水文地质学基础第二章岩石中的空隙与水2.ppt

1、LOGO主讲教师：张卫民主讲教师：张卫民Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地质学基础第二章第二章 岩石中的空隙与水岩石中的空隙与水（下）（下）The Interstices and Water in Rocks本章内容本章内容 2.1 岩石中的空隙岩石中的空隙2.2 岩石空隙中的水岩石空隙中的水 2.3 岩石的水理性质岩石的水理性质Company Logo2.2 岩石空隙中的水岩石空隙中的水存在形式：存在形式：设想实验设想实验：材料：材料（小石子、细管小石子、细管）+水（水杯）水（水杯）（1 1）在小石子之上滴上几滴水，小石子上就会有残留水？在小石子之上滴上几滴水，小

2、石子上就会有残留水？（2 2）在饱水试样中，小石子上和小石子孔隙间的水？在饱水试样中，小石子上和小石子孔隙间的水？（3）将玻璃细管插入水中，取出，管中残留水？）将玻璃细管插入水中，取出，管中残留水？通过上述通过上述3例及图示例及图示空隙中水的存在形式：空隙中水的存在形式：结合水结合水（absorbed water,bound waterabsorbed water,bound waterabsorbed water,bound waterabsorbed water,bound water）重力水重力水（gravitational gravitational gravitational gra

3、vitational water;bulkwater;bulkwater;bulkwater;bulk water water water water）毛细水毛细水（capillary watercapillary watercapillary watercapillary water）Company Logo2.2.1 结合水结合水结合水（结合水（absorbed water,bound water）v（1）定义）定义 附着于固体表面，在自身重力下不能运动的水附着于固体表面，在自身重力下不能运动的水v（2）类型）类型 强结合水：强结合水：离固相颗粒表面非常近的水；离固相颗粒表面非常近的水；弱

4、结合水弱结合水：离固相颗粒表面较远的水。离固相颗粒表面较远的水。v（3）性质）性质 结结合合水水具具有有固固态态和和液液态态水水的的双双重重性性质质，即即在在自自身身重重力力作作用用下下不不能能运运动动，在在外外力力作作用用下下能能够够移移动动（运运动动）及变形，也可以说其具有一定的及变形，也可以说其具有一定的抗剪强度抗剪强度。？抗剪强度的产生与大小与什么有关？抗剪强度的产生与大小与什么有关？表面引力（固相表面与水分子间静电引力）表面引力（固相表面与水分子间静电引力）服从库仑服从库仑定律，随固体表面的距离加大而减弱定律，随固体表面的距离加大而减弱 结合水与重力水结合水与重力水Company L

5、ogo结合水与重力水结合水与重力水Company Logo 表面引力表面引力服从库仑定律，服从库仑定律，随固体表面的距离加大而减弱随固体表面的距离加大而减弱结合水与重力水结合水与重力水结合水结合水水分子极性与土粒水分子极性与土粒带电荷荷Company Logo重力水（重力水（gravitational water;bulk water）v 远远离离固固相相表表面面，水水分分子子受受固固相相表表面面吸吸引引力力的的影影响响极极其其微微弱弱，主主要要受受自自身身重重力力影影响响。在在自自身身重重力力影影响响下下可可以以自自由运动的水叫重力水由运动的水叫重力水v 地地层层内内岩岩石石空空隙隙中中如如

6、果果存存在在一一定定的的重重力力水水，就就可可以以通过泉，或井流出（抽出）通过泉，或井流出（抽出）v 重重力力水水是是水水文文地地质质学学研研究究的的主主要要对对象象，也也是是勘勘察察的的主要对象主要对象2.2.2 重力水重力水结合水与重力水结合水与重力水Company Logo毛细水（毛细水（capillary watercapillary water）1、基本概念、基本概念v毛细现象毛细现象：细小管插入水中，水上升至一定高度停下来细小管插入水中，水上升至一定高度停下来 在在土土层层中中挖挖个个洞洞，在在洞洞内内放放个个接接渗渗皿皿，能能否否接接到到水水?北方地窖，陕北的窑洞北方地窖，陕北的

