巖石中的空隙與水第1頁(yè)/共51頁(yè)本章內(nèi)容2.1巖石中的空隙2.2空隙中的水2.3巖石的水理性質(zhì)第2頁(yè)/共51頁(yè)2.1巖石中的空隙巖石——水文地質(zhì)學(xué)中指堅(jiān)硬的巖石及松散的土層空隙——巖、土中各種類型的空洞的總稱

空隙是地下水賦存場(chǎng)所(places)和運(yùn)移通道(conduits)

空隙分為：

孔隙（pore）--unconsolidatedsoil--（第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)）

裂隙（fissure）--hardrock---（構(gòu)造地質(zhì)學(xué)）

溶穴（cavity）--dissolublerock--（巖溶地貌學(xué)）

下面以孔隙為例，討論描述空隙特征的有關(guān)概念，參數(shù)（指標(biāo)）和分析方法。第3頁(yè)/共51頁(yè)巖土的空隙第4頁(yè)/共51頁(yè)孔隙（pore,void）：主要存在于松散巖石中

孔隙的描述有：孔隙的大小，多少，形狀，連通與分布

松散巖石宏觀上可以分為兩大類：砂礫石與粘性土1.砂礫石孔隙大小及其影響因素

試樣a—礫石(模型)，試樣b—砂土樣品，

試樣c—砂礫混合樣品2.1.1孔隙第5頁(yè)/共51頁(yè)孔隙與粒徑關(guān)系第6頁(yè)/共51頁(yè)松散砂礫石孔隙大小與分選的關(guān)系—好、壞？第7頁(yè)/共51頁(yè)四面體排列立方體排列顆粒排列方式與孔隙大小關(guān)系第8頁(yè)/共51頁(yè)d’第9頁(yè)/共51頁(yè)立方體排列的理想等徑園球顆?？紫洞笮√卣鞯拿枋觯嚎缀?d)d=0.414D孔腹(d’)d’=0.732D四面體排列的理想等徑園球顆?？缀?d)d=0.155D第10頁(yè)/共51頁(yè)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。第11頁(yè)/共51頁(yè)2.砂礫石的孔隙度（porosity）及其影響因素

孔隙度定義：某一體積巖石（包括顆粒骨架與空隙在內(nèi)）中孔隙體積所占的比例。

孔隙度是描述松散巖石中孔隙多少的指標(biāo),通常用n表示

問：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

理想最疏松孔隙為47.64%，最緊密排列孔隙為25.95%。

b.與分選有關(guān)——下面試樣哪個(gè)孔隙度大？哪個(gè)小？

影響孔隙度大小的主要因素是試樣的分選程度。第12頁(yè)/共51頁(yè)不同顆粒大小的試樣——孔隙度？三種粒徑雖然孔隙大小各異，但孔隙度完全相同第13頁(yè)/共51頁(yè)排列不同分選不同第14頁(yè)/共51頁(yè)自然界中松散巖石的孔隙度與上述討論的略有不同，P17表2-1。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%第15頁(yè)/共51頁(yè)3.粘性土的孔隙與孔隙度

粘土顆粒?顆粒直徑＜0.005mm；?粘性土由于顆粒細(xì)小，比表面積大，連結(jié)力強(qiáng)；?粘粒在懸浮推移互相接觸時(shí)，就會(huì)連結(jié)起來形成“粘粒團(tuán)”；?細(xì)小“粘粒團(tuán)”構(gòu)成顆粒集合體；?集合體與集合體結(jié)合構(gòu)成粘性土的沉積結(jié)構(gòu)特征。

粘土孔隙粘性土如同海綿、峰窩或絮狀結(jié)構(gòu)?結(jié)構(gòu)孔隙——集合體與集合體、粘粒與粘粒之間?次生孔隙——蟲孔、根系孔、裂隙裂痕等第16頁(yè)/共51頁(yè)粘性土的結(jié)構(gòu)，不同比例電鏡掃描片第17頁(yè)/共51頁(yè)2.1.2裂隙固結(jié)的堅(jiān)硬巖石中，一般僅殘存很小部分孔隙，而存在有各種內(nèi)外力作用下產(chǎn)生的裂縫——裂隙。

