3 岩石中的孔隙与水分

4岩石中的孔隙与水分4.1、岩石中的空隙地壳表层十余公里范围内，都或多或少存在着空隙，特别是深部一、两公里以内，空隙分布较为普遍。这就为地下水的赋存提供了必要的空间条件。按维尔纳茨基的形象说法，“地壳表层就好象是饱含着水的海绵”。岩石空隙是地下水储存场所和运动通道。空隙的多少、大小、形状、连通情况和分布规律，对地下水的分布和运动具有重要影响。将岩石空隙作为地下水储存场所和运动通道研究时，可分为三类，即：松散岩石中的孔隙，坚硬岩石中的裂隙和可溶岩石中的溶穴。4.1.1孔隙松散岩石是由大小不等的颗粒组成的。颗粒或颗粒集合体之间的空隙，称为孔隙。岩石中孔隙体积的多少是影响其储容地下水能力大小的重要因素。孔隙体积的多少可用孔隙度表示。孔隙度是指某一体积岩石(包括孔隙在内)中孔隙体积所占的比例。若以n表示岩石的孔隙度，V表示包括孔隙在内的岩石体积，Vn表示岩石中孔隙的体积，则：孔隙度：孔隙度是一个比值，可用小数或百分数表示。(1)孔隙度的大小主要取决于分选程度及颗粒排列情况，另外颗粒形状及胶结充填情况也影响孔隙度。(2)对于粘性土，结构及次生孔隙常是影响孔隙度的重要因素。%100VVnnVVnn或构成松散岩石的颗粒均为等粒圆球；当其为立方体排列时。可算得孔隙度为47.64％，为四面体排列时，孔隙度仅为25.95％。由几何学可知，六方体排列为最松散排列，四面体排列为最紧密排列，自然界中松散岩石的孔隙度大多介于此两者之间。孔隙比另一种表示松散岩石中孔隙多少的参数是孔隙比。岩石的孔隙比(e，简称隙比)是指某一体积岩石内孔隙的体积(Vn)与固体颗粒体积(Vs)的比值。孔隙比：因为V=Vn+Vs，故孔隙度与孔隙比之间有如下关系e=n/(1-n)。在涉及变形时，采用孔隙比方便些，而涉及水的储容与流动时，则采用孔隙度。100%VsVne岩石名称砾石砂粉砂粘土孔隙度变化区间25％一40％25—50％35％-50％40％一70％孔隙大小对地下水运动影响很大。孔隙通道最细小的部分称作孔喉，最宽大的部分称作孔腹(图3—4)；孔喉对水流动的影响更大，讨论孔隙大小时可以用孔喉直径进行比较。表3—1列出自然界中主要松散岩石孔隙的参考数值孔隙大小取决于颗粒大小(图4—3)。颗粒排列方式也影响孔隙大小。仍以理想等粒圆球状颗粒为例，设颗粒直径为D，孔喉直径为d，则作立方体排列时，d=0.414D(图4—4)，图4—5a)；作四面体排列时，d=0.155D(图4—5b)。对于粘性土，决定孔隙大小的不仅是颗粒大小及排列，结构孔隙及次生空隙的影响是不可忽视的。自然界中并不存在完全等粒的松散岩石。分选程度愈差，颗粒大小愈悬殊的松散岩石，孔隙度便愈小。细小颗粒充填于粗大颗粒之门的孔隙中，自然会大大降低孔隙度(图2—1中3)。当某种岩石由两种大小不等的颗粒组成，且粗大颗粒之间的孔隙，完全为细小颗粒所充填时，则此岩石的孔隙度等于由粗粒和细粒单独组成时的岩石的孔隙度的乘积。4.1.2裂隙固结的坚硬岩石，包括沉积岩、岩浆岩和变质岩，一般不存在或只保留一部分颗粒之间的孔隙，而主要发育各种应力作用下岩石破裂变形产生的裂隙。按裂隙的成因可分成岩裂隙、构造裂隙和风化裂隙。成岩裂隙是岩石在成岩过程中由于冷凝收缩(岩浆岩)或固结干缩(沉积岩)而产生的。岩浆岩中成岩裂隙比较发育，尤以玄武岩中柱状节理最有意义。构造裂隙是岩石在构造变动中受力而产生的。这种裂隙具有方向性，大小悬殊(由隐蔽的节理到大断层)，分布不均一。风化裂隙是风化营力作用下，岩石破坏产生的裂隙，主要分布在地表附近。（1）裂隙率(Kr)：是裂隙体积(Vr)与包括裂隙在内的岩石体积V的比值，除了这种体积裂隙率，还可用面裂隙率或线裂隙率说明裂隙的多少。野外研究裂隙时，应注意测定裂隙的方向、宽度、延伸长度、充填情况等100%VVr或nVVrKr4.1.3溶穴可溶的沉积岩，如岩盐、石膏、石灰岩和白云岩等，在地下水溶蚀下会产生空洞，这种空隙称为溶穴(隙)。（1）岩溶率(Kk)：溶穴的体积Vk与包括溶穴在内的岩石体积(V)的比值即为岩溶率(Kk)。100%VV或nVVKkkk岩石中的空隙，必须以一定方式连接起来构成空隙网络，才能成为地下水有效的储容空间和运移通道。松散岩石、坚硬基岩和可溶岩石中的空隙网络具有不同的特点。松散岩石中的孔隙分布于颗粒之间，连通良好，分布均匀，在不同方向上，孔隙通道的大小和多少都很接近。赋存于其中的地下水分布与流动都比较均匀。坚硬基岩的裂隙是宽窄不等，长度有限的线状缝隙，往往具有一定的方向性。按岩层的空隙类型区分为三种类型地下水——孔隙水、裂隙水和岩溶水。