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1、岩石中的空隙与水分第1页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.1 岩石中的空隙岩石中的空隙意义意义：岩石空隙是地下水：岩石空隙是地下水储存场所储存场所和和运动通道运动通道。空隙的。空隙的多少、大多少、大小、形状、连通情况和分布规律小、形状、连通情况和分布规律，对地下水的，对地下水的分布分布和和运动运动具具有重要影响。有重要影响。分类分类：将岩石空隙作为地下水：将岩石空隙作为地下水储存场所储存场所和和运动通道运动通道研究时，可分为研究时，可分为三类三类，即：，即：松散岩石中的松散岩石中的孔隙孔隙，坚硬岩石中的坚硬岩石中的裂隙裂隙，可溶岩石中的可溶岩石中的溶穴溶穴。
2、第2页，本讲稿共55页1.分分选选良好，排列良好，排列疏松疏松的的砂；砂；2.分分选选良好，排列良好，排列紧紧密密的砂的砂3.分分选选不良的，不良的，含泥、砂含泥、砂的的砾砾石；石；4.经过经过部分部分胶胶结结的的砂岩砂岩5.5.具有具有结构性孔隙结构性孔隙的粘的粘土土6.6.经过压密的粘土经过压密的粘土7.7.具有具有裂隙裂隙的岩石的岩石8.8.具有具有溶隙溶隙及及溶穴溶穴的可溶的可溶岩岩岩石中的各种空隙岩石中的各种空隙第3页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分 d10 土中土中小于此粒径小于此粒径的土的质量占总土质量的的土的质量占总土质量的10%，也称，也称有
3、有效粒径效粒径；d60 土中土中小于此粒径小于此粒径的土的质量占总土质量的的土的质量占总土质量的60%，也称，也称限制限制粒径粒径。粒径分布的均匀程度由粒径分布的均匀程度由不均匀系数不均匀系数Cu表示：表示：Cu愈大，土愈不均匀，也即土中粗、细颗粒的大小相差愈悬殊。愈大，土愈不均匀，也即土中粗、细颗粒的大小相差愈悬殊。反之，反之，Cu愈小，愈小，d60与与d10相距愈近，曲线愈陡，表示土中的粒组变相距愈近，曲线愈陡，表示土中的粒组变化范围窄，化范围窄，土粒均匀土粒均匀。第4页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.1.1 孔隙孔隙 定义定义：松散岩石是由大小不等的
4、颗粒组成的，：松散岩石是由大小不等的颗粒组成的，颗粒或颗粒或颗粒集合颗粒集合体体之间的之间的空隙空隙，称为孔隙。，称为孔隙。意义意义：孔隙：孔隙体积的多少体积的多少是影响岩石储容地下水能力大小的重是影响岩石储容地下水能力大小的重要因素。要因素。孔隙度孔隙度：指某一体积岩石（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的：指某一体积岩石（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的比例。比例。其中，其中，n n 表示岩石的表示岩石的孔隙度孔隙度，V V 表示表示包括孔隙在内的岩石体包括孔隙在内的岩石体积积，V Vn n 表示表示岩石中孔隙的体积岩石中孔隙的体积。第5页，本讲稿共55页第6页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中
5、的空隙与水分岩石中的空隙与水分分选程度分选程度胶结充填情况胶结充填情况颗粒排列情况颗粒排列情况第7页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.1.1 孔隙孔隙 次生孔隙次生孔隙：在碳酸盐岩层中，除粒间孔隙或晶粒间孔隙所构成的：在碳酸盐岩层中，除粒间孔隙或晶粒间孔隙所构成的原生孔隙外原生孔隙外，还有由，还有由孔洞、裂隙、白云岩化所构成孔洞、裂隙、白云岩化所构成的次生孔隙。的次生孔隙。颗粒形状颗粒形状结构孔隙结构孔隙：粘性土颗粒表面带有的电：粘性土颗粒表面带有的电荷，在沉积过程中粘粒聚合，构成颗粒荷，在沉积过程中粘粒聚合，构成颗粒集合体，形成直径比颗粒本身还大的结集合体
