試談巖石中的孔隙與水分

第二章巖石中的孔隙與水分

教學(xué)提示：本章應(yīng)著重闡明巖石的孔隙性與其對水的儲容、滯留、釋出及透過能力的關(guān)系；利用太沙基有效應(yīng)力原理，解釋地下水位下降引起地面沉降的基本機制.

第一節(jié)巖石中的空隙巖石—水文地質(zhì)學(xué)中指堅硬的巖石及松散的土層。

巖石空隙是地下水儲存場所和運動通道。空隙的多少、大小、形狀、連通情況和分布規(guī)律，對地下水的分布和運動具有重要影響。

孔隙

–松散沉積物中的空隙;

（第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)）

裂隙

–堅硬巖石地層中的空隙;（構(gòu)造地質(zhì)學(xué)）

溶穴

–可溶性基巖地層中經(jīng)溶蝕后的空隙;（巖溶地貌學(xué)）

第一節(jié)巖石中的空隙不同介質(zhì)中的空隙特征第一節(jié)巖石中的空隙—孔隙概念：松散巖石是由大小不等的顆粒組成的。顆?；蝾w粒集合體之間的空隙，稱為孔隙?？紫抖龋╪）：

V表示包括孔隙在內(nèi)的巖石體積Vn表示巖石中孔隙的體積思考：試樣a與b構(gòu)成的孔隙哪種大？哪種??？孔隙大小與顆粒大小----有關(guān)嗎？簡單歸納---砂礫石土孔隙大小與什么有關(guān)？顆粒大小、排列——立方體或四面體、分選、膠結(jié)與充填等松散土體宏觀上可以分為2大類：砂性土與粘性土類

孔隙——與分選的關(guān)系黃土沙丘洪積物粒徑mm含量%松散砂礫石孔隙大小與分選的關(guān)系—好、壞？顆粒排列——等徑圓球最疏松與最緊密立方體排列四面體排列孔腹和孔喉立方體排列與四面體排列——孔腹和孔喉孔隙大小的描述：孔喉(d)d=0.414D孔腹(d’)d’=0.732D（立方體排列的理想等徑園球顆粒）DdDd立方體排列四面體排列等徑園球顆粒立方體排列孔隙大小的描述：孔喉(d)d=0.414D孔腹(d’)d’=0.732Dd’第一節(jié)巖石中的空隙—孔隙孔隙度（n）：V表示包括孔隙在內(nèi)的巖石體積Vn表示巖石中孔隙的體積思考：孔隙度的大小與什么有關(guān)？——與顆粒大小有關(guān)？a.與排列有關(guān)——緊密與疏松b.與分選有關(guān)——下面試樣哪個孔隙度大？哪個?。吭嚇樱孩俚[石②砂石③混合樣完全混合試樣時，孔隙度n混=n礫×n砂影響孔隙度大小的主要因素是試樣的分選程度。

不同顆粒大小的試樣——孔隙度？不同排列的試樣——孔隙度？理想最疏松孔隙為47.64%，最緊密排列孔隙為25.95%。DdDd立方體排列四面體排列自然界中松散巖石的孔隙度與上述討論的還有些不同？表2--1松散巖石孔隙度參考數(shù)值矛盾之一：與粒徑的關(guān)系不是愈大則愈大？矛盾之二：孔隙度超過最疏松排列的47.64%—達(dá)到70%孔隙度參考數(shù)值第一節(jié)巖石中的空隙—孔隙對于粘性土：特殊孔隙的影響：1）結(jié)構(gòu)性孔隙第一節(jié)巖石中的空隙—孔隙2）蟲孔、根孔、干裂縫等次生空隙因此，對粘性土，它們對n的大小影響很大，不可忽視。

×2000蒙脫石、片狀粘土礦物——淤泥粘土第一節(jié)巖石中的空隙—孔隙小結(jié)：影響孔隙度的因素1.顆粒大?。豪碚撋现v（按等體積球），n與顆粒大小無關(guān)，但實際上則無理想的等體積顆粒，大小必不相等，甚至大小懸殊。一般顆粒越大，則n越大。但由于分選性的影響，往往孔隙度反而減小。

第一節(jié)巖石中的空隙—孔隙2.分選性:分選性越差，顆粒大小越懸殊，n則越小。反之則越大。3.顆粒形狀:形狀越不規(guī)則，棱角越明顯，排列越疏松，n越大。反之則越小。4.膠結(jié)程度:膠結(jié)越好，n越小。松散砂土孔隙粘土孔隙裂隙溶隙第一節(jié)巖石中的空隙—裂隙

堅硬巖石中的空隙，除沉積巖尚包含一定的原生孔隙外，其余的巖漿巖和變質(zhì)巖一般均很少存在粒間孔隙。巖石中的空隙主要由各種成因的裂隙——成巖裂隙、構(gòu)造裂隙和風(fēng)化裂隙所構(gòu)成。

