第3講巖石的水理性質(zhì)

1、水的儲容及運移有關(guān)的巖石性質(zhì)水的儲容及運移有關(guān)的巖石性質(zhì)含水層與隔水層含水層與隔水層地下水的類型地下水的類型一、一、與水的儲容及運移有關(guān)的巖石性質(zhì)與水的儲容及運移有關(guān)的巖石性質(zhì)影響水的儲容及運移的因素：影響水的儲容及運移的因素： 巖石空隙大小、多少、連通程度及巖石空隙大小、多少、連通程度及其分布均勻度。其分布均勻度?？刂扑顒拥囊蛩兀嚎刂扑顒拥囊蛩兀?巖石的容水性、含水性、給水性、巖石的容水性、含水性、給水性、持水性、透水性持水性、透水性巖土的水理性質(zhì)巖土的水理性質(zhì)概念概念： 指巖土控制水活動的性質(zhì)指巖土控制水活動的性質(zhì) 巖土主要水理性質(zhì)巖土主要水理性質(zhì)：容水性容水性持水性持水性給水性給水性

2、透水性透水性含水性含水性1.1.容水性（容水度）容水性（容水度） 巖石的容水性是指巖石容納巖石的容水性是指巖石容納一定水的能力。一定水的能力。表征指標：表征指標： 容水度容水度指巖土完全飽水時所容納的最大水指巖土完全飽水時所容納的最大水體積與巖土總體積之比，即體積與巖土總體積之比，即 = 100% = 100% 或或= 100%= 100% 容水度數(shù)值上一般與空隙度（裂隙率、巖溶容水度數(shù)值上一般與空隙度（裂隙率、巖溶率）相等，但膨脹土的容水度大于孔隙度。率）相等，但膨脹土的容水度大于孔隙度。VVwswGG2.2.含水性（含水量）含水性（含水量）概念：概念： 含水量含水量松散巖石實際保留水分的狀

3、況。松散巖石實際保留水分的狀況。重量含水量（重量含水量（WgWg）：）：松散巖石孔隙中所含水松散巖石孔隙中所含水的重量與干燥巖石重量的比值。的重量與干燥巖石重量的比值。體積含水量（體積含水量（WvWv）：）：含水的體積與包括孔隙含水的體積與包括孔隙在內(nèi)的巖石體積的比值。在內(nèi)的巖石體積的比值。飽和含水量飽和含水量WsWs： 孔隙充分飽水時的含水量稱作飽和含水孔隙充分飽水時的含水量稱作飽和含水量量WsWs。 飽和含水量與實際含水量之間的差值稱飽和含水量與實際含水量之間的差值稱為為飽和差飽和差。 實際含水量與飽和含水量之比稱為實際含水量與飽和含水量之比稱為飽和飽和度。度。3.3.給水性（給水度）給水

4、性（給水度）給水性：給水性： 地下水位下降時，其下降范圍內(nèi)飽水巖地下水位下降時，其下降范圍內(nèi)飽水巖石及相應的支持毛細水帶中的水，在重力作石及相應的支持毛細水帶中的水，在重力作用下從原先賦存的空隙中釋出，這一現(xiàn)象稱用下從原先賦存的空隙中釋出，這一現(xiàn)象稱為巖石的給水性（為巖石的給水性（）。）。表征指標：表征指標：給水度給水度 在單位水平面積巖層柱體中，當潛水位在單位水平面積巖層柱體中，當潛水位下降一個單位時，在重力作用下所釋出的水下降一個單位時，在重力作用下所釋出的水量。以小數(shù)或百分數(shù)表示。量。以小數(shù)或百分數(shù)表示。 = = （V V出水出水/V/V砂樣容水砂樣容水）100%100%含水率釋水前水位

5、釋水后水位單位水位降OOOODEAIHGFC結(jié)合水懸掛毛細水支持毛細水影響因素：影響因素： 重力釋水不是瞬時完成，往往滯后重力釋水不是瞬時完成，往往滯后于水位下降。對于均質(zhì)的松散巖石，給于水位下降。對于均質(zhì)的松散巖石，給水度的大小與巖性、初始地下水位埋藏水度的大小與巖性、初始地下水位埋藏深度、地下水位下降速率等因素有關(guān)。深度、地下水位下降速率等因素有關(guān)。表2-2 常見松散巖石的給水度Fetter,19804 4、持水性（持水度）、持水性（持水度）持水性：持水性： 巖石依靠分子引力和毛細力，在重力作用巖石依靠分子引力和毛細力，在重力作用下其巖石仍能保持一定水的性能。下其巖石仍能保持一定水的性能。

