第二章岩石中的孔隙和水分课件

第二章第二章 岩石中的孔隙和水分岩石中的孔隙和水分7/14/20241第二章第二章 岩石中的孔隙和水分岩石中的孔隙和水分内容：掌握岩土中空隙的三种类型：孔隙、裂隙和溶内容：掌握岩土中空隙的三种类型：孔隙、裂隙和溶穴；重点掌握孔隙的大小、多少（空隙率）的表征及穴；重点掌握孔隙的大小、多少（空隙率）的表征及其影响因素；了解不同空隙的特征与他们之间的差异。其影响因素；了解不同空隙的特征与他们之间的差异。掌握空隙中水的存在形式，了解结合水、重力水、毛掌握空隙中水的存在形式，了解结合水、重力水、毛细水的特点；细水的特点；掌握岩土孔隙度、给水度、持水度的概掌握岩土孔隙度、给水度、持水度的概念和他们的关系，以及影响因素念和他们的关系，以及影响因素；了解容水度、含水；了解容水度、含水量、透水性的概念。量、透水性的概念。重难点：岩土中空隙的三种类型，以及影响孔隙的大重难点：岩土中空隙的三种类型，以及影响孔隙的大小、多少（空隙率）的因素（也是难点）；空隙中水小、多少（空隙率）的因素（也是难点）；空隙中水的存在形式及其特征；重点掌握岩土孔隙度、给水度的存在形式及其特征；重点掌握岩土孔隙度、给水度（也是难点）和持水度的概念以及他们的关系。（也是难点）和持水度的概念以及他们的关系。7/14/20242岩石中的孔隙：岩石中的孔隙：岩石中水的存在形式岩石中水的存在形式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有效应力原理与松散岩土压密有效应力原理与松散岩土压密孔隙、裂隙、溶穴孔隙、裂隙、溶穴结合水、重力水、毛细水，结合水、重力水、毛细水，气态水、固态水及矿物中的水气态水、固态水及矿物中的水容水度、含水量、给水度容水度、含水量、给水度持水度、透水性持水度、透水性7/14/20243 第一节第一节 岩土中的空隙岩土中的空隙地壳表层十余公里范围内，都或多或少存在着空隙，地壳表层十余公里范围内，都或多或少存在着空隙，特别是深部特别是深部12km以内，空隙分布较为普遍。按维以内，空隙分布较为普遍。按维尔纳茨基（尔纳茨基（）的形象说法，）的形象说法，“地壳表层就好象是饱含着水的海绵地壳表层就好象是饱含着水的海绵”。岩石岩石在水文地质学中包括在水文地质学中包括坚硬的岩石坚硬的岩石（基岩）（基岩）及及松散的土层松散的土层。空隙空隙是指岩石（岩土）中各种类型的是指岩石（岩土）中各种类型的空洞空洞的的总称。总称。7/14/20244图图21岩石中的各种空隙据迈因策尔修改补充岩石中的各种空隙据迈因策尔修改补充1分选良好，排序疏松的砂；分选良好，排序疏松的砂；2分选良好，排列紧密的砂；分选良好，排列紧密的砂；3分选不良分选不良的，含泥、砂的砾石；的，含泥、砂的砾石；4经过部分胶结的砂岩；经过部分胶结的砂岩；5具有结构性孔隙的粘土；具有结构性孔隙的粘土；6经过压缩的粘土；经过压缩的粘土；7具有裂隙的岩石；具有裂隙的岩石；8具有溶隙及溶穴的可溶岩具有溶隙及溶穴的可溶岩7/14/20245研究空隙的意义：空隙是地下水的研究空隙的意义：空隙是地下水的赋存场所赋存场所（places）和）和运移通道运移通道（conduits）。空隙的多）。空隙的多少、大小、形状、连通情况和分布规律，对地少、大小、形状、连通情况和分布规律，对地下水的分布和运动具有重要影响。下水的分布和运动具有重要影响。空隙依据成因分为三类，即：松散岩石中的空隙依据成因分为三类，即：松散岩石中的孔孔隙隙，坚硬岩石中的，坚硬岩石中的裂隙裂隙和可溶岩石中的和可溶岩石中的溶穴溶穴7/14/20246一、孔隙一、孔隙 孔隙孔隙:松散岩石颗粒间的空隙松散岩石颗粒间的空隙.土体孔隙特征土体孔隙特征主要描述孔主要描述孔隙的隙的大小、多少、形状、连通性与胶结大小、多少、形状、连通性与胶结等。等。松散土体宏观上可以分为两大类：松散土体宏观上可以分为两大类：砂砾石土砂砾石土和和粘性土粘性土。（1）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首先，请大家比较以下三种砂砾石试样的孔隙大小首先，请大家比较以下三种砂砾石试样的孔隙大小三种试样所构成的孔隙哪类大？