裂隙巖體：從水的賦存與運移角度來看，裂隙的描述包括：1)裂隙的連通性（組數(shù)、產(chǎn)狀、長度和密度）2)張開性（裂隙寬度）3)裂隙率等成巖裂隙、構(gòu)造裂隙

第一節(jié)巖石中的空隙—裂隙體積裂隙率（Kr）:

裂隙體積（Vn）與包括裂隙在內(nèi)的巖石體積（V）的比值，即面積裂隙率（Ka）:單位面積巖石上裂隙面積的多少。線裂隙率（Kl）:垂直裂隙走向方向上單位長度上裂隙的條數(shù)。第一節(jié)巖石中的空隙—溶穴第一節(jié)巖石中的空隙—溶穴概念可溶的沉積巖，如巖鹽、石膏、石灰?guī)r和白云巖等，在地下水溶蝕下會產(chǎn)生空洞，這種空隙稱為溶穴（隙）。巖溶率（Kk）

巖溶巖體：要描述裂隙特征及巖溶發(fā)育特征（裂隙+溶洞）1）巖溶發(fā)育方向2）溶蝕率--鉆孔巖溶發(fā)育程度3）溶洞（方向、規(guī)模等）

第一節(jié)巖石中的空隙—三者比較含水介質(zhì)——由各類空隙所構(gòu)成的巖石稱為含水介質(zhì)，也稱為介質(zhì)場。三種主要類型的含水介質(zhì)比較：1.連通性—孔隙介質(zhì)最好，其它較差。2.空間分布—孔隙介質(zhì)分布最均勻，裂隙不均勻，溶穴極不均勻孔隙大小均勻，裂隙大小懸殊，溶穴極懸殊。3.空隙比率—孔隙介質(zhì)最大，裂隙最小。4.空隙滲透性—孔隙介質(zhì)-各向同性，裂隙與溶穴-各向異性。造成空隙介質(zhì)上述差異的主要原因：沉積物形成和空隙形成的環(huán)境?？障栋l(fā)育的復(fù)雜性

松散層主要發(fā)育孔隙，但粘性土失水干縮后可產(chǎn)生裂隙；堅硬巖石中也不全為裂隙或裂隙-溶穴。如有些沉積巖往往存在大量的原生孔隙，其數(shù)量可大大超過裂隙與溶穴。思考題：（1）什么叫孔隙度？孔隙度大與孔隙大有區(qū)別嗎？（2）粘性土孔隙度大——是含水層嗎？第二節(jié)巖石中水的存在形式第二節(jié)巖石中水的存在形式—結(jié)合水結(jié)構(gòu)水：以H+和OH-離子形式存在于礦物結(jié)晶格架中，與礦物結(jié)合緊密。結(jié)晶水：以H2O分子形式存在于礦物結(jié)晶格架中，與礦物結(jié)合緊密。沸石水：以H2O分子形式存在于礦物晶格的空隙中，與礦物結(jié)合不緊密。巖石空隙中水存在形式：氣態(tài)固態(tài)液態(tài)

設(shè)想實驗：材料（玻璃珠子、細(xì)管）+水（水杯）第二節(jié)巖石中水的存在形式—

結(jié)合水

土粒（強結(jié)合水）吸著水緊束在土粒表面，不能自由移動弱結(jié)合水（薄膜水）

吸附于吸濕水外部，只能沿土粒表面做微小的移動具有固態(tài)和液態(tài)水的雙重性質(zhì)；即自身重力作用下不能運動，在外力作用下能夠移動（運動）及變形結(jié)合水與重力水重力水：

受重力支配不能為土壤所保持的水分重力水遠(yuǎn)離固相表面，水分子受固相表面吸引力的影響極其微弱，主要受重力影響。重力影響下可以自由運動地層內(nèi)巖石空隙中如果存在一定的重力水，就可以通過泉，或井流出（抽出）重力水是水文地質(zhì)學(xué)研究的主要對象，也是勘察的主要對象毛細(xì)水:受毛管力的作用保持在巖石中的水分

第二節(jié)巖石中水的存在形式—毛細(xì)水毛細(xì)水（capillarywater）

1.基本概念

毛細(xì)現(xiàn)象：細(xì)小管插入水中，水上升至一定高度停下來毛細(xì)力：毛細(xì)水：受到表面吸引力，重力，還有另一種力—稱毛細(xì)力的作用，產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象。

