3 岩石中的孔隙与水分.ppt

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1、4岩石中的孔隙与水分岩石中的孔隙与水分 4.1、岩石岩石中的中的空隙空隙|地壳表层十余公里范围内，都或多或地壳表层十余公里范围内，都或多或少存在着空隙，特别是深部一、两公里少存在着空隙，特别是深部一、两公里以内，空隙分布较为普遍。这就为地下以内，空隙分布较为普遍。这就为地下水的赋存提供了必要的空间条件。水的赋存提供了必要的空间条件。|按维尔纳茨基的形象说法，按维尔纳茨基的形象说法，“地壳表层地壳表层就好象是饱含着水的海绵就好象是饱含着水的海绵”。|岩石空隙是地下水储存场所和运动通道。岩石空隙是地下水储存场所和运动通道。|空隙的多少、大小、形状、连通情况和空隙的多少、大小、形状、连通情况和分布规

2、律，对地下水的分布和运动具有分布规律，对地下水的分布和运动具有重要影响。重要影响。|将岩石空隙作为地下水储存场所和运动将岩石空隙作为地下水储存场所和运动通道研究时，可分为三类，即：松散岩通道研究时，可分为三类，即：松散岩石中的孔隙，坚硬岩石中的裂隙和可溶石中的孔隙，坚硬岩石中的裂隙和可溶岩石中的溶穴。岩石中的溶穴。4.1.1孔隙孔隙|松松散散岩岩石石是是由由大大小小不不等等的的颗颗粒粒组组成成的的。颗颗粒粒或或颗颗粒粒集集合合体体之之间间的的空空隙隙，称称为为孔孔隙。隙。|岩岩石石中中孔孔隙隙体体积积的的多多少少是是影影响响其其储储容容地地下下水水能能力力大大小小的的重重要要因因素素。孔孔隙隙

3、体体积积的的多多少少可可用用孔孔隙隙度度表表示示。孔孔隙隙度度是是指指某某一一体体积积岩岩石石(包包括括孔孔隙隙在在内内)中中孔孔隙隙体体积积所所占占的的比比例例。若若以以n表表示示岩岩石石的的孔孔隙隙度度，V表表示示包包括括孔孔隙隙在在内内的的岩岩石石体体积积，Vn表表示示岩石中孔隙的体积，则：岩石中孔隙的体积，则：|孔隙度：孔隙度：|孔孔隙隙度度是是一一个个比比值值，可可用用小小数数或或百百分分数数表示。表示。|(1)孔孔隙隙度度的的大大小小主主要要取取决决于于分分选选程程度度及及颗颗粒粒排排列列情情况况，另另外外颗颗粒粒形形状状及及胶胶结结充充填情况也影响孔隙度。填情况也影响孔隙度。|(

4、2)对于粘性土，结构及次生孔隙常是对于粘性土，结构及次生孔隙常是影响孔隙度的重要因素。影响孔隙度的重要因素。|构成松散岩石的颗粒均为等粒圆球；构成松散岩石的颗粒均为等粒圆球；|当其为立方体排列时。可算得孔隙度为当其为立方体排列时。可算得孔隙度为47.64，|为四面体排列时，孔隙度仅为为四面体排列时，孔隙度仅为25.95。|由几何学可知，六方体排列为最松散排由几何学可知，六方体排列为最松散排列，四面体排列为最紧密排列，自然界列，四面体排列为最紧密排列，自然界中松散岩石的孔隙度大多介于此两者之中松散岩石的孔隙度大多介于此两者之间。间。|孔隙比孔隙比|另另一一种种表表示示松松散散岩岩石石中中孔孔隙隙