6、，形成直径比颗粒本身还大的结构孔隙。构孔隙。第8页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.1.1 孔隙孔隙 孔隙度的影响因素孔隙度的影响因素：孔隙度的大小主要取决于孔隙度的大小主要取决于分选程度分选程度及及颗粒排列颗粒排列情况，另外情况，另外颗颗粒形状粒形状及及胶结充填情况胶结充填情况也影响孔隙度。对于粘性土，也影响孔隙度。对于粘性土，结构结构及及次生孔次生孔隙隙常是影响孔隙度的重要因素。常是影响孔隙度的重要因素。岩石名称砾石砂粉砂粘土孔隙度变化区间25%40%25%50%35%50%40%70%松散岩石孔隙度参考数松散岩石孔隙度参考数值值 第9页，本讲稿共55页
7、1.分分选选良好，排列良好，排列疏松疏松的的砂；砂；2.分分选选良好，排列良好，排列紧紧密密的砂的砂3.分分选选不良的，不良的，含泥、砂含泥、砂的的砾砾石；石；4.经过经过部分部分胶胶结结的砂岩的砂岩5.5.具有具有结构性孔隙结构性孔隙的粘土的粘土6.6.经过压密的粘土经过压密的粘土7.7.具有具有裂隙裂隙的岩石的岩石8.8.具有具有溶隙溶隙及及溶穴溶穴的可溶的可溶岩岩岩石中的各种空隙岩石中的各种空隙第10页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.1.2 裂隙裂隙 固结的固结的坚硬岩石坚硬岩石，包括沉积岩、岩浆岩和变质岩，一般不存在，包括沉积岩、岩浆岩和变质岩，一
8、般不存在或只保留一部分颗粒之间的孔隙，而主要发育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各种应力作用下岩石破裂变形产生的岩石破裂变形产生的裂隙裂隙。成岩成岩裂隙裂隙构造构造裂隙裂隙风化风化裂隙裂隙裂隙率裂隙率：体体裂隙率、裂隙率、面面裂隙率、裂隙率、线线裂隙率裂隙率第11页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分 野外研究裂隙时，应注野外研究裂隙时，应注意测定裂隙的意测定裂隙的方向方向、宽度宽度、延伸长度延伸长度、充填情况充填情况等。等。因为这些都对因为这些都对地下水地下水的运动的运动具有重要影响。具有重要影响。？第12页，本讲稿共55页第二章第二章 岩
9、石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.1.3 溶穴溶穴 可溶的沉积岩，如岩盐、石膏、石灰岩和白云岩等，在地下可溶的沉积岩，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，这种空隙称为水溶蚀下会产生空洞，这种空隙称为溶穴溶穴（隙）。（隙）。岩溶率岩溶率录像录像图片图片第13页，本讲稿共55页 2010年年9月月14日消息，一支水下洞穴潜水日消息，一支水下洞穴潜水员团队员团队10日至日至13日在西班牙波索阿日在西班牙波索阿苏苏尔尔创创造了一造了一项项新的世界新的世界纪录纪录。他他们们潜入了一个尚未开潜入了一个尚未开发发的洞穴的洞穴5.5英里英里（约约8825 米）米）深，深，打破了之前由
10、美国人打破了之前由美国人创创造的造的4.8英里（英里（约约7800米）世界米）世界纪录纪录。这这支由支由3名英国人和名英国人和1名荷名荷兰兰人人组组成的成的业业余潜水余潜水队队伍花了伍花了两天半的两天半的时间时间完成了完成了这这一壮一壮举举。珠穆朗玛峰，高度珠穆朗玛峰，高度8844.438844.43米，为世界第一高峰。米，为世界第一高峰。西太平洋的阿里亚纳海沟，深西太平洋的阿里亚纳海沟，深1100011000米米第14页，本讲稿共55页第15页，本讲稿共55页第16页，本讲稿共55页第17页，本讲稿共55页第18页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分 孔隙、裂隙
11、、溶穴不是独立存在。自然界岩石中空隙的发育孔隙、裂隙、溶穴不是独立存在。自然界岩石中空隙的发育状况远较上面所说的复杂。状况远较上面所说的复杂。总结与比较总结与比较 松散岩石松散岩石固然以固然以孔隙为主孔隙为主，但某些，但某些粘土粘土干缩后可产生干缩后可产生裂隙裂隙，而这些裂隙的水文地质意义，甚至远远超过其原有的孔隙。而这些裂隙的水文地质意义，甚至远远超过其原有的孔隙。固结程度不高的固结程度不高的沉积岩沉积岩，往往，往往既有孔隙既有孔隙，又有裂隙又有裂隙。可溶岩石，由于溶蚀不均一，有的部分可溶岩石，由于溶蚀不均一，有的部分发育溶穴发育溶穴，而有的部分，而有的部分则为则为裂隙裂隙，有时还可保留，有