第二節(jié)巖石中水的存在形式—毛細(xì)水

第二節(jié)巖石中水的存在形式—毛細(xì)水我們可以把毛細(xì)力歸納為3點：1).毛細(xì)力的產(chǎn)生：是在三相界面上內(nèi)彎液面引起——液面彎曲產(chǎn)生的2).毛細(xì)力的方向：作用方向始終指向彎曲液面的凹例凹凸彎液面是指相對于液相一側(cè)而言的凹形彎液面—負(fù)的毛細(xì)壓強---如同真空吸力凸形彎液面—正的毛細(xì)壓強

第二節(jié)巖石中水的存在形式—

毛細(xì)水3.毛細(xì)力的大?。好?xì)力大小與彎液面的曲率成正比（曲率大,毛細(xì)力大;曲率小，毛細(xì)力?。?/p>

一根毛細(xì)管子，管徑越小，毛細(xì)力越大；反之亦然。毛細(xì)力大，毛細(xì)上升高度也越大.Smallerporesholdwaterwithgreaterenergy第二節(jié)巖石中水的存在形式—

毛細(xì)水

土的最大毛細(xì)上升高度[據(jù)西林—別克丘林，1958]

飽和帶、包氣帶、毛細(xì)水飽水帶包氣帶潛水面重力排水區(qū)第二節(jié)巖石中水的存在形式—

毛細(xì)水毛細(xì)水類型支持毛細(xì)水：存在于飽水帶以上并與地下水面相連的毛細(xì)空隙中的水。能傳遞靜水壓力，當(dāng)溫度低于0℃時冰結(jié)。懸掛毛細(xì)水：存在于包氣帶并與地下水面不相連的毛細(xì)空隙中的水。呈“懸掛”狀態(tài)，經(jīng)蒸發(fā)后消失。成因：入滲重力水；地下水面急劇下降由支持毛細(xì)水轉(zhuǎn)化而成?？捉敲?xì)水（觸點毛細(xì)水）：顆粒與顆粒接觸處孔隙狹窄地方呈點滴狀態(tài)的水。結(jié)合緊密，不易移動。

滴水下雨

砂土黃土

器皿

礫石思考：1.上細(xì)下粗土層，滴水，水停留在何處？2.黃土層中挖平洞，下大雨后，洞內(nèi)能否接到水？第二節(jié)巖石中水的存在形式—

氣態(tài)水概念

儲存并運動于未飽和巖石空隙中呈水汽狀態(tài)的水。水汽來源

地表水氣進(jìn)入地下水面蒸發(fā)水汽運動

從水汽壓大處向水汽壓小的方向運動或從絕對濕度大處向絕對濕度小的方向運動從溫度高處向溫度低的方向運動汽態(tài)水：

存在于巖石空隙中的水汽

第二節(jié)巖石中水的存在形式—

固態(tài)水概念指以固態(tài)形式存在于巖石空隙中的水（地下冰）。我國北方冬季常形成凍土；東北及青藏高原有一部分地下水多年保持固態(tài)—多年凍土。第三節(jié)巖石的水理性質(zhì)1.容水性2.含水量3.給水性4.持水性5.透水性

第三節(jié)巖石的水理性質(zhì)—容水度1.容水度（Mc）

單位體積飽水巖石中所能容納的最大水的體積。

若以重量計，則稱容水量。除膨脹性粘性土外，容水度與孔隙度（體積裂隙率、巖溶率）相當(dāng)。四、土壤含水率2.含水量:一定量的土壤中所含水分的數(shù)量。（1）土壤重量含水率

（2）土壤容積含水率

第三節(jié)巖石的水理性質(zhì)—給水度3.給水度（u）

單位飽水巖石在重力作用下所能排出的最大水的體積。即當(dāng)?shù)叵滤幌陆狄粋€單位時，單位水平面積巖石柱體，在重力作用下中所能釋放出的水體積。在數(shù)值上

第三節(jié)巖石的水理性質(zhì)—給水度當(dāng)水位下降一個單位，土層孔隙中是否所有的水都流出來？在土層中會保留什么形式的水？保留的水有：結(jié)合水(膜)，孔角毛細(xì)水，有時懸掛毛細(xì)水與支持毛細(xì)水

2.影響給水度——μ值的因素？礫石、粗砂、細(xì)砂、砂礫混合樣相比較，哪種樣給水度大a)巖性：空隙大的樣品，給水度大，μ≈n礫＞粗砂＞…＞粉砂——（與粒徑有關(guān)）顆粒細(xì)小者，比表面積大，結(jié)合水與孔角毛細(xì)水殘留多，除巖性外，同一巖層中其它原因也可造成μ不同，為什么？b)地下水位初始埋深（H0）當(dāng)?shù)叵滤怀跏悸裆畲笥谥С置?xì)水帶高度時H0＞＞hc,可達(dá)最大μ值。當(dāng)H0＜＜hc時，地下水位下降時，原重力水大多轉(zhuǎn)化為支持毛細(xì)水，土層給水量大大降低，μ變小。土層含水量曲線分析：當(dāng)水位埋深足夠大時，土層給水度不發(fā)生變化（為定值），此時給水度—也是最大理論給水度

