岩裂隙

赋存于各类成岩裂隙中。成岩裂隙是沉积岩固结脱水及岩浆岩冷凝收缩形成的裂隙。一般情况下，成岩裂隙多为闭合，但陆地喷溢的玄武岩裂隙发育且张开，可构成良好含水层。岩脉及侵入岩体与围岩的接触带，冷凝后可形成张开的呈带状分布的裂隙。熔岩流冷凝过程中末冷凝的熔岩流走，在岩体中留下的巨大熔岩孔道，易形成管状裂隙。构造裂隙

构造裂隙是固结岩石在构造应力作用下形成的最为常见的裂隙。构造裂隙分布不均匀，连通性不好，小到节理大到断层，大小悬殊，具有方向性。

三、溶穴(vugularporespace)

在孔隙、裂隙、溶穴这三种空隙中，溶穴的大小和形状变化范围最大，分布也最不均匀。一些可溶沉积岩，如：岩盐、石灰岩、白云岩、石膏等，由于地下水的溶蚀会产生各种空洞，这种空洞就称溶穴，大的叫“溶洞”。

溶穴—可溶岩在地下水作用下所产生的洞穴。岩溶率（Kk)—

溶穴的体积Vk与包括溶穴在内的岩石体积V之比。

Kk=Vk/V(小数或百分数）溶穴的规模十分悬殊，大的溶洞可宽达数十米，高数十乃至百余米，长达几至几十公里，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。空隙特征的比较

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。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，三种主要类型的含水介质比较：连通性—孔隙介质最好，其它较差；空间分布—孔隙介质分布最均匀，裂隙不均匀，溶穴极不均匀

大小—孔隙大小均匀，裂隙大小悬殊，溶穴极悬殊

空隙比率—孔隙介质最大，裂隙最小空隙渗透性—孔隙介质-各向同性，裂隙与溶穴-各向异性

造成空隙介质上述差异主要原因：沉积物形成和空隙形成的环境

按岩层的含水介质（空隙）类型分为三种类型的地下水：

孔隙水、裂隙水、岩溶水。

2.2岩石中水的存在形式

2.2岩石中水的存在形式强结合水的特点

密度大于1，平均2g/cm3左右不受重力影响不能流动。只有在温度105~110℃时才以气态的形式脱离颗粒表面而移动溶解盐类能力弱-80℃时仍不结冰有较大的粘滞性、弹性和抗剪强度不能传递静水压力无导电性

2.2岩石中水的存在形式弱结合水的特点

密度大于1，为1.3~1.774g/cm3

不受重力影响可以从簿膜厚的颗粒向簿膜小的颗粒方向移动，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在一定条件下（饱水带）可传递静水压力弱结合水的外层能被植物吸收利用

2.2岩石中水的存在形式重力水的特点

远离固相表面，水分子受固相表面吸引力的影响极其微弱，主要受重力影响。重力影响下可以自由运动。岩土空隙中的重力水能够自由流动。井泉取用的地下水，都属重力水。重力水是水文地质学研究的主要对象，也是勘察的主要对象。

2.2岩石中水的存在形式概念依靠毛细力而保持在毛细空隙中的水，称为毛细水。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。

毛细现象及实质

将一根玻璃毛细管插入水中，毛细管内的水面即会上升到一定高度，这便是发生在固、液、气三相界面上的毛细现象。其实质是毛细张力的作用。形成弯液面产生的附加压强Pc，是个负压强，称毛细负压。

2.2岩石中水的存在形式毛细水类型

支持毛细水：存在于饱水带以上并与地下水面相连的毛细空隙中的水。能传递静水压力，当温度低于0℃时冰结。悬挂毛细水：存在于包气带并与地下水面不相连的毛细空隙中的水。呈“悬挂”状态，经蒸发后消失。成因：入渗重力水；地下水面急剧下降由支持毛细水转化而成。孔角毛细水（触点毛细水）：颗粒与颗粒接触处孔隙狭窄地方呈点滴状态的水。结合紧密，不易移动。

2.2岩石中水的存在形式地下水位下降

2.2岩石中水的存在形式

2.2岩石中水的存在形式概念

储存并运动于未饱和岩石空隙中呈水汽状态的水。

水汽来源

地表水气进入地下水面蒸发

水汽运动

从水汽压大处向水汽压小的方向运动或从绝对湿度大处向绝对湿度小的方向运动从温度高处向温度低的方向运动

2.2岩石中水的存在形式固态水

指以固态形式存在于岩石空隙中的水（地下冰）。我国北方冬季常形成冻土；东北及青藏高原有一部分地下水多年保持固态—多年冻土。2.2岩石中水的存在形式结构水：以H+和OH-离子形式存在于矿物结晶格架之中，与矿物结合紧密。