5、多多少少的的参参数数是是孔孔隙隙比比。岩岩石石的的孔孔隙隙比比(e，简简称称隙隙比比)是是指指某某一一体体积积岩岩石石内内孔孔隙隙的的体体积积(Vn)与与固固体体颗粒体积颗粒体积(Vs)的比值。的比值。|孔隙比：孔隙比：|因为因为V=Vn+Vs，故孔隙度与孔隙比之间故孔隙度与孔隙比之间有如下关系有如下关系e=n/(1-n)。|在涉及变形时，采用孔隙比方便些，而在涉及变形时，采用孔隙比方便些，而涉及水的储容与流动时，则采用孔隙度。涉及水的储容与流动时，则采用孔隙度。岩岩 石石 名名 称称砾石砾石砂砂粉砂粉砂粘土粘土孔孔隙隙度度变变化区间化区间2525一一4040252550503535-5050

6、4040 一一7070孔隙大小对地下水运动影响很大。孔隙通道最细小孔隙大小对地下水运动影响很大。孔隙通道最细小的部分称作孔喉，最宽大的部分称作孔腹的部分称作孔喉，最宽大的部分称作孔腹(图图34)34)；孔喉对水流动的影响更大，讨论孔隙大小时可以；孔喉对水流动的影响更大，讨论孔隙大小时可以用孔喉直径进行比较。用孔喉直径进行比较。表表31列出自然界中主要松散岩石孔隙的参考数值列出自然界中主要松散岩石孔隙的参考数值|孔隙大小取决于颗粒大小孔隙大小取决于颗粒大小(图图43)。|颗粒排列方式也影响孔隙大小。仍以理颗粒排列方式也影响孔隙大小。仍以理想等粒圆球状颗粒为例，设颗粒直径为想等粒圆球状颗粒为例，设

7、颗粒直径为D，孔喉直径为孔喉直径为d，则作立方体排列时，则作立方体排列时，d=0.414D(图图44)，图，图45a)；|作四面体排列时，作四面体排列时，d=0.155D(图图45b)。对于粘性土，决定孔隙大小的不仅是颗对于粘性土，决定孔隙大小的不仅是颗粒大小及排列，结构孔隙及次生空隙的粒大小及排列，结构孔隙及次生空隙的影响是不可忽视的。影响是不可忽视的。|自然界中并不存在完全等粒的松散岩石。自然界中并不存在完全等粒的松散岩石。分选程度愈差，颗粒大小愈悬殊的松散分选程度愈差，颗粒大小愈悬殊的松散岩石，孔隙度便愈小。岩石，孔隙度便愈小。|细小颗粒充填于粗大颗粒之门的孔隙中，细小颗粒充填于粗大颗粒

8、之门的孔隙中，自然会大大降低孔隙度自然会大大降低孔隙度(图图21中中3)。|当某种岩石由两种大小不等的颗粒组成，当某种岩石由两种大小不等的颗粒组成，且粗大颗粒之间的孔隙，完全为细小颗且粗大颗粒之间的孔隙，完全为细小颗粒所充填时，则此岩石的孔隙度等于由粒所充填时，则此岩石的孔隙度等于由粗粒和细粒单独组成时的岩石的孔隙度粗粒和细粒单独组成时的岩石的孔隙度的乘积。的乘积。|4.1.2裂隙裂隙|固固结结的的坚坚硬硬岩岩石石，包包括括沉沉积积岩岩、岩岩浆浆岩岩和和变变质质岩岩，一一般般不不存存在在或或只只保保留留一一部部分分颗颗粒粒之之间间的的孔孔隙隙，而而主主要要发发育育各各种种应应力力作作用用下岩石

9、破裂变形产生的裂隙。下岩石破裂变形产生的裂隙。|按按裂裂隙隙的的成成因因可可分分成成岩岩裂裂隙隙、构构造造裂裂隙隙和风化裂隙。和风化裂隙。|成成岩岩裂裂隙隙是是岩岩石石在在成成岩岩过过程程中中由由于于冷冷凝凝收收缩缩(岩岩浆浆岩岩)或或固固结结干干缩缩(沉沉积积岩岩)而而产产生生的。的。|岩浆岩中成岩裂隙比较发育，尤以玄武岩浆岩中成岩裂隙比较发育，尤以玄武岩中柱状节理最有意义。岩中柱状节理最有意义。|构造裂隙是岩石在构造变动中受力而产构造裂隙是岩石在构造变动中受力而产生的。这种裂隙具有方向性，大小悬殊生的。这种裂隙具有方向性，大小悬殊(由隐蔽的节理到大断层由隐蔽的节理到大断层)，分布不均一。，