當(dāng)H0＜＜hc時，地下水位下降時，原重力水大多轉(zhuǎn)化為支持毛細(xì)水，土層給水量大大降低，μ變小。c)與地下水位下降速度有關(guān)地下水位下降快慢會影響給水度μ的大小——（下降快μ<μ理、下降慢μ→μ理）這是因為釋水滯后，而導(dǎo)致的釋水減量d)土層結(jié)構(gòu)均質(zhì)土特征與上述討論一致巖土層為層狀非均質(zhì)土?xí)r，往往會影響μ值，多層狀土的特征而言，上粗下細(xì)，上細(xì)下粗結(jié)構(gòu)影響是不同的。給水度與顆粒粒徑的關(guān)系給水度隨時間變化的關(guān)系第三節(jié)巖石的水理性質(zhì)—給水度常見巖石的給水度

巖石名稱

給水度（%）最大最小平均粘土亞粘土粉砂細(xì)砂中砂粗砂礫砂細(xì)礫中礫粗礫512192832353535262603310152020211312271821262725252322第三節(jié)巖石的水理性質(zhì)—持水度4.持水度（Sr）

重力釋水后單位體積巖石中所能保持的最大水體積（一般為最大簿膜水層厚度時的體積）。

若以重量計，則稱持水量。若空隙中除持有最大簿膜水外，還保持有一定量的懸掛毛細(xì)水和孔角水，則稱田間持水度或田間持水量。第三節(jié)巖石的水理性質(zhì)—滲透系數(shù)

單位吸水率5.滲透系數(shù)（K）

水力坡降為1時的滲透流速（m/d）。單位吸水率（w）

指單位長度的試段在單位壓力水頭的作用下的穩(wěn)定流量。（L/min.m.m或Lu）1Lu定義為當(dāng)試段壓力為1MPa時,每米試段的壓力流量為L/min.1L/min.m.m=100Luτux影響滲透性大小的因素:

對松散層:顆粒大小、形狀、分選程度、密實度、膠結(jié)情況水質(zhì)、水溫、液體類型對堅硬巖體更取決于裂隙的幾何結(jié)構(gòu)特征：延伸方向、寬度、密度、長度、連通性、充填物、裂隙面的粗糙程度等。第三節(jié)巖石的水理性質(zhì)—滲透系數(shù)

壩(閘)基巖土體透水性分類

根據(jù)水利水電工程地質(zhì)勘察資料內(nèi)業(yè)整理規(guī)程SDJ19-78

對堅硬巖體：透水性分級單位吸水量（Lu）

極嚴(yán)重透水大于1000

嚴(yán)重透水1000~100

較嚴(yán)重透水100~10

中等透水10~5

微透水5~1

極微透水小于1

第三節(jié)巖石的水理性質(zhì)—滲透系數(shù)

單位吸水率對松散層：透水性分級滲透系數(shù)（m/d）

極強透水大于100強透水100~25較強透水25~5弱透水5~0.2微弱透水0.2~0.02弱透水小于0.02

四有效應(yīng)力原理與松散巖石壓密

1.太沙基有效應(yīng)力原理

太沙基有效應(yīng)力原理—作用在飽水巖層中任一平面上的總應(yīng)力等于有效應(yīng)力與孔隙水壓力之和。

2.地下水位下降引起的巖土壓密

PZ+△PZ=P—（u—△u）

第二章1．巖石空隙是地下水儲存場所和運動通道。空隙的

、

、

、

和

，對地下水的分布和運動具有重要影響。2．巖石空隙可分為松散巖石中的

、堅硬巖石中的

、和可溶巖石中的

。3．巖石裂隙按成因分為：

、

、

。判斷題1．松散巖石中也存在裂隙，堅硬巖石中也存在孔隙。（）2．松散巖石中顆粒的形狀對孔隙度沒有影響。（）3．兩種顆粒直徑不同的等粒圓球狀巖石，排列方式相同時，孔隙度完全相同。（）4．裂隙率是裂隙體積與不包括裂隙在內(nèi)的巖石體積的比值。（）1.結(jié)合水具有抗剪強度。（）2．在飽水帶中也存在孔角毛細(xì)水。（）3．在松散的砂層中，一般來說容水度在數(shù)值上與孔隙度相當(dāng)。（）4．在連通性較好的含水層中，巖石的空隙越大，給水度越大。（）5．松散巖石中，當(dāng)初始地下水位埋藏深度小于最大毛細(xì)上升高度時，地下水位下降后，給水度偏小。（）6．對于顆粒較小的松散巖石，地下水位下降速率較大時，給水度的值也大