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1、水文地质学基础水文地质学基础 General Hydrogeology General Hydrogeology第第3章章 岩土中的空隙和水岩土中的空隙和水本本 章章 内内 容容 3.1 岩土中的空隙岩土中的空隙3.2 岩土中的水岩土中的水3.3 与水有关的岩土性质与水有关的岩土性质3.4 有效应力原理与岩土变形破坏有效应力原理与岩土变形破坏4.1 岩土中的空隙岩土中的空隙 1.岩土空隙在地球上的岩土空隙在地球上的分布：分布：地壳表层十余公里，尤地壳表层十余公里，尤其近其近12公里公里以内。以内。2.岩土空隙的岩土空隙的水文地质意义：水文地质意义：是地下水的是地下水的赋存场所赋存场所和和运移通
2、道运移通道。3.岩土空隙的岩土空隙的描述：描述：形状形状、大小大小、多少多少、分布规律分布规律和和连通性连通性。4.岩土空隙的岩土空隙的水文地质分类：水文地质分类：松散岩土中的松散岩土中的孔隙孔隙、坚、坚硬岩石中的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。岩土中的各种空隙岩土中的各种空隙分选良好，分选良好，排列排列疏松疏松的砂的砂分选良好，分选良好，排列排列紧密紧密的砂的砂具有具有结构孔隙结构孔隙的的粘土粘土经过经过压缩的压缩的粘土粘土具有具有裂隙裂隙的岩石的岩石 具有具有溶隙溶隙及溶穴的及溶穴的可溶岩可溶岩一、孔隙一、孔隙 1.概念：概念：存在于松散的或未完全胶结的岩土颗粒之间
3、或颗存在于松散的或未完全胶结的岩土颗粒之间或颗粒集合体之间的空隙。粒集合体之间的空隙。2.分布：分布：最新沉积、新生界、主要在第四系沉积层中的碎最新沉积、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。如河边砂砾中存在的孔隙。分地层。如河边砂砾中存在的孔隙。3.特征：特征：描述量描述量多少多少多少多少形状形状大小大小大小大小分布规律分布规律连通性连通性n不具有方向性不具有方向性小而均匀小而均匀均匀均匀好好u 多少：多少：度量指标：度量指标：孔隙度（孔隙度（n n）（1 1）概念：）概念：某一体某
4、一体积积岩土（包括孔隙在内）中孔隙体岩土（包括孔隙在内）中孔隙体积积所占的所占的比例。比例。（2 2）研究意）研究意义义（作用）：（作用）：影响岩石影响岩石储容地下水的能力储容地下水的能力的大小。的大小。（3 3）测定方法：）测定方法：砂、砾等松散岩土一般用砂、砾等松散岩土一般用注水方法注水方法，粘土遇水膨胀不能；，粘土遇水膨胀不能；容重容重-比重法比重法：细砂，先测岩土的容重：细砂，先测岩土的容重r 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颗粒排列方式：等粒状：最疏松排列：立方体：等粒状：最疏松排列：立方体：n=47.62%;最紧密排列：四面体：最紧密排列：四面体：
5、n=25.95%。（。（未涉及粒未涉及粒径大小径大小，粒径大小不同，但等粒状、排列方式相同时，孔，粒径大小不同，但等粒状、排列方式相同时，孔隙度是相同的）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；分选程度不好，大颗粒分选性越好，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，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。）土力学中也称不均匀系数。）颗粒形状：颗粒形状：越不规则，越疏松，孔隙度就越大。越不规则，越疏松，孔隙度就越大。胶结充填：胶结充填：孔隙被胶结充填，孔隙度减小。孔隙被胶结
6、充填，孔隙度减小。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。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，所以粘土由于颗粒细小，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”细小粘粒团构成细小粘粒团构成颗粒集合体颗粒集合体，可形成比颗粒自身还大的结构孔隙，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集合体与集合体结