哪类小？三种试样所构成的孔隙哪类大？哪类小？第二章第二章 岩石中的孔隙与水分岩石中的孔隙与水分a砾石（模型）砾石（模型）b砂样砂样c砂砾混合样砂砾混合样7/14/20247颗粒名称颗粒名称粒径粒径/mm颗粒名称颗粒名称粒径粒径石块石块10粉粒粉粒石砾石砾粗粉粒粗粉粒0.050.01粗砾粗砾103细粉粒细粉粒0.010.005细砾细砾31黏粒黏粒砂粒砂粒粗黏粒粗黏粒0.0050.001粗砂粒粗砂粒10.25细黏粒细黏粒0.001细砂粒细砂粒0.250.05我国土粒分级标准我国土粒分级标准7/14/20248简单归纳，简单归纳，影响砂砾石土孔隙大影响砂砾石土孔隙大小的主要因素小的主要因素有：有：颗粒大小颗粒大小：与构成砂砾石土：与构成砂砾石土的颗粒粒径成正比（图的颗粒粒径成正比（图2-1理解）理解）颗粒排列颗粒排列：立方体（疏松）、：立方体（疏松）、四面体（紧密）四面体（紧密）由图由图2-2可以总结出，颗粒可以总结出，颗粒呈立方体排列为最疏松的排列呈立方体排列为最疏松的排列方式，颗粒呈四面体排列为最方式，颗粒呈四面体排列为最紧密的排列方式。因此，颗粒紧密的排列方式。因此，颗粒排列的紧密程度，影响孔隙大排列的紧密程度，影响孔隙大小。小。第二章第二章 岩石中的孔隙与水分岩石中的孔隙与水分图图2-2颗粒的排列形式颗粒的排列形式(参照格雷通参照格雷通)7/14/20249试样的分选试样的分选：试样的分选是指样品的颗粒粒径的级配情况。试样的分选是指样品的颗粒粒径的级配情况。在颗粒成分累积曲线上，取累积含量为在颗粒成分累积曲线上，取累积含量为60处的颗粒处的颗粒直径直径，除以累积含量为，除以累积含量为10处的颗粒直径处的颗粒直径，此系数可表，此系数可表征松散岩石的分选程度。征松散岩石的分选程度。试样颗粒粒径分布域大，试样的分选也就差，颗粒大小试样颗粒粒径分布域大，试样的分选也就差，颗粒大小越混杂，大孔隙易被小颗粒充填，样品的孔隙也就变小。越混杂，大孔隙易被小颗粒充填，样品的孔隙也就变小。样品分选较差时，孔隙大小取决于充填大孔隙中实际构成样品分选较差时，孔隙大小取决于充填大孔隙中实际构成孔隙的细小颗粒的直径（如图孔隙的细小颗粒的直径（如图2-1，3）。）。颗粒形状及胶结充填情况等颗粒形状及胶结充填情况等。（自学）。（自学）。第二章第二章 岩石中的孔隙与水分岩石中的孔隙与水分7/14/202410孔隙的大小孔隙的大小：可以用孔喉（：可以用孔喉（d）和孔腹（）和孔腹（d）来定量表征。来定量表征。理想条件下孔喉（理想条件下孔喉（d）、孔腹（）、孔腹（d）与构）与构成孔隙颗粒的直径有关，如图成孔隙颗粒的直径有关，如图2-2理想等粒圆球理想等粒圆球状颗粒，立方体排列条件下，有以下关系：状颗粒，立方体排列条件下，有以下关系：孔喉孔喉(d)与颗粒与颗粒(D)的关系为：的关系为：d=0.414D孔腹孔腹(d)与颗粒与颗粒(D)的关系为的关系为:d=0.732D 第二章第二章 岩石中的孔隙与水分岩石中的孔隙与水分7/14/202411（2）砂砾石的孔隙度（）砂砾石的孔隙度（porosity）及其影响因素）及其影响因素孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标，常用孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标，常用n表示。表示。孔隙度是指某一体积岩土孔隙度是指某一体积岩土(包括孔隙在内包括孔隙在内)中孔隙体中孔隙体积所占的比例。积所占的比例。式中：式中：为孔隙度，为孔隙度，为孔隙体积，为孔隙体积，为岩石总体积。为岩石总体积。孔隙度是一个比值，常用可用小数或百分数表示。孔隙度是一个比值，常用可用小数或百分数表示。请思考并回答：砂砾类土的孔隙度大小与什么有关？请思考并回答：砂砾类土的孔隙度大小与什么有关？第二章第二章 岩石中的孔隙与水分岩石中的孔隙与水分7/14/202412a.与排列有关与排列有关：试样排列的紧密与疏松是影响孔隙度的重：试样排列的紧密与疏松是影响孔隙度的重要因素要因素由几何学可知，立方体排列为最松散排列，四面体由几何学可知，立方体排列为最松散排列，四面体排列为最紧密排列，自然界中松散岩石的孔隙度大多介排列为最紧密排列，自然界中松散岩石的孔隙度大多介于此两者之间。