7、窑洞v毛细力毛细力：毛毛细细水水：受受到到表表面面吸吸引引力力与与重重力力作作用用，还还有有另另一一种种力作用力作用称毛细力的作用，产生毛细现象称毛细力的作用，产生毛细现象我们可以把毛细力归纳为我们可以把毛细力归纳为3点：点：2.2.3 毛细水毛细水毛细水毛细水空隙中的水空隙中的水毛细水毛细水Company Logo毛细水，孔角毛细水毛细水，孔角毛细水毛细水，孔角毛细水毛细水，孔角毛细水Company Logo思考：思考：1.上细下粗土层，滴水，水停留在何处？上细下粗土层，滴水，水停留在何处？2.黄土层中挖平洞，下大雨后，洞内能否接到水黄土层中挖平洞，下大雨后，洞内能否接到水？毛细水毛细水 滴

8、水滴水 下雨下雨 砂土砂土 黄土黄土 器皿器皿 砾石砾石Company Logo毛细力：毛细力：n 毛细力的产生：毛细力的产生：是在三相（固、液、气）界面上内弯液面引是在三相（固、液、气）界面上内弯液面引起起液面弯曲产生的。液面弯曲产生的。n 毛细力的方向：毛细力的方向：作用方向始终指向弯曲液面的凹侧作用方向始终指向弯曲液面的凹侧n毛细力的大小：毛细力的大小：毛细力大小与弯液面的曲率成正比（曲率大毛细力大小与弯液面的曲率成正比（曲率大,毛细力大毛细力大;曲率小，毛细力小）曲率小，毛细力小）一根毛细管子，管径越小，毛细力越大；一根毛细管子，管径越小，毛细力越大；毛细力大，毛细上升高度也越大毛细力

9、大，毛细上升高度也越大2.2.3 毛细水毛细水Company Logo2 2 2 2、毛细水的存在形式（、毛细水的存在形式（、毛细水的存在形式（、毛细水的存在形式（states formsstates formsstates formsstates forms）在岩石空隙中，毛细水的存在形式可分为三种：在岩石空隙中，毛细水的存在形式可分为三种：a)a)支持毛细水（支持毛细水（supporting capillary water supporting capillary water）在在地地下下水水面面支支持持下下存存在在的的（附附着着水水面面上上的的），随随地地下下水水升升降降而而升升降降。上

10、上升升高高度度与与水水面面上上部部的的岩岩石石孔孔隙隙性性质质有关有关b)b)悬挂毛细水（悬挂毛细水（suspension capillary water suspension capillary water）脱脱离离水水面面，岩岩石石细细小小孔孔隙隙中中保保留留的的水水分分，称称为为悬悬挂挂毛毛细水细水 上细下粗土层与砂砾试样的例子？上细下粗土层与砂砾试样的例子？悬挂毛细水的高度悬挂毛细水的高度c)c)孔孔 角角 毛毛 细细 水水（触触 点点 毛毛 细细 水水）（corner corner water,water,contiguity water?contiguity water?）孔角毛细

11、水与悬挂毛细水是不同孔角毛细水与悬挂毛细水是不同？悬挂毛细水似串珠状且连续分布的，孔角毛细水是孤立的悬挂毛细水似串珠状且连续分布的，孔角毛细水是孤立的 2.2.3 毛细水毛细水支持与悬挂毛细水支持与悬挂毛细水小结小结Company Logo支持毛细水与悬挂毛细水支持毛细水与悬挂毛细水地地下下水水位位下下降降Company Logo2.2 岩石空隙中的水岩石空隙中的水小结小结小结小结岩石空隙中的水岩石空隙中的水有有三种存在形式三种存在形式三种形式的水有差异三种形式的水有差异与与受力状态受力状态有关有关自己总结、比较自己总结、比较加深理解加深理解_有比较就会有记忆有比较就会有记忆第二节第二节 岩石

12、空隙中的水岩石空隙中的水 结束结束Company Logo2.3 岩石的水理性质岩石的水理性质v 一、定义一、定义 指指岩岩石石与与水水接接触触过过程程中中表表现现出出来来的的控控制制水水分分活活动动的的各各种种性质。性质。就就水水文文地地质质学学来来说说，主主要要涉涉及及是是与与水水分分储储容容、释释出出与与运运移移有关的性质，包括：有关的性质，包括：容水度、含水量、持水度、给水度容水度、含水量、持水度、给水度v 二、水理性质二、水理性质 1 1、容水度和孔隙度（、容水度和孔隙度（porosityporosity）-nr 岩岩石石完完全全饱饱水水时时，所所能能容容纳纳的的最最大大水水体体积积

