岩石中的空隙与水分

土中毛细水
孔角毛细水
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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0°C以下时，空 隙中的液态水就转化为固态水。 • 冻土与多年冻土。
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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。
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岩石空隙中的毛细水
• • • • • 毛细现象 松散岩石中的毛细现象和毛细水。 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?
• 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”？
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
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有效应力原理与松散岩石的压密
• 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：
PZ P u
– 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。
• 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
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• 透水性是指岩石允许水透过的能力。表征物理量是渗透 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
– 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。
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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。
PZ P u
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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：
PZ PZ P (u u)
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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
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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。
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松散岩石中孔隙度参考值
岩石名称 砾石 砂 粉砂 粘土
孔隙度
25-40%
25-50%
35-50%
40-70%
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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，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。
Any questions?
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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。
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与地下水储运有关的岩石性质 （水理性质）
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• 给水度（2）
– 给水度的大小受岩性、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
沸石水
结晶水 结构水
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12Fra Baidu bibliotek
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（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。
– 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。
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训练与思考题
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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
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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。
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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.
岩石中水的存在形式
岩石“骨架”中 的水 （矿物结合水）
岩石表面的结 合水 地壳岩石中的水 结合水 液态水 岩石空隙中的水 固态水 气态水 强结合水 弱结合水 重力水 毛细水
水文地质学
第三讲 岩石中的空隙与水分
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
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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”？