理想最疏松排列孔隙度为于此两者之间。理想最疏松排列孔隙度为47.64%，最紧，最紧密排列孔隙度为密排列孔隙度为25.95%。（参照图。（参照图2-2）b.与分选有关与分选有关：这点与上述讨论影响孔隙大小的原理相：这点与上述讨论影响孔隙大小的原理相同，图同，图2-1三种砂砾石试样的模型图，不难理解分选好三种砂砾石试样的模型图，不难理解分选好坏是影响孔隙度的主要原因。坏是影响孔隙度的主要原因。比较一下：比较一下：砾石与砾石与砂石的孔隙度大小。砂石的孔隙度大小。理想情况下砾石与砂石混合的试样孔隙度：理想情况下砾石与砂石混合的试样孔隙度：n混合混合=n砾石砾石n沙石沙石 第二章第二章 岩石中的孔隙与水分岩石中的孔隙与水分7/14/202413c.与颗粒形状、胶结充填情况有关与颗粒形状、胶结充填情况有关：颗粒形状与沉积物磨圆度有关，扁平装和棱角状的颗粒形状与沉积物磨圆度有关，扁平装和棱角状的颗粒容易形成架空状结构，造成颗粒；颗粒间发生胶颗粒容易形成架空状结构，造成颗粒；颗粒间发生胶结或孔隙被充填，直接减少孔隙数量，使孔隙度减小。结或孔隙被充填，直接减少孔隙数量，使孔隙度减小。d自然界中松散岩石的孔隙度大小自然界中松散岩石的孔隙度大小，可以参见表，可以参见表2-1。表表21松散岩石孔隙度参考数值据弗里泽等，松散岩石孔隙度参考数值据弗里泽等，1987 第二章第二章 岩石中的孔隙与水分岩石中的孔隙与水分7/14/202414思考表思考表2-1给出的孔隙度数值与上述分析影响孔隙度大给出的孔隙度数值与上述分析影响孔隙度大小的因素是否不一致？小的因素是否不一致？请总结有哪些不同？为什么会不同。请总结有哪些不同？为什么会不同。不同：不同：（1）在表）在表2-1中，自然界中松散岩石的孔隙度与粒径大小中，自然界中松散岩石的孔隙度与粒径大小有关，粒径小孔隙度大。有关，粒径小孔隙度大。（2）孔隙度超过最疏松排列的）孔隙度超过最疏松排列的47.64%？粘性土孔隙度？粘性土孔隙度高达高达70%-80%。第二章第二章 岩石中的孔隙与水分岩石中的孔隙与水分7/14/202415（3）粘性土的孔隙与孔隙度）粘性土的孔隙与孔隙度粘性土粘性土通常是指土体粒径通常是指土体粒径粗砂粗砂粉砂；孔隙粉砂；孔隙细小（粘性土），比表面积大，结合水与孔角毛细水细小（粘性土），比表面积大，结合水与孔角毛细水残留多，给水度小。残留多，给水度小。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小于）：当地下水位初始埋深小于支持毛细水带高度支持毛细水带高度时，当地下水位下降时，原重力水时，当地下水位下降时，原重力水大多转化为支持毛细水而保留于地下水面之上，从而大多转化为支持毛细水而保留于地下水面之上，从而使使变小。变小。第二章第二章 岩石中的孔隙与水分岩石中的孔隙与水分7/14/202441常见松散岩土的给水度常见松散岩土的给水度 第二章第二章 岩石中的孔隙与水分岩石中的孔隙与水分7/14/202442与地下水位下降速度有关：与地下水位下降速度有关：当地下水位下降速率大时，给水度偏小，此点对于细当地下水位下降速率大时，给水度偏小，此点对于细粒松散岩石尤为明显。可能的原因：重力释水并非瞬间完粒松散岩石尤为明显。可能的原因：重力释水并非瞬间完成，而往往滞后于水位下降；此外，迅速失水时大小孔道成，而往往滞后于水位下降；此外，迅速失水时大小孔道失水不同步，在小孔道形成悬挂毛细水而不能释出。失水不同步，在小孔道形成悬挂毛细水而不能释出。土层结构：土层结构：均质土特征与上述讨论一致，岩土层为层状非均质土均质土特征与上述讨论一致，岩土层为层状非均质土时，往往会影响时，往往会影响值，多层状土的特征而言，上粗下细，值，多层状土的特征而言，上粗下细，上细下粗产生不同影响给水度。上细下粗产生不同影响给水度。第二章第二章 岩石中的孔隙与水分岩石中的孔隙与水分7/14/202443给水度小结（影响给水度的因素）：给水度小结（影响给水度的因素）：均值土、地下水位初始埋深大于支持毛细水高度（均值土、地下水位初始埋深大于支持毛细水高度（hc)、水位降速慢时，给水度最接近理论值。