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1、1第二章第二章 岩石中的空隙与水岩石中的空隙与水2.1 2.1 岩石中的空隙岩石中的空隙2.2 2.2 岩石空隙中水的存在形式岩石空隙中水的存在形式2.3 2.3 与水的储容运移有关的岩石水理性质与水的储容运移有关的岩石水理性质第1页/共46页22.1 2.1 岩石中的空隙岩石中的空隙 Interstices in rocks岩石岩石包括坚硬岩石及松散土。包括坚硬岩石及松散土。空隙空隙岩、土中各种类型空洞的总称。岩、土中各种类型空洞的总称。空隙是地下水的空隙是地下水的赋存场所赋存场所和和运移通道运移通道。孔隙（pore）:松散岩石颗粒间的空隙 空隙分为 裂隙（fissure）:坚硬岩石破裂产生
2、的空隙 溶穴（cave）:可溶性岩石被溶蚀后产生的空隙第2页/共46页32.1 2.1 岩石中的空隙岩石中的空隙分选好，排列疏松的砂分选好，排列紧密的砂分选不好，含泥砂的砾石部分胶结的砂岩第3页/共46页4有结构空隙的粘土经过压缩的粘土裂隙发育的岩石有溶隙和溶穴的可溶岩2.1 2.1 岩石中的空隙岩石中的空隙第4页/共46页5l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。l土体孔隙的描述内容包括：孔隙的大小、多少、形状、连通程度与分布规律l松散土体宏观上可以分为2大类：砂性土与粘性土2.1 2.1 岩石中的空隙岩石中的空隙一、孔隙第5页/共46页61 1、孔隙大小及
3、其影响因素孔隙大小及其影响因素孔隙大小及其影响因素孔隙大小及其影响因素岩石颗粒愈粗，孔隙愈大；颗粒愈细，孔隙愈小!(1)孔隙大小与颗粒大小的关系：第6页/共46页7(2)孔隙大小与分选程度的关系：分选愈差，细粒占的比例愈大，孔隙愈小！胶结程度越好，充填物越多，孔隙愈小！a试样的孔隙为细颗粒形成的小孔隙。？思考：下列2种试样哪种孔隙大？a砂砾混合样砂砾混合样b b砾石砾石第7页/共46页8孔隙大小特征的描述孔隙大小特征的描述孔隙大小特征的描述孔隙大小特征的描述：孔喉孔喉(d)d)与孔腹与孔腹(d d)孔喉对水流影响更大，孔隙大小可用孔喉孔喉对水流影响更大，孔隙大小可用孔喉直径进行比较。直径进行比
4、较。立方体排列：立方体排列：d=0.414D d=0.414D四面体排列：四面体排列：d=0.155D d=0.155D颗粒排列愈紧密，孔隙越小！颗粒排列愈紧密，孔隙越小！(3)颗粒排列方式对孔隙大 小的影响ABCOABCDO第8页/共46页91、影响孔隙大小的因素主要有：颗粒大小；颗粒排列；分选及胶结充填程度，形状颗粒愈粗，分选愈好，排列愈疏松，胶结充填程度愈差，孔隙愈大；反之愈小2、天然松散岩石的孔隙特征：复杂的空隙网络。宏观上均质各向同性的连续的空隙网络；微观上非均质各向异性的连续的空隙网络。小结：第9页/共46页102 2、孔隙度、孔隙度(porosity)及其影响因素及其影响因素孔隙
5、度的大小与哪些因素有关？孔隙度的大小与哪些因素有关？孔隙大孔隙度也大吗？孔隙大孔隙度也大吗？孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标。概念：某一体积岩石（包括颗粒骨架与空隙在内）中孔隙体积所占的比例。通常用 n 表示第10页/共46页11？下面试样哪个孔隙度大？哪个小？试样：a砾石，b砂石，c砂砾混合样2 2、孔隙度、孔隙度(porosity)porosity)及其影响因素假设a与b为等粒的理想圆球体，经计算：n砂=n砾说明：孔隙度与颗粒大小无关！第11页/共46页12砂样与砾石样混合时，砾石样中孔隙体积变小，因此孔隙度变小。当粗细颗粒完全混合时，混合样的孔隙度：n混=n粗n细因此影响孔隙度大小的