10、分布不均一。风化裂隙是风化营力作用下，岩石破坏风化裂隙是风化营力作用下，岩石破坏产生的裂隙，主要分布在地表附近。产生的裂隙，主要分布在地表附近。|（1）裂裂隙隙率率(Kr)：是是裂裂隙隙体体积积(Vr)与与包包括裂隙在内的岩石体积括裂隙在内的岩石体积V的比值，的比值，|除了这种体积裂隙率，还可用面裂隙率除了这种体积裂隙率，还可用面裂隙率或线裂隙率说明裂隙的多少。野外研究或线裂隙率说明裂隙的多少。野外研究裂隙时，应注意测定裂隙的方向、宽度、裂隙时，应注意测定裂隙的方向、宽度、延伸长度、充填情况等延伸长度、充填情况等4.1.3溶穴溶穴|可可溶溶的的沉沉积积岩岩，如如岩岩盐盐、石石膏膏、石石灰灰岩岩

11、和和白白云云岩岩等等，在在地地下下水水溶溶蚀蚀下下会会产产生生空空洞洞，这种空隙称为溶穴这种空隙称为溶穴(隙隙)。|（1）岩溶率）岩溶率(Kk)：溶穴的体积溶穴的体积Vk与包括与包括溶穴在内的岩石体积溶穴在内的岩石体积(V)的比值即为岩溶率的比值即为岩溶率(Kk)。|岩岩石石中中的的空空隙隙，必必须须以以一一定定方方式式连连接接起起来来构构成成空空隙隙网网络络，才才能能成成为为地地下下水水有有效效的的储储容容空空间间和和运运移移通通道道。松松散散岩岩石石、坚坚硬硬基基岩岩和和可可溶溶岩岩石石中的空隙网络具有不同的特点。中的空隙网络具有不同的特点。|松松散散岩岩石石中中的的孔孔隙隙分分布布于于颗

12、颗粒粒之之间间，连连通通良良好好，分分布布均均匀匀，在在不不同同方方向向上上，孔孔隙隙通通道道的的大大小和多少都很接近。小和多少都很接近。|赋存于其中的地下水分布与流动都比较均匀。赋存于其中的地下水分布与流动都比较均匀。坚硬基岩的裂隙是宽窄不等，长度有限的线状坚硬基岩的裂隙是宽窄不等，长度有限的线状缝隙，往往具有一定的方向性。缝隙，往往具有一定的方向性。|按岩层的空隙类型区分为三种类型地下水按岩层的空隙类型区分为三种类型地下水孔隙水、裂隙水和岩溶水。孔隙水、裂隙水和岩溶水。4.2、岩石岩石中水中水的存的存在形在形式式4.2.4.2.1 1、结合结合水水|受受固固相相表表面面的的引引力力大大于于

13、水水分分子子自自身身重重力力的的那那部部分分水水，此此部部分分水水束束缚缚于于固固相相表表面面，不能在自身重力影响下运动。不能在自身重力影响下运动。|由于固相表面对水分子的吸引力自内向由于固相表面对水分子的吸引力自内向外逐渐减弱，结合水的物理性质也随之发外逐渐减弱，结合水的物理性质也随之发生变化。因此，将最接近固相表面的结合生变化。因此，将最接近固相表面的结合水称为强结合水，其外层称为弱结合水。水称为强结合水，其外层称为弱结合水。4.2.2重力重力水水|距距离离固固体体表表面面更更远远的的那那部部分分水水分分子子，重重力力对对它它的的影影响响大大于于固固体体表表面面对对它它的的吸吸引引力力，因

