第3讲岩石的水理性质精选PPT.ppt

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1、第3讲岩石的水理性质第1页，本讲稿共51页本本 节节 内内 容容水的储容及运移有关的岩石性质水的储容及运移有关的岩石性质含水层与隔水层含水层与隔水层地下水的类型地下水的类型第2页，本讲稿共51页一、一、与水的储容及运移有关的岩石性质与水的储容及运移有关的岩石性质影响水的储容及运移的因素：影响水的储容及运移的因素：岩石空隙大小、多少、连通程度及岩石空隙大小、多少、连通程度及其分布均匀度。其分布均匀度。控制水活动的因素：控制水活动的因素：岩石的容水性、含水性、给水性、岩石的容水性、含水性、给水性、持水性、透水性持水性、透水性第3页，本讲稿共51页岩土的水理性质岩土的水理性质概念概念：指岩土控制水活

2、动的性质指岩土控制水活动的性质 岩土主要水理性质岩土主要水理性质：容水性容水性持水性持水性给水性给水性透水性透水性含水性含水性第4页，本讲稿共51页1.1.容水性（容水度）容水性（容水度）定义：定义：岩石的容水性是指岩石容纳一岩石的容水性是指岩石容纳一定水的能力。定水的能力。第5页，本讲稿共51页表征指标：表征指标：容容水水度度指指岩岩土土完完全全饱饱水水时时所所容容纳纳的的最最大大水水体体积积与与岩土总体积之比，即岩土总体积之比，即 =100%=100%或或=100%=100%容水度数值上一般与空隙度（裂隙率、岩溶率）容水度数值上一般与空隙度（裂隙率、岩溶率）相等，但膨胀土的容水度大于孔隙度

3、。相等，但膨胀土的容水度大于孔隙度。第6页，本讲稿共51页2.2.含水性（含水量）含水性（含水量）概念：概念：含水量含水量松散岩石实际保留水分的状况。松散岩石实际保留水分的状况。重量含水量（重量含水量（WgWg）：）：松散岩石孔隙中所含水的重松散岩石孔隙中所含水的重量与干燥岩石重量的比值。量与干燥岩石重量的比值。体积含水量（体积含水量（WvWv）：）：含水的体积与包括孔隙在含水的体积与包括孔隙在内的岩石体积的比值。内的岩石体积的比值。第7页，本讲稿共51页饱和含水量饱和含水量WsWs：孔隙充分饱水时的含水量称作孔隙充分饱水时的含水量称作饱和含水量饱和含水量WsWs。饱和含水量与实际含水量之间的

4、差值称为饱和含水量与实际含水量之间的差值称为饱和差饱和差。实际含水量与饱和含水量之比称为实际含水量与饱和含水量之比称为饱和度。饱和度。第8页，本讲稿共51页3.3.给水性（给水度）给水性（给水度）给水性：给水性：地下水位下降时，其下降范围内饱水岩石及相地下水位下降时，其下降范围内饱水岩石及相应的支持毛细水带中的水，在重力作用下从原先赋应的支持毛细水带中的水，在重力作用下从原先赋存的空隙中释出，这一现象称为岩石的存的空隙中释出，这一现象称为岩石的给水性给水性（）。第9页，本讲稿共51页第10页，本讲稿共51页表征指标：表征指标：给水度给水度 在单位水平面积岩层柱体中，当潜水位在单位水平面积岩层柱

5、体中，当潜水位下降一个单位时，在重力作用下所释出的水下降一个单位时，在重力作用下所释出的水量。以小数或百分数表示。量。以小数或百分数表示。=（V V出水出水/V/V砂样容水砂样容水）100%100%第11页，本讲稿共51页含水率释水前水位释水后水位单位水位降OOOODEAIHGFC结合水悬挂毛细水支持毛细水第12页，本讲稿共51页影响因素：影响因素：重力释水不是瞬时完成，往往滞后重力释水不是瞬时完成，往往滞后于水位下降。对于均质的松散岩石，给于水位下降。对于均质的松散岩石，给水度的大小与岩性、初始地下水位埋藏水度的大小与岩性、初始地下水位埋藏深度、地下水位下降速率等因素有关。深度、地下水位下降

