第2章地下水的赋存.ppt

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1、第二章第二章 地下水的赋存地下水的赋存本章内容本章内容地下水赋存赋存的介质赋存的形式第一节岩石的空隙第三节岩石的水理性质第五节含水层和隔水层第二节岩石中水的存在形式第四节包气带和饱水带第六节地下水系统岩石岩石水文地水文地质学中指学中指坚硬的岩石及松散的土硬的岩石及松散的土层。空隙空隙岩、土中各种岩、土中各种类型的空洞的型的空洞的总称，称，是地下水渗入、是地下水渗入、储存、运移的场所和通道。储存、运移的场所和通道。空隙的类型：空隙的类型：松散沉积物中的孔隙、坚硬岩石的裂隙和可溶岩的溶穴松散沉积物中的孔隙、坚硬岩石的裂隙和可溶岩的溶穴(隙）隙）。见。见图图2-1。孔隙：存在于松散的或未完全胶结的岩

2、石颗粒与颗粒之间或孔隙：存在于松散的或未完全胶结的岩石颗粒与颗粒之间或颗粒集合体与颗粒集合体之间的空隙，称为孔隙。颗粒集合体与颗粒集合体之间的空隙，称为孔隙。裂隙：裂隙是坚硬岩石形成时或形成后由于各种内外营力的裂隙：裂隙是坚硬岩石形成时或形成后由于各种内外营力的作用，使岩体遭受破坏而形成的空隙。作用，使岩体遭受破坏而形成的空隙。溶穴（隙）：可溶性岩石经地下水的溶蚀和机械冲蚀作用产溶穴（隙）：可溶性岩石经地下水的溶蚀和机械冲蚀作用产生的空隙。生的空隙。第一节岩石的空隙第一节岩石的空隙土体孔隙的描述有：孔隙的大小，多少，形状，土体孔隙的描述有：孔隙的大小，多少，形状，连通与通与分布分布松散土体宏松

3、散土体宏观上可以分上可以分为2大大类：砂性土与粘性土：砂性土与粘性土类 1、砂、砂砾石的孔隙度及其影响因素石的孔隙度及其影响因素一、孔隙一、孔隙孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标 定定义义：某某一一体体积积岩岩石石（包包括括颗颗粒粒骨骨架架与与空空隙隙在在内内）中中孔孔隙隙体体积积所所占的比例。通常用占的比例。通常用 n 表示表示 孔隙比（孔隙比（，简称隙比）：指某一体积岩石内孔隙的体积（，简称隙比）：指某一体积岩石内孔隙的体积（Vn）与固体颗粒（与固体颗粒（Vs）的比值，）的比值，(Vn/Vs)*100%n/(1-n)-颗粒中心连线平面角的二面角。=90

4、，n=47.64%，立方体；=60，n=25.95%，四面体。（斯利郝特公式）立方体排列四面体排列影响孔隙度大小的因素：（1）颗粒的排列情况：不同的排列方式，孔隙度可在25.95%47.94%之间波动。（2）分选程度：乘法原则n=n1n2（3）颗粒的形态、磨圆度（4）压实、胶结情况（5）粘性土的结构孔隙及次生空隙粘土粘土 粘土是指土体颗粒0.005mm的直径粘土的孔隙度往往可以超过上述理论上最大孔隙度值。粘性土如同海绵、峰窝或絮状结构结构结构孔隙孔隙粘土颗粒表面常常带有电荷，构成颗粒集合体，可形成直径比颗粒还大的结构孔隙。次生次生孔隙孔隙虫孔、根系孔、裂隙裂痕等 1、砂、砂砾石的孔隙度及其影响

5、因素石的孔隙度及其影响因素与粒径的关系不是愈大孔隙度与粒径的关系不是愈大孔隙度则愈大愈大 粘土孔隙度超粘土孔隙度超过最疏松排列的最疏松排列的47.64%达到达到70%松散岩石孔隙度参考数值松散岩石孔隙度参考数值n的测定：的测定：注水法注水法砂、砾石等砂、砾石等 n=Vn/V*100%比重容重法比重容重法细颗粒细颗粒 n=(1-/)*100%式中：式中：岩石的容重岩石的容重 岩石的比重岩石的比重孔隙大小孔隙大小的意义：孔隙大小对地下水的赋存和运动有很大影响，孔隙越大，赋存的重力水越多，地下水运动越通畅。2、砂砾石孔隙大小及其影响因素、砂砾石孔隙大小及其影响因素孔隙大小的影响因素：（1）颗粒大小不

