水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)(第六版)第3章 巖石中的空隙與水分

水文地質(zhì)學(xué)，水文地質(zhì)學(xué)的基礎(chǔ)，第3章巖石和土壤中的空隙和水，第3.1章巖石和土壤中的空隙，第3.2章巖石和土壤中的水，第3.3章與水有關(guān)的巖石和土壤特性，第3.4章有效應(yīng)力原理和巖石和土壤變形和破壞，第4.1章巖石和土壤中的空隙，第1章巖石和土壤空隙在地球上的分布：超過10公里以上的地殼表面，特別是在1 2公里內(nèi)。2.巖土裂隙的水文地質(zhì)意義：它是地下水的賦存場(chǎng)所和運(yùn)移通道。3.巖土孔隙描述：形狀、大小、數(shù)量、分布規(guī)律和連通性。4.巖土孔隙的水文地質(zhì)分類：松散巖土中的孔隙、堅(jiān)硬巖石中的裂隙和可溶巖石中的孔洞。巖土中各種孔隙分選良好，松散砂排列整齊，分選良好，密實(shí)砂排列整齊，粘土具結(jié)構(gòu)孔隙，壓縮粘土，巖石具裂隙，可溶巖具溶隙和孔洞，1?？障叮?。概念：松散或未完全膠結(jié)的巖石和土壤顆粒之間或顆粒聚集體之間存在空隙。2.分布：最新沉積、新生代、礫質(zhì)土、砂質(zhì)土和粘土，主要分布在第四系沉積物中，其次為一些第三紀(jì)或中生代地層，膠結(jié)不完全。如沿河礫石中存在的孔隙。3.特征：多少：度量指標(biāo)：孔隙度(n)(1)概念：一定體積的巖石和土壤(包括孔隙)中孔隙體積的比例。(2)研究意義(功能):對(duì)巖石儲(chǔ)存地下水能力的影響程度。(3)測(cè)定方法：砂、礫石等松散巖土一般注水，粘土遇水不膨脹；容重-比重法：首先測(cè)定細(xì)砂、巖石和土壤的容重r和比重、(4)影響孔隙度的因素，顆粒排列方式：等顆粒：最松散排列：立方體：n=47.62%；最接近的排列：四面體：n=25.95%。(不涉及顆粒尺寸，顆粒尺寸不同，但是當(dāng)顆粒相同且排列方式相同時(shí)，孔隙率相同。)顆粒分選程度：分選性能越好，孔隙率越大；分選程度不好，大顆粒的孔隙被小顆粒填充，以減少孔隙。(分選程度是指顆粒大小的均勻性，在土力學(xué)中也稱為不均勻系數(shù)。)顆粒形狀：越不規(guī)則，越疏松，孔隙率越大。膠結(jié)充填：孔隙度是膠結(jié)充填，孔隙度降低。對(duì)于粘性土，它也與結(jié)構(gòu)孔隙和次生孔隙有關(guān)。(1)粘土顆粒粘土：顆粒直徑小于0.005毫米的粘土，由于顆粒細(xì)小，比表面積大，顆粒表面經(jīng)常帶電荷，在懸浮過程中，具有強(qiáng)結(jié)合力的粘性顆粒相互接觸時(shí)，會(huì)結(jié)合形成“粘性顆粒群”,細(xì)小的粘性顆粒群會(huì)形成顆粒聚集體，形成比顆粒本身大的結(jié)構(gòu)孔隙聚集體，并與聚集體結(jié)合形成粘性土的沉積結(jié)構(gòu)特征。(2)粘土孔隙粘性土：蜂窩狀和絮狀結(jié)構(gòu)，如海綿結(jié)構(gòu)孔隙：集料和集料之間的孔隙，粘土顆粒和粘土顆粒。次生孔隙：蟲洞、根孔、干裂縫等。松散巖石孔隙度參考值(根據(jù)Friese等人，1987)，注：(1)與粒度的關(guān)系不是粒度越大，孔隙度越大。(2)孔隙度超過最松散排列的47.62%，達(dá)到70%，大小為：(1)研究意義(作用):孔隙度和孔喉影響地下水運(yùn)動(dòng)，特別是孔喉直徑在地下水流動(dòng)中起關(guān)鍵作用。(2)影響因素：顆粒大?。禾貏e是細(xì)顆粒的大小，顆粒越大，形成的孔隙越大。顆粒排列：理想的等顆粒球形顆粒，顆粒直徑d，孔喉直徑d立方體排列，d=0.414D四面體排列，d=0.155d。對(duì)于粘性土，也與結(jié)構(gòu)性孔隙和次生孔隙有關(guān)?？缀?