6、速率等因素有关。第13页，本讲稿共51页表2-2 常见松散岩石的给水度Fetter,1980第14页，本讲稿共51页4 4、持水性（持水度）、持水性（持水度）持水性：持水性：岩石依靠分子引力和毛细力，在重力作用岩石依靠分子引力和毛细力，在重力作用下其岩石仍能保持一定水的性能。下其岩石仍能保持一定水的性能。表征指标表征指标 持水度：在重力作用下，岩石所保持水度：在重力作用下，岩石所保持的水体积与岩石体积的比值。持的水体积与岩石体积的比值。第15页，本讲稿共51页残留含水量（残留含水量（W W0 0）：）：包气带充分重力释水而又未受到蒸发、蒸包气带充分重力释水而又未受到蒸发、蒸腾消耗时的含水量称作

7、腾消耗时的含水量称作残留含水量残留含水量（W W0 0），数值），数值上相当于最大的持水度。上相当于最大的持水度。第16页，本讲稿共51页5 5、透水性（渗透系数）、透水性（渗透系数）岩石的透水性：岩石的透水性：指岩石允许水透过的能力。指岩石允许水透过的能力。表征指标：表征指标：表征岩石透水性的定量指标表征岩石透水性的定量指标渗渗透系数透系数。第17页，本讲稿共51页实例分析实例分析以松散岩石为例，分析一个理以松散岩石为例，分析一个理想孔隙通道中水的运动情况。想孔隙通道中水的运动情况。第18页，本讲稿共51页图图2-92-9表示圆管状孔隙通道的纵断面，孔隙的边缘上分布着表示圆管状孔隙通道的纵断

8、面，孔隙的边缘上分布着在寻常条件下不运动的结合水，其余部分是重力水。在寻常条件下不运动的结合水，其余部分是重力水。由于附着于隙壁的结合水层对于重力水，以及重力水质由于附着于隙壁的结合水层对于重力水，以及重力水质点之间存在着摩擦阻力，最近边缘的重力水流速趋于零，点之间存在着摩擦阻力，最近边缘的重力水流速趋于零，中中心部分流速最大。心部分流速最大。分析可见：分析可见：孔隙直径愈小，结合水所占据的无效空间愈大，孔隙直径愈小，结合水所占据的无效空间愈大，实际渗流断面就愈小；孔隙直径越小，透水性越差。实际渗流断面就愈小；孔隙直径越小，透水性越差。第19页，本讲稿共51页 分析可见：分析可见：决定透水性好

9、坏的主要因素是决定透水性好坏的主要因素是孔隙大孔隙大小小；只有在孔隙大小达到一定程度，孔隙；只有在孔隙大小达到一定程度，孔隙度才对岩石的透水性起作用，孔隙度愈大，度才对岩石的透水性起作用，孔隙度愈大，透水性愈好。透水性愈好。第20页，本讲稿共51页实际的实际的孔隙通道孔隙通道并不是直径均一并不是直径均一的圆管，而的圆管，而是直径变化、断面形状是直径变化、断面形状复杂的管道系统复杂的管道系统（图（图a a）实际的实际的孔隙通道不是直线孔隙通道不是直线的，的，而是曲直的（图而是曲直的（图a a）。）。颗粒分选性颗粒分选性，既影响孔隙大小，既影响孔隙大小，还决定着孔隙通道沿程直径的变还决定着孔隙通道

10、沿程直径的变化和曲折性（图化和曲折性（图a a），），第21页，本讲稿共51页Company L二、二、含水层含水层 隔水层隔水层1 1 1 1、基本概念基本概念基本概念基本概念 饱水岩水岩层中，根据岩中，根据岩层给给水与透水能力水与透水能力水与透水能力水与透水能力而而进行的划分行的划分 含水层含水层（AquiferAquifer）：）：是能够是能够透过透过并并给出给出重力水的岩层重力水的岩层各类砂土，砂岩等各类砂土，砂岩等 隔水层隔水层（Aquifuge)Aquifuge)：不不能能透透过过与与给给出出水水或或透透过过与与给给出出的的水水量量微微不不足足道道的的岩岩层层裂裂隙隙不不发育的基岩