13、与与岩岩石石总总体体积之比积之比 （反映岩石最大含水能力）（反映岩石最大含水能力）孔隙度孔隙度n;容水度容水度nr？两者有何关系两者有何关系Company Logo2.3 岩石的水理性质岩石的水理性质v二、水理性质二、水理性质 1 1、容水度和孔隙度（、容水度和孔隙度（porosityporosity）-n-nr r 孔隙度孔隙度n;n;容水度容水度n nr r？两者有何关系两者有何关系 一般情况下，容水度在数值上与孔隙度（裂隙率、岩一般情况下，容水度在数值上与孔隙度（裂隙率、岩溶率）相等，但在如下情况下，二者不相等：溶率）相等，但在如下情况下，二者不相等：对于吸水后体积发生收缩或膨胀的土粒：

14、对于吸水后体积发生收缩或膨胀的土粒：吸水后膨胀时，吸水后膨胀时，nr n 吸水后收缩时，吸水后收缩时，nr n 2 2、含水量（、含水量（water contentwater content）-w-w 岩岩石石实实际际保保留留水水分分的的状状况况（是是某某岩岩样样某某时时的的含含水水状状态），又称岩石的天然含水量态），又称岩石的天然含水量 1 1）重量含水量（）重量含水量（W Wg g）：）：岩石孔隙中所含水份的重量岩石孔隙中所含水份的重量（G Gw w）与干燥岩石重量（）与干燥岩石重量（G Gs s）之比。）之比。Company Logo2.3 岩石的水理性质岩石的水理性质v二、水理性质二、

15、水理性质 2 2、含水量（、含水量（water contentwater content）-w-w 2 2）体体积积含含水水量量（W Wv v）：岩岩石石孔孔隙隙中中含含水水体体积积与与岩岩石石总体积之比。总体积之比。3 3）W Wg g与与W Wv v间的关系间的关系 在水的比重为在水的比重为1 1时，若岩石的干容重（单位体积干时，若岩石的干容重（单位体积干燥岩石的重量）为燥岩石的重量）为 ，则有：，则有：W Wg g =W Wv v 4 4）饱和含水量、饱和差、饱和度的概念）饱和含水量、饱和差、饱和度的概念 饱和含水量：饱和含水量：孔隙充分饱水时的含水量，用孔隙充分饱水时的含水量，用Ws表

16、表示。示。饱和差：饱和差：饱和含水量与实际含水量的差值。饱和含水量与实际含水量的差值。饱和度：饱和度：实际含水量与饱和含水量之比值。实际含水量与饱和含水量之比值。Company Logo2.3 岩石的水理性质岩石的水理性质v二、水理性质二、水理性质 3 3、持水度（、持水度（specific retentionspecific retention）-S Sr r 岩石的持水能力岩石的持水能力最大保持水分的能力最大保持水分的能力 定义定义1：饱水岩石在重力作用下释水，岩石中保持住饱水岩石在重力作用下释水，岩石中保持住的水体积与饱水岩石总体积之比。的水体积与饱水岩石总体积之比。定义定义2：地下水位

17、下降一个单位深度，单位水平面积地下水位下降一个单位深度，单位水平面积饱水岩石柱体中反抗重力而保持于岩石空隙中的水量饱水岩石柱体中反抗重力而保持于岩石空隙中的水量（体积）。（体积）。保持下来的水主要是什么水？保持下来的水主要是什么水？n 影响因素：影响因素：与给水度的影响因素相同，在下面介绍。与给水度的影响因素相同，在下面介绍。Company Logo二、水理性质二、水理性质 4、给水度（、给水度（specific yield）（1）、定义）、定义 定定义义1：饱饱水水岩岩石石在在重重力力作作用用下下给给出出的的水水的的体体积积与与饱饱水岩石总体积之比。水岩石总体积之比。定定义义2：当当地地下下

18、水水位位下下降降一一个个单单位位高高度度时时，单单位位水水平平面面积积岩岩石石柱柱体体，在在重重力力作作用用下下释释放放出出来来的的水水体体积积，称称为为给给水度。水度。当当水水位位下下降降一一个个单单位位，土土层层孔孔隙隙中中是是否否所所有有的的水水都都流出来？流出来？在土层中会保留什么形式的水？在土层中会保留什么形式的水？结合水结合水(膜膜)，孔角毛细水，有时悬挂毛细水与支持毛细水，孔角毛细水，有时悬挂毛细水与支持毛细水2.3 岩石的水理性质岩石的水理性质均质土包气带水分分布均质土包气带水分分布Company Logo均质土包气带水分分布均质土包气带水分分布Company Logo二、水理