12、时还可保留原生的孔隙与裂缝原生的孔隙与裂缝。第19页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分 因此，在研究岩石空隙时，必须注意观察，收集实际资料，因此，在研究岩石空隙时，必须注意观察，收集实际资料，在事实的基础上分析在事实的基础上分析空隙空隙的的形成原因形成原因及及控制因素控制因素，查明其，查明其发发育规律育规律。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、空隙、网络网络，才能成为地下水有效的，才能成为地下水有效的运移通道（运移通道（）和储容空间）和储容空间和。和。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。赋松散
13、岩石、坚硬基岩和可溶岩石中的空隙网络具有不同的特点。赋存于不同岩层中的地下水，具有不同的分布与运动特点。存于不同岩层中的地下水，具有不同的分布与运动特点。孔隙水孔隙水、裂隙水裂隙水和和岩溶水岩溶水总结与比较总结与比较 第20页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.2 岩石中水的存在形式岩石中水的存在形式地壳岩石中存在着以下各种形式的水：地壳岩石中存在着以下各种形式的水：第21页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.2.0 岩石岩石“骨架骨架”中的水（中的水（矿矿物物结结合水）合水）沸石水沸石水（也沸石结晶水）（也沸石结晶水）沸石的
14、特点：具有架状结构，在它们的晶体内，分子像沸石的特点：具有架状结构，在它们的晶体内，分子像搭架子似地连在一起，中间形成很多搭架子似地连在一起，中间形成很多空腔空腔。在这些空腔里还存。在这些空腔里还存在很多水分子，因此它们是含水矿物。在很多水分子，因此它们是含水矿物。这些水分在遇到高温时会排出来，比如用火焰去烧时，大这些水分在遇到高温时会排出来，比如用火焰去烧时，大多数沸石便会膨胀发泡，像是沸腾一般。沸石的名字就是因此多数沸石便会膨胀发泡，像是沸腾一般。沸石的名字就是因此而来。而来。沸石的一般沸石的一般结结构式构式为为A（AlO2）x（SiO2）yn（H2O）其中：其中：A为为Ca、Na、K、B
15、a、Sr等阳离子，等阳离子，x为为Al原子数，原子数，y为为Si原子数，原子数，（y/x）通常在通常在15之之间间。第22页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分 在在矿矿物晶格中物晶格中占有确定位置占有确定位置的中性的中性水分子水分子H2O，水分子的数量，水分子的数量与与该该化合物中其他化合物中其他组组分之分之间间有一定的比例。有一定的比例。由于在不同的由于在不同的矿矿物的晶格中，水分子物的晶格中，水分子结结合的合的紧紧密程度不密程度不同，因此同，因此结结晶水脱离晶格所需的温度也就不同，但一般不超晶水脱离晶格所需的温度也就不同，但一般不超过过600。通常。通常为为
16、100200。当。当结结晶水逸出晶水逸出时时，原，原矿矿物晶格物晶格便被破坏，其他原子可重新便被破坏，其他原子可重新组组合，形成合，形成另一种化合物另一种化合物。结晶水结晶水例如例如 生石膏生石膏Ca（SO4）2H2O，将石膏加，将石膏加热热到到150-170时时，大部分，大部分结结晶水失去，晶水失去，变变成成熟石膏熟石膏2CaSO4H2O；第23页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分结晶水结晶水 生石膏生石膏Ca（SO4）2H2O，加加热时热时存在存在3个排出个排出结结晶水晶水阶阶段：段：105180，首先排出，首先排出1个水分子，随后立即排出半个水分个水分子，
17、随后立即排出半个水分子，子，转变为烧转变为烧石膏石膏CaSO40.5H2O，也称熟石膏或半水石膏。，也称熟石膏或半水石膏。200220，排出剩余的半个水分子，排出剩余的半个水分子，转变为转变为型硬石型硬石膏膏CaSO4H2O(0.060.11)。约约350，转变为转变为型石膏型石膏CaSO4。1120时进时进一步一步转变为转变为型硬石膏。型硬石膏。熔融温度熔融温度1450。第24页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分五水硫酸铜晶体失水分三步：五水硫酸铜晶体失水分三步：图中两个仅以配位键与铜离子结合的水分子最先失去，大致图中两个仅以配位键与铜离子结合的水分子最先失去