14、因而而能能在在自自身身重重力力影影响响下下运运动动，这这部部分分水水就是重力水。就是重力水。|重力水中靠近固体表面的那一部分，仍重力水中靠近固体表面的那一部分，仍然受到固体引力的影响，水分子的排列较然受到固体引力的影响，水分子的排列较为整齐。这部分水在流动时呈层流状态，为整齐。这部分水在流动时呈层流状态，而不作紊流运动。而不作紊流运动。|远离固体表面的重力水，不受固体引力远离固体表面的重力水，不受固体引力的影响，只受重力控制。的影响，只受重力控制。4.2.3.毛细毛细水水|将将一一根根玻玻璃璃毛毛细细管管插插入入水水中中，毛毛细细管管内内的的冰冰面面即即会会上上升升到到一一定定高高度度，这这便

15、便是是发发生在固、液、气三相界面上的毛细现象。生在固、液、气三相界面上的毛细现象。|松松散散岩岩石石中中细细小小的的孔孔隙隙通通道道构构成成毛毛细细篱篱，因因此此在在地地下下水水面面以以上上的的包包气气带带中中广广泛泛存存在毛细水。在毛细水。|由于毛细力的作用，水从地下水面沿着由于毛细力的作用，水从地下水面沿着小孔隙上升到一定高度，形成一个毛细小孔隙上升到一定高度，形成一个毛细水带，此带中的毛细水下部有地下水面水带，此带中的毛细水下部有地下水面支持，因此称为支持毛细水支持，因此称为支持毛细水(图图3一一7)。3.2.4气态气态水、水、固态固态水及水及矿物矿物中的中的水水|细细粒粒层层次次与与粗

16、粗粒粒层层次次交交互互成成层层时时，在在一一定定条条件件下下，由由于于上上下下弯弯液液面面毛毛细细力力的的作作用用，在在细细土土层层中中会会保保留留与与地地下下水水面面不不相相连连接接的的毛毛细细水水，这这种种毛毛细细水水称称为为悬悬挂挂毛毛细细水水(图图47)。|在包气带中颗粒接触点上还可以悬留孔在包气带中颗粒接触点上还可以悬留孔角毛细水角毛细水(触点毛细水触点毛细水)，即使是粗大的卵，即使是粗大的卵砾石，砾石，颗粒接触处孔隙大小也总可以达到颗粒接触处孔隙大小也总可以达到毛细管的程度而形成弯液面，将水滞留在毛细管的程度而形成弯液面，将水滞留在孔角上（图孔角上（图4-8）。）。4.3与水与水的

17、储的储容及容及运移运移有关有关的岩的岩石性石性质质|岩石的多少、大小、连通程度及其分布岩石的多少、大小、连通程度及其分布的均匀程度，都对其储容、滞留、释出以的均匀程度，都对其储容、滞留、释出以及透过水的能力有影响。及透过水的能力有影响。|3.3.1溶水度溶水度|概概念念：指指岩岩石石完完全全饱饱水水时时所所能能容容纳纳的的最最大的水体积与岩石总体积之比值。大的水体积与岩石总体积之比值。|容水度在数值上与孔隙度（裂隙率、岩容水度在数值上与孔隙度（裂隙率、岩溶率）相当，但大于与粘土的孔隙度。溶率）相当，但大于与粘土的孔隙度。|重重量量含含水水量量：松松散散岩岩石石孔孔隙隙中中所所含含的的水水量量（

18、Gw）与干燥岩石重（与干燥岩石重（Gs）的比值。的比值。|体体积积含含水水量量：含含水水体体积积（Vw）与与包包括括孔孔隙隙在在内内的岩石体积的岩石体积(V)的比值：的比值：|若若水水的的比比重重为为1，岩岩石石的的干干容容重重（单单位位体体积积干干土土的的重）为时，重量含水量与体积含水量的关系重）为时，重量含水量与体积含水量的关系。|饱和含水量：孔隙充分饱水时的含水量；饱和含水量：孔隙充分饱水时的含水量；|饱和度：实际含水量与饱和含水量之比。饱和度：实际含水量与饱和含水量之比。3.3.3给水给水度度|若若使使地地下下水水面面下下降降，则则下下降降范范围围内内饱饱水水岩岩石石及及相相应应的的支