11、、页岩、板岩、粘土（致密）发育的基岩、页岩、板岩、粘土（致密）弱透水层弱透水层（AquitardAquitard）：）：渗渗透透性性很很差差，给给出出的的水水量量微微不不足足道道，但但在在较较大大水水力力梯梯度度作作用用下下，具具有有一一定定的的透透水水能能力力的的岩岩层层各各种种粘粘土土，泥泥质质粉粉砂岩砂岩第22页，本讲稿共51页Company L2构成含水层具备条件构成含水层具备条件（1 1）有储水空间）有储水空间（2 2）有储存地下水的地质构造条件）有储存地下水的地质构造条件（3 3）有良好的补给水源和补给条件。）有良好的补给水源和补给条件。第23页，本讲稿共51页Company L

12、定定义中的模糊概念中的模糊概念“相当水量，微不足道，相当水量，微不足道，较大水力梯度大水力梯度”等等。对于是否是含水于是否是含水层，还要从要从实际应用角度来看划分的相用角度来看划分的相对的性。的性。即即：在在利利用用与与排排除除地地下下水水的的实实际际中中应应当当考考虑虑岩岩层层所所能能给给出水的数量大小是否具有实际意义。出水的数量大小是否具有实际意义。3 概念的相对性概念的相对性第24页，本讲稿共51页Company L例例1 1：黄土：黄土 利用地下水供水时利用地下水供水时,某一岩层能够给出的水量较小某一岩层能够给出的水量较小,对于水源对于水源丰沛、需水量很大的地区丰沛、需水量很大的地区,

13、由于远不能满足供水需求由于远不能满足供水需求,而被视作而被视作隔水层。隔水层。但在水源匮乏、需水量又小的地区但在水源匮乏、需水量又小的地区,同一岩层便能在一定程度上同一岩层便能在一定程度上满足满足,甚至充分满足实际需要甚至充分满足实际需要;在后一地区在后一地区,这种岩层便可看作含水这种岩层便可看作含水层。层。3 概念的相对性概念的相对性第25页，本讲稿共51页Company L 例例2 2：如在某处一口井出水量：如在某处一口井出水量80m80m3 3/d/d，作，作为为1 1万人的供水，非含水层；作为饮料厂、装万人的供水，非含水层；作为饮料厂、装瓶生产则为含水层。瓶生产则为含水层。3 概念的相

14、对性概念的相对性第26页，本讲稿共51页Company L3.2.2 3.2.2 概念的相对性概念的相对性概念的相对性概念的相对性例例3、从理论意义来看、从理论意义来看微不足道微不足道：微不足道，有时空尺：微不足道，有时空尺度的制约。度的制约。如华北平原早期地下水开采就是典型的例子，深层水如华北平原早期地下水开采就是典型的例子，深层水与浅层水的开采有一粘土隔水层；后开采深层，水量大，与浅层水的开采有一粘土隔水层；后开采深层，水量大，水位降低快，浅层水向深层水位降低快，浅层水向深层“越流越流”-粘土层成为粘土层成为“透水透水层层”。第27页，本讲稿共51页时时间间的的相相对对性性54321 如图

15、：如图：5个含水层被个含水层被4个弱透水层所阻隔。个弱透水层所阻隔。当含水层当含水层3中抽水时中抽水时,短短期内相邻的含水层期内相邻的含水层2与与4的水位均未变动的水位均未变动,图中图中所示所示a的范围构成一个的范围构成一个有水力联系的单元。有水力联系的单元。但当抽水持续时但当抽水持续时,最终影最终影响将波及图中响将波及图中b所示范围所示范围,这时这时5个含水层与个含水层与4个弱透个弱透水层构成一个发生统一水水层构成一个发生统一水力联系的单元。力联系的单元。第28页，本讲稿共51页总结：总结：人们把隔水层看作是绝对不透水与不释水的。本世纪人们把隔水层看作是绝对不透水与不释水的。本世纪40年代年

