第二章-岩石中的空隙与水分

第二章岩石中的空隙与水分岩石中的空隙岩石中的水分岩石的水理性质含水层与含水系统第1节岩石中的空隙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。孔隙–松散沉积物中的空隙裂隙–坚硬岩石地层中的空隙溶穴–可溶性基岩地层中经溶蚀后的空隙第1节岩石中的空隙不同介质中的空隙特征第1节岩石中的空隙—孔隙Outwashsandandgravelinagravelpit第1节岩石中的空隙—孔隙概念：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。孔隙度（n）：或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第1节岩石中的空隙—孔隙影响孔隙度n大小的因素：–颗粒的排列方式：等体积球作立方体排列，是最疏松排列n=47.64%等体积球作四面体排列，是最紧密排列n=25.95%第1节岩石中的空隙—孔隙第1节岩石中的空隙—孔隙–颗粒大小：理论上讲（按等体积球），n与颗粒大小无关，但实际上则无理想的等体积颗粒，大小必不相等，甚至大小悬殊。一般颗粒越大，则n越大。但由于分选性的影响，往往孔隙度反而减小。实际n值可大于47.64%或小于25.95%。第1节岩石中的空隙—孔隙–分选性(sorting)分选性越差，颗粒大小越悬殊，n则越小。反之则越大。–颗粒形状形状越不规则，棱角越明显，排列越疏松，n越大。反之则越小。–胶结程度胶结越好，n越小。第1节岩石中的空隙—孔隙–特殊孔隙的影响：结构性孔隙虫孔、根孔、甘裂缝等次生空隙因此，对粘性土，它们对n的大小影响很大，不可忽视。岩石名称砾石砂粉砂粘土n变化区间0.25~0.400.25~0.500.35~0.500.40~0.70第1节岩石中的空隙—孔隙Actualtortuousflowpathsthroughtheporespaces第1节岩石中的空隙—裂隙坚硬岩石中的空隙，除沉积岩尚包含一定的原生孔隙外，其余的岩浆岩和变质岩一般均很少存在粒间孔隙。岩石中的空隙主要由各种成因的裂隙——成岩裂隙、构造裂隙和风化裂隙所构成。裂隙岩石的空隙特征，主要表现为单个裂隙或裂隙组在发育方向与几何尺寸上的差异性、分布上的不均匀性、裂隙相互间的连通性、裂隙的充填情况以及裂隙面的粗糙程度等方面，这些都对地下水的分布与运动具有重要影响。第1节岩石中的空隙—裂隙体积裂隙率（Kr）裂隙体积（Vn）与包括裂隙在内的岩石体积（V）的比值，即面积裂隙率（Ka）单位面积岩石上裂隙面积的大小。线裂隙率（Kl）垂直裂隙走向方向上单位长度上裂隙的条数。VVnKr/第1节岩石中的空隙—溶穴Limestoneexposedinaroadcut第1节岩石中的空隙—溶穴概念可溶的沉积岩，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）。岩溶率（Kk）VVrKk/第1节岩石中的空隙—三者比较空隙特征孔隙：分布均匀、连通性好、各向异性不明显裂隙：分布不均匀、连通性差、各向异性明显溶穴：以空隙大小悬殊、分布极不均匀为特征空隙发育的复杂性松散层主要发育孔隙，但粘性土失水干缩后可产生裂隙；坚硬岩石中也不全为裂隙或裂隙-溶穴。如有些沉积岩往往存在大量的原生孔隙，其数量可大大超过裂隙与溶穴。第1节岩石中的空隙—三者比较不同地区岩性空隙度比较地区岩性孔隙度（%）裂隙率（%）中国北京西山地区下奥陶统碳酸盐岩6~100.3~0.8美国斯普拉贝尔油田砂岩13小于1前苏联斯涅别林斯基油田砂岩5~270.3~0.4第2节岩石中水的存在形式第2节岩石中水的存在形式—（矿物表面）结合水(boundwater)第2节岩石中水的存在形式—（矿物表面）结合水强结合水的特点–密度大于1，平均2g/cm3左右–不受重力影响–不能流动。