18、，大致温度为温度为102。两个与铜离子以配位键结合，并且与外部的一个水分子以氢两个与铜离子以配位键结合，并且与外部的一个水分子以氢键结合的水分子随温度升高而失去，大致温度为键结合的水分子随温度升高而失去，大致温度为113。第25页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分 最外层水分子最难失去，因为它的氢原子与周围的硫酸根离子最外层水分子最难失去，因为它的氢原子与周围的硫酸根离子中的氧原子之间形成氢键，它的氧原子又和与铜离子配位的水分子中的氧原子之间形成氢键，它的氧原子又和与铜离子配位的水分子的氢原子之间形成氢键，总体上构成一种稳定的环状结构，因此破的氢原子之间形成氢键
19、，总体上构成一种稳定的环状结构，因此破坏这个结构需要较高能量。失去最外层水分子所需温度大致为坏这个结构需要较高能量。失去最外层水分子所需温度大致为258。第26页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分 呈呈H+、OH，H3O+等形式参加等形式参加矿矿物晶格的离子。物晶格的离子。这这些离子在些离子在晶格中占有确定的位置，数量上与其他元素成一定的比例，只有在晶格中占有确定的位置，数量上与其他元素成一定的比例，只有在较较高的温度（一般在数百高的温度（一般在数百摄摄氏度到氏度到1000之之间间）下，当）下，当晶格破坏晶格破坏时时，它它们们才才组组成水分子从成水分子从矿矿物中
20、析出。物中析出。含有含有结结构水的构水的矿矿物中以含物中以含OH的的为为最常最常见见 如如纤铁矿纤铁矿FeO（OH），高岭石，高岭石Al4（Si4O10）（）（OH）8结构水结构水第27页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.2.1 结结合水合水结合水与重力水结合水与重力水椭圆形小粒代表水分子，结合水部分的椭圆形小粒代表水分子，结合水部分的水分子带正电荷一端朝向颗粒水分子带正电荷一端朝向颗粒箭头代表水分子所受合力方向箭头代表水分子所受合力方向第28页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分定义定义：受固相表面的引力受固相表面的引力大于大
21、于水分子自身重力水分子自身重力的那部分水，此部分水束的那部分水，此部分水束缚于固相表面，不能在自身重力影响下运动。缚于固相表面，不能在自身重力影响下运动。固相表面的引力固相表面的引力：松散岩石的颗粒表面及坚硬岩石空隙壁面均带有：松散岩石的颗粒表面及坚硬岩石空隙壁面均带有电电荷荷，水分子又是，水分子又是偶极体偶极体，由于静电吸引，固相表面具有吸附水分子的能，由于静电吸引，固相表面具有吸附水分子的能力。力。库伦定律库伦定律 离固相表面离固相表面近近的水分子受到的静电引力的水分子受到的静电引力大大；随着；随着距离增大，引力距离增大，引力减弱减弱，受重力的影响就愈显著。，受重力的影响就愈显著。由于固相
22、表面对水分子的吸引力自内向外逐渐减弱，结合水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称为强结合水强结合水，其外层称为，其外层称为弱结合水弱结合水。第29页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分强强结结合水合水（又称吸着水）：厚度，不同研究者（又称吸着水）：厚度，不同研究者说说法不一，一般法不一，一般认为认为相当于相当于几个几个水分子的厚度水分子的厚度；也有人；也有人认为认为，可达几百个水分子厚度。水分子，可达几百个水分子厚度。水分子排列排列
23、紧紧密密，其密度平均达，其密度平均达2g/cm3左右。左右。弱弱结结合水合水（又称薄膜水又称薄膜水）：）：处处于于强强结结合水的外合水的外层层，受到固相表面的引力，受到固相表面的引力比比强强结结合水弱，但仍存在合水弱，但仍存在范德范德华华尔尔斯引力斯引力和和强强结结合水最外合水最外层层水分子水分子的静的静电电引力的合力的影响，不同学者引力的合力的影响，不同学者认为认为其其厚度厚度为为几十、几百或几十、几百或几千个水分子厚度。几千个水分子厚度。水分子水分子排列排列不如不如强强结结合水合水规则规则和和紧紧密，密，溶解溶解盐类盐类的能力的能力较较低低。弱。弱结结合水的外合水的外层层能被植物吸收利用。