16、代雅可布提出越流概念后雅可布提出越流概念后,人们才开始认识到人们才开始认识到,在原先划入隔水层中在原先划入隔水层中的的,有一类是弱透水层。有一类是弱透水层。弱透水层：弱透水层：指那些渗透性极差的岩层，一般情况下所能提供指那些渗透性极差的岩层，一般情况下所能提供的水量微小，似乎可以看作隔水层；但在发生越流时的水量微小，似乎可以看作隔水层；但在发生越流时,由于由于水流的水力梯度和发生渗透的过水断面很大，故相邻含水层水流的水力梯度和发生渗透的过水断面很大，故相邻含水层通过弱透水层交换的水量相当大，则不能再把它看作隔水层通过弱透水层交换的水量相当大，则不能再把它看作隔水层了。了。如：松散沉积物中的粘性

17、土如：松散沉积物中的粘性土,坚硬基岩中裂隙稀少而狭小的岩层都坚硬基岩中裂隙稀少而狭小的岩层都可认为是弱透水层。可认为是弱透水层。第29页，本讲稿共51页Company L地下水分类地下水分类：主要依据主要依据含水介含水介质的的类型（型（赋存空存空间）埋藏条件（埋藏条件（赋存部位）存部位）表表3-13-1含水介质三类，埋藏三分，组合共分为含水介质三类，埋藏三分，组合共分为9 9类类 三、三、地下水的类型地下水的类型孔隙水孔隙水裂隙水裂隙水岩溶水岩溶水包气带包气带上层滞水上层滞水上层滞水上层滞水上层滞水上层滞水潜水潜水孔隙潜水孔隙潜水裂隙潜水裂隙潜水岩溶潜水岩溶潜水承压水承压水孔隙承压水孔隙承压水

18、裂隙承压水裂隙承压水岩溶承压水岩溶承压水 第30页，本讲稿共51页Company L1 1 包气带与饱水带包气带与饱水带包气带与饱水带包气带与饱水带 一、包气带与饱水带的划分一、包气带与饱水带的划分 地下水面（水位）地下水面（水位）：地下一定深度岩石中的空隙被重力水所充地下一定深度岩石中的空隙被重力水所充满，形成一个自由水面，以海拔高度表示称之形成一个自由水面，以海拔高度表示称之地下水位地下水位（一般通（一般通过打井，地下开挖来确定）打井，地下开挖来确定）第31页，本讲稿共51页Company L包包气气带带与与饱饱水水带带地下水位地下水位地下水面以上地下水面以上称为称为包气带包气带；地下水面

19、以下地下水面以下称为称为饱水带饱水带第32页，本讲稿共51页Company L1.1 1.1 包气带包气带包气带包气带包气带包气带（zone of aeration or zone of unsaturation）特点：特点：岩石空隙未被水充岩石空隙未被水充满 是固、液、气三相介是固、液、气三相介质并存介并存介质 水的存在形式（多水的存在形式（多样）结合水、毛合水、毛细水（各种）、重力水、气水（各种）、重力水、气态水水 包气包气带水的垂直分水的垂直分带 土壤水土壤水带，中中间带（过渡渡带）支持毛支持毛细水水带，毛，毛细饱和水和水带 包气带是饱水带中地下水参与水文循环的一个重要包气带是饱水带中地

20、下水参与水文循环的一个重要通道通道；“重力水重力水”通过包气带获得降水、地表水的入渗通过包气带获得降水、地表水的入渗补给补给（补充），部分水又通过（补充），部分水又通过包气带将水分传输，包气带将水分传输，蒸发蒸发，消耗出去。，消耗出去。第33页，本讲稿共51页Company L饱水带饱水带（saturation zone）岩石空隙被水完全充满岩石空隙被水完全充满 是二相介质（固相是二相介质（固相+液相水）液相水）空隙中水的存在形式：空隙中水的存在形式：重力水重力水 结合水合水 重重力力水水：连续分分布布（孔孔隙隙是是连通通）传递压力力在在水水头差差作用下，地下水（空隙中的水）可以作用下，地下水

