巖石中的空隙與水ppt課件

1、水文地質(zhì)學(xué),第二章 巖石中的空隙與水,貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院勘察與技術(shù)工程教研室,1,本章內(nèi)容,2.1 巖石中的空隙 2.2 空隙中的水 2.3 巖石的水理性質(zhì),2,2.1 巖石中的空隙,巖石水文地質(zhì)學(xué)中指堅(jiān)硬的巖石及松散的土層 空隙巖、土中各種類型的空洞的總稱 空隙是地下水賦存場(chǎng)所(places)和運(yùn)移通道(conduits) 空隙分為： 孔隙（pore）-unconsolidated soil-（第四紀(jì)地質(zhì)學(xué)） 裂隙（fissure）- hard rock -（構(gòu)造地質(zhì)學(xué)） 溶穴（cavity）- dissoluble rock -（巖溶地貌學(xué)） 下面以孔隙為例，討論描述空隙特征的有關(guān)

2、概念，參數(shù)（指標(biāo)）和分析方法。,3,巖土的空隙,4,孔隙（pore, void）：主要存在于松散巖石中 孔隙的描述有：孔隙的大小，多少，形狀，連通與分布 松散巖石宏觀上可以分為兩大類：砂礫石與粘性土 1.砂礫石孔隙大小及其影響因素 試樣a礫石(模型)，試樣b砂土樣品， 試樣c砂礫混合樣品,2.1.1 孔隙,5,孔隙與粒徑關(guān)系,6,松散砂礫石孔隙大小與分選的關(guān)系好、壞？,7,四面體排列,立方體排列,顆粒排列方式與孔隙大小關(guān)系,8,d,9,立方體排列的理想等徑園球顆粒 孔隙大小特征的描述：孔喉(d) d=0.414D 孔腹(d) d=0.732D 四面體排列的理想等徑園球顆粒 孔喉(d) d=0.

3、155D,10,砂礫石土孔隙大小與什么有關(guān)？,顆粒大小、排列（立方體或四面體）、分選、膠結(jié)與充填等。,11,2.砂礫石的孔隙度（porosity）及其影響因素 孔隙度定義：某一體積巖石（包括顆粒骨架與空隙在內(nèi)）中孔隙體積所占的比例。 孔隙度是描述松散巖石中孔隙多少的指標(biāo),通常用n 表示 問：孔隙度的大小與什么有關(guān)？與顆粒大小有關(guān)？ a. 與排列有關(guān)緊密與疏松 理想最疏松孔隙為47.64%，最緊密排列孔隙為25.95%。 b. 與分選有關(guān)下面試樣哪個(gè)孔隙度大？哪個(gè)小？ 影響孔隙度大小的主要因素是試樣的分選程度。,12,不同顆粒大小的試樣孔隙度？,三種粒徑雖然孔隙大小各異，但孔隙度完全相同,13,

4、排列不同,分選不同,14,自然界中松散巖石的孔隙度與上述討論的略有不同，P17表2-1。,矛盾之一：與粒徑的關(guān)系不是愈大則愈大？ 矛盾之二：孔隙度超過最疏松排列的47.64%達(dá)到70%,15,3.粘性土的孔隙與孔隙度 粘土顆粒 顆粒直徑0.005mm； 粘性土由于顆粒細(xì)小，比表面積大，連結(jié)力強(qiáng)； 粘粒在懸浮推移互相接觸時(shí)，就會(huì)連結(jié)起來形成“粘粒團(tuán)”； 細(xì)小“粘粒團(tuán)”構(gòu)成顆粒集合體； 集合體與集合體結(jié)合構(gòu)成粘性土的沉積結(jié)構(gòu)特征。 粘土孔隙 粘性土如同海綿、峰窩或絮狀結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)孔隙集合體與集合體、粘粒與粘粒之間 次生孔隙蟲孔、根系孔、裂隙裂痕等,16,粘性土的結(jié)構(gòu)，不同比例電鏡掃描片,17,2.1