24、能被植物吸收利用。水分子厚度水分子厚度：1.92510-9m（认为认为水分子是球体，其直径）水分子是球体，其直径）范德范德华华力力：是一种：是一种电电性引力（性引力（电场电场力），力），是是分子分子彼此距离彼此距离十分接近的十分接近的时时候候产产生的微弱生的微弱电电磁吸引力。磁吸引力。比如比如水分子是极性的，它水分子是极性的，它的的负负极端会吸引其它水分子的正极端。极端会吸引其它水分子的正极端。第30页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分第31页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.2.1 结结合水合水 结结合水区合水区别别于普通液
25、于普通液态态水的最大特征是水的最大特征是具有抗剪具有抗剪强强度度，即必即必须须施一定的力方能使其施一定的力方能使其发生发生变变形。形。结结合水的抗剪合水的抗剪强强度由度由内内层层向外向外层层减弱。当施加的外力超减弱。当施加的外力超过过其抗剪其抗剪强强度度时时，外，外层结层结合合水水发发生流生流动动，施加的外力愈大，施加的外力愈大，发发生流生流动动的水的水层层厚度也加大。厚度也加大。剪剪应应力力（单单位：帕斯卡）：物体由于外因（受力）而位：帕斯卡）：物体由于外因（受力）而变变形形时时，在物体内，在物体内各部分之各部分之间产间产生相互作用的内力生相互作用的内力，以，以抵抵抗抗这这种外因种外因的作用
26、，并的作用，并力力图图使物体从使物体从变变形后的位置回复到形后的位置回复到变变形前的位置形前的位置。在所考察的截面某一点。在所考察的截面某一点单单位面位面积积上的内力称上的内力称为应为应力。同截面相切的称力。同截面相切的称为为剪剪应应力或切力或切应应力。力。第32页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.2.1 结结合水合水结合水与重力水结合水与重力水椭圆形小粒代表水分子，结合水部分的椭圆形小粒代表水分子，结合水部分的水分子带正电荷一端朝向颗粒水分子带正电荷一端朝向颗粒箭头代表水分子所受合力方向箭头代表水分子所受合力方向第33页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中
27、的空隙与水分岩石中的空隙与水分定定义义：距离固体表面更：距离固体表面更远远的那部分水分子，重力的那部分水分子，重力对对它的影响它的影响大于大于固体表面固体表面对对它的吸引力，因而能在自身重力影响下运它的吸引力，因而能在自身重力影响下运动动，这这部分水就是部分水就是重力水重力水。靠近靠近固体表面的那一部分，仍然受到固体引力的影响，水固体表面的那一部分，仍然受到固体引力的影响，水分子的排列分子的排列较为较为整整齐齐。这这部分水在流部分水在流动时动时呈呈层层流流状状态态，而，而不作不作紊流紊流运运动动。远离远离固体表面的重力水，不受固体引力的影响，只受重固体表面的重力水，不受固体引力的影响，只受重力
28、控制。力控制。这这部分水在流速部分水在流速较较大大时时容易容易转为转为紊流紊流运运动动。第34页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.2.2 重力水重力水 紊流紊流：流体力学中的一个术语，：流体力学中的一个术语，是指流体从一种稳定状态是指流体从一种稳定状态向另一种稳定状态变化过程中的一种向另一种稳定状态变化过程中的一种无序状态无序状态。具体是指流体流。具体是指流体流动时各质点间的惯性力占主要地位，流体各质点不规则地流动。动时各质点间的惯性力占主要地位，流体各质点不规则地流动。层流层流：当流体：当流体速度足够小速度足够小时，流体将作时，流体将作分层平行流动分层平行
29、流动，流，流体质点的轨迹（一般说它随原始空间坐标体质点的轨迹（一般说它随原始空间坐标 x x、y y、z z和时间和时间 t t 而变）而变）是有规则的光滑曲线（最简单的情形是直线）在流动过程中，相邻是有规则的光滑曲线（最简单的情形是直线）在流动过程中，相邻质点的轨迹线彼此仅稍有差别，不同流体质点的轨迹线不相互混杂，质点的轨迹线彼此仅稍有差别，不同流体质点的轨迹线不相互混杂，这样的流动称为层流。这样的流动称为层流。第35页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.2.3 毛毛细细水水第36页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.2.4