按成因分為：風(fēng)化（卸荷）裂隙、成巖裂隙、構(gòu)造裂隙

裂隙：空間形態(tài)是兩向延伸長(zhǎng)，橫向延伸短的“餅狀”空隙，單個(gè)裂隙是孤立的；

裂隙巖體：從水的賦存與運(yùn)移角度來看，裂隙的描述包括：a裂隙的連通性（組數(shù)、產(chǎn)狀、長(zhǎng)度和密度）；b張開性（裂隙寬度）；c裂隙率；d充填情況。第18頁(yè)/共51頁(yè)風(fēng)化（卸荷）裂隙構(gòu)造裂隙成巖裂隙第19頁(yè)/共51頁(yè)2.1.3溶穴溶穴（solutioncavity）cavern——是擴(kuò)大了的裂隙。在孔隙或裂隙基礎(chǔ)，水流對(duì)可溶巖進(jìn)一步作用的結(jié)果溶穴可分為：溶孔、溶隙、溶洞。

巖溶巖體：要描述裂隙特征及巖溶發(fā)育特征（裂隙+溶洞）

a巖溶發(fā)育方向；b巖溶發(fā)育程度—面/體巖溶率、鉆孔遇洞率；c溶洞（方向、規(guī)模等）。第20頁(yè)/共51頁(yè)溶洞溶孔溶隙第21頁(yè)/共51頁(yè)2.1.4孔隙特征的對(duì)比空隙特征的比較

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(chǎng)。

含水介質(zhì)的空間分布與連通特征（孔隙含水介質(zhì)、裂隙含水介質(zhì)、溶質(zhì)含水介質(zhì)）是不同的。

第22頁(yè)/共51頁(yè)三種主要類型的含水介質(zhì)比較：

連通性—孔隙介質(zhì)最好，其它較差

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

空隙比率—孔隙介質(zhì)最大，裂隙最小

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2.1.4空隙特征的對(duì)比第23頁(yè)/共51頁(yè)1.什么叫孔隙度？孔隙度大與孔隙大有區(qū)別嗎？2.堅(jiān)硬的花崗巖、砂巖、灰?guī)r的空隙特征有何異同點(diǎn)？巖石中的空隙——思考題第24頁(yè)/共51頁(yè)本章內(nèi)容2.1巖石中的空隙2.2空隙中的水2.3巖石的水理性質(zhì)第25頁(yè)/共51頁(yè)2.2空隙中的水空隙中水的三種存在狀態(tài)：氣態(tài)液態(tài)固態(tài)空隙中水的三種存在形式：結(jié)合水——（absorbedwater,boundwater）重力水——（gravitationalwater;bulkwater）毛細(xì)水——（capillarywater）第26頁(yè)/共51頁(yè)結(jié)合水（absorbedwater,boundwater）

定義：附著于固體表面，在自身重力下不能運(yùn)動(dòng)的水（結(jié)合水具有一定的抗剪強(qiáng)度）

抗剪強(qiáng)度的產(chǎn)生及大小與什么有關(guān)

性質(zhì)：結(jié)合水具有固態(tài)和液態(tài)水的雙重性質(zhì)；即自身重力作用下不能運(yùn)動(dòng)，在外力作用下能夠移動(dòng)（運(yùn)動(dòng)）及變形。