21、（空隙中的水）可以连续运运动。地地下下开开挖挖，坑坑道道，巷巷道道，基基坑坑，打打井井在在此此带带均均有有重重力力水水涌出来！涌出来！1.2 1.2 饱水带饱水带饱水带饱水带 第34页，本讲稿共51页Company L2上层滞水上层滞水 当包气带存在局当包气带存在局部隔（弱透）水部隔（弱透）水层时层时,局部隔局部隔(弱弱透）水层上会积透）水层上会积聚具有自由水面聚具有自由水面的重力水的重力水上上层滞水。层滞水。第35页，本讲稿共51页Company Logo2.1上层滞水的补给、径流、排泄上层滞水的补给、径流、排泄上上层层滞滞水水分分布布最最接接近近地地表表,接接受受大大气气降降水水的的补补给

22、给,通通过过蒸蒸发发或或向向隔隔水水底底板板(弱弱透透水水层层底底板板)的的边边缘缘下下渗排泄。渗排泄。雨雨季季获获得得补补充充,积积存存一一定定水水量量。旱旱季季水水量量逐逐渐渐耗耗失失。当分布范围小且补给不很经常时当分布范围小且补给不很经常时,不能终年保持有水。不能终年保持有水。第36页，本讲稿共51页2.2上层滞水的特征上层滞水的特征水水量量小小,动动态态变变化化显显著著,只只有有在在缺缺水水地地区区才才能能成成为为小小型供水水源或暂时性供水水源。型供水水源或暂时性供水水源。包包气气带带中中的的上上层层滞滞水水,对对其其下下部部的的潜潜水水的的补补给给与与蒸蒸发排泄发排泄,起到一定的滞后

23、调节作用。起到一定的滞后调节作用。上上层层滞滞水水极极易易受受污污染染,利利用用其其作作为为饮饮用用水水源源时时要要格格外注意卫生防护。外注意卫生防护。第37页，本讲稿共51页Company L3.1 3.1 潜水与潜水含水层概念潜水与潜水含水层概念 潜水潜水：地表以下，第一个具有地表以下，第一个具有自由表面自由表面的的稳定定含水含水层中的水中的水 自自由由表表面面即即设设有有隔隔水水层层限限制制，与与大大气气直直接接相相通通，除除大气压强外不受其它力。大气压强外不受其它力。稳稳定定具具有有一一定定的的空空间间连连续续性性（范范围围）以以示示区区分分上上层层滞水滞水 潜水含水层潜水含水层 -赋

24、存潜水的岩存潜水的岩层 屋建筑时的基坑排水，大堤堤角处的散浸渗漏（潜水）屋建筑时的基坑排水，大堤堤角处的散浸渗漏（潜水）3 3 潜水与潜水含水层潜水与潜水含水层潜水与潜水含水层潜水与潜水含水层第38页，本讲稿共51页第39页，本讲稿共51页Company L3.2 3.2 潜水几个基本要素潜水几个基本要素潜水几个基本要素潜水几个基本要素 潜潜水水面面：潜潜水水的的表表面面为为自自由由水水面面，称称作作潜潜水水面；面；潜潜水水含含水水层层厚厚度度：从从潜潜水水面面到到隔隔水水底底板板的的距离；距离；潜潜水水埋埋藏藏深深度度：潜潜水面到地面的距离水面到地面的距离第40页，本讲稿共51页 3.3 3