只有在温度105~110℃时才以气态的形式脱离颗粒表面而移动–溶解盐类能力弱–-80℃时仍不结冰第2节岩石中水的存在形式—（矿物表面）结合水–有较大的粘滞性、弹性和抗剪强度–不能传递静水压力–无导电性弱结合水(薄膜水filmwater,pellicularmoisture)的特点–密度大于1，为1.3~1.774g/cm3–不受重力影响–可以从簿膜厚的颗粒向簿膜小的颗粒方向移动，但速度十分缓慢。第2节岩石中水的存在形式—（矿物表面）结合水–溶解盐类能力较弱–冰点为-15℃–有一定的粘滞性和抗剪强度–在一定条件下（饱水带）可传递静水压力–弱结合水的外层能被植物吸收利用第2节岩石中水的存在形式—毛细水(capillarywater)概念依靠毛细力而保持在毛细空隙中的水，称为毛细水。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。毛细现象及实质将一根玻璃毛细管插入水中，毛细管内的水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。其实质是毛细张力的作用。形弯液面产生的附加压强Pc，是个负压强，称毛细负压。毛细上升高度hc(capillaryheight)和毛细上升速度式中D的单位为mm，Pc为毛细压力。对主曲率半径分别为R1和R2的毛细空隙，拉普拉斯公式：第2节岩石中水的存在形式—毛细水最细毛管最大毛细上升高度Hc：以最细毛管的直径代入上式即可。关于毛细上升速度：（1）具有不均匀性：开始时上升速度快，以后逐渐减慢，直到停止。（2）毛细空隙越大，毛细上升速度越大毛细空隙越小，毛细上升速度越小第2节岩石中水的存在形式—毛细水土的最大毛细上升高度[据西林—别克丘林，1958]第2节岩石中水的存在形式—毛细水毛细水类型–支持毛细水：存在于饱水带以上并与地下水面相连的毛细空隙中的水。能传递静水压力，当温度低于0℃时冰结。–悬挂毛细水：存在于包气带并与地下水面不相连的毛细空隙中的水。呈“悬挂”状态，经蒸发后消失。成因：入渗重力水；由支持毛细水转化而成。–孔角毛细水（触点毛细水）：颗粒与颗粒接触处孔隙狭窄地方呈点滴状态的水。结合紧密，不易移动。第2节岩石中水的存在形式—毛细水第2节岩石中水的存在形式—毛细水第2节岩石中水的存在形式—气态水概念储存并运动于未饱和岩石空隙中呈水汽状态的水。水汽来源–地表水气进入–地下水面蒸发水汽运动–从水汽压大处向水汽压小的方向运动或从绝对湿度大处向绝对湿度小的方向运动第2节岩石中水的存在形式—固态水–从温度高处向温度低的方向运动概念指以固态形式存在于岩石空隙中的水（地下冰）。我国北方冬季常形成冻土；东北及青藏高原有一部分地下水多年保持固态—多年冻土。第2节岩石中水的存在形式—矿物结合水结构水(waterofconstitution)：以H+和OH-离子形式存在于矿物结晶格架中，与矿物结合紧密。结晶水(waterofcrystallization)：以H2O分子形式存在于矿物结晶格架中，与矿物结合紧密。沸石水：以H2O分子形式存在于矿物晶格的空隙中，与矿物结合不紧密。三者差别：1结合水的数量不同；2结合水逸出程度不同：前两者需高温，后者在常温下即可逸出。第3节岩石的水理性质容水性——岩石能容纳一定数量水的性质。用容水度(specificcapacity)表示。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(specificwaterretention)表示。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(specificyield)表示。透水性——岩石允许让水通过的性质。用渗透系数或单位吸水量表示。第3节岩石的水理性质—容水度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。除膨胀性粘性土外，容水度与孔隙度（体积裂隙率、岩溶率）相当。