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1、水文地质学,第三讲岩石中的空隙与水分,2023/3/30,2,OUTLINE,岩石中的空隙岩石中水的存在形式与水的储运有关的岩石的性质有效应力原理与松散岩石的压密,怎样认识岩石中的空隙？,怎样认识岩石中的空隙？,你见过这些地貌类型吗？你是否仔细观察过岩石（土）的特征？是否存在“空隙”？这些“空隙”是如何产生的？如何定量描述空隙的大小多少？受什么因素影响？为什么要对岩石空隙进行分类？如何理解“地壳表层就好像是饱含着水的海棉”？,2023/3/30,5,岩石中的空隙,岩石中的空隙是地下水的储存空间和运移通道，空隙的性质就决定着地下水的分布与运动特征；岩石中的空隙分为三类：孔隙、裂隙和溶隙,2023
2、/3/30,6,岩石中的空隙：松散岩石中的孔隙,松散岩石是由大小不等的岩土颗粒组成的，颗粒或者颗粒集合体之间的空隙，称为孔隙。图2-1各类岩石中的孔隙示意孔隙度：指某一体积岩石（包括孔隙在内）中孔隙所占的比例。与土力学中的孔隙比概念比较？！孔隙度的影响因素：主要是颗粒的分选程度和排列方式，其次是颗粒形状和胶结充填情况。对于黏性土，会存在结构孔隙和其他次生孔隙，也是重要因素。以等粒圆球为例，说明排列方式影响孔隙度的大小,2023/3/30,7,松散岩石中孔隙度参考值,2023/3/30,8,岩石中的空隙：松散岩石中的孔隙,孔隙度的大小决定了岩石的储水能力；影响地下水运动的是孔隙的大小与连通情况，
3、孔喉决定了水流的大小孔隙的大小受颗粒大小和排列方式的影响。见图2-5。对于粘性土，结构孔隙与次生孔隙对地下水运动的影响不可忽略。,2023/3/30,9,岩石中的空隙：坚硬岩石中地裂隙,坚硬岩石本不存在太多裂隙，后天应力作用、岩石破裂，遂有各类裂隙。按成因：成岩裂隙、构造裂隙、风化裂隙。裂隙的特点是在岩石中的不均匀性和方向性，各种裂隙又存在较大的差别。裂隙率：裂隙的体积与包括裂隙体积在内的岩石体积的比值。面裂隙率、线裂隙率的概念,2023/3/30,10,岩石中的空隙：可溶岩石中的溶隙,可溶岩与地下水的溶蚀作用：石灰岩、白云岩、岩盐、石膏。溶隙率：溶隙的体积与包括溶隙在内的岩石的体积的比值。溶
4、隙（穴）特点：发育规模大小悬殊，在岩石中分布极不均匀,岩石中的空隙只有互相联通，形成网络，才具有水文地质意义上的储水空间和运移通道作用；而各类空隙的联通情况各不相同，甚至相差甚远，这就定了赋存其中的地下水的运动规律也不相同。,岩石中水会以什么形式存在？,你怎么认识（知道）岩石中有水？水存在于岩石（土）之中，与岩石（土）之间如何相互作用？会有哪些存在形式？,喜鹊 know where water can be found.,2023/3/30,12,岩石中水的存在形式,岩石表面的结合水,2023/3/30,13,岩石空隙中的结合水,定义:受固相表面的引力大于水分子自身重力的那部分水，称为结合水（
5、强结合水与弱结合水）。图2-6。强结合水，所受引力相当于1万个大气压，平均密度达正常水的2倍。不能流动，但可挥发。结合水区别于不同液态水的最主要特征是具有抗剪强度，即必须施加一定的力，才能使其发生变形。抗剪强度由内层向外层减弱，当施加的外力超过结合水的抗剪强度时，外层结合水就会发生流动，力越大，流动的结合水厚度就越大。,2023/3/30,14,岩石空隙中的重力水,定义：受到的重力大于固体表面的吸引力，能够在自身重力作用下自由流动的水，称为重力水。井和泉所取用的地下水都是可以自由流动的重力水，是水文地质的主要研究对象。,2023/3/30,15,岩石空隙中的毛细水,毛细现象松散岩石中的毛细现象
