第3講巖石的水理性質(zhì)

本節(jié)內(nèi)容■水的儲容及運移有關的巖石性質(zhì)含水層與隔水層地下水的類型一、與水的儲容及運移有關的巖石性質(zhì)影響水的儲容及運移的因素：巖石空隙大小、多少、連通程度及其分布勻整度。限制水活動的因素：巖石的容水性、含水性、給水性、持水性、透水性巖土的水理性質(zhì)概念：指巖土限制水活動的性質(zhì)

巖土主要水理性質(zhì)：容水性持水性給水性透水性含水性1.容水性（容水度）定義：巖石的容水性是指巖石容納確定水的實力。表征指標：

容水度——指巖土完全飽水時所容納的最大水體積與巖土總體積之比，即θ=100%或θ=100%容水度數(shù)值上一般與空隙度（裂隙率、巖溶率）相等，但膨脹土的容水度大于孔隙度。2.含水性（含水量）概念：含水量——松散巖石實際保留水分的狀況。重量含水量（Wg）：松散巖石孔隙中所含水的重量與干燥巖石重量的比值。體積含水量（Wv）：含水的體積與包括孔隙在內(nèi)的巖石體積的比值。飽和含水量Ws：

孔隙充分飽水時的含水量稱作飽和含水量Ws。飽和含水量與實際含水量之間的差值稱為飽和差。實際含水量與飽和含水量之比稱為飽和度。3.給水性（給水度）給水性：地下水位下降時，其下降范圍內(nèi)飽水巖石及相應的支持毛細水帶中的水，在重力作用下從原先賦存的空隙中釋出，這一現(xiàn)象稱為巖石的給水性（μ）。表征指標：給水度μ在單位水平面積巖層柱體中，當潛水位下降一個單位時，在重力作用下所釋出的水量。以小數(shù)或百分數(shù)表示。μ=（V出水/V砂樣容水）100%含水率釋水前水位釋水后水位單位水位降OO‘OO‘DEAIHGFC結(jié)合水懸掛毛細水支持毛細水影響因素：重力釋水不是瞬時完成，往往滯后于水位下降。對于均質(zhì)的松散巖石，給水度的大小與巖性、初始地下水位埋藏深度、地下水位下降速率等因素有關。表2-2常見松散巖石的給水度[Fetter,1980]4、持水性（持水度）持水性：巖石依靠分子引力和毛細力，在重力作用下其巖石仍能保持確定水的性能。表征指標持水度：在重力作用下，巖石所保持的水體積與巖石體積的比值。殘留含水量（W0）：包氣帶充分重力釋水而又未受到蒸發(fā)、蒸騰消耗時的含水量稱作殘留含水量（W0），數(shù)值上相當于最大的持水度。5、透水性（滲透系數(shù)）巖石的透水性：指巖石允許水透過的實力。表征指標：表征巖石透水性的定量指標——滲透系數(shù)。實例分析——以松散巖石為例，分析一個志向孔隙通道中水的運動狀況。圖2-9表示圓管狀孔隙通道的縱斷面，孔隙的邊緣上分布著在尋常條件下不運動的結(jié)合水，其余部分是重力水。由于附著于隙壁的結(jié)合水層對于重力水，以及重力水質(zhì)點之間存在著摩擦阻力，最近邊緣的重力水流速趨于零，中心部分流速最大。分析可見：孔隙直徑愈小，結(jié)合水所占據(jù)的無效空間愈大，實際滲流斷面就愈小；孔隙直徑越小，透水性越差。分析可見：確定透水性好壞的主要因素是孔隙大??；只有在孔隙大小達到確定程度，孔隙度才對巖石的透水性起作用，孔隙度愈大，透水性愈好。實際的孔隙通道并不是直徑均一的圓管，而是直徑變更、斷面形態(tài)困難的管道系統(tǒng)（圖a）實際的孔隙通道不是直線的，而是曲直的（圖a）。顆粒分選性，既影響孔隙大小，還確定著孔隙通道沿程直徑的變更和曲折性（圖a），CompanyLogothemegallery二、含水層隔水層1、基本概念飽水巖層中，依據(jù)巖層給水與透水實力而進行的劃分含水層（Aquifer）：是能夠透過并給出重力水的巖層—各類砂土，砂巖等隔水層（Aquifuge)：不能透過與給出水或透過與給出的水量微乎其微的巖層——裂隙不發(fā)育的基巖、頁巖、板巖、粘土（致密）弱透水層（Aquitard）：滲透性很差，給出的水量微乎其微，但在較大水力梯度作用下，具有確定的透水實力的巖層——各種粘土，泥質(zhì)粉砂巖CompanyLogothemegallery2構(gòu)成含水層具備條件（1）有儲水空間（2）有儲存地下水的地質(zhì)構(gòu)造條件（3）有良好的補給水源和補給條件。CompanyLogothemegallery