6、同粒度等粒岩石的孔隙度与孔隙大小孔隙大小的描述：孔隙大小的描述：孔喉孔喉(d)d=0.414D 孔腹孔腹(d)d=0.732D 而孔隙中，又是最细小的部分是影响水流的瓶颈。孔吼（直径为d）与孔腹（直径为d）通过孔隙通道中心切面图2、砂砾石孔隙大小及其影响因素、砂砾石孔隙大小及其影响因素孔隙大小的影响因素：（2）颗粒的排列方式（3）颗粒的分选程度（4）颗粒的形状（5）颗粒被胶结情况（6）粘性土的结构孔隙及次生空隙D dD dv立方体排列 四面体排列d=0.414Dd=0.155D固结的坚硬岩石（沉积岩、岩浆岩和变质岩）在各种应力作用下岩石破裂变形而产生的空隙。二、裂隙二、裂隙（fissure）裂

7、隙的成因：内营力（岩浆岩的冷凝收缩、沉积岩的固结干缩）、外营力（构造作用、风化作用）按成因分为风化（卸荷）裂隙、成岩裂隙、构造裂隙 成岩裂隙是岩石在成岩过程中由于冷凝收缩（岩浆岩）或固结（沉积岩）而产生的。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。构造裂隙是岩石在应力作用下产生的裂隙，具有方向性，大小悬殊（由隐蔽的节理到大断层），分布不均一。风化（卸荷）裂隙风化营力作用下，岩石产生的裂隙。裂隙的特点：不均一性（分布不均一，宽度、长度、密度、连通性差异很大）方向性二、裂隙二、裂隙二、裂隙二、裂隙d=(d1+d2+d3)/3*100%裂隙的多少（体积）裂隙率：裂隙的体积（Vr）与包含

8、裂隙在内的岩石的总体积（V）之比。面裂隙率：裂隙的总面积与岩层面总面积之比线裂隙率：裂隙的总宽度与岩芯总长度之比。裂隙的测量方法直接测量法饱水法三、溶穴三、溶穴 定义：可溶性岩石在原有空隙的基础上经过地下水长时间的差异溶蚀形成的空隙。溶穴的分类：溶孔、溶蚀裂隙、溶洞和暗河溶穴的特点：形态和大小变化很大，不均一性尤为突出。溶穴的多少（溶穴率）体积溶穴率面积溶穴率线溶穴率根据空隙类型对岩石的分类孔隙岩石（土）、裂隙岩石、溶穴岩石过渡类型：孔隙-裂隙岩石、裂隙-溶穴岩石等四、孔隙、裂隙和溶穴（隙）三者的区别四、孔隙、裂隙和溶穴（隙）三者的区别根本差别在于均匀性、方向性和连通性的情况不同。根本差别在于

9、均匀性、方向性和连通性的情况不同。空隙类型空隙类型项目项目孔隙孔隙裂隙裂隙溶穴（隙）溶穴（隙）均匀性均匀性孔隙水均匀孔隙水均匀分布与流动分布与流动不均匀不均匀分布与流动分布与流动极不均匀极不均匀方向性方向性在各个方向在各个方向上都比较均上都比较均匀匀裂隙水具有裂隙水具有一定的方向一定的方向性性溶穴的空隙溶穴的空隙大小悬殊，大小悬殊，无方向性无方向性连通性连通性连通性良好连通性良好裂隙发育方裂隙发育方向连通性好，向连通性好，其它方向连其它方向连通性差通性差连通性差异连通性差异很大很大造成空隙介造成空隙介质上述差异的主要原因：上述差异的主要原因：沉沉积物形成和空隙形物形成和空隙形成的成的环境境脆性