6、主要因素是试样的分选程度，分选愈差，孔隙度愈小！（1）分选程度与孔隙度的关系2 2、孔隙度、孔隙度(porosity)porosity)及其影响因素第12页/共46页13（2）颗粒排列方式对孔隙度的影响 理想最疏松排列（立方体）：孔隙度为47.64%；理想最紧密排列（四面体）：孔隙度为25.95%。在实际中，天然砂砾石孔隙度一般介于两者之间。排列愈紧密，孔隙度愈小。胶结程度高，孔隙度愈小。2 2、孔隙度、孔隙度(porosity)porosity)及其影响因素第13页/共46页14自然界中松散岩石的孔隙度自然界中松散岩石的孔隙度（P17P17表表2-12-1）。）。岩石名称岩石名称 砾石砾石
7、砂砂 粉砂粉砂 粘土粘土空隙度空隙度(%)25(%)2540 2540 2550 3550 3550 4050 4070 70 与前面的分析矛盾！为什么？与前面的分析矛盾！为什么？矛盾之一：矛盾之一：粒径愈小粒径愈小，孔隙度愈大！孔隙度愈大！矛盾之二：矛盾之二：为何粘性土的孔隙度超过最疏松排列的为何粘性土的孔隙度超过最疏松排列的47.64%47.64%，可达可达70%70%？2 2、孔隙度、孔隙度(porosity)porosity)及其影响因素第14页/共46页153 3、粘性土的孔隙与孔隙度、粘性土的孔隙与孔隙度、粘性土的孔隙与孔隙度、粘性土的孔隙与孔隙度粘土颗粒粘土颗粒（指直径指直径0.
8、0050.005mmmm的颗粒的颗粒）；）；粘粘性性土土颗颗粒粒细细小小，比比表表面面积积大大，连连结结力力强强；颗颗粒粒表表面面带带电电，粘粘粒粒在在悬悬浮浮、推推移移、互互相相接接触触时时，易易连连结结起起来来形形成成粘粘粒粒团团，细细小小粘粘粒粒集集合合（团团）构构成成颗颗粒粒集集合合体体。颗颗粒集合体在重力作用下沉积下来，形成蜂窝或絮状结构。粒集合体在重力作用下沉积下来，形成蜂窝或絮状结构。粘土孔隙：粘土孔隙：粒间孔隙粒间孔隙粘粒之间的空隙；粘粒之间的空隙；结构孔隙结构孔隙集合体与集合体之间的空隙；集合体与集合体之间的空隙；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
9、。第15页/共46页16集合体间的孔隙示意图3 3、粘性土的孔隙与孔隙度、粘性土的孔隙与孔隙度、粘性土的孔隙与孔隙度、粘性土的孔隙与孔隙度第16页/共46页17粘性土团聚结构示意图（a）蜂窝结构；（b）絮状结构；（c）非均粒团聚结构3 3、粘性土的孔隙与孔隙度、粘性土的孔隙与孔隙度、粘性土的孔隙与孔隙度、粘性土的孔隙与孔隙度第17页/共46页18粘性土中的次生孔隙虫孔、根孔、裂缝等3 3、粘性土的孔隙与孔隙度、粘性土的孔隙与孔隙度、粘性土的孔隙与孔隙度、粘性土的孔隙与孔隙度粘性土中结构孔隙和次生孔隙的存在，使得粘性土的孔隙率超过理论最大值很多。第18页/共46页19小结：影响孔隙度大小的因素主
10、要有：分选；颗粒排列；胶结充填程度；结构及次生孔隙。思考题：分析一条河流从上游到下游沉积物的孔隙大小及孔隙度的变化规律。第19页/共46页20固结坚硬岩石一般仅残存很小部分的颗粒间的孔隙，主要发固结坚硬岩石一般仅残存很小部分的颗粒间的孔隙，主要发育因各种内外力作用产生的裂隙：育因各种内外力作用产生的裂隙：风化（卸荷）裂隙、成岩风化（卸荷）裂隙、成岩裂隙、构造裂隙裂隙、构造裂隙裂隙的空间形态：两向延伸长、横向延伸短的裂隙的空间形态：两向延伸长、横向延伸短的“饼状饼状”从水的从水的赋存与运移角度赋存与运移角度，裂隙描述内容包括：，裂隙描述内容包括：1)1)连通性（裂隙的组数、产状、长度和密度）连通