意義：只要有固相表面就存在結(jié)合水，存在范圍廣，其量很?。ńY(jié)合水膜很薄），當(dāng)孔隙直徑小于2倍結(jié)合水膜厚度時(shí)，孔隙中只含有不能自由運(yùn)動(dòng)的結(jié)合水（又稱無(wú)效空間）。2.2.1結(jié)合水結(jié)合水與重力水重力水第27頁(yè)/共51頁(yè)結(jié)合水與重力水圖中隨圓形小粒代表水分子，結(jié)合水部分的水分子帶正電荷一端朝向顆粒圖中箭頭代表水分子所受合力方向第28頁(yè)/共51頁(yè)2.2.2重力水重力水（gravitationalwater;bulkwater）

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。自身重力影響下可以自由運(yùn)動(dòng)。

無(wú)重力作用下水的存在？如在太空中瓶中的水分布—受表面吸引的作用液態(tài)水的特征

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(duì)象，也是勘察的主要對(duì)象。第29頁(yè)/共51頁(yè)重力水第30頁(yè)/共51頁(yè)2.2.3毛細(xì)水毛細(xì)水（capillarywater）

1.基本概念

毛細(xì)現(xiàn)象：

第31頁(yè)/共51頁(yè)毛細(xì)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)固、液、氣三相接觸時(shí)，液體表面將受到表面張力的作用（分子間相互吸引力）。

表面張力：設(shè)想在液面上劃一根長(zhǎng)度為L(zhǎng)的線段，此線段兩邊的液面，以一定的力相互吸引，力的作用方向平行于液面而與此線段垂直，大小與線段長(zhǎng)度成正比，即為表面張力，力的大小表示為：fL式中：α－表面張力系數(shù)，單位為dyn(達(dá)因）/cm（1dyn=1×10-5N)毛細(xì)現(xiàn)象的產(chǎn)生與表面張力有關(guān)第32頁(yè)/共51頁(yè)附加表面壓強(qiáng)

Pc定義：表面張力的作用，使液面呈彎曲狀，彎曲的液面將對(duì)液面以內(nèi)的液體產(chǎn)生附加表面壓強(qiáng)。附加表面壓強(qiáng)的作用方向總是指向液體表面的曲率中心方向：凹進(jìn)的彎液面，對(duì)液體附加一個(gè)負(fù)的表面壓強(qiáng)(圖a)；凸起的彎液面，對(duì)液體附加一個(gè)正的表面壓強(qiáng)（圖b）。P=Po+PcP=Po-PcPoPoPoP=PoP=PoPo圖a圖bPcPc第33頁(yè)/共51頁(yè)

當(dāng)液面是凸形時(shí)，附加表面壓強(qiáng)是正的，此時(shí)實(shí)際表面壓強(qiáng)？

當(dāng)液面為凹形時(shí)，附加表面壓強(qiáng)是負(fù)的，此時(shí)實(shí)際表面壓強(qiáng)？

平的液面實(shí)際表面壓強(qiáng)

？附加表面壓強(qiáng)

Pc的大?。?/p>

（1）任意形狀的彎液面：所產(chǎn)生的附加表面壓強(qiáng)Pc

都可以用拉普拉斯公式表示：式中：α－表面張力系數(shù)R1、R2－液體表面的兩個(gè)主要曲率半徑P=Po+PcP=Po-PcPoPoPoP=PoP=PoPo圖a圖bPcPc第34頁(yè)/共51頁(yè)（2）半圓球形液面

設(shè)想切取一個(gè)半徑為R的半圓球形液面（如圖示）。在此液面的圓周狀邊線上都存在著指向液層內(nèi)部的表面張力；表面張力合力f為α·2πR，作用于垂直于面積為πR2的投影圓面。表面張力所引起的附加表面壓強(qiáng)Pc

為：f對(duì)任何形狀的彎液面附加表面壓強(qiáng)Pc

計(jì)算式：當(dāng)時(shí)半圓球形是任意液面的特殊形式，都可用拉普拉斯公式描述。拉普拉斯公式的函義是:彎曲的液面將產(chǎn)生一個(gè)指向液面凹側(cè)的附加表面壓強(qiáng)，附加表面壓強(qiáng)與表面張力系數(shù)成正比，與表面的曲率半徑成反比。第35頁(yè)/共51頁(yè)毛細(xì)力：

