2 第二章 岩石中的空隙

第二章岩石中的空隙与水分本章内容：岩石中的空隙岩石中水的存在形式岩石的水理性质有效应力原理与松散岩土压密第一节岩石中的空隙•一引言•1.岩石空隙在地球上的分布：地壳表层十余公里，尤其近一、两公里以内。•2.岩石空隙的水文地质意义：是地下水的赋存场所和运移通道。•3.岩石空隙的描述：形状、大小、多少、分布规律和连通性。•4.岩石空隙的水文地质分类：松散岩石中的孔隙、坚硬岩石中的裂隙、可溶岩石中的溶穴。•二、孔隙•1.概念：存在于松散的或未完全胶结的岩石颗粒之间或颗粒集合体之间的空隙。•2.分布：最新沉积、新生界、主要在第四系沉积层中的碎石土、砂土、粘土等，其次是胶结不完全的第三系或中生界部分地层。•3.特征：•多少•度量指标：孔隙度（n）•（1）概念：某一体积岩石（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的比例。••（2）研究意义（作用）：影响岩石储容地下水的能力的大小。•（3）测定方法：•砂、砾等松散岩石一般用注水方法，粘土遇水膨胀不能；•容重-比重法：细砂，先测岩石的容重r、比重（4）孔隙度的影响因素颗粒排列方式：等粒状：最疏松排列----立方体---n=47.64%;最紧密排列---四面体：n=25.95%。(未涉及粒径大小，粒径大小不同，但等粒状、排列方式相同时，孔隙度是相同的）颗粒分选程度：分选性越好，孔隙度越大；分选程度不好，大颗粒孔隙被小颗粒充填，降低孔隙。（分选程度是指颗粒粒度的均匀程度，土力学中也称不均匀系数。）颗粒形状：越不规则，越疏松，孔隙度就越大。胶结充填：孔隙被胶结充填，孔隙度减小。对于粘性土，还与结构孔隙、次生孔隙有关。•粘性土的孔隙与孔隙度•（1）粘土颗粒•粘性土：土体颗粒直径﹤0.005mm•粘土由于颗粒细小，比表面积大，颗粒表面常带有电荷，所以连结力强•粘粒在悬浮推移互相接触时，就会连结起来形成“粘粒团”•细小粘粒团构成颗粒集合体，可形成比颗粒自身还大的结构孔隙•集合体与集合体结合构成粘性土的沉积结构特征。•（2）粘土孔隙•粘性土：蜂窝、絮状结构，如同海绵•结构孔隙：集合体与集合体、粘粒与粘粒之间的孔隙。•次生孔隙：虫孔、根系孔、干裂缝等。•表2-1松散岩石孔隙度参考数值（据弗里泽等，1987）•注：（１）与粒径的关系不是粒径愈大则孔隙度愈大•（２）孔隙度超过最疏松排列的47.64％，达到70％•大小•（1）研究意义（作用）：孔腹和孔喉，影响地下水的运动，尤其是孔喉直径大小对地下水流动起关键性作用。•（2）影响因素：•颗粒大小：尤其是细小颗粒的大小，颗粒越大形成的孔隙越大。•颗粒排列方式：理想等粒圆球状颗粒，颗粒直径为D，孔喉直径为d，作立方体排列时，d=0.414D；作四面体排列时，d=0.155D。•对于粘性土：还与结构孔隙、次生孔隙有关。•三、裂隙•1.概念：坚硬岩石形成以后，由于各种内外营力的作用，使岩石遭到破坏而形成的空隙。•2.分布：主要分布在坚硬岩层：除沉积岩、变质岩、岩浆岩等保留原生成岩孔隙外，主要是在后期构造应力作用下产生后生裂隙。•3.分类：按成因分：•成岩裂隙岩浆作用：侵入、喷出、冷凝收缩（岩浆岩）沉积作用：固结、干缩（沉积岩）。•岩浆岩最普遍，玄武岩（基性）柱状节理最有水文地质意义。•风化裂隙：后期风化作用形成的各种裂隙；•构造裂隙：后期的构造应力作用形成的各种裂隙；•４．特征•大小：具有级次性，如，大构造断裂带，次级造断裂带，再次一级造断裂带，小到用显微镜进行微观裂隙观测。•连通性：总体上不好，局部可能很好，形成裂隙系统。找水，局部裂隙，最好找在最大断裂带上，主干断裂，裂隙含水系统。•多少：裂隙率。包括线裂隙率、面裂隙率和体裂隙率。在野外研究裂隙时，测定裂隙的方向、宽度、延伸长度、充填等。•表2-2各种岩石裂隙率数值表（变化范围）•四、溶穴或岩溶•1.概念：具有可溶岩石裂隙，在地下水流作用下形成。•2.分布：可溶岩的沉积岩，如常见的灰岩，白云岩。•3.种类：溶孔（石灰岩的微空隙）、溶蚀裂隙、溶洞、地下暗河等。•４．特征：•形状：有方向性，主要在裂隙基础上进一步溶蚀而成，所以具有裂隙特征。•大小：尺寸极不均匀，暗河，主干溶蚀形成。