6、和毛细水。支持毛细水与包气带中的毛细水带悬挂毛细水及其形成条件何谓孔角毛细水?,孔角毛细水,土中毛细水,2023/3/30,16,岩石空隙中的气态水与固态水,岩石中的气态水，在未饱水的岩石空隙中都存在气态水。气态水可随空气流动而流动；空气不流动时也能从水汽压力大的地方向小的地方迁移。岩石中的固态水，当岩石的温度降到0C以下时，空隙中的液态水就转化为固态水。冻土与多年冻土。,2023/3/30,17,与地下水储运有关的岩石性质（水理性质）,容水度是指岩石完全饱水时所能容纳的最大水体积与岩石总体积的比值。一般情况下与岩石的空隙度相当。含水量用来衡量岩石的实际含水的情况松散岩石空隙中所含水的重量与干
7、燥岩石重量的比值，称为重量含水量；松散岩石所含水的体积与岩石总体积的比值，称为体积含水量。岩石充分饱水时的含水量，称为饱和含水量。饱和差等于饱和含水量与实际含水量的差值。饱和度等于实际含水量与饱和含水量的比值。,2023/3/30,18,与地下水储运有关的岩石性质（水理性质）,给水度描述地下水位下降时给出水的能力当地下水面下降，则下降范围内饱水岩石中的水和相应的支持毛细水带中的水，将在重力作用下，部分地从原先的赋存空间中释出。给水度的定义：把地下水位下降一个单位深度，从地下水位延伸到地表的单位水平面积岩石柱体内，在重力作用下释出的水的体积，称为给水度。,2023/3/30,19,给水度（2）给
8、水度的大小受岩性、初始地下水位埋藏深度和地下水位下降速率等因素的影响。岩性：颗粒大小与空隙大小初始水位埋深与最大毛细上升高度地下水位下降快，水可能来不及释出；下降慢，才能充分给水。,重力释水并非瞬间完成，而是需要一个过程，因此往往滞后于水位下降,2023/3/30,20,与地下水储运有关的岩石性质（水理性质）,持水度与给水度相对，描述地下水位下降时岩石保留水的能力地下水位下降一个单位深度，单位水平面积岩石柱体中反抗重力而保持在岩石空隙中的水量，称为持水度。相互关系：持水度=孔隙度-给水度。,2023/3/30,21,与地下水储运有关的岩石性质（水理性质）,透水性是指岩石允许水透过的能力。表征物
9、理量是渗透系数。影响岩石透水性的因素空隙的大小：空隙直径愈小，透水性愈差，见图2-9空隙度的大小：只有当空隙大小达到一定程度后，空隙度的大小才起作用。空隙度愈大，透水性愈好空隙通道的连通程度与复杂程度最小孔径，控制岩石的透水能力孔隙通道的弯曲程度，影响水流动时消耗的能量松散岩石颗粒的分选程度，影响空隙大小和通道的复杂性,2023/3/30,23,Terzaghi于1925年提出有效应力原理：岩土颗粒上所承受的有效应力等于总应力减去孔隙水压力。即：参见图2-12，由松散沉积物构成的饱和砂层，总应力由砂层骨架与水共同承担。由于水压力的存在，砂层骨架所受的有效应力小于总应力。,有效应力原理与松散岩石
10、的压密,2023/3/30,24,有效应力原理与松散岩石的压密,地下水位下降引起岩石的压密假设：1）承压含水层，水位下降后含水层仍充满水；2）水位下降后，总应力不变。水位下降后，孔隙水压力减小u,根据有效应力原理，有效应力增加Pz，则改变后的应力平衡式为：,砂层是通过颗粒触点而承受应力的，有效应力增加，则颗粒发生位移，排列更为紧密，孔隙度降低，砂层得到压密。反之，当水位上升，则发生相反的情况。此类情况同样发生在粘性土层，但是由于黏性土的塑性变形，压密后即使孔隙水压力恢复，黏性土的压密状态仍将保持。,2023/3/30,25,训练与思考题,你如何理解”岩石的空隙是地下水储存空间和运移通道”?影响孔隙度大小的因素岩石中水的存在形式结合水与重力水之间的区别与地下水储、运相关的岩石性质及其定义分别描述影响岩石给水度、透水性的因素了解松散岩土压密的机制在砂土中演示毛细水的存在,2023/3/30,26,Any questions?,