5、.2 裂隙,固結(jié)的堅(jiān)硬巖石中，一般僅殘存很小部分孔隙，而存在有各種內(nèi)外力作用下產(chǎn)生的裂縫裂隙。 按成因分為：風(fēng)化（卸荷）裂隙、成巖裂隙、構(gòu)造裂隙 裂隙：空間形態(tài)是兩向延伸長(zhǎng)，橫向延伸短的“餅狀”空隙，單個(gè)裂隙是孤立的； 裂隙巖體：從水的賦存與運(yùn)移角度來看，裂隙的描述包括： a 裂隙的連通性（組數(shù)、產(chǎn)狀、長(zhǎng)度和密度）； b 張開性（裂隙寬度）； c 裂隙率； d 充填情況。,18,風(fēng)化（卸荷）裂隙,構(gòu)造裂隙,成巖裂隙,19,2.1.3 溶穴,溶穴（solution cavity） cavern 是擴(kuò)大了的裂隙。在孔隙或裂隙基礎(chǔ)，水流對(duì)可溶巖進(jìn)一步作用的結(jié)果 溶穴可分為：溶孔、溶隙、溶洞。 巖溶巖

6、體：要描述裂隙特征及巖溶發(fā)育特征（裂隙+溶洞） a 巖溶發(fā)育方向； b 巖溶發(fā)育程度面/體巖溶率、鉆孔遇洞率； c 溶洞（方向、規(guī)模等）。,20,溶洞,溶孔,溶隙,21,2.1.4 孔隙特征的對(duì)比,空隙特征的比較 含水介質(zhì)由各類空隙所構(gòu)成的巖石稱為含水介質(zhì)，也稱為介質(zhì)場(chǎng)。 含水介質(zhì)的空間分布與連通特征（孔隙含水介質(zhì)、裂隙含水介質(zhì)、溶質(zhì)含水介質(zhì)）是不同的。,22,三種主要類型的含水介質(zhì)比較： 連通性 孔隙介質(zhì)最好，其它較差 空間分布孔隙介質(zhì)分布最均勻，裂隙不均勻，溶穴極不均勻；孔隙大小均勻，裂隙大小懸殊，溶穴極懸殊 空隙比率孔隙介質(zhì)最大，裂隙最小 滲透性孔隙介質(zhì)-各向同性，裂隙與溶穴-各向異性

7、造成空隙介質(zhì)上述差異的主要原因：沉積物形成和空隙形成的環(huán)境,2.1.4 空隙特征的對(duì)比,23,1.什么叫孔隙度？孔隙度大與孔隙大有區(qū)別嗎？ 2.堅(jiān)硬的花崗巖、砂巖、灰?guī)r的空隙特征有何異同 點(diǎn)？,巖石中的空隙思考題,24,本章內(nèi)容,2.1 巖石中的空隙 2.2 空隙中的水 2.3 巖石的水理性質(zhì),25,2.2 空隙中的水,空隙中水的三種存在狀態(tài)： 氣態(tài) 液態(tài) 固態(tài) 空隙中水的三種存在形式：,結(jié)合水（absorbed water, bound water） 重力水（gravitational water;bulk water） 毛細(xì)水（capillary water）,26,結(jié)合水（absorbe

8、d water, bound water） 定義：附著于固體表面，在自身重力下不能運(yùn)動(dòng)的水 （結(jié)合水具有一定的抗剪強(qiáng)度） 抗剪強(qiáng)度的產(chǎn)生及大小與什么有關(guān) 性質(zhì)：結(jié)合水具有固態(tài)和液態(tài)水的雙重性質(zhì)；即自身重力作用下不能運(yùn)動(dòng)，在外力作用下能夠移動(dòng)（運(yùn)動(dòng)）及變形。 意義：只要有固相表面就存在結(jié)合水，存在范圍廣，其量很小（結(jié)合水膜很薄），當(dāng)孔隙直徑小于2倍結(jié)合水膜厚度時(shí)，孔隙中只含有不能自由運(yùn)動(dòng)的結(jié)合水（又稱無效空間）。,2.2.1 結(jié)合水,結(jié)合水與重力水,重力水,27,結(jié)合水與重力水,圖中隨圓形小粒代表水分子，結(jié)合水部分的水分子帶正電荷一端朝向顆粒,圖中箭頭代表水分子所受合力方向,28,2.2.2 重