•多少：岩溶率•分布：极不均匀（保留了原有裂隙特征）•连通性：总体上差，局部可以很好，形成溶穴含水系统。•五、自然界岩石空隙的复杂性•发育状况复杂：•粘性土层既有孔隙也有裂隙，按水井讲，粘土--隔水层，若粘土中有存在干缩裂隙可以为含水层，如河南驻马店粘土层，可以为含水层（取的是裂隙中的水）。•坚硬岩石：既有孔隙，又有裂隙，如甘肃白垩系岩石。•可溶岩里保留原来的裂隙，甚至有孔隙存在。•六、地下水分类•按含水介质（空隙特征）划分：孔隙水、裂隙水、岩溶水•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。第二节岩石中水的存在形式一、水的存在形式及类型•二、结合水•1、概念：分布在颗粒表面受静电引力大于重力，而不能在自身重力作用下发生运动的那部分水。•2、成因：•带电荷的固体土颗粒表面，一般带负电，主要存在于细小空隙、裂隙；•极性分子水，水分子是偶极体，被吸入；•岩石颗粒周围水分子受到库仑力（静电引力）的作用。静电引力受到距离的影响，结合水的自由不同3、结合水的类型及特征：按吸附能力的程度划分强结合水密度大于1，平均2g/cm3左右冰点：-78℃类似固体，不能流动。在温度105℃上才能以气态的形式脱离颗粒表面溶解盐类能力弱、不能为植物吸收有较大的粘滞性、弹性和抗剪强度弱结合水排列规则，密度大于1，为1.3~1.774g/cm3在外力作用下可产生运动，但速度十分缓慢溶解盐类能力较弱冰点为-15℃有一定的粘滞性和抗剪强度弱结合水的外层能被植物吸收利用•三、重力水•距固相颗粒表面比较远，受其吸引力小，可以在重力下发生运动的水。•岩土空隙中的重力水能够自由流动，井、泉取用的地下水都属于重力水，为水文地质学的研究重点四、毛细水毛细现象：在液体表面张力作用下，毛细管中水位上升一定高度的现象。毛细空隙是岩土中的细小空隙，一般指直径小于1mm的孔隙或宽度小于0.25mm的裂隙。毛细上升高度与毛管直径成反比。松散岩石中细小的孔隙通道构成毛细管，在地下水面以上的包气带中广泛存在毛细水。结论：松散岩层的颗粒越大，孔隙越大，则毛细上升高度越小。•毛细现象的实质是毛细张力的作用。形弯液面产生的附加压强Pc，个负压强，称毛细负压。实验室用张力计来测定。在未饱和水的空隙中存在着气态水。气态水可以随空气或在水气压力差的作用下流动。岩石的温度低于0℃时，液态水转为固态水。我国大部分地区有季节性冻土。东北及青藏高原，有多年冻土，对工程的破坏性比较强，融化时固态转为液态，体积发送变化。矿物晶格内及矿物孔洞中的水，就是沸石水、结晶水及结构水。方沸石（Na2A12Si4O12·nH2O)中沸石水，在加热时可以从矿物中分离出去。五、气态水、固态水及矿物中的水第3节岩石的水理性质•一、容水性•岩石能容纳一定数量水的性质。用容水度表示。•容水度（Mc）•单位体积饱水岩石中所能容纳的最大水的体积。若以重量计，则称容水量。•二、给水性•饱水岩石在重力作用下能自由排出一定数量水的性质，用给水度表示。•给水度（u）•单位体积的饱水岩石在重力作用下所能排出的最大水的体积。即当地下水位下降一个单位时，在重力作用下单位水平面积岩石柱体中所能释放出的水体积。1.岩性影响，主要为：组成岩石的矿物成分（决定空隙的大小、多少）；颗粒大小、级配及分选程度；空隙多少；2.初始地下水埋藏深度3.地下水位下降速率影响给水度大小的因素•表2-3常见的松散岩石的平均给水度•表2-4松散岩石持水度数值••三、持水性•岩石在重力释水后能在空隙中保持一定数量水的性质。用持水度表示。•持水度（Sr）•重力释水后单位体积岩石中所能保持的最大水体积（一般为最大簿膜水层厚度时的体积）。若以重量计，则称持水量。•若空隙中除持有最大簿膜水外，还保持有一定量的悬挂毛细水和孔角水，则称田间持水度或田间持水量。以上三者之间关系可表示如下：四、透水性渗透系数（K）：水力坡降为1时的渗透流速（m/d），K为衡量透水性能大小的指标。影响渗透性大小的因素对松散层:颗粒大小、形状、分选程度、密实度、胶结情况、水质、水温、液体类型。对坚硬岩体：同松散层一样，但更取决于裂隙的几何结构特征：延伸方向、宽度、密度、长度、连通性、充填物、裂隙面的粗糙程度等。渗透系数可以通过达西试验、抽水试验、数值模拟计算方法等求出。表2-5松散岩石渗透系数经验值