《水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)》第二章 巖石中的空隙與水2

1、主講教師：張衛(wèi)民Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)第二章 巖石中的空隙與水（下）The Interstices and Water in Rocks本章內(nèi)容 2.1 巖石中的空隙2.2 巖石空隙中的水 2.3 巖石的水理性質(zhì)Company Logo2.2 巖石空隙中的水存在形式：設(shè)想實(shí)驗(yàn)：材料（小石子、細(xì)管）+水（水杯）（1）在小石子之上滴上幾滴水，小石子上就會(huì)有殘留水？（2）在飽水試樣中，小石子上和小石子孔隙間的水？（3）將玻璃細(xì)管插入水中，取出，管中殘留水？ 通過上述3例及圖示空隙中水的存在形式： 結(jié)合水（absorbed water, bound wa

2、ter） 重力水（gravitational water;bulk water） 毛細(xì)水（capillary water）Company Logo2.2.1 結(jié)合水結(jié)合水（absorbed water, bound water）（1）定義 附著于固體表面，在自身重力下不能運(yùn)動(dòng)的水（2）類型 強(qiáng)結(jié)合水：離固相顆粒表面非常近的水； 弱結(jié)合水：離固相顆粒表面較遠(yuǎn)的水。（3）性質(zhì) 結(jié)合水具有固態(tài)和液態(tài)水的雙重性質(zhì)，即在自身重力作用下不能運(yùn)動(dòng)，在外力作用下能夠移動(dòng)（運(yùn)動(dòng)）及變形，也可以說其具有一定的抗剪強(qiáng)度。？抗剪強(qiáng)度的產(chǎn)生與大小與什么有關(guān)？ 表面引力（固相表面與水分子間靜電引力）服從庫(kù)侖定律，隨固體表

3、面的距離加大而減弱 結(jié)合水與重力水Company Logo結(jié)合水與重力水Company Logo 表面引力服從庫(kù)侖定律， 隨固體表面的距離加大而減弱結(jié)合水與重力水結(jié)合水水分子極性與土粒帶電荷Company Logo重力水（gravitational water; bulk water） 遠(yuǎn)離固相表面，水分子受固相表面吸引力的影響極其微弱，主要受自身重力影響。在自身重力影響下可以自由運(yùn)動(dòng)的水叫重力水 地層內(nèi)巖石空隙中如果存在一定的重力水，就可以通過泉，或井流出（抽出） 重力水是水文地質(zhì)學(xué)研究的主要對(duì)象，也是勘察的主要對(duì)象2.2.2 重力水結(jié)合水與重力水Company Logo毛細(xì)水（capill

4、ary water） 1、基本概念毛細(xì)現(xiàn)象： 細(xì)小管插入水中，水上升至一定高度停下來 在土層中挖個(gè)洞，在洞內(nèi)放個(gè)接滲皿，能否接到水?北方地窖，陜北的窯洞毛細(xì)力： 毛細(xì)水：受到表面吸引力與重力作用，還有另一種力作用稱毛細(xì)力的作用，產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象我們可以把毛細(xì)力歸納為3點(diǎn)：2.2.3 毛細(xì)水毛細(xì)水空隙中的水毛細(xì)水Company Logo毛細(xì)水，孔角毛細(xì)水Company Logo思考：1. 上細(xì)下粗土層，滴水，水停留在何處？2. 黃土層中挖平洞，下大雨后，洞內(nèi)能否接到水？毛細(xì)水 滴水 下雨 砂土 黃土 器皿 礫石Company Logo毛細(xì)力： 毛細(xì)力的產(chǎn)生： 是在三相（固、液、氣）界面上內(nèi)彎液面引起

5、液面彎曲產(chǎn)生的。 毛細(xì)力的方向： 作用方向始終指向彎曲液面的凹側(cè)毛細(xì)力的大?。?毛細(xì)力大小與彎液面的曲率成正比（曲率大,毛細(xì)力大;曲率小，毛細(xì)力小） 一根毛細(xì)管子，管徑越小，毛細(xì)力越大； 毛細(xì)力大，毛細(xì)上升高度也越大2.2.3 毛細(xì)水Company Logo2、毛細(xì)水的存在形式（states forms）在巖石空隙中，毛細(xì)水的存在形式可分為三種：a) 支持毛細(xì)水（supporting capillary water ） 在地下水面支持下存在的（附著水面上的），隨地下水升降而升降。上升高度與水面上部的巖石孔隙性質(zhì)有關(guān)b) 懸掛毛細(xì)水（suspension capillary water ） 脫離

6、水面，巖石細(xì)小孔隙中保留的水分，稱為懸掛毛細(xì)水 上細(xì)下粗土層與砂礫試樣的例子？懸掛毛細(xì)水的高度c) 孔角毛細(xì)水（觸點(diǎn)毛細(xì)水）（corner water, contiguity water?） 孔角毛細(xì)水與懸掛毛細(xì)水是不同？ 懸掛毛細(xì)水似串珠狀且連續(xù)分布的，孔角毛細(xì)水是孤立的 2.2.3 毛細(xì)水支持與懸掛毛細(xì)水小結(jié)Company Logo支持毛細(xì)水與懸掛毛細(xì)水地下水位下降Company Logo2.2 巖石空隙中的水小結(jié)小結(jié)巖石空隙中的水有三種存在形式三種形式的水有差異與受力狀態(tài)有關(guān)自己總結(jié)、比較加深理解_有比較就會(huì)有記憶第二節(jié) 巖石空隙中的水 結(jié)束Company Logo2.3 巖石的水理性質(zhì)