25、.3潜水的补给、径流、排泄潜水的补给、径流、排泄潜水的补给：潜水的补给：潜水含水层上面不存在完整的隔水或弱透水顶板潜水含水层上面不存在完整的隔水或弱透水顶板,与包气带直接连通与包气带直接连通,其全部分布范围都可以通过包气带其全部分布范围都可以通过包气带接受大气降水、地表水的补给。接受大气降水、地表水的补给。第41页，本讲稿共51页潜水的径流：潜水的径流：潜水在重力潜水在重力作用下由水位作用下由水位高的地方向水高的地方向水位低的地方径位低的地方径流。流。第42页，本讲稿共51页潜水的排泄：潜水的排泄：除了流入其它含水层以外除了流入其它含水层以外,泄入大气圈与地表水泄入大气圈与地表水圈的方式有两类

26、圈的方式有两类:一类是径流到地形低洼处一类是径流到地形低洼处,以泉、泄流等形式向地表以泉、泄流等形式向地表或地表水体排泄或地表水体排泄,即即径流排泄径流排泄。另一类是通过土面蒸发或植物蒸腾的形式进入大另一类是通过土面蒸发或植物蒸腾的形式进入大气气,即即蒸发排泄。蒸发排泄。第43页，本讲稿共51页潜水与大气圈及地表水圈联系密切潜水与大气圈及地表水圈联系密切,影响显著。动态有明显的季节变化特点；影响显著。动态有明显的季节变化特点；潜潜水水积积极极参参与与水水循循环环,资资源源易易于于补补充充恢恢复复,但但受受气气候候影影响响,且且含含水水层层厚厚度度一一般比较有限般比较有限,其资源通常缺乏多年调节

27、性。其资源通常缺乏多年调节性。潜水的水质主要取决于气候、地形及岩性条件。潜水容易受到污染。潜水的水质主要取决于气候、地形及岩性条件。潜水容易受到污染。综上所述综上所述,潜水的基本特点是与大气圈、地表水圈联系密切潜水的基本特点是与大气圈、地表水圈联系密切,积极参与水积极参与水循环循环;决定这一特点的根本原因是其埋藏特征决定这一特点的根本原因是其埋藏特征位置浅且上面没有连续的位置浅且上面没有连续的隔水层。隔水层。3.43.4潜水的特征潜水的特征第44页，本讲稿共51页3.53.5潜水面的形状：潜水面的形状：自由表面；自由表面；因其埋藏条件的差因其埋藏条件的差异，潜水面的形状呈异，潜水面的形状呈倾倾

28、斜的、水平的、抛物线型斜的、水平的、抛物线型的，或各种形状的组合的，或各种形状的组合；潜水面的区域轮廓潜水面的区域轮廓与地形的变化基本一致与地形的变化基本一致而较缓和。而较缓和。第45页，本讲稿共51页绘制潜水等水位线图绘制潜水等水位线图 获获取取信信息息-资资料料的的手手段段调调查查、勘勘探探，分分析析 3.6 3.6 潜水研究基本方法潜水研究基本方法第46页，本讲稿共51页Company L某地潜水等水位线图（平面）某地潜水等水位线图（平面）河河河河流流流流第47页，本讲稿共51页Company L通过潜水等水位线图可以解决以下问题通过潜水等水位线图可以解决以下问题确定潜水流向；垂直于等水

29、位线由高确定潜水流向；垂直于等水位线由高低低求潜水水力坡度；确定潜水位埋深；求潜水水力坡度；确定潜水位埋深；推断含水层岩性和厚度变化；等水位线越推断含水层岩性和厚度变化；等水位线越密，水力梯度越大，表征含水层厚度变小密，水力梯度越大，表征含水层厚度变小或渗透性能变差。或渗透性能变差。确定地下水与地表水的补给关系。确定地下水与地表水的补给关系。第48页，本讲稿共51页Company L通过潜水等水位线图可以解决以下问题通过潜水等水位线图可以解决以下问题100989694100989694地下水补给地表水第49页，本讲稿共51页Company L通过潜水等水位线图可以解决以下问题通过潜水等水位线图可以解决以下问题100989694100989694地表水补给地下水第50页，本讲稿共51页Company L通过潜水等水位线图可以解决以下问题通过潜水等水位线图可以解决以下问题100989694100989694河流右侧地下水补给地表水，左侧地表水补给地下水第51页，本讲稿共51页