2第二章巖石中的空隙

1、第二章第二章 巖石中的空隙與水分巖石中的空隙與水分 本章內(nèi)容：本章內(nèi)容： 巖石中的空隙巖石中的空隙 巖石中水的存在形式巖石中水的存在形式 巖石的水理性質(zhì)巖石的水理性質(zhì) 有效應(yīng)力原理與松散巖土壓密有效應(yīng)力原理與松散巖土壓密第一節(jié)第一節(jié) 巖石中的空隙巖石中的空隙 一一 引言引言 1. 巖石空隙在地球上的分布：地殼表層十余公里，巖石空隙在地球上的分布：地殼表層十余公里，尤其近一、兩公里以?xún)?nèi)。尤其近一、兩公里以?xún)?nèi)。 2. 巖石空隙的水文地質(zhì)意義：是地下水的賦存場(chǎng)巖石空隙的水文地質(zhì)意義：是地下水的賦存場(chǎng)所和運(yùn)移通道。所和運(yùn)移通道。 3. 巖石空隙的描述：形狀、大小、多少、分布規(guī)巖石空隙的描述：形狀、大小

2、、多少、分布規(guī)律和連通性。律和連通性。 4. 巖石空隙的水文地質(zhì)分類(lèi)：松散巖石中的孔隙、巖石空隙的水文地質(zhì)分類(lèi)：松散巖石中的孔隙、堅(jiān)硬巖石中的裂隙、可溶巖石中的溶穴。堅(jiān)硬巖石中的裂隙、可溶巖石中的溶穴。 二、孔隙二、孔隙 1. 概念：存在于松散的或未完全膠結(jié)的巖石顆粒概念：存在于松散的或未完全膠結(jié)的巖石顆粒之間或顆粒集合體之間的空隙。之間或顆粒集合體之間的空隙。 2. 分布：最新沉積、新生界、主要在第四系沉積分布：最新沉積、新生界、主要在第四系沉積層中的碎石土、砂土、粘土等，其次是膠結(jié)不完層中的碎石土、砂土、粘土等，其次是膠結(jié)不完全的第三系或中生界部分地層。全的第三系或中生界部分地層。 3.

3、特征：特征： 多少多少 度量指標(biāo)：孔隙度（度量指標(biāo)：孔隙度（n） （1）概念：某一體積巖石（包括孔隙在內(nèi)）中）概念：某一體積巖石（包括孔隙在內(nèi)）中孔隙體積所占的比例。孔隙體積所占的比例。 （2）研究意義（作用）：影響巖石儲(chǔ)容地下水）研究意義（作用）：影響巖石儲(chǔ)容地下水的能力的大小。的能力的大小。 （3）測(cè)定方法：）測(cè)定方法： 砂、礫等松散巖石一般用注水方法，粘土遇砂、礫等松散巖石一般用注水方法，粘土遇水膨脹不能；水膨脹不能； 容重容重-比重法：細(xì)砂，先測(cè)巖石的容重比重法：細(xì)砂，先測(cè)巖石的容重r、比重、比重 （4）孔隙度的影響因素）孔隙度的影響因素顆粒排列方式：等粒狀：最疏松排列顆粒排列方式：等

4、粒狀：最疏松排列-立方體立方體-n=47.64%; 最緊密排列最緊密排列-四面體：四面體：n=25.95%。(未涉未涉及粒徑大小及粒徑大小，粒徑大小不同，但等粒狀、排列方式相，粒徑大小不同，但等粒狀、排列方式相同時(shí)，孔隙度是相同的）同時(shí)，孔隙度是相同的） 顆粒分選程度顆粒分選程度：分選性越好，孔隙度越大；分選程度：分選性越好，孔隙度越大；分選程度不好，大顆粒孔隙被小顆粒充填，降低孔隙。（分選不好，大顆粒孔隙被小顆粒充填，降低孔隙。（分選程度是指顆粒粒度的均勻程度，土力學(xué)中也稱(chēng)不均勻程度是指顆粒粒度的均勻程度，土力學(xué)中也稱(chēng)不均勻系數(shù)。）系數(shù)。） 顆粒形狀：越不規(guī)則，越疏松，孔隙度就越大。顆粒形狀