11、性（裂隙的组数、产状、长度和密度）2)2)张开性（裂隙宽度）张开性（裂隙宽度）3)3)裂隙率等裂隙率等二、裂隙(fissure，fracture)2.1 2.1 岩石中的空隙岩石中的空隙第20页/共46页21三、溶穴（三、溶穴（Cavity)溶穴：溶穴：可溶岩在地下水溶蚀作用下产生的空隙。可溶岩在地下水溶蚀作用下产生的空隙。溶孔、溶隙、溶穴、溶洞等溶孔、溶隙、溶穴、溶洞等对可溶岩要描述岩溶发育特征（裂隙对可溶岩要描述岩溶发育特征（裂隙+溶洞）溶洞）1 1）岩溶发育方向）岩溶发育方向 2 2）岩溶率）岩溶率-表示岩溶发育程度表示岩溶发育程度3 3）溶洞（方向、规模等）溶洞（方向、规模等）2.1
12、岩石中的空隙第21页/共46页22松散岩石中的孔隙分布于颗粒之间，连通良好，分布均匀，在不同方向上，孔隙的通道和多少都很接近。赋存于其中的地下水分布与流动都比较均匀；坚硬岩石中的裂隙是宽窄不等，长度有限的线状缝隙，往往具有一定的方向性。只有当不同的裂隙相互切穿连通时，才能在某一范围内构成彼此连通的裂隙网络。裂隙的连通性远较孔隙差。因此，赋存于裂隙基岩中的地下水相互联系比较差，分布与流动往往是不均匀的；可溶岩石的溶穴是一部分原有裂隙与原生孔隙、裂隙溶蚀扩大而成的，空隙大小极为悬殊且分布极不均匀。因此，赋存于可溶岩石中的地下水分布与流动通常极为不均匀的。四、空隙特征的比较（三种空隙）四、空隙特征的
13、比较（三种空隙）第22页/共46页23四、空隙特征的比较四、空隙特征的比较由由空空隙隙所所构构成成的的岩岩石石称称为为含含含含水水水水介介介介质质质质。含含水水介介质质有有三三种种：孔孔隙隙介介质、裂隙介质、溶穴介质。质、裂隙介质、溶穴介质。vv连通性连通性连通性连通性孔隙介质最好，其它较差孔隙介质最好，其它较差vv空空空空间间间间分分分分布布布布孔孔隙隙介介质质分分布布最最均均匀匀，裂裂隙隙不不均均匀匀，溶溶穴穴极极不不均均匀匀；孔孔隙隙大大小小均均匀匀，裂隙大小悬殊，溶穴极悬殊裂隙大小悬殊，溶穴极悬殊vv空隙率空隙率空隙率空隙率孔隙介质最大，裂隙最小孔隙介质最大，裂隙最小vv渗透性渗透性渗
14、透性渗透性孔隙介质属各向同性，裂隙与溶穴为各向异性孔隙介质属各向同性，裂隙与溶穴为各向异性造成空隙介质造成空隙介质差异的主要原因差异的主要原因：沉积物形成和空隙形成的地质环境差异。：沉积物形成和空隙形成的地质环境差异。第23页/共46页24 思考题：（1）什么叫孔隙度？孔隙度大与孔隙大有区别吗？（2）粘性土孔隙度大,是主要含水层吗？第24页/共46页252.2 2.2 岩石空隙中的水存在形式岩石空隙中的水存在形式重力水毛细水岩石空隙中水的存在形式结合水液态水固态水气态水强结合水弱结合水第25页/共46页26定义：定义：附着于固体表面，在自身重力下不能运动的水，称为结合水。附着于固体表面，在自身
15、重力下不能运动的水，称为结合水。成成因因：固固相相表表面面与与水水分分子子间间存存在在静静电电引引力力相相互互吸吸引引，其其间间引引力力大大小小服服从从库库仑仑定定律律，随随离离固固体体表表面面的的距距离离加加大大而而减减弱弱，结结合合水水的的物物理理性性质随之变化。内：强，外：弱。质随之变化。内：强，外：弱。性性质质：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；具具有有一一定定的的抗抗剪剪强强度度，即自身重力作用下不能运动，在外力作用下能够移动及变形。即自身重力作用下不能运动，在外力作用下能够移动及变形。意意义义：结结合合水水膜膜很很薄薄，当当孔孔隙隙直直径径小小于于2
16、 2倍倍结结合合水水膜膜厚厚度度时时，孔孔隙隙中只含有不能自由运动的结合水（无效空隙空间）。中只含有不能自由运动的结合水（无效空隙空间）。一、结合水（一、结合水（absorbed water,bounded water）第26页/共46页27强结合水：几个几百个水分子厚度，引力1012 Mpa，密度2g/cm3；不流动，可蒸发。弱结合水：几十个几百个几千个水分子厚度，水分子排列没有强结合水紧密，能部分被植物吸收。第27页/共46页28二、重力水（二、重力水（gravitational water）定定义义：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
