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1、第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分 本章内容：本章内容：岩石中的空隙岩石中的空隙 岩石中水的存在形式岩石中水的存在形式 岩石的水理性质岩石的水理性质 第一节第一节 岩石中的空隙岩石中的空隙 一一 引言引言 1.岩石空隙在地球上的分布：地壳表层十余公里，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。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。所和运移通道。3.岩石空隙的描述：形状、大小、多少、分布规岩石空隙的描述：形状、大小、多少、分布规律和连通性。律和连通性。4.岩石空隙的水文地质分类
2、：松散岩石中的孔隙、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。坚硬岩石中的裂隙、可溶岩石中的溶穴。二、孔隙二、孔隙1.概念：存在于松散的或未完全胶结的岩石颗粒之概念：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。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。三系或中生界部分地层。3.特征：特征：多少多少即即度量指标：孔隙度（度量指标：孔隙度（n）（1）概念：某一体
3、积岩石（包括孔隙在内）中孔隙体）概念：某一体积岩石（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的比例。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）研究意义（作用）：影响岩石储容地下水的能力的大小。的大小。（3）测定方法：）测定方法：砂、砾等松散岩石一般用注水方法，粘土遇水膨胀砂、砾等松散岩石一般用注水方法，粘土遇水膨胀不能；不能；容重容重-比重法：细砂，先测岩石的容重比重法：细砂，先测岩石的容重r、比重、比重（4）孔隙度的影响因素）孔隙度的影响因素颗粒排列方式：等粒状：最疏松排列颗粒排列方式：等粒状：最疏松排列-立方体立方体-n=47.64%;最紧密排列最紧密排列-四面体：四面体：n=2
4、5.95%。(未未涉及粒径大小涉及粒径大小，粒径大小不同，但等粒状、排列方式，粒径大小不同，但等粒状、排列方式相同时，孔隙度是相同的）相同时，孔隙度是相同的）颗粒分选程度颗粒分选程度：分选性越好，孔隙度越大；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程度是指颗粒粒度的均匀程度，土力学中也称不均匀系数。）系数。）颗粒形状：越不规则，越疏松，孔隙度就越大。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。胶结充填：孔隙被胶结充填，孔
5、隙度减小。对于粘性土，还与结构孔隙、次生孔隙有关。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粘性土的孔隙与孔隙度1）粘土颗粒）粘土颗粒 粘性土：土体颗粒直径粘性土：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在悬浮推移互相接触时，就会连结起来形成“粘粒团粘粒团”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孔隙 集合体与集合体结合构成粘性土的沉积结构特征。集合体
6、与集合体结合构成粘性土的沉积结构特征。2）粘土孔隙）粘土孔隙 粘性土：蜂窝、絮状结构，如同海绵粘性土：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。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。次生孔隙：虫孔、根系孔、干裂缝等。表表2-1 松散岩石孔隙度参考数值（据弗里泽等，松散岩石孔隙度参考数值（据弗里泽等，1987）注注：（）与粒径的关系不是粒径愈大则孔隙度愈大：（）与粒径的关系不是粒径愈大则孔隙度愈大 （）孔隙度超过最疏松排列的，达到（）孔隙度超过最疏松排列的，达到70 大小大小（1）研究意义（作用）：影响地下水的运动。）研
7、究意义（作用）：影响地下水的运动。（2）影响因素：）影响因素：颗粒大小颗粒大小：尤其是颗粒的大小，颗粒越大形成：尤其是颗粒的大小，颗粒越大形成的孔隙越大。的孔隙越大。颗粒排列方式颗粒排列方式：如等粒圆球状颗粒，颗粒直径：如等粒圆球状颗粒，颗粒直径为为D，孔喉直径为，孔喉直径为d，作立方体排列时，作立方体排列时，d=0.414D；作四面体排列时，；作四面体排列时，d=0.155D。对于对于粘性土粘性土：还与结构孔隙、次生孔隙有关。：还与结构孔隙、次生孔隙有关。在岩浆岩的成岩裂隙中玄武岩（基性）柱状节理最有水文地质意义在岩浆岩的成岩裂隙中玄武岩（基性）柱状节理最有水文地质意义三、裂隙三、裂隙1.概
8、念：坚硬岩石形成以后，由于各种内外营力的作用，使岩概念：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。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。生裂隙。3.分类：按成因分分类：按成因分成岩裂隙成岩裂隙岩浆作用：侵入、喷出、冷凝收缩（岩浆岩）岩浆作用：侵入、喷出、冷凝收缩（岩浆岩）沉积作用：固结、干缩沉积作用：固结、干缩（沉积岩）。（沉积岩）。风化裂隙：后期风化作用形成的各
9、种裂隙风化裂隙：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构造裂隙：后期的构造应力作用形成的各种裂隙特征特征大小：具有级次性，如，大构造断裂带，次级造断裂带，再次大小：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。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，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，局部裂隙，最好找在最大断裂带上，主干断裂，裂隙含水系统。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。多
10、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、充填等表表2-2 各种岩石裂隙率数值表（变化范围）各种岩石裂隙率数值表（变化范围）四、溶穴或岩溶四、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。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。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、种类：溶孔（石灰岩的微空隙）、溶蚀裂隙、溶洞、地下暗河等。地下暗河等。特征：特征：形状：有方向性，主
11、要在裂隙基础上进一步溶蚀形状：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。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。大小：尺寸极不均匀，暗河，主干溶蚀形成。多少：岩溶率多少：岩溶率分布：极不均匀（保留了原有裂隙特征）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，形成溶穴含连通性：总体上差，局部可以很好，形成溶穴含水系统。水系统。五、自然界岩石空隙的复杂性五、自然界岩石空隙的复杂性 发育状况复杂：发育状况复杂：粘性土层既有孔隙也有裂隙，按水井讲，粘土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隔水层
