《水文地质学基础教学课件》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 RocksCompany L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 L2.2 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？

2、在小石子之上滴上几滴水，小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 重力水重力水 毛细水毛细水Company L2.2.1 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

3、表面非常近的水；离固相颗粒表面非常近的水；弱结合水弱结合水：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 结合水具有结合水具有固态和液态水的双重性质固态和液态水的双重性质，即在自身，即在自身重力作用下不能运动，在外力作用下能够移动（运动）重力作用下不能运动，在外力作用下能够移动（运动）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

4、弱 结合水与重力水结合水与重力水Company L结合水与重力水结合水与重力水Company L 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带电荷水分子极性与土粒带电荷Company L重力水（重力水（gravitational water;bulk water）v 远离固相表面，水分子受固相表面吸引力的影响极远离固相表面，水分子受固相表面吸引力的影响极其微弱，主要受自身重力影响。其微弱，主要受自身重力影响。在自身重力影响下可以在自身重力影响下可以自由运动的水叫重力水自由运动的水叫重力

5、水v 地层内岩石空隙中如果存在一定的重力水，就可以地层内岩石空隙中如果存在一定的重力水，就可以通过泉，或井流出（抽出）通过泉，或井流出（抽出）v 重力水是水文地质学研究的主要对象，也是勘察的重力水是水文地质学研究的主要对象，也是勘察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 L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 在土层中挖个洞，在洞内放个接渗皿，能否接到在土层中挖个洞，在洞内放个接渗皿，能否接

6、到水水?北方地窖，陕北的窑洞北方地窖，陕北的窑洞v毛细力毛细力：毛细水：受到表面吸引力与重力作用，还有另一种毛细水：受到表面吸引力与重力作用，还有另一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 LCompany L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 滴水滴水 下雨下雨 砂土砂土 黄土黄土

7、 器皿器皿 砾石砾石Company L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大，毛细上升高度也越大2.2.3 毛细水毛

8、细水Company L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）在地下水面支持下存在的（附着水面上的），随地在地下水面支持下存在的（附着水面上的），随地下水升降而升降。上升高度与水面上部的岩石孔隙性下水升降而升降。上升高度与水面上部的岩石孔隙性质有关质有关b)b)悬挂毛细水（悬挂毛细水（suspension capillary water suspension capillary water）脱离水面，岩石细小孔隙

9、中保留的水分，称为悬挂脱离水面，岩石细小孔隙中保留的水分，称为悬挂毛细水毛细水 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)孔角毛细水（触点毛细水）（孔角毛细水（触点毛细水）（corner water,corner water,contiguity water?contiguity water?）孔角毛细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 L支持

10、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 L2.2 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 岩石空隙中的水岩石空隙中的水 结束结束Company L2.3 岩石的水理性质岩石的水理性质v 一、定义一、定义 指岩石与水接触过程中表现出来的控制水分活动的各种指岩石与水接触过程中表现出来的控制水分活动的各种性质。性质。就水文地质学来说，主要涉及是与水

11、分就水文地质学来说，主要涉及是与水分储容、释出与运储容、释出与运移移有关的性质，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 岩石完全饱水时，岩石完全饱水时，所能容纳的最大水体积所能容纳的最大水体积与岩石总体与岩石总体积之比积之比 （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%100岩石容水VVnrCompany L2.3 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、

12、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nnr 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：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 n2 2、含水量（、含水量（water contentwater content）-w-w 岩石岩石实际保留水分的状况实际保留水分

13、的状况（是某岩样某时的含水状（是某岩样某时的含水状态），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。%100swgGGWCompany L2.3 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 2 2、含水量（、含水量（water contentwater content）-w-w 2 2）体积含水量（）体积含水量（W Wv v）：）：岩石孔隙中含水体积与岩石岩石孔隙中含水体积与岩石总体积之比。总体积之比

14、。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。%100VVWwVCompany L2.3 岩石的水理

15、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

16、？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。%100VVSr持水Company L二、水理性质二、水理性质 4、给水度（、给水度（specific yield）（1）、定义）、定义 定义定义1：饱水岩石在重力作用下给出的水的体积与饱饱水岩石在重力作用下给出的水的体积与饱水岩石总体积之比。水岩石总体积之比。定义定义2：当地下水位下降一个单位高度时，单位水平当地下水位下降一个单位高度时，单位水平面积岩石柱体，在重力作用下释放出来的水体积，称为给面积岩石柱体，在重力作用下释放出来的水体积，称为给水度。水度。当水位下降一个

17、单位，土层孔隙中是否所有的水都当水位下降一个单位，土层孔隙中是否所有的水都流出来？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%100VV给水Company L均质土包气带水分分布均质土包气带水分分布Company L二、水理性质二、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？砾石、粗砂、细砂、砂砾混合样相比较，哪种样给砾石、粗砂、细砂、

18、砂砾混合样相比较，哪种样给水度大？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）颗粒细小者，比表面积大，结合水与孔角毛细水残留颗粒细小者，比表面积大，结合水与孔角毛细水残留多，除岩性外，多，除岩性外，同一岩层中其它原因也可造成同一岩层中其它原因也可造成不同，不同，为什么？为什么？2.3 岩石的水理性质岩石的水理性质Company L二、水理性质二、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 2)2)地下水位初始埋深（地下水位初始埋深（H H0 0）当

19、初始地下水位埋深当初始地下水位埋深小于小于最大毛细上升高度时最大毛细上升高度时H0 hc 时时，原重力水大多转化为支持毛细水，土层给水量，原重力水大多转化为支持毛细水，土层给水量大大降低，大大降低，变小。变小。当地下水位初始埋深当地下水位初始埋深大于大于支持毛细水带高度时支持毛细水带高度时H0 hc,可达最大可达最大值值 土层含水量曲线分析：当水位埋深足够大时，土层土层含水量曲线分析：当水位埋深足够大时，土层给水度不发生变化（为定值），此时给水度给水度不发生变化（为定值），此时给水度也是最大也是最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 L给水度与地下水位埋深的

20、关系给水度与地下水位埋深的关系Company L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，往往会影响岩土层为层状非均质土时，往往会影响值，值，多层状土的特征而言，上粗下细，上细下粗结构影响多层状土的特征而言，上粗下细，上细下粗结构影响是不同的。是不同

21、的。2.3 岩石的水理性质岩石的水理性质Company L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，当地下水位初始埋深大于土，当地下水位初始埋深大于hc，降速缓慢，降速缓慢，=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 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 L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 L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