5、：越不規(guī)則，越疏松，孔隙度就越大。 膠結(jié)充填：孔隙被膠結(jié)充填，孔隙度減小。膠結(jié)充填：孔隙被膠結(jié)充填，孔隙度減小。 對(duì)于粘性土，還與結(jié)構(gòu)孔隙、次生孔隙有關(guān)。對(duì)于粘性土，還與結(jié)構(gòu)孔隙、次生孔隙有關(guān)。 粘性土的孔隙與孔隙度粘性土的孔隙與孔隙度 （1）粘土顆粒）粘土顆粒 粘性土：土體顆粒直徑粘性土：土體顆粒直徑0.005mm 粘土由于顆粒細(xì)小，比表面積大，顆粒表面常帶有電粘土由于顆粒細(xì)小，比表面積大，顆粒表面常帶有電荷，所以連結(jié)力強(qiáng)荷，所以連結(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(lái)形成粘粒在懸浮推移互相接觸時(shí)，就會(huì)連結(jié)起來(lái)形成“粘粘粒團(tuán)粒團(tuán)” 細(xì)小粘粒團(tuán)構(gòu)成顆粒集合體，可形成比顆粒自身還大細(xì)小粘

6、粒團(tuán)構(gòu)成顆粒集合體，可形成比顆粒自身還大的結(jié)構(gòu)孔隙的結(jié)構(gòu)孔隙 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。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。 （2）粘土孔隙）粘土孔隙 粘性土：蜂窩、絮狀結(jié)構(gòu)，如同海綿粘性土：蜂窩、絮狀結(jié)構(gòu)，如同海綿 結(jié)構(gòu)孔隙：集合體與集合體、粘粒與粘粒之間的孔隙。結(jié)構(gòu)孔隙：集合體與集合體、粘粒與粘粒之間的孔隙。 次生孔隙：蟲(chóng)孔、根系孔、干裂縫等。次生孔隙：蟲(chóng)孔、根系孔、干裂縫等。 表表2-1 松散巖石孔隙度參考數(shù)值（據(jù)弗里澤等，松散巖石孔隙度參考數(shù)值（據(jù)弗里澤等，1987） 注注：（）與粒徑的關(guān)系不是粒徑愈大則孔隙度愈大：（）與粒徑的關(guān)系不是粒徑愈大則孔隙度愈大 （

7、）孔隙度超過(guò)最疏松排列的（）孔隙度超過(guò)最疏松排列的47.64，達(dá)到，達(dá)到70 大小大小 （1）研究意義（作用）：）研究意義（作用）：孔腹和孔喉孔腹和孔喉，影響地，影響地下水的運(yùn)動(dòng)，尤其是孔喉直徑大小對(duì)地下水流動(dòng)下水的運(yùn)動(dòng)，尤其是孔喉直徑大小對(duì)地下水流動(dòng)起關(guān)鍵性作用。起關(guān)鍵性作用。 （2）影響因素：）影響因素： 顆粒大小顆粒大小：尤其是細(xì)小顆粒的大小，顆粒越大：尤其是細(xì)小顆粒的大小，顆粒越大形成的孔隙越大。形成的孔隙越大。 顆粒排列方式顆粒排列方式：理想等粒圓球狀顆粒，顆粒直：理想等粒圓球狀顆粒，顆粒直徑為徑為d，孔喉直徑為，孔喉直徑為d， 作立方體排列時(shí)，作立方體排列時(shí)，d=0.414d；作四

8、面體排列時(shí)，；作四面體排列時(shí)，d=0.155d。 對(duì)于對(duì)于粘性土粘性土：還與結(jié)構(gòu)孔隙、次生孔隙有關(guān)。：還與結(jié)構(gòu)孔隙、次生孔隙有關(guān)。 三、裂隙三、裂隙 1. 概念：堅(jiān)硬巖石形成以后，由于各種內(nèi)外營(yíng)力的作概念：堅(jiān)硬巖石形成以后，由于各種內(nèi)外營(yíng)力的作用，使巖石遭到破壞而形成的空隙。用，使巖石遭到破壞而形成的空隙。 2. 分布：主要分布在堅(jiān)硬巖層：除沉積巖、變質(zhì)巖、分布：主要分布在堅(jiān)硬巖層：除沉積巖、變質(zhì)巖、巖漿巖等保留原生成巖孔隙外，主要是在后期構(gòu)造應(yīng)力巖漿巖等保留原生成巖孔隙外，主要是在后期構(gòu)造應(yīng)力作用下產(chǎn)生后生裂隙。作用下產(chǎn)生后生裂隙。 3. 分類(lèi)：按成因分：分類(lèi)：按成因分： 成巖裂隙成巖裂隙