7、 一、定義 指巖石與水接觸過程中表現(xiàn)出來的控制水分活動(dòng)的各種性質(zhì)。 就水文地質(zhì)學(xué)來說，主要涉及是與水分儲(chǔ)容、釋出與運(yùn)移有關(guān)的性質(zhì)，包括：容水度、含水量、持水度、給水度 二、水理性質(zhì) 1、容水度和孔隙度（porosity）- nr 巖石完全飽水時(shí)，所能容納的最大水體積與巖石總體積之比 （反映巖石最大含水能力） 孔隙度n; 容水度nr ？?jī)烧哂泻侮P(guān)系Company Logo2.3 巖石的水理性質(zhì)二、水理性質(zhì) 1、容水度和孔隙度（porosity）- nr 孔隙度n; 容水度nr ？?jī)烧哂泻侮P(guān)系 一般情況下，容水度在數(shù)值上與孔隙度（裂隙率、巖溶率）相等，但在如下情況下，二者不相等： 對(duì)于吸水后體積發(fā)

8、生收縮或膨脹的土粒： 吸水后膨脹時(shí)， nr n 吸水后收縮時(shí)， nr n 2、含水量（water content） -w 巖石實(shí)際保留水分的狀況（是某巖樣某時(shí)的含水狀態(tài)），又稱巖石的天然含水量 1）重量含水量（Wg）：巖石孔隙中所含水份的重量（Gw）與干燥巖石重量（Gs）之比。Company Logo2.3 巖石的水理性質(zhì)二、水理性質(zhì) 2、含水量（water content）-w 2）體積含水量（Wv）：巖石孔隙中含水體積與巖石總體積之比。 3）Wg與Wv間的關(guān)系 在水的比重為1時(shí)，若巖石的干容重（單位體積干燥巖石的重量）為 ，則有： Wg =Wv 4）飽和含水量、飽和差、飽和度的概念 飽和含

9、水量：孔隙充分飽水時(shí)的含水量，用Ws表示。 飽和差：飽和含水量與實(shí)際含水量的差值。 飽和度：實(shí)際含水量與飽和含水量之比值。Company Logo2.3 巖石的水理性質(zhì)二、水理性質(zhì) 3、持水度（specific retention）-Sr 巖石的持水能力最大保持水分的能力 定義1：飽水巖石在重力作用下釋水，巖石中保持住的水體積與飽水巖石總體積之比。 定義2：地下水位下降一個(gè)單位深度，單位水平面積飽水巖石柱體中反抗重力而保持于巖石空隙中的水量（體積）。保持下來的水主要是什么水？ 影響因素：與給水度的影響因素相同，在下面介紹。Company Logo二、水理性質(zhì) 4、給水度（specific yi

10、eld） （1）、定義 定義1：飽水巖石在重力作用下給出的水的體積與飽水巖石總體積之比。 定義2：當(dāng)?shù)叵滤幌陆狄粋€(gè)單位高度時(shí)，單位水平面積巖石柱體，在重力作用下釋放出來的水體積，稱為給水度。 當(dāng)水位下降一個(gè)單位，土層孔隙中是否所有的水都流出來？ 在土層中會(huì)保留什么形式的水？結(jié)合水(膜)，孔角毛細(xì)水，有時(shí)懸掛毛細(xì)水與支持毛細(xì)水2.3 巖石的水理性質(zhì)均質(zhì)土包氣帶水分分布Company Logo均質(zhì)土包氣帶水分分布Company Logo二、水理性質(zhì) 4、給水度（specific yield） （2）影響給水度值的因素 ？礫石、粗砂、細(xì)砂、砂礫混合樣相比較，哪種樣給水度大？ 1) 巖性：空隙大的樣

11、品，給水度大，n 礫 粗砂 粉砂（與粒徑有關(guān)） 顆粒細(xì)小者，比表面積大，結(jié)合水與孔角毛細(xì)水殘留多，除巖性外，同一巖層中其它原因也可造成不同，為什么？2.3 巖石的水理性質(zhì)Company Logo二、水理性質(zhì) 4、給水度（specific yield） （2）影響給水度值的因素 2) 地下水位初始埋深（H0） 當(dāng)初始地下水位埋深小于最大毛細(xì)上升高度時(shí)H0 hc 時(shí)，原重力水大多轉(zhuǎn)化為支持毛細(xì)水，土層給水量大大降低，變小。 當(dāng)?shù)叵滤怀跏悸裆畲笥谥С置?xì)水帶高度時(shí)H0 hc ,可達(dá)最大值 土層含水量曲線分析：當(dāng)水位埋深足夠大時(shí)，土層給水度不發(fā)生變化（為定值），此時(shí)給水度也是最大理論給水度2.3 巖

12、石的水理性質(zhì)Company Logo給水度與地下水位埋深的關(guān)系Company Logo二、水理性質(zhì) （2）影響給水度值的因素 3) 與地下水位下降速度有關(guān)地下水位下降快慢會(huì)影響到 的大小 （下降快理、下降慢理） 這是因?yàn)獒屗疁螅鴮?dǎo)致的釋水減量 4) 土層結(jié)構(gòu)均質(zhì)土特征與上述討論一致巖土層為層狀非均質(zhì)土?xí)r，往往會(huì)影響值，多層狀土的特征而言，上粗下細(xì)，上細(xì)下粗結(jié)構(gòu)影響是不同的。2.3 巖石的水理性質(zhì)Company Logo給水度小結(jié)野外實(shí)際測(cè)定時(shí)：均質(zhì)土，當(dāng)?shù)叵滤怀跏悸裆畲笥趆c，降速緩慢， =WS-W0初始埋深小于hc時(shí)，埋深愈淺，水位降速愈快，一般而言，層狀土小于均值土。給水度、持水度與孔隙度三者間關(guān)系： + Sr=n結(jié)合實(shí)驗(yàn)課 設(shè)計(jì)研究給水度的影響因素與確定方法給水度小結(jié)Comp