定義中的模糊概念—“相當水量，微乎其微，較大水力梯度”等。對于是否是含水層，還要從實際應用角度來看劃分的相對的性。即：在利用與解除地下水的實際中應當考慮巖層所能給出水的數(shù)量大小是否具有實際意義。3概念的相對性CompanyLogothemegallery例1：黃土利用地下水供水時,某一巖層能夠給出的水量較小,對于水源豐沛、需水量很大的地區(qū),由于遠不能滿足供水需求,而被視作隔水層。但在水源匱乏、需水量又小的地區(qū),同一巖層便能在確定程度上滿足,甚至充分滿足實際須要;在后一地區(qū),這種巖層便可看作含水層。3概念的相對性CompanyLogothemegallery

例2：如在某處一口井出水量80m3/d，作為1萬人的供水，非含水層；作為飲料廠、裝瓶生產(chǎn)則為含水層。3概念的相對性CompanyLogothemegallery3.2.2概念的相對性例3、從理論意義來看——微乎其微：微乎其微，有時空尺度的制約。如華北平原早期地下水開采就是典型的例子，深層水與淺層水的開采有一粘土隔水層；后開采深層，水量大，水位降低快，淺層水向深層“越流”--粘土層成為“透水層”。

themegallery時間的相對性①②③④54321

如圖：5個含水層被4個弱透水層所阻隔。當含水層3中抽水時,短期內(nèi)相鄰的含水層2與4的水位均未變動,圖中所示a的范圍構(gòu)成一個有水力聯(lián)系的單元。但當抽水持續(xù)時,最終影響將波及圖中b所示范圍,這時5個含水層與4個弱透水層構(gòu)成一個發(fā)生統(tǒng)一水力聯(lián)系的單元?？偨Y(jié)：人們把隔水層看作是確定不透水與不釋水的。本世紀40年頭雅可布提出越流概念后,人們才起先相識到,在原先劃入隔水層中的,有一類是弱透水層。弱透水層：指那些滲透性極差的巖層，一般狀況下所能供應的水量微小，似乎可以看作隔水層；但在發(fā)生越流時,由于水流的水力梯度和發(fā)生滲透的過水斷面很大，故相鄰含水層通過弱透水層交換的水量相當大，則不能再把它看作隔水層了。如：松散沉積物中的粘性土,堅硬基巖中裂隙稀有而狹小的巖層都可認為是弱透水層。CompanyLogothemegallery地下水分類：

主要依據(jù)——含水介質(zhì)的類型（賦存空間）埋藏條件（賦存部位）

表3-1含水介質(zhì)三類，埋藏三分，組合共分為9類三、地下水的類型CompanyLogothemegallery1包氣帶與飽水帶

一、包氣帶與飽水帶的劃分地下水面（水位）：地下確定深度巖石中的空隙被重力水所充溢，形成一個自由水面，以海拔高度表示稱之地下水位（一般通過打井，地下開挖來確定）CompanyLogothemegallery包氣帶與飽水帶地下水位地下水面以上稱為包氣帶；地下水面以下稱為飽水帶CompanyLogothemegallery1.1包氣帶包氣帶（zoneofaerationorzoneofunsaturation）特點：①巖石空隙未被水充溢②是固、液、氣三相介質(zhì)并存介質(zhì)水的存在形式（多樣）結(jié)合水、毛細水（各種）、重力水、氣態(tài)水包氣帶水的垂直分帶土壤水帶，中間帶（過渡帶）支持毛細水帶，毛細飽和水帶包氣帶是飽水帶中地下水參與水文循環(huán)的一個重要通道；“重力水”通過包氣帶獲得降水、地表水的入滲補給（補充），部分水又通過包氣帶將水分傳輸，蒸發(fā)，消耗出去。CompanyLogothemegallery飽水帶（saturationzone）巖石空隙被水完全充溢→是二相介質(zhì)（固相+液相水）空隙中水的存在形式：①重力水②結(jié)合水重力水：連續(xù)分布（孔隙是連通）→傳遞壓力→在水頭差作用下，地下水（空隙中的水）可以連續(xù)運動。地下開挖，坑道，巷道，基坑，打井在此帶均有重力水涌出來！