9、力水,重力水（gravitational water; bulk water） 遠(yuǎn)離固相表面，水分子受固相表面吸引力的影響極其微弱，主要受重力影響。自身重力影響下可以自由運(yùn)動(dòng)。 無重力作用下水的存在？如在太空中瓶中的水分布受表面吸引的作用液態(tài)水的特征 地層內(nèi)巖石空隙中如果存在一定的重力水，就可以通過泉，或井流出（抽出）。 重力水是水文地質(zhì)學(xué)研究的主要對(duì)象，也是勘察的主要對(duì)象。,29,重力水,30,2.2.3 毛細(xì)水,毛細(xì)水（capillary water） 1.基本概念 毛細(xì)現(xiàn)象：,31,毛細(xì)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì) 固、液、氣三相接觸時(shí)，液體表面將受到表面張力的作用（分子間相互吸引力）。 表面張力：設(shè)想在

10、液面上劃一根長(zhǎng)度為L(zhǎng)的線段，此線段兩邊的液面，以一定的力相互吸引，力的作用方向平行于液面而與此線段垂直，大小與線段長(zhǎng)度成正比，即為表面張力，力的大小表示為：,式中：表面張力系數(shù)，單位為dyn(達(dá)因）/cm（1dyn=110-5N),毛細(xì)現(xiàn)象的產(chǎn)生與表面張力有關(guān),32,附加表面壓強(qiáng) Pc 定義：表面張力的作用，使液面呈彎曲狀，彎曲的液面將對(duì)液面以內(nèi)的液體產(chǎn)生附加表面壓強(qiáng)。附加表面壓強(qiáng)的作用方向總是指向液體表面的曲率中心方向：凹進(jìn)的彎液面，對(duì)液體附加一個(gè)負(fù) 的表面壓強(qiáng) (圖a)； 凸起的彎液 面，對(duì)液體 附加一個(gè)正 的表面壓強(qiáng) （圖b）。,Pc,Pc,33,當(dāng)液面是凸形時(shí)，附加表面壓強(qiáng)是正的，此時(shí)

11、實(shí)際表面壓強(qiáng)？ 當(dāng)液面為凹形時(shí)，附加表面壓強(qiáng)是負(fù)的，此時(shí)實(shí)際表面壓強(qiáng)？ 平的液面實(shí)際表面壓強(qiáng) ？,附加表面壓強(qiáng) Pc 的大?。?（1）任意形狀的彎液面：所產(chǎn)生的附加表面壓強(qiáng)Pc 都可以用拉普拉斯公式 表示：,式中：表面張力系數(shù) R1、R2液體表面的兩個(gè)主要曲率半徑,Pc,Pc,34,（2）半圓球形液面 設(shè)想切取一個(gè)半徑為R的半圓球形液面（如圖示）。在此液面的圓周狀邊線上都存在著指向液層內(nèi)部的表面張力；表面張力合力f為2R，作用于垂直于面積 為R2的投影圓面。表面張力所引 起的附加表面壓強(qiáng)Pc 為：,f,對(duì)任何形狀的彎液面附加表面壓強(qiáng)Pc 計(jì)算式：,當(dāng) 時(shí),半圓球形是任意液面的特殊形式，都可用拉

12、普拉斯公式描述。,拉普拉斯公式的函義是:彎曲的液面將產(chǎn)生一個(gè)指向液面凹側(cè)的附加表面壓強(qiáng)，附加表面壓強(qiáng)與表面張力系數(shù)成正比，與表面的曲率半徑成反比。,35,毛細(xì)力： 毛細(xì)力的產(chǎn)生：是在三相界面上內(nèi)彎液面引起液面彎曲產(chǎn)生的。 毛細(xì)力的方向：作用方向始終指向彎曲液面的凹側(cè)。 凹凸彎液面是指相對(duì)于液相一側(cè)而言的 凹形彎液面負(fù)的毛細(xì)壓強(qiáng)（negative）-如同真空吸力； 凸形彎液面正的毛細(xì)壓強(qiáng)（positive）。 毛細(xì)力的大?。?毛細(xì)力大小與彎液面的曲率成正比（曲率大,毛細(xì)力大;曲率小，毛細(xì)力?。?。 一根毛細(xì)管子，管徑越小，毛細(xì)力越大；反之亦然 毛細(xì)力大，毛細(xì)上升高度也越大,36,2.毛細(xì)水的存在形