第3节岩石的水理性质—持水度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。第3节岩石的水理性质—给水度给水度（u）单位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。在数值上第3节岩石的水理性质—给水度影响给水度大小的因素：–岩性影响。有三个方面：组成岩石的矿物成分颗粒大小、级配及分选程度空隙情况–毛细上升水及地下水埋深影响–地下水位下降速率影响第3节岩石的水理性质—给水度常见岩石的给水度岩石名称给水度（%）最大最小平均粘土亚粘土粉砂细砂中砂粗砂砾砂细砾中砾粗砾512192832353535262603310152020211312271821262725252322第3节岩石的水理性质—渗透系数单位吸水率渗透系数（K）水力坡降为1时的渗透流速。（m/d）单位吸水率（w）指单位长度的试段在单位压力水头的作用下的稳定流量。（L/min.m.m或Lu）1Lu定义为当试段压力为1MPa时,每m试段的压力流量为L/min.1L/min.m.m=100Lu第3节岩石的水理性质—渗透系数单位吸水率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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。第3节岩石的水理性质—渗透系数单位吸水率坝(闸)基岩土体透水性分类根据水利水电工程地质勘察资料内业整理规程SDJ19-78–对坚硬岩体：透水性分级单位吸水量（Lu）极严重透水大于1000严重透水1000~100较严重透水100~10中等透水10~5第3节岩石的水理性质—渗透系数单位吸水率微透水5~1极微透水小于1–对松散层：透水性分级渗透系数（m/d）极强透水大于100强透水100~25较强透水25~5弱透水5~0.2微弱透水0.2~0.02弱透水小于0.02第4节含水层与含水岩系透水层、隔水层、含水层和弱透水层–透水层(permeablestrata)：指在一般的野外条件下允许大量的水在其中运动透过的地层。–隔水层(impermeablestrata)：即不透水地层。但可以含水，甚至大量含水，如粘土地层。–含水层(water-bearingbed/strata;aquifer)：饱含水的透水层。或指能够透过并给出相当数量水的岩层。第4节含水层与含水岩系–弱透水层(aquitard;aquiclude)：指那些渗透性相当差的岩层，在一般的供排水中它们所能提供的水量微不足道，似乎可以看作隔水层的地层。如：松散层中的粘性土、基岩中的砂质页岩、泥质粉砂岩等–含水层、隔水层(aquifuge)和透水层的相对性运用时的具体条件。如岩层给水数量大小的实际意义时间尺度第4节含水层与含水岩系第4节含水层与含水岩系含水层的分类根据含水层空隙情况分：–孔隙含水层：含水层的空隙主要是孔隙。如砾石或砂砾石含水层。–裂隙含水层：含水层的空隙主要是裂隙。如砂岩裂隙含水层、花岗岩裂隙含水层。–岩溶含水层：含水层的空隙主要是溶穴。如溶孔、溶洞等充水后形成的岩溶含水层。第4节含水层与含水岩系根据含水层透水性在空间上的变化分：–均质含水层：K（x，y，z）=常量如厚层均匀的砂砾石层–非均质含水层：K（x，y，z）≠常量根据渗透性与水流运动方向的关系分：–各向同性含水层(isotropicaquifer)：Kx=Ky=Kz–各向异性含水层：Kx≠Ky≠Kz第4节含水层与含水岩系含水带、含水系统–基岩含水带地下水埋藏分布受岩性控制与地质体分布一致者，为含水层；地下水埋藏分布不受地质体限制而主要受地质构造或风化作用控制的含水形式，为含水带。其形态多种多样，如带状、脉状等。带状含水带：分布范围较宽的带状、似层状含水带–风化裂隙含水带–与岩层褶曲有关的构造裂隙含水带–岩溶含水带第4节含水层与含水岩系脉状含水带：分布范围呈狭长脉状的含水带–断层破碎带含水带–岩脉含水带–