6、表征指標表征指標 持水度：在重力作用下，巖石所保持水度：在重力作用下，巖石所保持的水體積與巖石體積的比值。持的水體積與巖石體積的比值。殘留含水量（殘留含水量（W W0 0）：）： 包氣帶充分重力釋水而又未受到蒸發(fā)、包氣帶充分重力釋水而又未受到蒸發(fā)、蒸騰消耗時的含水量稱作殘留含水量（蒸騰消耗時的含水量稱作殘留含水量（W W0 0），），數(shù)值上相當于最大的持水度。數(shù)值上相當于最大的持水度。5 5、透水性（滲透系數(shù)）、透水性（滲透系數(shù)）巖石的透水性：巖石的透水性： 指巖石允許水透過的能力。指巖石允許水透過的能力。表征指標：表征指標： 表征巖石透水性的定量指標表征巖石透水性的定量指標滲透系滲透系數(shù)。數(shù)

7、。實例分析實例分析以松散巖石為例，分析一個理以松散巖石為例，分析一個理想孔隙通道中水的運動情況。想孔隙通道中水的運動情況。圖圖2-92-9表示圓管狀孔隙通道的縱斷面，孔隙的邊緣表示圓管狀孔隙通道的縱斷面，孔隙的邊緣上分布著在尋常條件下不運動的結(jié)合水，其余部分上分布著在尋常條件下不運動的結(jié)合水，其余部分是重力水。是重力水。 由于附著于隙壁的結(jié)合水層對于重力水，以及由于附著于隙壁的結(jié)合水層對于重力水，以及重力水質(zhì)點之間存在著摩擦阻力，最近邊緣的重力重力水質(zhì)點之間存在著摩擦阻力，最近邊緣的重力水流速趨于零，中心部分流速最大。水流速趨于零，中心部分流速最大。分析可見：分析可見：孔隙直徑愈小，結(jié)合水所占

8、據(jù)的無效空孔隙直徑愈小，結(jié)合水所占據(jù)的無效空間愈大，實際滲流斷面就愈??；孔隙直徑越小，透間愈大，實際滲流斷面就愈??；孔隙直徑越小，透水性越差。水性越差。 分析可見：分析可見： 決定透水性好壞的主要因素是決定透水性好壞的主要因素是孔隙大孔隙大小?。恢挥性诳紫洞笮∵_到一定程度，孔隙；只有在孔隙大小達到一定程度，孔隙度才對巖石的透水性起作用，孔隙度愈大，度才對巖石的透水性起作用，孔隙度愈大，透水性愈好。透水性愈好。實際的孔隙通道并不是直徑均實際的孔隙通道并不是直徑均一的圓管，而是直徑變化、斷一的圓管，而是直徑變化、斷面形狀復雜的管道系統(tǒng)（圖面形狀復雜的管道系統(tǒng)（圖a a）實際的孔隙通道不是直線的，實

9、際的孔隙通道不是直線的，而是曲直的（圖而是曲直的（圖a a）。）。顆粒分選性，既影響孔隙大顆粒分選性，既影響孔隙大小，還決定著孔隙通道沿程小，還決定著孔隙通道沿程直徑的變化和曲折性（圖直徑的變化和曲折性（圖a a），），Company Logo 飽水巖層中，根據(jù)巖層飽水巖層中，根據(jù)巖層而進行的劃分而進行的劃分 v 含水層含水層（AquiferAquifer）：）： 是能夠透過并給出重力水的巖層是能夠透過并給出重力水的巖層各類砂土，砂巖等各類砂土，砂巖等 v 隔水層隔水層（Aquifuge)Aquifuge)： 不能透過與給出水或透過與給出的水量微不足道的巖不能透過與給出水或透過與給出的水量微不

10、足道的巖層層裂隙不發(fā)育的基巖、頁巖、板巖、粘土（致密）裂隙不發(fā)育的基巖、頁巖、板巖、粘土（致密） v 弱透水層弱透水層（AquitardAquitard）：）： 滲透性很差，給出的水量微不足道，但在較大水力梯度滲透性很差，給出的水量微不足道，但在較大水力梯度作用下，具有一定的透水能力的巖層作用下，具有一定的透水能力的巖層各種粘土，泥各種粘土，泥質(zhì)粉砂巖質(zhì)粉砂巖Company LogoCompany Logo 定義中的模糊概念定義中的模糊概念“相當水量，微不足道，較大水力相當水量，微不足道，較大水力梯度梯度”等等 。對于是否是含水層，還要從實際應用角度來看。對于是否是含水層，還要從實際應用角度來