10、岩层与塑性岩层的裂隙发育素描图脆性岩层与塑性岩层的裂隙发育素描图1脆性岩层脆性岩层 2塑性岩层塑性岩层柔塑性岩石柔塑性岩石(粘土、页岩粘土、页岩)：在构造变动中产生变形，而不易：在构造变动中产生变形，而不易产生裂隙或裂隙小而密集；产生裂隙或裂隙小而密集；硬脆性岩石硬脆性岩石(石灰岩、砂岩石灰岩、砂岩)：不易变形，往往以破裂消失：不易变形，往往以破裂消失外成力，形成的空隙大而稀疏。外成力，形成的空隙大而稀疏。12岩石中的孔隙岩石中的孔隙思考题思考题思考思考题：（1）什么叫孔隙度？孔隙度大与孔隙大有区）什么叫孔隙度？孔隙度大与孔隙大有区别吗？（2）粘性土孔隙度大）粘性土孔隙度大是含水是含水层吗？（

11、3）试总结砂砂砾类土体的孔隙形状特点，并加以概化。土体的孔隙形状特点，并加以概化。（4）坚硬的花硬的花岗岩、砂岩、灰岩的空隙特征有何异同点岩、砂岩、灰岩的空隙特征有何异同点？第二节第二节 岩石中水的存在形式岩石中水的存在形式 沸石水、结晶水沸石水、结晶水 岩石中的矿物结合水岩石中的矿物结合水 结构水结构水 强结合水吸着水强结合水吸着水地壳岩石中水的地壳岩石中水的 结合水结合水 存在形式存在形式 弱结合水薄膜水弱结合水薄膜水 重力水重力水 岩石空隙中的水岩石空隙中的水 液态水液态水 毛细水毛细水 固态水：如冰等固态水：如冰等 气态水：水蒸气等气态水：水蒸气等定定义 由于静由于静电吸引，附着于固体

12、表面，在自身重力下不能运吸引，附着于固体表面，在自身重力下不能运动的水的水 即即结合水具有一定的合水具有一定的抗剪抗剪强度度 表面引力表面引力服从服从库仑定律，随固体表面的距离加大而减弱定律，随固体表面的距离加大而减弱 性性质 结合水具有固合水具有固态和液和液态水的双重性水的双重性质；即自身重力作用下；即自身重力作用下不能运不能运动，在外力作用下能，在外力作用下能够移移动（运（运动）及）及变形形 意意义 只要有固相表面就存在只要有固相表面就存在结合水，存在范合水，存在范围广，其量很小广，其量很小（结合水膜很薄），当孔隙直径小于合水膜很薄），当孔隙直径小于2倍倍结合水膜厚度合水膜厚度时，孔隙中只

13、含有不能自由运孔隙中只含有不能自由运动的的结合水（称无效空合水（称无效空间）一、结合水一、结合水远离固相表面，水分子受固相表面吸引力的影响极离固相表面，水分子受固相表面吸引力的影响极其微弱，主要受重力影响。重力影响下可以自由运其微弱，主要受重力影响。重力影响下可以自由运动 （1）层流运动层流运动位于结合水外层，靠近固体颗粒位于结合水外层，靠近固体颗粒的那部分重力水，仍然受静电引力影响，水分子排列较的那部分重力水，仍然受静电引力影响，水分子排列较整齐，运动较规则。整齐，运动较规则。（2）紊流运动紊流运动远离固体表面的重力水，不受远离固体表面的重力水，不受静电引力作用，只受重力作用，流速较大，水分

14、子运动静电引力作用，只受重力作用，流速较大，水分子运动轨迹较紊乱。轨迹较紊乱。地地层内岩石空隙中如果存在一定的重力水，就可内岩石空隙中如果存在一定的重力水，就可以通以通过泉，或井流出（抽出）泉，或井流出（抽出）二、重力水二、重力水设想想实验：材料（玻璃珠子、：材料（玻璃珠子、细管）管）+水（水杯）水（水杯）三、毛细水三、毛细水毛细水：由于毛细力的作用而充满岩石毛细空隙中的水。孔隙要求（D1mm)、裂隙要求（L0.25mm）毛细水产生的原因：表面张力与重力的平衡因此，不同的空隙毛细水上升的高度不同毛细上升高度Hk=0.003/D三、毛细水三、毛细水表2-3各类岩石毛细上升最大高度统计表岩石名称粗