30、 气气态态水、固水、固态态水水固固态态水水：岩石的温度低于：岩石的温度低于0，空隙中的液，空隙中的液态态水水转转化化为为固固态态水。在水。在高高纬纬度地区度地区和和中低中低纬纬度的高海拔地区度的高海拔地区，由于气候寒冷，地下都存在，由于气候寒冷，地下都存在着着多年多年冻冻土土，其，其冻结层冻结层上部有地下冰，冰上部有地下冰，冰层层厚度由几十厘米到三五米厚度由几十厘米到三五米不等。有一部分岩石不等。有一部分岩石赋赋存其中的地下水存其中的地下水多年中保持固多年中保持固态态，这这就是所就是所谓谓的多年的多年冻冻土。土。地球上多年地球上多年冻冻土面土面积积有有3500万平方千米，水量万平方千米，水量约
31、约占地球占地球总总水量水量的万分之二。在我国，的万分之二。在我国，冻冻土主要分布在土主要分布在东东北及青藏高原。北及青藏高原。气态水气态水：在在包气带包气带空隙中存在着气空隙中存在着气态态水。气水。气态态水可以随空气流水可以随空气流动动而流而流动动。另外，即使空气不流。另外，即使空气不流动动，它也能从水汽，它也能从水汽压压力（力（绝对绝对湿度）湿度）大的地方向小的地方迁移。气大的地方向小的地方迁移。气态态水在一定温度、水在一定温度、压压力条件下，与力条件下，与液液态态水相互水相互转转化，两者之化，两者之间间保持保持动动平衡。平衡。第37页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的
32、空隙与水分2.3 与水的储容及运移有关的岩石性质与水的储容及运移有关的岩石性质 岩石岩石空隙空隙的的多少多少、大小大小、连连通程度通程度及其及其分布的均匀程度分布的均匀程度，都都对对其其储储容、滞留、容、滞留、释释出以及透出以及透过过水的能力有影响。水的能力有影响。2.3.1 容水度容水度定定义义：容水度是指岩石完全：容水度是指岩石完全饱饱水水时时所能容所能容纳纳的最大的水体的最大的水体积积与与岩石岩石总总体体积积的比的比值值。一般一般说说来容水度在数来容水度在数值值上与孔隙度（裂隙率、岩溶率）相上与孔隙度（裂隙率、岩溶率）相当。但是当。但是对对于具有膨于具有膨胀胀性的粘土，充水后体性的粘土，
33、充水后体积扩积扩大，容水度大，容水度可大于孔隙度。可大于孔隙度。第38页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.3.2 含水量含水量 含水量含水量说说明松散岩石明松散岩石实际实际保留水分的状况。保留水分的状况。重量含水量重量含水量：松散岩石孔隙中所含的水量（：松散岩石孔隙中所含的水量（Gw）与干燥岩石重）与干燥岩石重（Gs）的比）的比值值体体积积含水量含水量：含水体：含水体积积（Vw）与包括孔隙在内的岩石体）与包括孔隙在内的岩石体积积（V）的的比比值值若水的若水的比重比重为为1，岩石的干容重（，岩石的干容重（单单位体位体积积干土的重）干土的重）为为重量含水量与体重
34、量含水量与体积积含水量的关系含水量的关系第39页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.3.2 含水量含水量饱饱和含水量和含水量Ws：孔隙充分：孔隙充分饱饱水水时时的含水量的含水量饱饱和差和差：饱饱和含水量与和含水量与实际实际含水量之含水量之间间的差的差值值饱饱和度和度：实际实际含水量与含水量与饱饱和含水量之比和含水量之比 比比重重：也称：也称相对密度相对密度，固体和液体的比重是该物质的密度与，固体和液体的比重是该物质的密度与在标准大气压，在标准大气压，3.983.98时时纯纯H H2 2O O的密度（的密度（999.972 kg/m999.972 kg/m3 3
35、）的比值。）的比值。气体的比重是指该气体的密度与标准状况下空气密度的比值。液体气体的比重是指该气体的密度与标准状况下空气密度的比值。液体或固体的比重说明了它们在另一种流体中是下沉还是漂浮。或固体的比重说明了它们在另一种流体中是下沉还是漂浮。比重是无量纲量，即比重是无单位的值，一般情形下随比重是无量纲量，即比重是无单位的值，一般情形下随温度、压力而变。密度是有量纲的量，比重是无量纲的量。温度、压力而变。密度是有量纲的量，比重是无量纲的量。第40页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.3.3 给给水度水度定定义义：我：我们们把地下水位下降一个把地下水位下降一个单单位