11、看劃分的相對的性。劃分的相對的性。 即：在利用與排除地下水的實際中應當考慮巖即：在利用與排除地下水的實際中應當考慮巖層所能給出水的數(shù)量大小是否具有實際意義。層所能給出水的數(shù)量大小是否具有實際意義。Company Logo例例1 1：黃土：黃土 利用地下水供水時利用地下水供水時, ,某一巖層能夠給出的水量較小某一巖層能夠給出的水量較小, ,對于對于水源豐沛、需水量很大的地區(qū)水源豐沛、需水量很大的地區(qū), ,由于遠不能滿足供水需求由于遠不能滿足供水需求, ,而而被視作隔水層。被視作隔水層。 但在水源匱乏、需水量又小的地區(qū)但在水源匱乏、需水量又小的地區(qū), ,同一巖層便能在一定同一巖層便能在一定程度上滿

12、足程度上滿足, ,甚至充分滿足實際需要甚至充分滿足實際需要; ;在后一地區(qū)在后一地區(qū), ,這種巖層這種巖層便可看作含水層。便可看作含水層。Company Logo 例例2 2：如在某處一口井出水量：如在某處一口井出水量80m80m3 3/d/d，作，作為為1 1萬人的供水，非含水層；作為飲料廠、裝萬人的供水，非含水層；作為飲料廠、裝瓶生產(chǎn)則為含水層。瓶生產(chǎn)則為含水層。Company Logo例例3、從理論意義來看、從理論意義來看微不足道微不足道 ：微不足道，有：微不足道，有時空尺度的制約。時空尺度的制約。 如華北平原早期地下水開采就是典型的例子，深如華北平原早期地下水開采就是典型的例子，深層水

13、與淺層水的開采有一粘土隔水層；后開采深層，層水與淺層水的開采有一粘土隔水層；后開采深層，水量大，水位降低快，淺層水向深層水量大，水位降低快，淺層水向深層“越流越流”-粘土粘土層成為層成為“透水層透水層”。 時時間間的的相相對對性性54321 如圖：如圖：5個含水個含水層被層被4個弱透水層所個弱透水層所阻隔。阻隔。當含水層當含水層3中抽水時中抽水時,短期內(nèi)相鄰的含水短期內(nèi)相鄰的含水層層2與與4的水位均未的水位均未變動變動,圖中所示圖中所示a的的范圍構(gòu)成一個有水范圍構(gòu)成一個有水力聯(lián)系的單元。力聯(lián)系的單元。但當抽水持續(xù)時但當抽水持續(xù)時,最最終影響將波及圖中終影響將波及圖中b所示范圍所示范圍,這時這時

14、5個個含水層與含水層與4個弱透水個弱透水層構(gòu)成一個發(fā)生統(tǒng)層構(gòu)成一個發(fā)生統(tǒng)一水力聯(lián)系的單元。一水力聯(lián)系的單元?？偨Y(jié)：總結(jié)： 人們把隔水層看作是絕對不透水與不釋水的。本世紀人們把隔水層看作是絕對不透水與不釋水的。本世紀40年代雅可布提出越流概念后年代雅可布提出越流概念后,人們才開始認識到人們才開始認識到,在原先在原先劃入隔水層中的劃入隔水層中的,有一類是弱透水層。有一類是弱透水層。弱透水層：弱透水層：指那些滲透性極差的巖層，一般情況下所能提指那些滲透性極差的巖層，一般情況下所能提供的水量微小，似乎可以看作隔水層；但在發(fā)生越流時供的水量微小，似乎可以看作隔水層；但在發(fā)生越流時,由于水流的水力梯度和發(fā)

15、生滲透的過水斷面很大，故相鄰由于水流的水力梯度和發(fā)生滲透的過水斷面很大，故相鄰含水層通過弱透水層交換的水量相當大，則不能再把它看含水層通過弱透水層交換的水量相當大，則不能再把它看作隔水層了。作隔水層了。 如：松散沉積物中的粘性土如：松散沉積物中的粘性土,堅硬基巖中裂隙稀少而狹堅硬基巖中裂隙稀少而狹小的巖層都可認為是弱透水層。小的巖層都可認為是弱透水層。Company Logov地下水分類：地下水分類： 主要依據(jù)主要依據(jù)含水介質(zhì)的類型（賦存空間）含水介質(zhì)的類型（賦存空間） 埋藏條件（賦存部位）埋藏條件（賦存部位） v表表3-13-1含水介質(zhì)三類，埋藏三分，組合共分為含水介質(zhì)三類，埋藏三分，組合共

