岩石中的孔隙和水分

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,第二章 岩石中的孔隙和水分,第二章 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。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；,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,；了解容水度、含水量、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（也是难点）和持水度的概念以及他们的关系。,岩石中的孔隙：,岩石中水的存在形式,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,孔隙、裂隙、溶穴,结合水、重力水、毛细水，,气态水、固态水及矿物中的水,容水度、含水量、给水度,持水度、透水性,第一节 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，特别是深部12km以内，空隙分布较为普遍。按维尔纳茨基（,）的形象说法，“,地壳表层就好象是饱含着水的海绵,”。,岩石在水文地质学中包括,坚硬的岩石,（基岩）及,松散的土层,。,空隙是指岩石（岩土）中各种类型的,空洞,的总称。,图21 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；2分选良好，排列紧密的砂；3分选不良的，含泥、砂的砾石；4经过部分胶结的砂岩；5具有结构性孔隙的粘土；6经过压缩的粘土；7具有裂隙的岩石；8具有溶隙及溶穴的可溶岩,研究空隙的意义：空隙是地下水的,赋存场所,（places）和,运移通道,（conduits）。空隙的多少、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。,空隙依据成因分为三类，即：松散岩石中的,孔隙,，坚硬岩石中的,裂隙,和可溶岩石中的,溶穴,一、孔隙,孔隙:松散岩石颗粒间的空隙.,土体孔隙特征,主要描述孔隙的,大小、多少、形状、连通性与胶结,等。,松散土体宏观上可以分为两大类：,砂砾石土,和,粘性土,。,（1）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,三种试样所构成的孔隙哪类大？哪类小？,第二章 岩石中的孔隙与水分,a砾石（模型） b砂样 c砂砾混合样,颗粒名称,粒径/mm,颗粒名称,粒径,石块,10,粉粒,石砾,粗粉粒,0.05 0.01,粗砾,103,细粉粒,0.01 0.005,细砾,3 1,黏粒,砂粒,粗黏粒,0.005 0.001,粗砂粒,1 0.25,细黏粒,0.001,细砂粒,0.25 0.05,我国土粒分级标准,简单归纳，,影响砂砾石土孔隙大小的主要因素,有：,颗粒大小,：与构成砂砾石土的颗粒粒径成正比（图2-1理解）,颗粒排列,：立方体（疏松）、,四面体（紧密）,由图2-2可以总结出，颗粒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紧密的排列方式。因此，颗粒排列的紧密程度，影响孔隙大小。,第二章 岩石中的孔隙与水分,图2-2 颗粒的排列形式(参照格雷通),试样的分选,：,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60处的颗粒直径 ，除以累积含量为10处的颗粒直径 ，此系数可表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,。（自学）。,第二章 岩石中的孔隙与水分,孔隙的大小,：可以用孔喉（d）和孔腹（,d,）来定量表征。,理想条件下孔喉（d）、孔腹（,d,）与构成孔隙颗粒的直径有关，如图2-2理想等粒圆球状颗粒，立方体排列条件下，有以下关系：,孔喉(d)与颗粒(D)的关系为： d = 0.414D,孔腹(,d,)与颗粒(D)的关系为:,d,= 0.732D,第二章 岩石中的孔隙与水分,（2）砂砾石的孔隙度（porosity）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n表示。,孔隙度是指某一体积岩土(包括孔隙在内)中孔隙体积所占的比例。,式中： 为孔隙度， 为孔隙体积， 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。,请思考并回答：砂砾类土的孔隙度大小与什么有关？,第二章 岩石中的孔隙与水分,a. 与排列有关,：试样排列的紧密与疏松是影响孔隙度的重要因素,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于此两者之间。理想最疏松排列孔隙度为47.64%，最紧密排列孔隙度为25.95% 。（参照图2-2）,b. 与分选有关,：这点与上述讨论影响孔隙大小的原理相同，图2-1三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。,比较一下：砾石与砂石的孔隙度大小。,理想情况下砾石与砂石混合的试样孔隙度：,n,混合,=n,砾石,n,沙石,第二章 岩石中的孔隙与水分,c. 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。,d,自然界中松散岩石的孔隙度大小,，可以参见表2-1。,表21 松散岩石孔隙度参考数值据弗里泽等，1987,第二章 岩石中的孔隙与水分,思考表2-1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？,请总结有哪些不同？为什么会不同。,不同：,（1）在表2-1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。,（2）孔隙度超过最疏松排列的47.64%？粘性土孔隙度高达70%-80%。,第二章 岩石中的孔隙与水分,（3）粘性土的孔隙与孔隙度,粘性土,通常是指土体粒径粗砂粉砂；孔隙细小（粘性土），比表面积大，结合水与孔角毛细水残留多，给水度小。,地下水位初始埋深,（,H,0,）：当地下水位初始埋深小于支持毛细水带高度 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，从而使变小。,第二章 岩石中的孔隙与水分,常见松散岩土的给水度,第二章 岩石中的孔隙与水分,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：,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,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。,第二章 岩石中的孔隙与水分,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（,h,c,)、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 时，埋深愈浅，越小。,水位降速愈快，偏小。,一般而言，层状土的给水度小于均值土层。,第二章 岩石中的孔隙与水分,4、持水度,（,S,r,）,持水度反映,岩石最小含水能力,的指标,如前所述，地下水位下降时，一部分水由于毛细力（以及分子力）的作用而仍旧反抗重力保持于空隙中。,定义,：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。,给水度、持水度与孔隙度,的关系是：,影响因素给水度的因素与影响持水度的相同。,残留含水量,（,W,0,):,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。,第二章 岩石中的孔隙与水分,图29 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）,5、透水性 透水性是指岩石允许水透过的能力。表征岩土透水性的定量指标是渗透系数。,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。,孔隙大小及孔隙度,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，透水能力就越弱。由此可见，决定透水性好坏的,主要因素是孔隙大小,；只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，孔隙度越大，透水性越好,。,第二章 岩石中的孔隙与水分,图2-10 理想化孔隙介质,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，而是直径变化、断面形状复杂的管道系统（图,2-11,，,a,）。岩石的透水能力并不取决于平均孔隙直径（图,2-11,，,b,），而在很大程度上取决于,最小的孔隙直径,（图,2-11,，,c,）。,孔隙通道愈弯曲，水质点实际流程就愈长，克服摩擦阻力所消耗的能量就愈大。,颗粒分选性,，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,211,，,a,），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。,图211实际孔隙通道及其概化,a孔隙通道原型；b概化为沿程等经的圆管；c概化为沿程不等径圆管,