水位降速慢时，给水度最接近理论值。水位初始埋深小于支持毛细水高度水位初始埋深小于支持毛细水高度时，埋深愈浅，时，埋深愈浅，越小。越小。水位降速愈快，水位降速愈快，偏小。偏小。一般而言，层状土的给水度一般而言，层状土的给水度小于均值土层。小于均值土层。第二章第二章 岩石中的孔隙与水分岩石中的孔隙与水分7/14/2024444 4、持水度、持水度（Sr）持水度持水度反映反映岩石最小含水能力岩石最小含水能力的指标的指标如前所述，地下水位下降时，一部分水由于毛细力（以及如前所述，地下水位下降时，一部分水由于毛细力（以及分子力）的作用而仍旧反抗重力保持于空隙中。分子力）的作用而仍旧反抗重力保持于空隙中。定义定义：地下水位下降一个单位深度，单位水平面积岩石柱：地下水位下降一个单位深度，单位水平面积岩石柱体中反抗重力而保持于岩石空隙中的水量。体中反抗重力而保持于岩石空隙中的水量。给水度、持水度与孔隙度给水度、持水度与孔隙度的关系是：的关系是：影响因素给水度的因素与影响持水度的相同。影响因素给水度的因素与影响持水度的相同。残留含水量残留含水量（W0):包气带充分重力释水而又未受到蒸发、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。数值上相当于最大的持水度。蒸腾消耗时的含水量。数值上相当于最大的持水度。第二章第二章 岩石中的孔隙与水分岩石中的孔隙与水分7/14/202445图图29理想圆管状空隙中重力水流速分布理想圆管状空隙中重力水流速分布（阴线部分代表结合水，箭头长度代表重力水质点实际流速）（阴线部分代表结合水，箭头长度代表重力水质点实际流速）5 5、透水性、透水性 透水性是指岩石允许水透过的能力。表征岩土透水性的透水性是指岩石允许水透过的能力。表征岩土透水性的定量指标是渗透系数。定量指标是渗透系数。影响因素：影响因素：以松散岩石为例，分析一个理想孔隙通道中水的运动情况。以松散岩石为例，分析一个理想孔隙通道中水的运动情况。7/14/202446孔隙大小及孔隙度孔隙大小及孔隙度当孔隙度一定而孔隙直径越大，当孔隙度一定而孔隙直径越大，则圆管通道的数量越少，但有效则圆管通道的数量越少，但有效渗流断面越大，透水能力就越强；渗流断面越大，透水能力就越强；反之，孔隙直径越小，透水能力反之，孔隙直径越小，透水能力就越弱。由此可见，决定透水性就越弱。由此可见，决定透水性好坏的好坏的主要因素是孔隙大小主要因素是孔隙大小；只；只有在孔隙大小达到一定程度，孔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，隙度才对岩石的透水性起作用，孔隙度越大，透水性越好孔隙度越大，透水性越好。第二章第二章 岩石中的孔隙与水分岩石中的孔隙与水分图图2-10理想化孔隙介质理想化孔隙介质7/14/202447孔隙通道变化与曲折性孔隙通道变化与曲折性：松散岩石的实际孔隙通道并不是直径均一的圆管，而是松散岩石的实际孔隙通道并不是直径均一的圆管，而是直径变化、断面形状复杂的管道系统（图直径变化、断面形状复杂的管道系统（图2-11，a）。岩石）。岩石的透水能力并不取决于平均孔隙直径（图的透水能力并不取决于平均孔隙直径（图2-11，b），而在），而在很大程度上取决于很大程度上取决于最小的孔隙直径最小的孔隙直径（图（图2-11，c）。）。孔隙通道愈弯曲，水质点实际流程就愈长，克服摩擦阻孔隙通道愈弯曲，水质点实际流程就愈长，克服摩擦阻力所消耗的能量就愈大。力所消耗的能量就愈大。颗粒分选性颗粒分选性，除了影响孔隙大小，还决定着孔隙通道沿，除了影响孔隙大小，还决定着孔隙通道沿程直径的变化和曲折性（图程直径的变化和曲折性（图211，a），因此，分选程度），因此，分选程度对于松散岩石透水性的影响，往往要超过孔隙度。对于松散岩石透水性的影响，往往要超过孔隙度。7/14/202448图图211实际孔隙通道及其概化实际孔隙通道及其概化a孔隙通道原型；孔隙通道原型；b概化为沿程等经的圆管；概化为沿程等经的圆管；c概化为沿程不等径圆管概化为沿程不等径圆管7/14/202449