36、深度，从地下水位延位深度，从地下水位延伸到地表面的伸到地表面的单单位水平面位水平面积积岩石柱体，岩石柱体，在重力作用下在重力作用下释释出出的水的体的水的体积积，称称为给为给水度水度。例如，地下水位下降例如，地下水位下降 2m，1m2水平面水平面积积岩石柱体，在重力作用下岩石柱体，在重力作用下释释出的水的体出的水的体积为积为0.2m3（相当于水柱高度（相当于水柱高度0.2m），），则给则给水度水度为为 0.1或或 10。影响因素影响因素：对对于均于均质质的松散岩石，的松散岩石，给给水度的大小与水度的大小与岩性岩性、初始地下初始地下水位埋藏深度水位埋藏深度以及以及地下水位下降速率地下水位下降速率等
37、因素有关。等因素有关。单单位体位体积积岩石体在重力作用下岩石体在重力作用下释释出的水的体出的水的体积积第41页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.3.3 给给水度水度岩性岩性对给对给水度的影响主要表水度的影响主要表现为现为空隙的大小与多少空隙的大小与多少。例如，例如，颗颗粒粒粗粗大大的的松散松散岩石，岩石，裂隙裂隙比比较宽较宽大大的的坚坚硬岩石，硬岩石，以及具有溶穴的以及具有溶穴的可溶岩可溶岩，空隙空隙宽宽大大，重力，重力释释水水时时，滞留滞留于岩于岩石空隙中的石空隙中的结结合水合水与与孔角毛孔角毛细细水水较较少少，理想条件下理想条件下给给水度的水度的值值接接
38、近孔近孔隙度、隙度、裂隙率与岩溶率。裂隙率与岩溶率。相反，相反，若若空隙空隙细细小小（如粘性土），重力（如粘性土），重力释释水水时时大部分水以大部分水以结结合水与合水与悬悬挂毛挂毛细细水形式滞留于空隙中，水形式滞留于空隙中，给给水度往往很小。水度往往很小。第42页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.3.3 给给水度水度常常见见松散岩石的松散岩石的给给水度水度第43页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.3.3 给给水度水度当当初始地下水位埋藏初始地下水位埋藏深度深度小于小于最大毛最大毛细细上升高上升高度度时时，地下水位下降后，地
39、下水位下降后，重力水的一部分将重力水的一部分将转转化化为为支持毛支持毛细细水而保留于地下水而保留于地下水面之上，从而使水面之上，从而使给给水度水度偏小。偏小。第44页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.3.3 给给水度水度可能的原因可能的原因 1）重力重力释释水水并非瞬并非瞬时时完成，而往往完成，而往往滞后滞后于水位下降；于水位下降；2）迅速迅速释释水水时时大大、小孔道小孔道释释水不同步水不同步，大的孔道，大的孔道优优先先释释水，水，在小孔道中形成在小孔道中形成悬悬挂毛挂毛细细水而不能水而不能释释出。出。常常见见松散岩石的松散岩石的给给水度水度地下水位下降速率
40、地下水位下降速率第45页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.3.4 持水度持水度定定义义：地下水位下降一个：地下水位下降一个单单位深度，位深度，单单位水平面位水平面积积岩石岩石柱体反抗重力而保持于岩石空隙中的水量，称作持水度。柱体反抗重力而保持于岩石空隙中的水量，称作持水度。包气包气带带充分重力充分重力释释水而又未受到蒸水而又未受到蒸发发、蒸、蒸腾腾消耗消耗时时的的含水量称作含水量称作残留含水量残留含水量数数值值上相当于最大的持水度。上相当于最大的持水度。给给水度、持水度与孔隙度的水度、持水度与孔隙度的关系关系影响因素影响因素第46页，本讲稿共55页第二章第二
41、章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.3.5 透水性透水性岩石允岩石允许许水透水透过过的能力的能力以松散岩石以松散岩石为为例，分析一个例，分析一个理想孔隙通道理想孔隙通道中水的运中水的运动动情况情况第47页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.3.5 透水性透水性岩石允岩石允许许水透水透过过的能力的能力 圆圆管状孔隙通道的管状孔隙通道的纵纵断面，孔隙的断面，孔隙的边缘边缘上上分布着在分布着在寻寻常条常条件下不运件下不运动动的的结结合水合水，其余部分是重力水其余部分是重力水。由于附着于隙壁的。由于附着于隙壁的结结合水合水层对层对于重力水，以及重力水于重力水，