13、式（states forms） 在巖石空隙中，毛細(xì)水的存在形式可分為三種： (1) 支持毛細(xì)水（supporting capillary water ） 在地下水面支持下存在的（附著水面上的），隨地下水升降而升降。上升高度與水面上部的巖石孔隙性質(zhì)有關(guān)。 (2) 懸掛毛細(xì)水（suspension capillary water ） 脫離水面，巖石細(xì)小孔隙中保留的水分。 (3) 孔角毛細(xì)水（觸點(diǎn)毛細(xì)水）（corner water, contiguity water?） 孔角毛細(xì)水與懸掛毛細(xì)水是不同？ 懸掛毛細(xì)水似串珠狀且連續(xù)分布的，孔角毛細(xì)水是孤立的,37,支持毛細(xì)水,懸掛毛細(xì)水,孔角毛細(xì)水,毛細(xì)

14、水的存在形式,38,思考： 1.上細(xì)下粗土層，滴水，水停留在何處？ 2.黃土層中挖平洞，下大雨后，洞內(nèi)能否接到水？,39,小結(jié)： 巖石空隙中的水有三種存在形式 三種形式的水有差異與受力狀態(tài)有關(guān) 自己總結(jié)、比較加深理解,40,本章內(nèi)容,2.1 巖石中的空隙 2.2 空隙中的水 2.3 巖石的水理性質(zhì),41,2.3 巖石的水理性質(zhì),巖石（包括骨架與空隙在內(nèi)的總稱） 水理性質(zhì)：水文地質(zhì)學(xué)主要指與水分儲(chǔ)容、釋出及運(yùn)移有關(guān)的性質(zhì)。主要包括：容水度、含水量、持水度、給水度、透水性五個(gè)方面。 2.3.1 容水度_ nr 巖石完全飽水時(shí)，所能容納的最大水體積與巖石總體積之比。 容水度與孔隙度相等？ 反映巖石最

15、大含水能力,42,2.3.2 含水量（water content）_W 巖石中水的體積與巖石體積（包括空隙）之比。 反映巖石樣實(shí)際保留水分的狀況，（是某巖樣某時(shí)的含水狀態(tài)），又稱巖石的天然含水量W0 。 飽和含水量Ws 、飽和差、飽和度 2.3.3 持水度（specific retention）_Sr 巖石的持水體積（地下水位下降一個(gè)單位深度，單位水平面積巖石柱體中保持于空隙中的水量）與巖石總體積之比。 反映巖石的持水能力最大保持水分的能力。,43,2.3.4 給水度（specific yield） _ (water drained from soil under gravity flow)

16、1.定義：當(dāng)?shù)叵滤幌陆狄粋€(gè)單位高度時(shí)，單位水平面積巖石柱體，在重力作用下釋放出來的水體積，稱為給水度。 當(dāng)水位下降一個(gè)單位，土層孔隙中是否所有的水都流出 來？ 在土層中會(huì)保留什么形式的水？ 結(jié)合水(膜)，孔角毛細(xì)水，有時(shí)懸掛毛細(xì)水與支持毛細(xì)水,44,2.影響給水度（值）的因素 礫石、粗砂、細(xì)砂、砂礫混合樣相比較，哪種樣給水度大？ （1）巖性 空隙大的樣品，給水度大，n 礫粗砂 粉砂 （與粒徑有關(guān)） 顆粒細(xì)小者，比表面積大，結(jié)合水與孔角毛細(xì)水殘留多。 除巖性外，同一巖層中其它原因也可造成不同，為什么？,45,（2）地下水位初始埋深（H0） 當(dāng)?shù)叵滤怀跏悸裆畲笥谥С置?xì)水帶高度時(shí)H0 hc（支持毛細(xì)水高度） , 值可達(dá)最大； 當(dāng)H0 hc 時(shí)，地下水位下降1個(gè)高度時(shí)，原重力水大多轉(zhuǎn)化為支持毛細(xì)水，土層給水量大大降低，值較小。 當(dāng)水位埋深足夠大時(shí)，土層給水度不發(fā)生變化（為定值），此時(shí)給水度也是最大理論給水度。,46,當(dāng)H0 hc 時(shí)，地下水位下降時(shí)，原重力水大多轉(zhuǎn)化為支持毛細(xì)水，土層給水量大大降低，變小。,47,（3）地下水位下降速度 地下水位下降快慢會(huì)影響到的大小 下降快理、下降慢理 這是因?yàn)獒屗疁螅鴮?dǎo)致