4.2、岩石中水的存在形式气态水固态水毛细水重力水液态水弱结合水强结合水矿物表面结合水结合水岩石空隙中的水结构水结晶水沸石水矿物结合水中的水骨架岩石地壳中岩石的水”“4.2.1、结合水受固相表面的引力大于水分子自身重力的那部分水，此部分水束缚于固相表面，不能在自身重力影响下运动。由于固相表面对水分子的吸引力自内向外逐渐减弱，结合水的物理性质也随之发生变化。因此，将最接近固相表面的结合水称为强结合水，其外层称为弱结合水。4.2.2重力水距离固体表面更远的那部分水分子，重力对它的影响大于固体表面对它的吸引力，因而能在自身重力影响下运动，这部分水就是重力水。重力水中靠近固体表面的那一部分，仍然受到固体引力的影响，水分子的排列较为整齐。这部分水在流动时呈层流状态，而不作紊流运动。远离固体表面的重力水，不受固体引力的影响，只受重力控制。4.2.3.毛细水将一根玻璃毛细管插入水中，毛细管内的冰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。松散岩石中细小的孔隙通道构成毛细篱，因此在地下水面以上的包气带中广泛存在毛细水。由于毛细力的作用，水从地下水面沿着小孔隙上升到一定高度，形成一个毛细水带，此带中的毛细水下部有地下水面支持，因此称为支持毛细水(图3一7)。3.2.4气态水、固态水及矿物中的水细粒层次与粗粒层次交互成层时，在一定条件下，由于上下弯液面毛细力的作用，在细土层中会保留与地下水面不相连接的毛细水，这种毛细水称为悬挂毛细水(图4—7)。在包气带中颗粒接触点上还可以悬留孔角毛细水(触点毛细水)，即使是粗大的卵砾石，颗粒接触处孔隙大小也总可以达到毛细管的程度而形成弯液面，将水滞留在孔角上（图4-8）。4.3与水的储容及运移有关的岩石性质岩石的多少、大小、连通程度及其分布的均匀程度，都对其储容、滞留、释出以及透过水的能力有影响。3.3.1溶水度概念：指岩石完全饱水时所能容纳的最大的水体积与岩石总体积之比值。容水度在数值上与孔隙度（裂隙率、岩溶率）相当，但大于与粘土的孔隙度。⑴重量含水量：松散岩石孔隙中所含的水量（Gw）与干燥岩石重（Gs）的比值。⑵体积含水量：含水体积（Vw）与包括孔隙在内的岩石体积(V)的比值：若水的比重为1，岩石的干容重（单位体积干土的重）为时，重量含水量与体积含水量的关系。⑶饱和含水量：孔隙充分饱水时的含水量；⑷饱和度：实际含水量与饱和含水量之比。100%GsGwWg100%VVwWvaγWvWg3.3.3给水度若使地下水面下降，则下降范围内饱水岩石及相应的支持毛细水带中的水，将因重力作用而下移并部分从原先赋存的空隙中释出。我们把地下水位下降一个单位深度，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的水的体积，称给水度(μ)。给水度与岩性、初始水位埋藏深度及地下水位下降速率等因素有关(张蔚榛等，1983)4.3.4持水度地下水位下降一个单位深度时，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，称为持水度(Sr)给水度、持水度与孔隙度的关系：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(W0)数值上相当于最大的持水度。4.3.5透水性岩石的透水性是指岩石允许水透过的能力。表征岩石透水性的定量指标是渗透系数。3.4有效应力原理与松散岩土压密3.4.1有效应力原理太沙基(Terzaghi，1925)所提出的有效应力原理可以帮助我们分析地下水位变动情况下岩石有效应力的变化以及由此引起的松散岩石压密问题。为分析简单起见，我们假定所讨论的是松散沉积物质构成的饱水砂层，取任一水平单元面积AB(或取饱水砂层顶面的A’B’水平单元面积也可)(图3—12)。则作用在所研究的单元面积AB上的总应力P为该单元之上松散岩石骨架与水的重量之和。孔隙水压力U可理解为AB平面处水对上覆地层的浮托力。由于这种浮托力的存在使实际作用于砂层骨架(颗粒)上的应力小于总应力。实际作用于砂层骨架上的应力，称作有效应力Pz。由于AB平面处应力处于平衡状态，总应力等于孔隙水压力及有效应力之和。故得：(4—2)(4—3)有效应力等于总应力减去孔隙水压力，这就是著名的太沙基有效应力原理。PzuPuPPz3.4.2地下水位变动引起的岩土压密即原先由水承受的应力由于水头降低，浮托力减少而部分地转由砂层骨架(颗粒本身)承担：(4—4)砂层是通过颗粒的接触点承受应力的。孔隙水压力降低，有效应力增加，颗粒发生位移，排列更为紧密，颗粒的接触面增加，孔隙度降低，砂层受到压密。)(uuPPzPz