7、合构成粘性土的沉积结构粘性土的沉积结构特征。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：结构孔隙：集合体与集合体、粘粒与粘粒之间的孔隙。集合体与集合体、粘粒与粘粒之间的孔隙。次生孔隙：次生孔隙：虫孔、根系孔、干裂缝等。虫孔、根系孔、干裂缝等。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）岩石名称岩石名称砾石砾石砂砂粉砂粉砂粘土粘土孔隙度变化孔隙度变化区间区间25%-40%25%-50%35%-50%40%-70%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
8、愈大（）孔隙度超过最疏松排列的（）孔隙度超过最疏松排列的47.62，达到，达到70u 大小：大小：（1 1）研究意义）研究意义（作用）：（作用）：孔腹和孔喉孔腹和孔喉，影响，影响地下水的运动地下水的运动，尤其是孔喉直径大小对地下水流动起关键性作用。尤其是孔喉直径大小对地下水流动起关键性作用。（2 2）影响因素：）影响因素：颗粒大小颗粒大小：尤其是细小颗粒的大小，颗粒越大形成的孔隙尤其是细小颗粒的大小，颗粒越大形成的孔隙越大。越大。颗粒排列方式颗粒排列方式：理想等粒圆球状颗粒，颗粒直径为理想等粒圆球状颗粒，颗粒直径为D，孔，孔喉直径为喉直径为d 立方体排列时，立方体排列时，d=0.414D 四面
9、体排列时，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。孔喉孔喉（直径为（直径为d）与孔腹（直径为）与孔腹（直径为d）通过孔隙通道中心切面图通过孔隙通道中心切面图假定颗粒为等粒球体（直径为假定颗粒为等粒球体（直径为D）作立方体排列）作立方体排列孔隙与孔隙与粒径粒径关系关系砾石（模型）砾石（模型）砂土样品砂土样品砂砾混合样品砂砾混合样品立方体排列立方体排列四面体排列四面体排列颗粒排列形式颗粒排列形式二、裂隙二、裂隙 1.概念：概念：岩石形成以后，由于各种内、外营力的作用，使岩石形成以后，由于各种内、外营力的作用，使岩石遭到破坏而形成
10、的空隙。岩石遭到破坏而形成的空隙。2.分布：分布：主要分布在固结岩层：沉积岩、变质岩、岩浆岩主要分布在固结岩层：沉积岩、变质岩、岩浆岩等保留原来成岩孔隙，但主要是在后期应力作用下产生裂隙。等保留原来成岩孔隙，但主要是在后期应力作用下产生裂隙。3.分类：分类：按成因分：按成因分：n成岩裂隙：成岩裂隙：岩浆作用：岩浆作用：侵入、喷出，冷凝收缩（岩浆岩）侵入、喷出，冷凝收缩（岩浆岩）成岩作用成岩作用 沉积作用：沉积作用：固结、干缩固结、干缩（沉积岩）。（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。岩浆岩最普遍，玄武岩（基性）柱状节理最有水文地质意义。n风化裂隙：风化裂隙：风化作用
11、风化作用n构造裂隙：构造裂隙：构造应力作用构造应力作用n卸荷裂隙卸荷裂隙特征特征描述量描述量形状形状大小大小多少多少分布规律分布规律连通性连通性有方向性有方向性相差悬殊相差悬殊不均匀不均匀k不均匀不均匀总体：不好总体：不好局部：好，主干断裂局部：好，主干断裂大小：大小：大的有构造断裂带，小的要用显微镜看。具有级次，大构造断大的有构造断裂带，小的要用显微镜看。具有级次，大构造断裂带，次级裂带，次级-，再次一级，再次一级-。连通性：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，隙，最好找在最大断裂
12、带上，主干断裂，裂隙含水系统。裂隙含水系统。多少：多少：裂隙率裂隙率。线裂隙率：与裂隙走向垂直方向上单位长度内裂隙所。线裂隙率：与裂隙走向垂直方向上单位长度内裂隙所占的比例。占的比例。面裂隙率，体裂隙率。野外研究裂隙时应注意测定裂隙的方向、面裂隙率，体裂隙率。野外研究裂隙时应注意测定裂隙的方向、宽度、延伸长度、充填情况等，这些影响水的运动。宽度、延伸长度、充填情况等，这些影响水的运动。岩石岩石名称名称碎屑岩碎屑岩化学岩化学岩岩岩浆浆岩岩变质变质岩岩玄武岩玄武岩凝灰岩凝灰岩现现代火山岩代火山岩裂隙率裂隙率%3-301-302-52-51-124-4050各种岩石裂隙率数值表（变化范围）各种岩石裂
13、隙率数值表（变化范围）三、溶穴三、溶穴 1.概念：概念：可溶岩石在地下水的溶蚀作用下形成。可溶岩石在地下水的溶蚀作用下形成。必须在必须在原有空隙、裂隙发育原有空隙、裂隙发育基础上产生的。基础上产生的。2.分布：分布：可溶岩的沉积岩，如常见的灰岩，白云可溶岩的沉积岩，如常见的灰岩，白云岩。岩。3.种类：种类：溶孔（压水试验，石灰岩的微空隙），溶孔（压水试验，石灰岩的微空隙），溶蚀裂隙，溶隙，地下暗河。溶蚀裂隙，溶隙，地下暗河。特征特征描述量描述量形状形状大小大小多少多少分布规律分布规律连通性连通性有方向性有方向性极不均匀极不均匀KV极不均匀极不均匀总体差，局部可以很好总体差，局部可以很好形状：形