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。

毛細(xì)力的方向：作用方向始終指向彎曲液面的凹側(cè)。

凹凸彎液面是指相對(duì)于液相一側(cè)而言的凹形彎液面—負(fù)的毛細(xì)壓強(qiáng)（negative）---如同真空吸力；凸形彎液面—正的毛細(xì)壓強(qiáng)（positive）。

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?。Ｒ桓?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)上升高度也越大第36頁(yè)/共51頁(yè)2.毛細(xì)水的存在形式（statesforms）在巖石空隙中，毛細(xì)水的存在形式可分為三種：

(1)支持毛細(xì)水（supportingcapillarywater）在地下水面支持下存在的（附著水面上的），隨地下水升降而升降。上升高度與水面上部的巖石孔隙性質(zhì)有關(guān)。

(2)懸掛毛細(xì)水（suspensioncapillarywater）脫離水面，巖石細(xì)小孔隙中保留的水分。

(3)孔角毛細(xì)水（觸點(diǎn)毛細(xì)水）（cornerwater,contiguitywater?）孔角毛細(xì)水與懸掛毛細(xì)水是不同——？懸掛毛細(xì)水似串珠狀且連續(xù)分布的，孔角毛細(xì)水是孤立的第37頁(yè)/共51頁(yè)支持毛細(xì)水懸掛毛細(xì)水孔角毛細(xì)水毛細(xì)水的存在形式第38頁(yè)/共51頁(yè)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39頁(yè)/共51頁(yè)小結(jié)：巖石空隙中的水——有三種存在形式三種形式的水有差異——與受力狀態(tài)有關(guān)自己總結(jié)、比較——加深理解第40頁(yè)/共51頁(yè)本章內(nèi)容2.1巖石中的空隙2.2空隙中的水2.3巖石的水理性質(zhì)第41頁(yè)/共51頁(yè)2.3巖石的水理性質(zhì)

巖石（包括骨架與空隙在內(nèi)的總稱）水理性質(zhì)：水文地質(zhì)學(xué)主要指與水分儲(chǔ)容、釋出及運(yùn)移有關(guān)的性質(zhì)。主要包括：容水度、含水量、持水度、給水度、透水性五個(gè)方面。

2.3.1容水度__nr巖石完全飽水時(shí)，所能容納的最大水體積與巖石總體積之比。

容水度與孔隙度相等？

——反映巖石最大含水能力第42頁(yè)/共51頁(yè)2.3.2含水量（watercontent）__W

巖石中水的體積與巖石體積（包括空隙）之比。

反映巖石樣實(shí)際保留水分的狀況，（是某巖樣某時(shí)的含水狀態(tài)），又稱巖石的天然含水量W0。

飽和含水量Ws

、飽和差、飽和度2.3.3持水度（specificretention）__Sr

巖石的持水體積（地下水位下降一個(gè)單位深度，單位水平面積巖石柱體中保持于空隙中的水量）與巖石總體積之比。反映巖石的持水能力——最大保持水分的能力。第43頁(yè)/共51頁(yè)2.3.4給水度（specificyield）__μ(waterdrainedfromsoilundergravityflow)

1.定義：當(dāng)?shù)叵滤幌陆狄粋€(gè)單位高度時(shí)，單位水平面積巖石柱體，在重力作用下釋放出來的水體積，稱為給水度。

當(dāng)水位下降一個(gè)單位，土層孔隙中是否所有的水都流出來？在土層中會(huì)保留什么形式的水？

結(jié)合水(膜)，孔角毛細(xì)水，有時(shí)懸掛毛細(xì)水與支持毛細(xì)水第44頁(yè)/共51頁(yè)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？

（1）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？

第45頁(yè)/共51頁(yè)（2）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(shí)H0

＞＞hc（支持毛細(xì)水高度）

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μ