17、其微微弱弱，主主要要受受重重力力影响。重力影响下可以自由运动。影响。重力影响下可以自由运动。意意义义：重重力力水水具具有有非非常常重重要要的的实实用用价价值值。地地层层岩岩石石空空隙隙中中如如果果存存在在一一定定的的重重力力水水，就就可可以以通通过过泉泉，或或井井流流出出（抽抽出出），为为人人们们所所用用，因因此此重重力力水水是是水水文文地地质质学研究的主要对象。学研究的主要对象。第28页/共46页29三、毛细水（三、毛细水（capillary water）1 1 1 1、基本概念基本概念基本概念基本概念毛毛细细现现象象：把把细细管管插插入入水水中中，水水上上升升至至一一定定高度停下来。高度停
18、下来。毛毛细细水水受受固固体体表表面面吸吸引引力力、液液体体表表面面张张力力和和液液体体重重力力的的共共同同作作用用。毛毛细细力力是是在在三三相相界界面面上弯液面引起的附加表面压力。上弯液面引起的附加表面压力。毛毛细细管管管管径径越越小小，毛毛细细力力越越大大，毛毛细细上上升升高度也越大。高度也越大。第29页/共46页30 2 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 松散松散岩石中细小的孔隙通道构成毛细管，故地下水面以上广泛岩石中细小的孔隙通道构成毛细管，故地下水面以上广泛 存在毛细水。存在毛细水。a)a)支持毛细水（支持毛细水（supporting CW
19、supporting CW）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。上上升升高高度度与与水水面面上部的岩石孔隙性质有关。上部的岩石孔隙性质有关。b)b)悬挂毛细水（悬挂毛细水（suspension CWsuspension CW）指地下水面以上，岩石细小孔隙中保留的水分。指地下水面以上，岩石细小孔隙中保留的水分。第30页/共46页31第31页/共46页323 3、毛细水的存在形式毛细水的存在形式c)孔角毛细水（触点毛细水）颗粒与颗粒之间相互接触，接触点附近孔径最小，形成孔角毛细水思考：孔角毛细水与悬挂毛细水有何不同？孔角毛
20、细水是孤立的，而悬挂毛细水似串珠状且连续分布的。第32页/共46页33思考：思考：1.1.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？2.2.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？滴水 下雨 砂土 黄土 器皿 砾石第33页/共46页34 水文地质学中水理性质是指与水分水文地质学中水理性质是指与水分储存、释出与运移储存、释出与运移有关的性质。有关的性质。一、含水量一、含水量 松散岩石实际保留水分的状况。用重量含水量和体积含水量表示。松散岩石实际保留水分的状况。用重量含水量和体积含水量表示。饱和含水量饱和含水量(s s)：孔隙充
21、分饱水时的含水量。孔隙充分饱水时的含水量。残留含水量残留含水量(0 0)：包气带重力释水后未受蒸发、蒸腾消耗时的含水量。包气带重力释水后未受蒸发、蒸腾消耗时的含水量。2.3 与水的储容及运移有关的岩石性质第34页/共46页35岩石能容纳一定水量的性能称为岩石的容水性。其度量指标为容水度。岩石能容纳一定水量的性能称为岩石的容水性。其度量指标为容水度。容水度：岩石完全饱水时，所能容纳的最大水体积与岩石总体积之比。容水度：岩石完全饱水时，所能容纳的最大水体积与岩石总体积之比。孔隙度孔隙度n n与容水度与容水度n nr r两者有何关系两者有何关系?一般有：一般有：n=nn=nr r二、容水度二、容水度