直徑d)和孔腹(直徑d)通過孔隙通道的中心剖面圖、孔隙和顆粒尺寸之間的關(guān)系、礫石(模型)、砂樣、礫石混合樣品、立方體排列、四面體排列、顆粒排列形式，假設(shè)顆粒為立方體排列的等顆粒球體(直徑d)。裂縫，1。概念：巖石形成后，由于各種內(nèi)部和外部的力量，巖石被破壞。2.D3.分類：按成因分類：成巖裂隙：巖漿作用：侵入、噴射、冷凝收縮(巖漿巖)成巖沉積：固結(jié)和干燥收縮(沉積巖)。巖漿巖是最常見的，玄武巖(基本)柱狀節(jié)理具有最重要的水文地質(zhì)意義。風(fēng)化裂隙；風(fēng)化構(gòu)造裂隙；在構(gòu)造應(yīng)力作用下的卸荷裂隙；4.特征、尺寸：大的構(gòu)造破碎帶，顯微鏡下可見的小的構(gòu)造破碎帶。有階、大構(gòu)造斷裂帶、次級(jí)和次級(jí)。連通性：一般來說，它不好，局部來說可能是好的，形成一個(gè)裂隙系統(tǒng)。尋找水，局部斷裂，最好是尋找最大的斷裂帶，主斷裂和斷裂含水系統(tǒng)。多少錢：骨折率。線性裂隙率：在垂直于裂隙走向的方向上每單位長度的裂隙比例。面部骨折率，身體骨折率。在野外研究裂縫時(shí)，應(yīng)注意確定影響水運(yùn)動(dòng)的裂縫的方向、寬度、延伸長度和充填情況。各種巖石的破裂速率數(shù)值表(變化范圍)，3，溶解洞穴，1。概念：可溶性巖石是在地下水的溶解下形成的。它必須在原有空隙和裂縫發(fā)展的基礎(chǔ)上產(chǎn)生。2.分布：可溶性巖石的沉積巖，如普通石灰?guī)r和白云石。3.類型：溶孔(水壓試驗(yàn)、石灰?guī)r微孔隙)、溶裂縫、溶隙、地下河。特征、形態(tài)：方向性，主要是在裂隙的基礎(chǔ)上進(jìn)一步溶解形成的，因而具有裂隙特征。大小：極不均勻，暗河，主干溶解形成。多少：巖溶率分布：極不均勻(裂縫特征被保留)連通性：整體較差，局部可以很好，形成一個(gè)溶腔含水系統(tǒng)。要找到水，必須尋找樹干，但地質(zhì)勘探應(yīng)避免觸及地下河。四、地下水分類，按含水介質(zhì)(孔隙特征):孔隙水、裂隙水、巖溶水、外洗砂粒、實(shí)際流徑、風(fēng)化巖、灰?guī)r、膨脹巖、第2段巖土中水、地殼巖土中水、巖土“骨架”水(礦物結(jié)合水)、沸石水：方沸石(Na2Al2Si4O12nH2O)、結(jié)晶水：石膏(CaSO42H2O)、構(gòu)造水：高嶺石(Al4Si4O10(OH)8)、地下水首先，結(jié)合水。首先，概念：分布在粒子表面的那部分水，由于靜電引力大于重力，它不能在自身重力的作用下運(yùn)動(dòng)。2.來源：帶電粒子表面通常帶負(fù)電荷，主要存在于小空隙和裂縫中；極性分子水，水分子甚至是極性物體，都被吸入；巖石顆粒周圍的水分子受到庫侖力(靜電引力)的影響。靜電引力受距離的影響，結(jié)合水的自由是不同的。類型和特點(diǎn)：根據(jù)堅(jiān)固程度：強(qiáng)結(jié)合水：密度大于1，平均約2g/cm3冰點(diǎn)：-78類似固體，不能流動(dòng)。只有當(dāng)溫度達(dá)到105時(shí)，它才能以氣態(tài)形式從顆粒表面分離出來，并且它溶解鹽的能力很弱。它不能被植物吸收，具有很大的粘度、彈性和剪切強(qiáng)度。弱結(jié)合水：規(guī)則排列，密度大于1，1.3 1.774克/立方厘米。它能在外力的作用下移動(dòng)，但速度很慢，溶解鹽的能力很弱。冰點(diǎn)為-15，具有一定的粘度和剪切強(qiáng)度。弱結(jié)合水的外層可以被植物吸收和利用。(2)重力水遠(yuǎn)離固體顆粒的表面，并且由于其小的吸引力，可以在其自身重力下移動(dòng)。巖土間隙中的重力水可以自由流動(dòng)，從井、泉中提取的地下水屬于重力水，是水文地質(zhì)學(xué)的研究重點(diǎn)。