结晶水：以H2O分子形式存在于矿物结晶格架之上，与矿物结合较紧密。

沸石水：以H2O分子形式存在于矿物结晶格架之间的空隙中，与矿物结合不紧密。

三者差别：1结合水的数量不同；

2结合水逸出程度不同：前两者需高温，后者在常温下即可逸出。CompanyLogo2.3与水的储容及运移有关的岩石性质

岩石（包括骨架与空隙在内的总称）水理性质：就水文地质学主要涉及的是与水分储容、滞留、释出与运移有关的性质包括：一、容水度和孔隙度（反映岩石最大含水能力）

岩石完全饱水时，所能容纳的最大水体积与岩石总体积之比。孔隙度——n;容水度——nr

？两者有何关系

二、含水量（watercontent）松散岩石实际保留水分的状况，（是某岩样某时的含水状态）又称岩石的天然含水量。表示方法：重量含水量Wg=Gw/Gs×100%

体积含水量Wv

=Vw/V×100%饱和含水量Ws饱和差饱和度

CompanyLogo三、给水度（specificyield）——(e

d)1、定义：当地下水位下降一个单位深度时，从地下水位延伸到地表面的单位水平面积岩石柱体，在重力作用下释放出来的水体积，称为给水度。

当地下水位下降一个单位，土层孔隙中是否所有的水都流出来？在土层中会保留什么形式的水？

结合水(膜)、孔角毛细水、有时悬挂毛细水与支持毛细水2.3与水的储容及运移有关的岩石性质均质土包气带水分分布给水度概念图CompanyLogo

均质土包气带水分分布2、影响给水度——μ值的因素

a)岩性：空隙的大小与多少。

颗粒粗大的松散岩石，裂隙比较宽大的坚硬岩石，以及具有溶穴的可溶岩，空隙宽大，重力释水时，滞留于岩石空隙中的结合水与孔角毛细水较少，理想条件下给水度的值接近孔隙度、裂隙率与岩溶率。若空隙细小（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，给水度往往偏小。2.3与水的储容及运移有关的岩石性质CompanyLogo2、影响给水度——μ值的因素

b)地下水位初始埋深（H0）当地下水位初始埋深大于最大毛细上升高度时H0＞＞hc,可达最大μ值；H0＜＜hc

时，地下水位下降1个高度时，原重力水大多转化为支持毛细水，土层给水量大大降低，μ变小。土层含水量曲线分析：当地下水位埋深足够大时，土层给水度不发生变化（为定值），此时给水度—也是最大理论给水度。2.3与水的储容及运移有关的岩石性质其他影响因素CompanyLogo给水度与地下水位埋深的关系CompanyLogo给水度概念图、给水度与颗粒粒径、储水性能及时间的关系CompanyLogo三、给水度——2、影响μ值的因素

c)与地下水位下降速度有关地下水位下降快慢会影响到μ的大小

——（下降快μ<μ理、下降慢μ→μ理）这是因为释水滞后，而导致的释水减量；大小孔道释水不同步，大孔道优先释水，小孔道形成悬挂毛细水。d)土层结构均质土特征与上述讨论一致岩土层为层状非均质土时，往往会影响μ值，多层状土的特征而言，上粗下细、上细下粗结构影响是不同的。2.3与水的储容及运移有关的岩石性质CompanyLogo对于均质的颗粒较细小的松散岩石，只有当其初始水位埋深足够大、水位下降速率十分缓慢时，释水才比较充分，给水度μ→μ理。常见松散岩石的给水度（Fetter，1980）2.3与水的储容及运移有关的岩石性质

岩石名称给水度（%）最大最小平均粘土亚粘土粉砂细砂中砂粗砂砾砂细砾中砾粗砾512192832353535262603310152020211312271821262725252322CompanyLogo给水度小结——野外实际测定时：

均质土，当地下水位初始埋深大于hc，降速缓慢，μ=ωS-ω0

初始埋深小于hc时，埋深愈浅，μ↓水位降速愈快，μ↓一般而言，层状土μ小于均质土。

结合实验课——

设计研究给水度的影响因素与测定方法。给水度小结2.3与水的储容及运移有关的岩石性质四、持水度（specificretention）地下水位下降时，一部分水由于毛细力（以及分子力）的作用而仍旧反抗重力保持于岩石空隙中。岩石的持水能力——最大保持水分的能力。地下水位下降一个单位深度，单位水平面积岩石柱体中反抗重力而保持于岩石空隙中的水量，称作持水度（Sr）。给水度、持水度与孔隙度的关系是：

μ+Sr=n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（ω0）数值上相当于最大持水度。所有影响给水度的因素也就是影响持水度的因素。CompanyLogo2.3与水的储容及运移有关的岩石性质五、透水性（permeability）

岩石允许水透过的能力。表征岩石透水性的定量指标——渗透系数（K）。

影响岩石透水性的因素：a)孔隙直径大小：孔隙直径越小，透水性越差；孔隙直径越大，透水性越好。当孔隙直径小于