19、支持持毛毛细细水水带带中中的的水水，将将因因重重力力作作用用而而下下移移并并部部分分从从原原先先赋赋存存的的空隙中释出。空隙中释出。|我我们们把把地地下下水水位位下下降降一一个个单单位位深深度度，从从地地下下水水位位延延伸伸到到地地表表面面的的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释放放出出的的水水的的体积，称给水度体积，称给水度()。|给水度与岩性、初始水位埋藏深度及地给水度与岩性、初始水位埋藏深度及地下水位下降速率等因素有关下水位下降速率等因素有关(张蔚榛等，张蔚榛等，1983)1983)4.3.4持水持水度度|地下水位下降一个单位深度时，单位水地下水位下降一

20、个单位深度时，单位水平面积岩石柱体中反抗重力而保持于岩平面积岩石柱体中反抗重力而保持于岩石空隙中的水量，称为持水度石空隙中的水量，称为持水度(SrSr)|给水度、持水度与孔隙度的关系：给水度、持水度与孔隙度的关系：|+Sr+Sr=n=n|包气带充分重力释水而又未受到蒸发、包气带充分重力释水而又未受到蒸发、蒸腾消耗时蒸腾消耗时的含水量称作残留含水量的含水量称作残留含水量(W0 0)数值上相当于最大的持水度。数值上相当于最大的持水度。4.3.5透水透水性性|岩岩石石的的透透水水性性是是指指岩岩石石允允许许水水透透过过的的能能力。力。|表征岩石透水性的定量指标是渗透系数。表征岩石透水性的定量指标是渗

21、透系数。3.4有效有效应力应力原理原理与松与松散岩散岩土压土压密密|3.4.1有效应力原理有效应力原理|太太沙沙基基(Terzaghi，1925)所所提提出出的的有有效效应应力力原原理理可可以以帮帮助助我我们们分分析析地地下下水水位位变变动动情情况况下下岩岩石石有有效应力的变化以及由此引起的松散岩石压密问题。效应力的变化以及由此引起的松散岩石压密问题。|为分析简单起见，我们假定所讨论的是松散沉为分析简单起见，我们假定所讨论的是松散沉积物质构成的饱水砂层，取任一水平单元积物质构成的饱水砂层，取任一水平单元面积面积AB(或取饱水砂层顶面的或取饱水砂层顶面的AB水平单元面积也可水平单元面积也可)(图

22、图312)。则作用在所研究的单元。则作用在所研究的单元面积面积AB上上的总应力的总应力P为该单元之上松散岩石骨架与水的重为该单元之上松散岩石骨架与水的重量之和。量之和。|孔孔隙隙水水压压力力U可可理理解解为为AB平平面面处处水水对对上上覆覆地地层层的的浮浮托托力力。由由于于这这种种浮浮托托力力的的存存在在使使实实际际作作用用于于砂砂层层骨骨架架(颗颗粒粒)上上的的应应力力小小于于总总应应力力。实实际际作作用用于于砂砂层层骨架上的应力，称作有效应力骨架上的应力，称作有效应力Pz。|由由于于AB平平面面处处应应力力处处于于平平衡衡状状态态，总总应应力力等等于于孔隙水压力及有效应力之和。故得：孔隙水

23、压力及有效应力之和。故得：|(42)|(43)|有效应力等于总应力减去孔隙水压力，这就是有效应力等于总应力减去孔隙水压力，这就是著名的太沙基有效应力原理。著名的太沙基有效应力原理。3.4.2地下地下水位水位变动变动引起引起的岩的岩土压土压密密|即即原原先先由由水水承承受受的的应应力力由由于于水水头头降降低低，浮浮托托力力减减少少而而部部分分地地转转由由砂砂层层骨骨架架(颗颗粒粒本本身身)承担：承担：|(44)|砂层是通过颗粒的接触点承受应力的。砂层是通过颗粒的接触点承受应力的。孔隙水压力降低，有效应力增加，颗粒发孔隙水压力降低，有效应力增加，颗粒发生位移，生位移，排列更为紧密，颗粒的接触面增排列更为紧密，颗粒的接触面增加，孔隙度降低，砂层受到压密。加，孔隙度降低，砂层受到压密。