9、巖漿作用：侵入、噴出、冷凝收縮（巖漿巖）巖漿作用：侵入、噴出、冷凝收縮（巖漿巖） 沉積作用：固結(jié)、干縮沉積作用：固結(jié)、干縮 （沉積巖）。（沉積巖）。 巖漿巖最普遍，玄武巖（基性）柱狀節(jié)理最有水文地巖漿巖最普遍，玄武巖（基性）柱狀節(jié)理最有水文地質(zhì)意義。質(zhì)意義。 風(fēng)化裂隙：后期風(fēng)化作用形成的各種裂隙；風(fēng)化裂隙：后期風(fēng)化作用形成的各種裂隙； 構(gòu)造裂隙：后期的構(gòu)造應(yīng)力作用形成的各種裂隙；構(gòu)造裂隙：后期的構(gòu)造應(yīng)力作用形成的各種裂隙； 特征特征 大?。壕哂屑?jí)次性，如，大構(gòu)造斷裂帶，次級(jí)造斷裂帶，大小：具有級(jí)次性，如，大構(gòu)造斷裂帶，次級(jí)造斷裂帶，再次一級(jí)造斷裂帶，小到用顯微鏡進(jìn)行微觀裂隙觀測(cè)。再次一級(jí)造斷裂

10、帶，小到用顯微鏡進(jìn)行微觀裂隙觀測(cè)。 連通性：總體上不好，局部可能很好，形成裂隙系統(tǒng)。連通性：總體上不好，局部可能很好，形成裂隙系統(tǒng)。找水，局部裂隙，最好找在最大斷裂帶上，主干斷裂，找水，局部裂隙，最好找在最大斷裂帶上，主干斷裂， 裂隙含水系統(tǒng)。裂隙含水系統(tǒng)。 多少：裂隙率。包括線(xiàn)裂隙率、面裂隙率和體裂隙率。多少：裂隙率。包括線(xiàn)裂隙率、面裂隙率和體裂隙率。在野外研究裂隙時(shí)，測(cè)定裂隙的方向、寬度、延伸長(zhǎng)度、在野外研究裂隙時(shí)，測(cè)定裂隙的方向、寬度、延伸長(zhǎng)度、充填等。充填等。 四、溶穴或巖溶四、溶穴或巖溶 1. 概念：具有可溶巖石裂隙，在地下水流作用下形成。概念：具有可溶巖石裂隙，在地下水流作用下形成

11、。 2. 分布：可溶巖的沉積巖，如常見(jiàn)的灰?guī)r，白云巖。分布：可溶巖的沉積巖，如常見(jiàn)的灰?guī)r，白云巖。 3. 種類(lèi)：溶孔（石灰?guī)r的微空隙）、溶蝕裂隙、溶洞、種類(lèi)：溶孔（石灰?guī)r的微空隙）、溶蝕裂隙、溶洞、地下暗河等。地下暗河等。 特征：特征： 形狀：有方向性，主要在裂隙基礎(chǔ)上進(jìn)一步溶蝕形狀：有方向性，主要在裂隙基礎(chǔ)上進(jìn)一步溶蝕而成，所以具有裂隙特征。而成，所以具有裂隙特征。 大?。撼叽鐦O不均勻，暗河，主干溶蝕形成。大?。撼叽鐦O不均勻，暗河，主干溶蝕形成。 多少：巖溶率多少：巖溶率 分布：極不均勻（保留了原有裂隙特征）分布：極不均勻（保留了原有裂隙特征） 連通性：總體上差，局部可以很好，形成溶穴含連通

12、性：總體上差，局部可以很好，形成溶穴含水系統(tǒng)。水系統(tǒng)。 五、自然界巖石空隙的復(fù)雜性五、自然界巖石空隙的復(fù)雜性 發(fā)育狀況復(fù)雜：發(fā)育狀況復(fù)雜： 粘性土層既有孔隙也有裂隙，按水井講，粘土粘性土層既有孔隙也有裂隙，按水井講，粘土-隔水層，若粘土中有存在干縮裂隙可以為含水隔水層，若粘土中有存在干縮裂隙可以為含水層，如河南駐馬店粘土層，可以為含水層（取的層，如河南駐馬店粘土層，可以為含水層（取的是裂隙中的水）。是裂隙中的水）。 堅(jiān)硬巖石：既有孔隙，又有裂隙，如甘肅白堊堅(jiān)硬巖石：既有孔隙，又有裂隙，如甘肅白堊系巖石。系巖石。 可溶巖里保留原來(lái)的裂隙，甚至有孔隙存在。可溶巖里保留原來(lái)的裂隙，甚至有孔隙存在。