42、以及重力水质质点之点之间间存在着存在着摩擦阻力摩擦阻力，最近，最近边缘边缘的重力水流速的重力水流速趋趋于零，中心部分流速最大。于零，中心部分流速最大。结论结论：孔隙直径愈小，：孔隙直径愈小，结结合水所占据的无效空合水所占据的无效空间间愈大，愈大，实实际际渗流断面就愈小；同渗流断面就愈小；同时时，孔隙直径愈小，可能达到的最大流，孔隙直径愈小，可能达到的最大流速愈小。速愈小。因此因此，孔隙直径愈小，透水性就愈差孔隙直径愈小，透水性就愈差。当孔隙直径小于两倍。当孔隙直径小于两倍结结合水合水层层厚度厚度时时，在，在寻寻常条件下就不透水。常条件下就不透水。第48页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空
43、隙与水分岩石中的空隙与水分2.3.5 透水性透水性 把松散岩石中的全部孔隙通道把松散岩石中的全部孔隙通道概化概化为为一束相互平行的等径一束相互平行的等径圆圆管，管，则则不不难难推知推知：当当孔隙度一定孔隙度一定而而孔隙直径愈大孔隙直径愈大，则圆则圆管通道的数量愈少，管通道的数量愈少，但有效渗流但有效渗流断面愈大，断面愈大，透水能力就愈透水能力就愈强强；反之反之，孔，孔隙直径愈小，透水能力就愈弱。隙直径愈小，透水能力就愈弱。由此可由此可见见，决定透水性好坏的决定透水性好坏的主要主要因素因素是孔隙大小；只有是孔隙大小；只有在孔隙大小达到一定程度，孔隙度才在孔隙大小达到一定程度，孔隙度才对对岩石的透
44、水性起作用，孔岩石的透水性起作用，孔隙度愈大，透水性愈好。隙度愈大，透水性愈好。第49页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分2.3.5 透水性透水性第50页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分b概化概化为为沿程等沿程等经经的的圆圆管管a孔隙通道原型孔隙通道原型c概化概化为为沿程不等径沿程不等径圆圆管管第51页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分 实际实际的孔隙通道并不是直径均一的的孔隙通道并不是直径均一的圆圆管，而是直径管，而是直径变变化、化、断面形状复断面形状复杂杂的管道系的管道系统统（图图a）。岩石的
45、透水能力并）。岩石的透水能力并不取决不取决于于平均孔隙直径（平均孔隙直径（图图b），而在很大程度上取决于最小的孔隙直径（），而在很大程度上取决于最小的孔隙直径（图图c）（木桶原理）（木桶原理）实际实际的孔隙通道也不是直的孔隙通道也不是直线线的，而是曲折的（的，而是曲折的（图图a）。）。孔隙通道愈弯曲，水孔隙通道愈弯曲，水质质点点实际实际流程就愈流程就愈长长，克服摩擦阻力所消耗，克服摩擦阻力所消耗的能量就愈大。的能量就愈大。孔隙孔隙大小大小孔隙通道沿程直径的孔隙通道沿程直径的变变化和曲折性化和曲折性颗颗粒粒分分选选程程度度孔孔隙隙度度第52页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中
46、的空隙与水分2.4 有效有效应应力原理与松散岩土力原理与松散岩土压压密密意意义义：太沙基（：太沙基（Terzaghi，1925）所提出的有效）所提出的有效应应力原理可以力原理可以帮助我帮助我们们分析地下水位分析地下水位变动变动情况下岩石有效情况下岩石有效应应力的力的变变化以及由此化以及由此引起的松散岩石引起的松散岩石压压密密问题问题。太沙基太沙基，美籍奥地利土力学家，现代土力学的创始人。，美籍奥地利土力学家，现代土力学的创始人。早期广泛地从事工程地质和岩土工程的实践工作，接触到早期广泛地从事工程地质和岩土工程的实践工作，接触到大量的土力学问题。后期转入教学岗位，从事土力学的教大量的土力学问题。后期转入教学岗位，从事土力学的教学和研究工作，并着手建立现代土力学。学和研究工作，并着手建立现代土力学。第53页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分第54页，本讲稿共55页第二章第二章 岩石中的空隙与水分岩石中的空隙与水分第55页，本讲稿共55页