14、状：有方向性，主要在裂隙基础上进一步溶蚀而成，所以具有方向性，主要在裂隙基础上进一步溶蚀而成，所以具有裂隙特征。有裂隙特征。大小：大小：极不均匀，暗河，主干溶蚀形成。极不均匀，暗河，主干溶蚀形成。多少：多少：岩溶率岩溶率分布：分布：极不均匀（保留了裂隙特征）极不均匀（保留了裂隙特征）连通性：连通性：总体上差，局部可以很好，形成溶穴含水系统。总体上差，局部可以很好，形成溶穴含水系统。找水就要找主干，但地质开采要避免碰到主干找水就要找主干，但地质开采要避免碰到主干暗河。暗河。四、地下水分类四、地下水分类按含水介质（按含水介质（空隙特征空隙特征）分：）分：孔隙水孔隙水、裂隙水裂隙水、岩溶水岩溶水Ou
15、twash sand and gravel in a gravel pitActual tortuous flow paths through the pore spacesLimestone exposed in a road cut 第第2 2节节 岩土中水的存在形式岩土中水的存在形式地地壳壳岩岩土土中中的的水水岩土岩土“骨架骨架”中的中的水水（矿物结合水）（矿物结合水）沸石水：沸石水：方沸石方沸石(Na2Al2Si4O12nH2O)结晶水：结晶水：石膏石膏(CaSO4 2H2O)结构水：结构水：高岭石高岭石(Al4Si4O10(OH)8)岩土空隙中的水岩土空隙中的水结合水结合水 （矿物表
16、面结合水）（矿物表面结合水）强结合水强结合水弱结合水弱结合水液态水液态水重力水重力水毛细水毛细水固态水固态水气态水气态水水文地质学水文地质学的重点研究的重点研究对象对象 一、结合水一、结合水 1、概念：、概念：分布在颗粒表面分布在颗粒表面受静电引力大于重力受静电引力大于重力，而不能，而不能在自身重力作用下发生运动的那部分水。在自身重力作用下发生运动的那部分水。2、成因：、成因：带电荷的颗粒表面，带电荷的颗粒表面，一般带负电，主要存在于细小空隙、裂隙一般带负电，主要存在于细小空隙、裂隙；极性分子水，极性分子水，水分子是偶极体，被吸入；水分子是偶极体，被吸入；岩石颗粒周围水分子受到岩石颗粒周围水分
17、子受到库仑力（静电引力）库仑力（静电引力）的作用。的作用。静电引力受到距离的影响，结合水的自由不同。静电引力受到距离的影响，结合水的自由不同。3、类型及特征：、类型及特征：按牢固程度划分：按牢固程度划分：强结合水：强结合水：F 密度大于密度大于1，平均，平均2g/cm3左右左右 F 冰点：冰点：-78 F 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F 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F 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。弱结合水：弱结合水：F 排列规则，密度大于排
18、列规则，密度大于1，为，为1.31.774g/cm3F 在外力作用下可产生运动，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 F 溶解盐类能力较弱溶解盐类能力较弱 F 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 F 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。二、重力水二、重力水 距固相颗粒表面比较远，受其吸引力小，可以在自身重力距固相颗粒表面比较远，受其吸引力小，可以在自身重力下发生运动的水。下发生运动的水。岩土空隙中的重力水能够岩土空隙中的重力水能够自由流动自由流动，井、泉取用的地下水，井、泉取用的地下水都属于重力水，为水文地质学的研究重
19、点。都属于重力水，为水文地质学的研究重点。三、毛细水三、毛细水 毛细现象：毛细现象：在液体表面张力作用下，毛细管中水位在液体表面张力作用下，毛细管中水位上升一定高上升一定高 度的现象。度的现象。毛细空隙毛细空隙是岩土中的细小空隙，一般指直径小于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孔隙或宽度小于0.25mm的裂隙。的裂隙。毛细上升高度毛细上升高度与毛管直径成反比。与毛管直径成反比。松散岩石中松散岩石中细小的孔隙通道细小的孔隙通道构成毛细管，构成毛细管，在地下在地下水面以上的包气带中广泛存在毛细水。水面以上的包气带中广泛存在毛细水。结论：结论：松散岩层的颗粒越粗，孔隙越大，则