15、砂中砂细砂亚砂土亚粘土粘土毛细上升最大高度，（cm）毛毛细力的力的产生生：是在三相界面上内弯液面引起是在三相界面上内弯液面引起液面弯曲液面弯曲产生的生的 毛毛细力的力的方向方向：作用方向始：作用方向始终指向弯曲液面的凹指向弯曲液面的凹侧 凹凸弯液面是指相凹凸弯液面是指相对于液相一于液相一侧而言的而言的 凹形弯液面凹形弯液面负的毛的毛细压强-如同真空吸力如同真空吸力 凸形弯液面凸形弯液面正的毛正的毛细压强 毛毛细力的力的大小大小：毛毛细力大小与弯液面的曲率成正比（曲率大力大小与弯液面的曲率成正比（曲率大,毛毛细力力大大;曲率小，毛曲率小，毛细力小）力小）一根毛一根毛细管子，管径越小，毛管子，管径

16、越小，毛细力越大；反之亦然力越大；反之亦然 毛毛细力大，毛力大，毛细上升高度也越大上升高度也越大三、毛细水三、毛细水三、毛细水三、毛细水a)支持毛支持毛细水：水：在地下水面支持下存在的（附着水面上在地下水面支持下存在的（附着水面上 的），随地下水升降而升降的），随地下水升降而升降 b)悬挂毛挂毛细水：水：脱离水面，岩石脱离水面，岩石细小孔隙中保留的水分小孔隙中保留的水分 c)孔角毛孔角毛细水水三、毛细水三、毛细水四、气态水、固态水及矿物水四、气态水、固态水及矿物水气态水气态水：在未饱和水的空隙中存在着气态水。气态水在一定温度、压力条件下，与液态水相互转化，两者之间保持动平衡。固态水固态水：岩石

17、的温度低于0时，空隙中的液态水转为固态水。多年冻土。矿物水矿物水：存在于矿物结晶内部及其间的水称为沸石水、结晶水及结构水。如方沸石（Na2Al2Si4O12H2O）中就含有沸石水，这种水在加热时可以从矿物中分离出去。第三节岩石的水理性质岩石的水理性质岩石的水理性质岩石：岩石：是包括骨架与空隙在内的是包括骨架与空隙在内的总称称 水理性水理性质：与水分：与水分储容、容、释出与运移出与运移有关的性有关的性质，空隙的大小是影响岩石水理性质的重要因素。包括：包括：孔隙度孔隙度 容水度容水度 含水量含水量 持水度持水度 给水度水度 透水性透水性一、一、容水度容水度容水度：岩石完全容水度：岩石完全饱水水时，

18、所能容所能容纳的最大水体的最大水体积与岩石与岩石总体体积之比之比反映岩石最大含水能力反映岩石最大含水能力 对比：孔隙度比：孔隙度n 与与 容水度容水度 两者有何关系？两者有何关系？理论上理论上容水度容水度空隙度空隙度实际实际 当空隙中有些气体无法排出时当空隙中有些气体无法排出时 容水度容水度空隙度空隙度容水度决定于岩石的空隙，在数值上等于容水度决定于岩石的空隙，在数值上等于有效的有效的孔隙度、裂隙率、溶穴率孔隙度、裂隙率、溶穴率二、含水量二、含水量岩石岩石样品品实际保留水分的状况保留水分的状况，反映的是某岩，反映的是某岩样在某在某时刻刻的含水状的含水状态。又称岩石的天然含水量。又称岩石的天然含

19、水量 重量含水量（Wg）：松散岩石孔隙中所含水的重量（GW）与干燥岩石重量（GS）的比值体积含水量（WV）：含水的体积（VW）与与包括孔隙在内的岩石体积（V）的比值重量含水量与体积含水量的关系Wv=Vw/V*100%饱和含水量（Ws）：孔隙充分饱水时的含水量。饱和差：饱和含水量与实际含水量之间的差值称为饱和差。饱和度：实际含水量与饱和含水量之比称为饱和度。当地下水位下降一个当地下水位下降一个单位高度位高度时，单位水平面位水平面积岩石柱体，岩石柱体，在重力作用下在重力作用下释放出来的水体放出来的水体积，称，称为给水度水度 当水位下降一个当水位下降一个单位，土位，土层孔隙中是否所有的水都流出来？孔