3、毛細(xì)水、毛細(xì)現(xiàn)象：在液體表面張力的作用下，毛細(xì)管中的水位上升到一定高度。毛細(xì)孔隙是巖石和土壤中的小孔隙，通常指直徑小于1毫米的孔隙或?qū)挾刃∮?.25毫米的裂縫。毛細(xì)上升高度與毛細(xì)直徑成反比。l中的細(xì)孔通道圖中井的左側(cè)顯示了高水位時(shí)砂層中的支撐毛管水。2.懸毛細(xì)水：下部沒有水面支撐。井的右側(cè)代表水位降低后砂層中懸浮的毛細(xì)水。礫石層的孔徑超過了毛管，因此沒有支持毛管水。3.孔角毛細(xì)水：充氣區(qū)顆粒接觸點(diǎn)上的毛細(xì)水。由于地質(zhì)條件具有交替的厚度和水位變化，水被截留在孔的角落。水井礫石層氣態(tài)水、固態(tài)水和礦物中的水氣態(tài)水存在于非飽和水的空隙中。氣態(tài)水可以與空氣一起流動(dòng)，也可以在水氣壓差的作用下流動(dòng)。當(dāng)巖石溫度低于0時(shí)，液態(tài)水變成了固態(tài)水。我國大部分地區(qū)都有季節(jié)性凍土。東北和青藏高原有多年凍土，這對(duì)工程有很大的破壞性。熔化時(shí)，固體變成液體，體積也隨之變化。礦物晶格和礦物孔隙中的水是沸石水、結(jié)晶水和結(jié)構(gòu)水。方沸石中的沸石水(Na2A12Si4O12nH2O)在加熱時(shí)可以從礦物中分離出來。第3節(jié)與水相關(guān)的巖土特性，耐水性：巖石可以含有一定量水的特性。用含水量表示。供水：飽和巖石在重力作用下可以自由排出一定量水的特性。特定產(chǎn)量。持水量：巖石在重力作用下釋放水分后，能在孔隙中保留一定量水分的性質(zhì)。用保水性表示。滲透性：允許水通過的巖石質(zhì)量。表示為滲透系數(shù)或單位吸水率。(Mc)當(dāng)水完全飽和時(shí)，巖石和土壤所能容納的水量與巖石和土壤的體積之比。如果按重量計(jì)算，則稱水容量。含水量等于孔隙度(裂縫率和巖溶率)。當(dāng)單位體積地下水位下降時(shí)，普通松散巖土的平均單位產(chǎn)量和釋放水量與排水水量的比值。反映飽和巖石在重力作用下能排出的最大水量。也就是說，當(dāng)?shù)叵滤幌陆狄粋€(gè)單位時(shí)，在重力作用下，一個(gè)單位水平面積的巖柱可以釋放的水量。影響單位產(chǎn)量鈾的大小的因素：巖性影響。有三個(gè)方面：礦物成分(決定孔隙的大小和數(shù)量)、巖石的粒度、級(jí)配和分選程度；初始地下水埋深；地下水位下降率；比產(chǎn)量、持水量和持水量之間的關(guān)系用數(shù)字表示如下：當(dāng)持水量地下水位下降時(shí)，非飽和帶中未釋放的剩余水量與單位排水量之比。松散巖土的持水值，滲透率：滲透系數(shù)(k):水導(dǎo)性。在各向同性介質(zhì)中，單位水力梯度的滲透率速度(m/d)表示流體通過孔隙結(jié)構(gòu)的難度。影響滲透率：的因素影響松散層：的粒度、形狀、分選程度、致密性、膠結(jié)性、水質(zhì)、水溫和液體類型。對(duì)于硬巖體：相同的松散層更多地取決于裂縫的幾何結(jié)構(gòu)特征：延伸方向、寬度、密度、長度、連通性、填充材料、裂縫表面的粗糙度等。滲透率、水滲透率、松散巖石滲透系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)值，滲透系數(shù)k可通過經(jīng)驗(yàn)公式、達(dá)西試驗(yàn)或抽水試驗(yàn)獲得。1925年，太沙基提出了有效應(yīng)力原理：有效應(yīng)力=總應(yīng)力-孔隙水壓力有效應(yīng)力：巖土骨架承受的應(yīng)力。在封閉(或相對(duì)封閉)條件下，上覆荷載的總應(yīng)力()由飽和巖土的骨架應(yīng)力(，即有效應(yīng)力)和孔隙水壓力(U)共同承擔(dān)。有效應(yīng)力= u為=-u，