20、毛细松散岩层的颗粒越粗，孔隙越大，则毛细上升高度越小。上升高度越小。毛细水类型：毛细水类型：1.支持支持毛细水：下面有水面毛细水：下面有水面的支持。图中井的左侧表示的支持。图中井的左侧表示高水高水位位时砂层中的支持毛细水。时砂层中的支持毛细水。2.悬挂悬挂毛细水：下部没有水毛细水：下部没有水面支持。井的右侧表示面支持。井的右侧表示水位降低水位降低后后砂层中的悬挂毛细水。砂层中的悬挂毛细水。砾石层中砾石层中孔隙直径已超过毛孔隙直径已超过毛细管，故不存在支持毛细水。细管，故不存在支持毛细水。3.孔角孔角毛细水：包气带中颗毛细水：包气带中颗粒接触点上的毛细水。由于粗细粒接触点上的毛细水。由于粗细交替
21、的地质条件和水位的变化而交替的地质条件和水位的变化而形成将水滞留在孔角上。形成将水滞留在孔角上。水水 井井砾石层砾石层四、气态水、固态水及矿物中的水四、气态水、固态水及矿物中的水 在未饱和水的空隙中存在着在未饱和水的空隙中存在着气态水气态水。气态水可以随空气。气态水可以随空气或在水气压力差的作用下流动。或在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00时，液态水转为时，液态水转为固态水固态水。我国大部。我国大部分地区有分地区有季节性冻土季节性冻土。东北及青藏高原，有。东北及青藏高原，有多年冻土多年冻土，对工，对工程的破坏性比较强，融化时固态转为液态，体积变化。程的破坏性比较强，融化时
22、固态转为液态，体积变化。矿物矿物晶格内及矿物孔洞中的水，就是沸石水、结晶水及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（结构水。方沸石（NaNa2 2A1A12 2SiSi4 4O O1212nHnH2 2O)O)中沸石水，在加热时可中沸石水，在加热时可以从矿物中分离出去。以从矿物中分离出去。第第3节节 与水有关的岩土性质与水有关的岩土性质u 容水性容水性：岩石能容：岩石能容纳一定数量水的性一定数量水的性质。用。用容水度容水度表示。表示。u 给水性水性：饱水岩石在重力作用下能自由排出一定数量水的性水岩石在重力作用下能自由排出一定数量水的性质。用。用给水度水度表示。表示。u 持水
23、性持水性：岩石在重力：岩石在重力释水后能在空隙中保持一定数量水的性水后能在空隙中保持一定数量水的性质。用。用持水度持水度表示。表示。u透水性透水性：岩石允：岩石允许让水通水通过的性的性质。用。用渗透系数渗透系数或或单位吸水位吸水量表示。量表示。容水度（容水度（Mc）岩土完全岩土完全饱水水时所能容所能容纳的水的体的水的体积与岩土体与岩土体积的比的比值。若以重量若以重量计，则称容水量。称容水量。容水度与孔隙度（裂隙率、岩溶率）相等。容水度与孔隙度（裂隙率、岩溶率）相等。岩石名称岩石名称粘粘土土亚亚砂砂粉粉砂砂细细砂砂中砂中砂粗砂粗砂砾砾砂砂细砾细砾中中砾砾粗粗砾砾平均平均给给水水度度%278212
24、62725252322常见的松散岩土的平均给水度常见的松散岩土的平均给水度给水度（给水度（u）地下水位下降单位体积时，释出水的体积和疏干体积的地下水位下降单位体积时，释出水的体积和疏干体积的比值。比值。反映饱水岩石在重力作用下所能排出的最大水的体积。反映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。积岩石柱体中所能释放出的水体积。影响影响给水度水度u大小的因素：大小的因素：岩性岩性影响。有三个方面：影响。有三个方面：组成岩石的成岩石的矿物成分（决定空隙的大小、多少）
25、物成分（决定空隙的大小、多少）颗粒大小、粒大小、级配及分配及分选程度程度 空隙情况空隙情况 初始地下水埋藏深度初始地下水埋藏深度地下水位下降速率地下水位下降速率 给水度、持水度与容水度的关系水度、持水度与容水度的关系在数在数值上：上：持水度（持水度（Sr）地下水位下降时，滞留于非饱和带中而不释出的水的体地下水位下降时，滞留于非饱和带中而不释出的水的体积与单位疏干体积的比值。积与单位疏干体积的比值。松散岩土持水度数值松散岩土持水度数值岩石名称岩石名称粗砂粗砂中砂中砂细细砂砂极极细细砂砂亚亚粘土粘土粘土粘土颗颗粒大小粒大小mm2-0.50.5-0.250.25-0.10.1-0.050.05-0.