19、性质二、水理性质 4、给水度（、给水度（specific yield）（2）影响给水度）影响给水度值的因素值的因素？砾砾石石、粗粗砂砂、细细砂砂、砂砂砾砾混混合合样样相相比比较较，哪哪种种样样给给水度大？水度大？1)岩性岩性：空隙大的样品，给水度大，：空隙大的样品，给水度大，n 砾砾 粗砂粗砂 粉砂粉砂（与粒径有关）（与粒径有关）颗颗粒粒细细小小者者，比比表表面面积积大大，结结合合水水与与孔孔角角毛毛细细水水残残留留多多，除除岩岩性性外外，同同一一岩岩层层中中其其它它原原因因也也可可造造成成不不同同，为什么？为什么？2.3 岩石的水理性质岩石的水理性质Company Logo二、水理性质二、水

20、理性质 4、给水度（、给水度（specific yield）（2）影响给水度）影响给水度值的因素值的因素 2)2)地下水位初始埋深（地下水位初始埋深（H H0 0）当当初初始始地地下下水水位位埋埋深深小小于于最最大大毛毛细细上上升升高高度度时时H0 hc 时时，原原重重力力水水大大多多转转化化为为支支持持毛毛细细水水，土土层层给给水水量量大大降低，大大降低，变小。变小。当当地地下下水水位位初初始始埋埋深深大大于于支支持持毛毛细细水水带带高高度度时时H0 hc,可达最大可达最大值值 土土层层含含水水量量曲曲线线分分析析：当当水水位位埋埋深深足足够够大大时时，土土层层给给水水度度不不发发生生变变化

21、化（为为定定值值），此此时时给给水水度度也也是是最最大大理论给水度理论给水度2.3 岩石的水理性质岩石的水理性质Company Logo给水度与地下水位埋深的关系给水度与地下水位埋深的关系Company Logo二、水理性质二、水理性质（2）影响给水度）影响给水度值的因素值的因素 3)与地下水位下降速度有关与地下水位下降速度有关地下水位下降快慢会影响到地下水位下降快慢会影响到 的大小的大小 （下降快（下降快理理、下降慢、下降慢理理）这是因为释水滞后，而导致的释水减量这是因为释水滞后，而导致的释水减量 4)土层结构土层结构均质土特征与上述讨论一致均质土特征与上述讨论一致岩土层为层状非均质土时，往

22、往会影响岩土层为层状非均质土时，往往会影响值，值，多多层层状状土土的的特特征征而而言言，上上粗粗下下细细，上上细细下下粗粗结结构构影影响响是不同的。是不同的。2.3 岩石的水理性质岩石的水理性质Company Logo给水度小结给水度小结野外实际测定时野外实际测定时：均均质质土土，当当地地下下水水位位初初始始埋埋深深大大于于hc，降降速速缓缓慢慢，=WS-W0初始埋深小于初始埋深小于hc时，埋深愈浅，时，埋深愈浅，水位降速愈快，水位降速愈快，一般而言，层状土一般而言，层状土小于均值土。小于均值土。给水度、持水度与孔隙度三者间关系：给水度、持水度与孔隙度三者间关系：+Sr=n结合实验课结合实验课

23、 设计研究给水度的影响因素与确定方法设计研究给水度的影响因素与确定方法给水度小结给水度小结Company Logo二、水理性质二、水理性质 5 5、透水性（、透水性（permeabilitypermeability）（先自学一下）（先自学一下）反映岩土透过水的能力反映岩土透过水的能力后续讲后续讲“地下水的运动地下水的运动”时再讨论时再讨论岩石空隙直径越大岩石空隙直径越大透水能力越强透水能力越强透水性越好！透水性越好！有效应力原理与松散岩土的压密有效应力原理与松散岩土的压密（自学（自学p24-25）第二章第二章 结束结束2.3 岩石的水理性质岩石的水理性质Company Logo本章内容本章内容 2.1 岩石中的空隙岩石中的空隙2.2 岩石空隙中的水岩石空隙中的水 2.3 岩石的水理性质岩石的水理性质Company Logo