12、，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（取的层，如河南驻马店粘土层，可以为含水层（取的是裂隙中的水）。是裂隙中的水）。坚硬岩石：既有孔隙，又有裂隙，如甘肃白垩坚硬岩石：既有孔隙，又有裂隙，如甘肃白垩系岩石。系岩石。可溶岩里保留原来的裂隙，甚至有孔隙存在。可溶岩里保留原来的裂隙，甚至有孔隙存在。六、地下水分类六、地下水分类 按含水介质（空隙特征）划分：按含水介质（空隙特征）划分：孔隙水、裂隙水、岩孔隙水、裂隙水、岩溶水溶水 岩石中的空隙必须以一定方式连接起来构成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空隙网络才能成为地下水有
13、效的储容空间和运移通道。通道。第二节第二节 岩石中水的存在形式岩石中水的存在形式 一、水的存在形式及类型一、水的存在形式及类型 二、结合水二、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、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。自身重力作用下发生运动的那部分水。2、成因：、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；隙、裂隙；极性分子水，水分子是偶极体，被吸入；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。静电岩石颗粒周围水
14、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、结合水的类型及特征：按吸附能力的程度划分强强结结合合水水密度大于密度大于1，平均，平均2g/cm3左右左右冰点：冰点：-78 类似固体，不能流动。在温度类似固体，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、弹性和抗剪强度有较大的粘滞性、弹性和抗剪强度弱弱结结合合水水排列规则，密度大于排列规则，密度大于1，为，为在外力作用下可
15、产生运动，但速度十分缓慢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溶解盐类能力较弱冰点为冰点为-15 有一定的粘滞性和抗剪强度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弱结合水的外层能被植物吸收利用三、重力水三、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。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于重力水，为水文地质学的研究重点四、毛细水四、毛细水毛细现象：在液体表面张力作用下，毛细管中水
16、位上升毛细现象：在液体表面张力作用下，毛细管中水位上升一定高一定高 度的现象。度的现象。毛细空隙是岩土中的细小空隙，一般指直径小于毛细空隙是岩土中的细小空隙，一般指直径小于1mm的孔隙或宽度小于的裂隙。的孔隙或宽度小于的裂隙。毛细上升高度与毛管直径成反比。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。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，则毛细上升高结论：松散岩层的颗粒越大，孔隙越大，则毛细上升高度越小。度越小。毛细现象的实质是毛细张力的作用毛细现象的实质是毛细
17、张力的作用 形弯液面产生的附加压强形弯液面产生的附加压强Pc，个负压强，称毛细负压。实，个负压强，称毛细负压。实验室用张力计来测定。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。水气压力差的作用下流动。岩石的温度低于岩石的温度低于0时，液态水转为固态水。我国大部分地区时，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。比较强，融化时固态转为液态，体积发送变化
18、。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。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（方沸石（Na2A12Si4O12nH2O)中沸石水，在加热时可以从矿中沸石水，在加热时可以从矿物中分离出去。物中分离出去。五、气态水、固态水及矿物中的水五、气态水、固态水及矿物中的水第第3节节 岩石的水理性质岩石的水理性质 一、一、容水性容水性岩石能容纳一定数量水的性质。用容水度表示。岩石能容纳一定数量水的性质。用容水度表示。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。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。若以重量计，则称容水
19、量。二、给水性二、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，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。用给水度表示。给水度（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。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：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）；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；颗粒大
20、小、级配及分选程度；空隙多少空隙多少；2.初始地下水埋藏深度初始地下水埋藏深度 3.地下水位下降速率地下水位下降速率影响给水度大小的因素影响给水度大小的因素表表2-3 常见的松散岩石的平均给水度常见的松散岩石的平均给水度表表2-4 松散岩石持水度数值松散岩石持水度数值 三、持水性三、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。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。用持水度表示。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，则称般为最大簿膜水层厚度
21、时的体积）。若以重量计，则称持水量。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。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：以上三者之间关系可表示如下：四、透水性四、透水性渗透系数（渗透系数（K）：水力坡降为）：水力坡降为1时的渗透流速（时的渗透流速（m/d），），K为衡量透水性能大小的指标。为衡量透水性能大小的指标。影响渗透性大小的因素影响渗透性大小的因素对松散层对松散层:颗粒大小、形状、分选程度、密实度、胶结情况、水质、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。水温、液体类型。对坚硬岩体对坚硬岩体：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、裂隙面的粗糙向、宽度、密度、长度、连通性、充填物、裂隙面的粗糙程度等。程度等。渗透系数可以通过达西试验、抽水试验、数值模拟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。计算方法等求出。表表2-5 松散岩石渗透系数经验值松散岩石渗透系数经验值