13、六、地下水分類(lèi)六、地下水分類(lèi) 按含水介質(zhì)（空隙特征）劃分：按含水介質(zhì)（空隙特征）劃分： 孔隙水、裂隙水、巖孔隙水、裂隙水、巖溶水溶水 巖石中的空隙必須以一定方式連接起來(lái)構(gòu)成巖石中的空隙必須以一定方式連接起來(lái)構(gòu)成空隙網(wǎng)絡(luò)才能成為地下水有效的儲(chǔ)容空間和運(yùn)移空隙網(wǎng)絡(luò)才能成為地下水有效的儲(chǔ)容空間和運(yùn)移通道。通道。第二節(jié)第二節(jié) 巖石中水的存在形式巖石中水的存在形式 一、水的存在形式及類(lèi)型一、水的存在形式及類(lèi)型 二、結(jié)合水二、結(jié)合水 1、概念：分布在顆粒表面受靜電引力大于重力，、概念：分布在顆粒表面受靜電引力大于重力，而不能在自身重力作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)的那部分水。而不能在自身重力作用下發(fā)生運(yùn)動(dòng)的那部分水。 2

14、、成因：、成因： 帶電荷的固體土顆粒表面，一般帶負(fù)電，主要存帶電荷的固體土顆粒表面，一般帶負(fù)電，主要存在于細(xì)小空隙、裂隙；在于細(xì)小空隙、裂隙； 極性分子水，水分子是偶極體，被吸入；極性分子水，水分子是偶極體，被吸入； 巖石顆粒周?chē)肿邮艿綆?kù)侖力（靜電引力）的巖石顆粒周?chē)肿邮艿綆?kù)侖力（靜電引力）的作用。靜電引力受到距離的影響，結(jié)合水的自由作用。靜電引力受到距離的影響，結(jié)合水的自由不同不同3、結(jié)合水的類(lèi)型及特征：按吸附能力的程度劃分、結(jié)合水的類(lèi)型及特征：按吸附能力的程度劃分強(qiáng)結(jié)合水強(qiáng)結(jié)合水密度大于密度大于1，平均，平均2g/cm3左右左右冰點(diǎn)：冰點(diǎn)： -78 類(lèi)似固體，不能流動(dòng)。在溫度類(lèi)似固

15、體，不能流動(dòng)。在溫度105 上才能以氣態(tài)的形式脫離顆粒表面上才能以氣態(tài)的形式脫離顆粒表面 溶解鹽類(lèi)能力弱、不能為植物吸收溶解鹽類(lèi)能力弱、不能為植物吸收有較大的粘滯性、彈性和抗剪強(qiáng)度有較大的粘滯性、彈性和抗剪強(qiáng)度弱結(jié)合水弱結(jié)合水排列規(guī)則，密度大于排列規(guī)則，密度大于1，為，為1.31.774g/cm3在外力作用下可產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，但速度十分緩慢在外力作用下可產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)，但速度十分緩慢溶解鹽類(lèi)能力較弱溶解鹽類(lèi)能力較弱冰點(diǎn)為冰點(diǎn)為-15 有一定的粘滯性和抗剪強(qiáng)度有一定的粘滯性和抗剪強(qiáng)度弱結(jié)合水的外層能被植物吸收利用弱結(jié)合水的外層能被植物吸收利用 三、重力水三、重力水 距固相顆粒表面比較遠(yuǎn)，受其吸引力小，可以在

16、距固相顆粒表面比較遠(yuǎn)，受其吸引力小，可以在重力下發(fā)生運(yùn)動(dòng)的水。重力下發(fā)生運(yùn)動(dòng)的水。 巖土空隙中的重力水能夠自由流動(dòng)，井、泉取用巖土空隙中的重力水能夠自由流動(dòng)，井、泉取用的地下水都屬于重力水，為水文地質(zhì)學(xué)的研究重的地下水都屬于重力水，為水文地質(zhì)學(xué)的研究重點(diǎn)點(diǎn)四、毛細(xì)水四、毛細(xì)水毛細(xì)現(xiàn)象：在液體表面張力作用下，毛細(xì)管中水位上升一定毛細(xì)現(xiàn)象：在液體表面張力作用下，毛細(xì)管中水位上升一定高高 度的現(xiàn)象。度的現(xiàn)象。 毛細(xì)空隙是巖土中的細(xì)小空隙，一般指直徑小于毛細(xì)空隙是巖土中的細(xì)小空隙，一般指直徑小于1mm的孔的孔隙或?qū)挾刃∮谙痘驅(qū)挾刃∮?.25mm的裂隙。的裂隙。 毛細(xì)上升高度與毛管直徑成反比。毛細(xì)上升高