26、0020.002最大分子水容度最大分子水容度1.571.62.734.7510.844.85透水性：透水性：渗透系数（渗透系数（K）：）：称水力传导系数（称水力传导系数（hydraulic conductivity)。在各向同性介质中，单位水力梯度下的在各向同性介质中，单位水力梯度下的渗透流速渗透流速（m/d），表，表示流体通过孔隙骨架的难易程度。示流体通过孔隙骨架的难易程度。影响渗透性大小的因素影响渗透性大小的因素:对松散松散层:l 颗粒大小、形状、分粒大小、形状、分选程度、密程度、密实度、胶度、胶结情况情况 l 水水质、水温、液体、水温、液体类型。型。对坚硬岩体硬岩体：l 同松散同松散层
27、l 更取决于裂隙的几何更取决于裂隙的几何结构特征：延伸方向、构特征：延伸方向、宽度、密度、度、密度、长度、度、连通性、充填物、裂隙面的粗糙程度等。通性、充填物、裂隙面的粗糙程度等。透水性透水性透水性透水性岩性岩性渗透系数渗透系数m/d岩性岩性渗透系数渗透系数m/d亚亚粘土粘土亚亚砂土砂土粉砂粉砂细细砂砂0.001-0.10.1-0.50.5-11-5中砂中砂粗砂粗砂砾砾石石卵石卵石5-2020-5050-150100-500松散岩石渗透系数松散岩石渗透系数经验值经验值 渗透系数渗透系数K 可以通过可以通过经验公式经验公式、达西试验达西试验或或抽抽水试验水试验等方法求出。等方法求出。第第4节节
28、有效应力原理与松散岩土压密有效应力原理与松散岩土压密一一.有效应力原理有效应力原理 1925年，太沙基（年，太沙基（K.Terzaghi）提出）提出 有效应力原理：有效应力原理：有效应力有效应力=总应力总应力-孔隙水压力孔隙水压力 有效应力：岩土骨架所承受的应力。有效应力：岩土骨架所承受的应力。在封闭（或相对封闭）条件下，上覆载荷的总应力（在封闭（或相对封闭）条件下，上覆载荷的总应力（），），由饱水岩土骨架应力（由饱水岩土骨架应力（，即有效应力）与孔隙水压力（，即有效应力）与孔隙水压力（u）共）共同承受。同承受。=+u 有效应力有：有效应力有：=-u 有效应力原理应用范围有效应力原理应用范围
29、（1）孔隙水压力是连续的，对于岩土体任意水平都适用）孔隙水压力是连续的，对于岩土体任意水平都适用 （2）对于饱水含水层（或含水体），封闭（或相对封闭）对于饱水含水层（或含水体），封闭（或相对封闭）是孔隙水压力形成的必要前提是孔隙水压力形成的必要前提 （3）有效应力原理不仅适用于土体，也适用于岩体）有效应力原理不仅适用于土体，也适用于岩体二二.地下水位降低引起的土层压密地下水位降低引起的土层压密 当由于当由于抽取地下水抽取地下水引起地下水位下降时，孔隙水压力便相引起地下水位下降时，孔隙水压力便相应的降低，即浮托力减小。应的降低，即浮托力减小。然而，此时可近似地认为总应力不变，减小的这一部分浮然而，此时可近似地认为总应力不变，减小的这一部分浮托力必然要转由土层颗粒骨架承担，则托力必然要转由土层颗粒骨架承担，则有效应力增大有效应力增大。土层颗粒发生位移，排列更加紧密，孔隙度降低，土层颗粒发生位移，排列更加紧密，孔隙度降低，土层受土层受到压密到压密，表现为体积的减小，高程损失，即，表现为体积的减小，高程损失，即地面沉降地面沉降变形。变形。