16、分為9 9類類 孔隙水孔隙水裂隙水裂隙水巖溶水巖溶水包氣帶包氣帶上層滯水上層滯水上層滯水上層滯水上層滯水上層滯水潛水潛水孔隙潛水孔隙潛水裂隙潛水裂隙潛水巖溶潛水巖溶潛水承壓水承壓水孔隙承壓水孔隙承壓水裂隙承壓水裂隙承壓水巖溶承壓水巖溶承壓水 Company Logo一、包氣帶與飽水帶的劃分一、包氣帶與飽水帶的劃分 地下水面（水位）：地下水面（水位）： 地下一定深度巖石中的空隙被重力水所充滿，地下一定深度巖石中的空隙被重力水所充滿， 形成一個自由水面，以海拔高度表示稱之形成一個自由水面，以海拔高度表示稱之地下水位地下水位 （一般通過打井，地下開挖來確定）（一般通過打井，地下開挖來確定）Compa

17、ny Logo包包氣氣帶帶與與飽飽水水帶帶地下水位地下水位Company Logo包氣帶包氣帶（zone of aeration or zone of unsaturation） v特點：特點： 巖石空隙未被水充滿巖石空隙未被水充滿 是固、液、氣三相介質(zhì)并存介質(zhì)是固、液、氣三相介質(zhì)并存介質(zhì) v水的存在形式（多樣）水的存在形式（多樣） 結(jié)合水、毛細水（各種）、重力水、氣態(tài)水結(jié)合水、毛細水（各種）、重力水、氣態(tài)水 v包氣帶水的垂直分帶包氣帶水的垂直分帶 土壤水帶，土壤水帶， 中間帶（過渡帶）中間帶（過渡帶） 支持毛細水帶，毛細飽和水帶支持毛細水帶，毛細飽和水帶 包氣帶是飽水帶中地下水參與水文循環(huán)的

18、一個重要通道；包氣帶是飽水帶中地下水參與水文循環(huán)的一個重要通道；“重力重力水水”通過包氣帶獲得降水、地表水的入滲補給（補充），部分通過包氣帶獲得降水、地表水的入滲補給（補充），部分水又通過包氣帶將水分傳輸，蒸發(fā)，消耗出去。水又通過包氣帶將水分傳輸，蒸發(fā)，消耗出去。Company Logo飽水帶（飽水帶（saturation zone） v巖石空隙被水完全充滿巖石空隙被水完全充滿 是二相介質(zhì)（固相是二相介質(zhì)（固相+液相水）液相水） v空隙中水的存在形式：空隙中水的存在形式： 重力水重力水 結(jié)合水結(jié)合水 重力水：連續(xù)分布（孔隙是連通）重力水：連續(xù)分布（孔隙是連通）傳遞壓力傳遞壓力在水在水頭差作用下

19、，地下水（空隙中的水）可以連續(xù)運動。頭差作用下，地下水（空隙中的水）可以連續(xù)運動。 地下開挖，坑道，巷道，基坑，打井在此帶均有重地下開挖，坑道，巷道，基坑，打井在此帶均有重力水涌出來！力水涌出來！ Company Logo2上層滯水上層滯水 當包氣帶存在當包氣帶存在局部隔（弱透）局部隔（弱透）水層時水層時,局部隔局部隔(弱透）水層上弱透）水層上會積聚具有自會積聚具有自由水面的重力由水面的重力水水上層滯上層滯水。水。Company Logo2.1上層滯水的補給、徑流、排泄上層滯水的補給、徑流、排泄上層滯水分布最接近地表上層滯水分布最接近地表,接受大氣降水的補給接受大氣降水的補給,通過蒸發(fā)或向隔水