20、隙中是否所有的水都流出来？在土在土层中会保留什么形式的水？中会保留什么形式的水？保留的水有：保留的水有：结合水合水(膜膜)，孔角毛，孔角毛细水，有水，有时悬挂毛挂毛细水与水与支持毛支持毛细水水三、三、给水度给水度影响影响给水度的因素水度的因素 a)岩性岩性：空隙的大小与多少空隙的大小与多少b)地下水位初始埋深地下水位初始埋深（H0）当地下水位初始埋深大于支持毛当地下水位初始埋深大于支持毛细水水带高度高度时H0 hc,可达最大可达最大值。c)地下水位下降速度地下水位下降速度 下降快下降快1m/d弱透水岩石：弱透水岩石：K0.0011m/d不透水岩石或隔水岩石：不透水岩石或隔水岩石：K7840N/

21、cm2 中硬岩石中硬岩石 29407840N/cm2 软弱岩石软弱岩石 c2940N/cm2 抗剪强度抗剪强度:用岩石粘聚力用岩石粘聚力C、内摩擦角、内摩擦角表示表示隔水层的隔水作用隔水层的隔水作用（3）岩石隔水质量等值系数）岩石隔水质量等值系数隔水值：单位厚度的岩石，对地下水流的制隔水值：单位厚度的岩石，对地下水流的制止能力。止能力。（4）等值隔水厚度）等值隔水厚度每一种岩石的厚度在隔水方面换算成相当于每一种岩石的厚度在隔水方面换算成相当于泥岩的厚度。泥岩的厚度。（5）单位隔水层厚度）单位隔水层厚度隔水结构层阻隔地下水性能的重要指标。隔水结构层阻隔地下水性能的重要指标。隔水层的隔水作用隔水层

22、的隔水作用第六节第六节 地下水系统地下水系统地下水研究模型地下水研究模型一、一、地下水系统定义地下水系统定义：是一个具有隔水或相对隔水边界的沉积单元或构造单元。地下水系统的子系统：其水流运移空间由补给区、径流区和排泄区三个区组成，这三个区可看作是三个子系统。二、内容二、内容：（1）系统的组成（2）系统内部状态随时间变化（3）层次结构（4）信息及其传输过程（5）系统功能（6）系统环境系统的输入与输出系统的激励和响应地下水系统的基本概念地下水系统是由具有独立性而相互影响的若干不同层次的子系统所组成的一个整体;每个地下水系统都有各自的含水层系统、水循环系统、水动力系统及水化学系统；地下水系统受水文系

23、统和社会系统制约，可受人类活动影响而发生变化；地下水系统的边界是自由可变的三三 、地下水系统类型、地下水系统类型地下水自然系统边界体积和结构环境矿井地下水系统（增加了巷道、采区、老空区、顶板破坏带、底板破坏带、改造区等）地下水含水系地下水含水系统：由隔水或相对隔水岩层圈闭的，具有统一水力联系的含水岩系。地下水流地下水流动系系统：由源到汇的流面群构成的，具有统一时空演变过程的地下水体。复习思考题1.何谓岩石的空隙、孔隙、裂隙和溶穴（隙）何谓岩石的空隙、孔隙、裂隙和溶穴（隙）？它们的特征及和地下水的关系如何？它们的特征及和地下水的关系如何？2.地壳岩石中水的存在形式有哪些？各类水的地壳岩石中水的存在形式有哪些？各类水的含义有哪些？含义有哪些？3.岩石的水理性质有哪些？含义如何？岩石的水理性质有哪些？含义如何？4.什么是地下水的自然系统和矿井地下水系统什么是地下水的自然系统和矿井地下水系统？5.含水层形成的地质条件有哪些？含水层形成的地质条件有哪些？