1.2飽水帶

CompanyLogothemegallery2上層滯水

當包氣帶存在局部隔（弱透）水層時,局部隔(弱透）水層上會積聚具有自由水面的重力水——上層滯水。CompanyLogo2.1上層滯水的補給、徑流、排泄上層滯水分布最接近地表,接受大氣降水的補給,通過蒸發(fā)或向隔水底板(弱透水層底板)的邊緣下滲排泄。雨季獲得補充,積存確定水量。旱季水量漸漸耗失。當分布范圍小且補給不很常常時,不能終年保持有水。2.2上層滯水的特征①水量小,動態(tài)變更顯著,只有在缺水地區(qū)才能成為小型供水水源或短暫性供水水源。②包氣帶中的上層滯水,對其下部的潛水的補給與蒸發(fā)排泄,起到確定的滯后調(diào)整作用。③上層滯水極易受污染,利用其作為飲用水源時要特別留意衛(wèi)生防護。CompanyLogothemegallery3.1潛水與潛水含水層概念潛水：地表以下，第一個具有自由表面的穩(wěn)定含水層中的水自由表面—即設有隔水層限制，與大氣干脆相通，除大氣壓強外不受其它力。穩(wěn)定—具有確定的空間連續(xù)性（范圍）以示區(qū)分上層滯水潛水含水層---賦存潛水的巖層屋建筑時的基坑排水，大堤堤角處的散浸滲漏（潛水）

3潛水與潛水含水層CompanyLogothemegallery3.2潛水幾個基本要素

潛水面：潛水的表面為自由水面，稱作潛水面；潛水含水層厚度：從潛水面到隔水底板的距離；潛水埋藏深度：潛水面到地面的距離3.3潛水的補給、徑流、排泄?jié)撍难a給：潛水含水層上面不存在完整的隔水或弱透水頂板,與包氣帶干脆連通,其全部分布范圍都可以通過包氣帶接受大氣降水、地表水的補給。潛水的徑流：

潛水在重力作用下由水位高的地方向水位低的地方徑流。潛水的排泄：

除了流入其它含水層以外,泄入大氣圈與地表水圈的方式有兩類:一類是徑流到地形低洼處,以泉、泄流等形式向地表或地表水體排泄,即徑流排泄。另一類是通過土面蒸發(fā)或植物蒸騰的形式進入大氣,即蒸發(fā)排泄。①潛水與大氣圈及地表水圈聯(lián)系親密,影響顯著。動態(tài)有明顯的季節(jié)變更特點；②潛水主動參與水循環(huán),資源易于補充復原,但受氣候影響,且含水層厚度一般比較有限,其資源通常缺乏多年調(diào)整性。③潛水的水質(zhì)主要取決于氣候、地形及巖性條件。潛水簡潔受到污染。綜上所述,潛水的基本特點是與大氣圈、地表水圈聯(lián)系親密,主動參與水循環(huán);確定這一特點的根本緣由是其埋藏特征——位置淺且上面沒有連續(xù)的隔水層。3.4潛水的特征3.5潛水面的形態(tài)：自由表面；因其埋藏條件的差異，潛水面的形態(tài)呈傾斜的、水平的、拋物線型的，或各種形態(tài)的組合；潛水面的區(qū)域輪廓與地形的變更基本一樣而較緩和?！L制潛水等水位線圖—獲得信息-資料的手段——調(diào)查、勘探，分析3.6潛水探討基本方法CompanyLogothemegallery某地潛水等水位線圖（平面）河河流流CompanyLogothemegallery通過潛水等水位線圖可以解決以下問題確定潛水流向；垂直于等水位線由高→低求潛水水力坡度；確定潛水位埋深；推斷含水層巖性和厚度變更；等水位線越密，水力梯度越大，表征含水層厚度變小或滲透性能變差。確定地下水與地表水的補給關系。CompanyLogo