20、底板通過蒸發(fā)或向隔水底板(弱透水層底板弱透水層底板)的邊緣的邊緣下滲排泄。下滲排泄。 雨季獲得補充雨季獲得補充,積存一定水量。旱季水量逐漸積存一定水量。旱季水量逐漸耗失。當分布范圍小且補給不很經(jīng)常時耗失。當分布范圍小且補給不很經(jīng)常時,不能終不能終年保持有水。年保持有水。2.2上層滯水的特征上層滯水的特征水量小水量小, ,動態(tài)變化顯著動態(tài)變化顯著, ,只有在缺水地區(qū)才能成只有在缺水地區(qū)才能成為小型供水水源或暫時性供水水源。為小型供水水源或暫時性供水水源。包氣帶中的上層滯水包氣帶中的上層滯水, ,對其下部的潛水的補給對其下部的潛水的補給與蒸發(fā)排泄與蒸發(fā)排泄, ,起到一定的滯后調(diào)節(jié)作用。起到一定的滯

21、后調(diào)節(jié)作用。上層滯水極易受污染上層滯水極易受污染, ,利用其作為飲用水源時利用其作為飲用水源時要格外注意衛(wèi)生防護。要格外注意衛(wèi)生防護。Company Logo3.1 3.1 潛水與潛水含水層概念潛水與潛水含水層概念 v潛水：潛水： 地表以下，第一個具有自由表面的穩(wěn)定含水層中的地表以下，第一個具有自由表面的穩(wěn)定含水層中的水水 自由表面自由表面即設有隔水層限制，與大氣直接相通，即設有隔水層限制，與大氣直接相通，除大氣壓強外不受其它力。除大氣壓強外不受其它力。 穩(wěn)定穩(wěn)定具有一定的空間連續(xù)性（范圍）以示區(qū)分上具有一定的空間連續(xù)性（范圍）以示區(qū)分上層滯水層滯水 v潛水含水層潛水含水層 -賦存潛水的巖層賦

22、存潛水的巖層 屋建筑時的基坑排水，大堤堤角處的散浸滲漏（潛水）屋建筑時的基坑排水，大堤堤角處的散浸滲漏（潛水） Company Logo 潛水面：潛水的表潛水面：潛水的表面為自由水面，稱面為自由水面，稱作潛水面；作潛水面；潛水含水層厚度：潛水含水層厚度：從潛水面到隔水底從潛水面到隔水底板的距離；板的距離；潛水埋藏深度：潛潛水埋藏深度：潛水面到地面的距離水面到地面的距離 3.3 3.3潛水的補給、徑流、排泄?jié)撍难a給、徑流、排泄?jié)撍难a給：潛水的補給： 潛水含水層上面不存在完整的隔水或弱透水頂潛水含水層上面不存在完整的隔水或弱透水頂板板, ,與包氣帶直接連通與包氣帶直接連通, ,其全部分布范圍都

23、可以通其全部分布范圍都可以通過包氣帶接受大氣降水、地表水的補給。過包氣帶接受大氣降水、地表水的補給。潛水的徑流：潛水的徑流： 潛水在重潛水在重力作用下由水力作用下由水位高的地方向位高的地方向水位低的地方水位低的地方徑流。徑流。潛水的排泄：潛水的排泄： 除了流入其它含水層以外除了流入其它含水層以外, ,泄入大氣圈與地表泄入大氣圈與地表水圈的方式有兩類水圈的方式有兩類: : 一類是徑流到地形低洼處一類是徑流到地形低洼處, ,以泉、泄流等形式以泉、泄流等形式向地表或地表水體排泄向地表或地表水體排泄, ,即徑流排泄。即徑流排泄。 另一類是通過土面蒸發(fā)或植物蒸騰的形式進另一類是通過土面蒸發(fā)或植物蒸騰的形式進入大氣入大氣, ,即蒸發(fā)排泄。即蒸發(fā)排泄。潛水與大氣圈及地表水圈聯(lián)系密切潛水與大氣圈及地表水圈聯(lián)系密切, ,影響顯著。動態(tài)有明顯的季節(jié)變影響顯著。動態(tài)有明顯的季節(jié)變化特點；化特點；潛水積極參與水循環(huán)潛水積極參與水循環(huán), ,資源易于補充恢復資源易于補充恢復, ,但受氣候影響但受氣候影響, ,且含水層厚且含水層厚度一般比較有限度一般比較有限, ,其資源通常缺乏多年調(diào)節(jié)性。其資源通常缺乏多年調(diào)節(jié)性。 潛水的水質(zhì)主要取決于氣候、地形及巖性條件。潛水容易受到污染。潛水的水質(zhì)主要取決于氣候、地形及巖性條件。潛水容易受到污染。 綜上所述綜上所述,