17、度與毛管直徑成反比。 松散巖石中細(xì)小的孔隙通道構(gòu)成毛細(xì)管，在地下水面以上的松散巖石中細(xì)小的孔隙通道構(gòu)成毛細(xì)管，在地下水面以上的包氣帶中廣泛存在毛細(xì)水。包氣帶中廣泛存在毛細(xì)水。 結(jié)論：松散巖層的顆粒越大，孔隙越大，則毛細(xì)上升高度越結(jié)論：松散巖層的顆粒越大，孔隙越大，則毛細(xì)上升高度越小。小。 毛細(xì)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是毛細(xì)張力的作用。毛細(xì)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)是毛細(xì)張力的作用。 形彎液面產(chǎn)生的附加壓強(qiáng)形彎液面產(chǎn)生的附加壓強(qiáng)pc，個(gè)負(fù)壓強(qiáng)，個(gè)負(fù)壓強(qiáng)，稱(chēng)毛細(xì)負(fù)壓。實(shí)驗(yàn)室用張力計(jì)來(lái)測(cè)定稱(chēng)毛細(xì)負(fù)壓。實(shí)驗(yàn)室用張力計(jì)來(lái)測(cè)定。 在未飽和水的空隙中存在著氣態(tài)水。氣態(tài)水可以隨空氣或在在未飽和水的空隙中存在著氣態(tài)水。氣態(tài)水可以隨空氣或在水

18、氣壓力差的作用下流動(dòng)。水氣壓力差的作用下流動(dòng)。 巖石的溫度低于巖石的溫度低于0時(shí)，液態(tài)水轉(zhuǎn)為固態(tài)水。我國(guó)大部分地區(qū)時(shí)，液態(tài)水轉(zhuǎn)為固態(tài)水。我國(guó)大部分地區(qū)有季節(jié)性?xún)鐾?。東北及青藏高原，有多年凍土，對(duì)工程的破壞性有季節(jié)性?xún)鐾?。東北及青藏高原，有多年凍土，對(duì)工程的破壞性比較強(qiáng)，融化時(shí)固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)，體積發(fā)送變化。比較強(qiáng)，融化時(shí)固態(tài)轉(zhuǎn)為液態(tài)，體積發(fā)送變化。 礦物晶格內(nèi)及礦物孔洞中的水，就是沸石水、結(jié)晶水及結(jié)構(gòu)水。礦物晶格內(nèi)及礦物孔洞中的水，就是沸石水、結(jié)晶水及結(jié)構(gòu)水。方沸石（方沸石（na2a12si4o12nh2o)中沸石水，在加熱時(shí)可以從礦中沸石水，在加熱時(shí)可以從礦物中分離出去。物中分離出去。五、氣態(tài)水

19、、固態(tài)水及礦物中的水五、氣態(tài)水、固態(tài)水及礦物中的水第第3節(jié)節(jié) 巖石的水理性質(zhì)巖石的水理性質(zhì) 一、一、 容水性容水性 巖石能容納一定數(shù)量水的性質(zhì)。用容水度表示。巖石能容納一定數(shù)量水的性質(zhì)。用容水度表示。 容水度（容水度（mc） 單位體積飽水巖石中所能容納的最大水的體積。單位體積飽水巖石中所能容納的最大水的體積。若以重量計(jì)，則稱(chēng)容水量。若以重量計(jì)，則稱(chēng)容水量。 二、給水性二、給水性 飽水巖石在重力作用下能自由排出一定數(shù)量水的性質(zhì)，飽水巖石在重力作用下能自由排出一定數(shù)量水的性質(zhì)，用給水度表示。用給水度表示。 給水度（給水度（u） 單位體積的飽水巖石在重力作用下所能排出的最大單位體積的飽水巖石在重力作

20、用下所能排出的最大水的體積。即當(dāng)?shù)叵滤幌陆狄粋€(gè)單位時(shí)，在重力作用水的體積。即當(dāng)?shù)叵滤幌陆狄粋€(gè)單位時(shí)，在重力作用下單位水平面積巖石柱體中所能釋放出的水體積。下單位水平面積巖石柱體中所能釋放出的水體積。1.巖性影響，主要為：巖性影響，主要為： 組成巖石的礦物成分（決定空隙的大小、多少）；組成巖石的礦物成分（決定空隙的大小、多少）； 顆粒大小、級(jí)配及分選程度；顆粒大小、級(jí)配及分選程度； 空隙多少空隙多少 ； 2. 初始地下水埋藏深度初始地下水埋藏深度 3. 地下水位下降速率地下水位下降速率影響給水度大小的因素影響給水度大小的因素 表表2-3 常見(jiàn)的松散巖石的平均給水度常見(jiàn)的松散巖石的平均給水度 表表2-4 松散巖石持水度數(shù)值松散巖石持水度數(shù)值 三、持水性三、持水性 巖石在重力釋水后能在空隙中保持一定數(shù)量