22、（反映岩石最大含水能力）nr第35页/共46页36三、给水度（三、给水度（specific yieldspecific yield）1 1、定定义义：当当地地下下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放出来的水体积，称为给水度。释放出来的水体积，称为给水度。当水位下降时，土层孔隙中是否所有的水都流出来？在土层中会保留什么形式的水？结合水膜，孔角毛细水，有时有悬挂毛细水与支持毛细水。第36页/共46页372 2、影响、影响值的因素值的因素粘土、细砂、粗砂、砾石等试样相比较，哪种试样给水度大。粘土、细砂、粗砂、砾石等试样相
23、比较，哪种试样给水度大。a)a)岩性：岩性：对对值的影响主要表现在孔隙大小与多少。值的影响主要表现在孔隙大小与多少。空隙大的样品，给水度大，空隙大的样品，给水度大，nn颗粒细小者，如粘土比表面积大，结合水与孔角毛细水残留多，给水度很小。颗粒细小者，如粘土比表面积大，结合水与孔角毛细水残留多，给水度很小。第37页/共46页38第38页/共46页392 2、影响、影响值的因素值的因素b)b)地下水位初始埋深（地下水位初始埋深（H H0 0）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（H H0 0h hc c）,可可达达最最大大值。值。土土层层含含水水量量曲曲线
24、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化（为定值），此时给水度为最大理论给水度。（为定值），此时给水度为最大理论给水度。H H0 0h hc c时时，地地下下水水位位下下降降1 1个个高高度度时时，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，土层给水量大大降低，水，土层给水量大大降低，变小。变小。第39页/共46页40给水度小结给水度小结1 1、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h hc c，降速缓慢，降速缓慢，=S S-0 02 2、初始埋深小于初始埋深小于h hc c时，埋深愈浅，时，埋深愈浅，3 3、水
25、位降速愈快，水位降速愈快，4 4、一般而言，层状土一般而言，层状土小于均质土。小于均质土。第40页/共46页41第41页/共46页42持水能力在重力影响下岩石最大保持水分的能力。持水度：饱水岩层在重力作用下自由释水后仍然保留在岩石空隙中的水体积与岩石总体积之比给水度、空隙度、持水度三者关系？四、持水度Sr（specific retention）第42页/共46页43五、透水性五、透水性（permeabilitypermeability）透水性指：透水性指：岩石容许透过水的能力，岩石容许透过水的能力，表征岩石透水性的指标是渗透系数。表征岩石透水性的指标是渗透系数。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！分选性对岩石透水性影响很大。分选性对岩石透水性影响很大。第43页/共46页44本章回顾：1.1.孔隙（孔隙度）；裂隙（裂隙率）；溶穴（岩溶率）孔隙（孔隙度）；裂隙（裂隙率）；溶穴（岩溶率）2.2.影响孔隙和孔隙度大少的因素？影响孔隙和孔隙度大少的因素？3.3.重力水；毛细水；结合水重力水；毛细水；结合水4.4.容水度；含水量；给水度；持水度；透水性容水度；含水量；给水度；持水度；透水性第44页/共46页45Thank you第45页/共46页46感谢您的观看！第46页/共46页