地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)第三章巖土中的空隙和水

1、地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)第三章巖土中的空隙和水第1節(jié) 巖土中的空隙1、定義巖土的空隙：巖土中大小不等、形狀各異的空間。巖土的空隙性：巖土空隙的大小、多少、形狀、方向性、連通程度和空間變化。巖土空隙是地下水的儲(chǔ)容空間和傳輸通道。第1節(jié) 巖土中的空隙2、空隙的分類A 松散巖土中的 孔隙；B 堅(jiān)硬巖土中的 裂隙；C 可溶巖石中的 溶穴（溶洞）。巖土中的各種空隙EF巖土中的各種空隙ABCDEFGH分選不良、含泥砂的礫石部分膠結(jié)的砂 一、孔隙1、定義： 孔隙松散巖土中顆粒（顆粒集合體）之間的空隙。 孔隙度指單位體積巖土(包括孔隙在內(nèi))中孔隙體積所占的比例。 孔隙比巖土中孔隙體積與固體體積的比值。 松散巖土的平均孔隙度

2、2、影響孔隙度的因素 A、顆粒的排列方式。 等粒徑的最松散（47.62%）排列方式和最緊密（25.95%）排列方式。 顆粒中心連線平面角的二面角。90，n，立方體；60，n，四面體。（斯利赫特公式） B、顆粒的分選性 巖土的分選性越差，顆粒大小越懸殊，細(xì)小顆粒便充填于粗大顆粒之間的孔隙中，大大降低了巖土的孔隙度，因此孔隙度越小。 相反，巖土的分選性越好，顆粒大小相同，無(wú)細(xì)小物質(zhì)充填到孔隙中，孔隙度便會(huì)越大。 C、顆粒的形狀及膠結(jié)物多少 巖土顆粒形狀越不規(guī)則，棱角越明顯，通常排列就越松散，孔隙度也越大； 相反，巖土顆粒形狀越規(guī)則，越磨圓，排列就越緊密，孔隙度也就越小。 有膠結(jié)物的巖土顆粒其孔隙度

3、一般較小，無(wú)膠結(jié)物的巖土顆?？紫抖容^大。 D、考慮粘性土的結(jié)構(gòu)孔隙及次生孔隙 粘土的孔隙度往往可以超過(guò)上述理論最大值。因?yàn)檎惩令w粒表面帶有電荷，沉積時(shí)粘粒聚合，形成架空的顆粒集合體，可以形成大于顆粒直徑大孔隙。此外，粘性土還發(fā)育有蟲(chóng)孔、根孔、干裂縫、節(jié)理等次生空隙。3、影響孔隙大小的主要因素A 顆粒的大小 顆粒大，孔隙大；顆粒小，孔隙小。 B 顆粒的排列方式 立方體孔喉為，四面體孔喉為。C 粘性土?xí)r考慮結(jié)構(gòu)孔隙及次生孔隙 二、裂隙 1.定義 松散沉積物的空隙主要是孔隙，而固結(jié)堅(jiān)硬的巖石除沉積巖含有一定原生孔隙外，火成巖和變質(zhì)巖也有空隙，主要表現(xiàn)為裂隙。 裂隙堅(jiān)硬巖石中由破裂變形而產(chǎn)生的裂隙式空

4、隙。 裂隙按成因可分為三種： 成巖裂隙 是巖石在成巖過(guò)程中由于冷凝收縮(巖漿巖)或固結(jié) (沉積巖)而產(chǎn)生的。巖漿巖中成巖裂隙比較發(fā)育，尤以玄武巖中柱狀節(jié)理最有意義。 構(gòu)造裂隙 是巖石在應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂隙，具有方向性，大小懸殊(由隱蔽的節(jié)理到大斷層)，分布不均一。 風(fēng)化裂隙 是巖石在風(fēng)化營(yíng)力作用下破壞而產(chǎn)生的裂隙。如卸荷作用。2.裂隙巖石的空隙特征 主要表現(xiàn)在裂隙發(fā)育方向、幾何大小、分布的不均勻性、裂隙間的連通程度、裂隙的充填情況以及裂隙面的粗糙度等方面。 裂隙率(Kr)是裂隙體積(Vr)與包括裂隙在內(nèi)的巖石體積 (V)的比值。 裂隙的方向、寬度、延伸長(zhǎng)度、充填情況等，對(duì)水的運(yùn)動(dòng)具有重要影響。

5、面裂隙率單位面積巖石上裂隙面積所占的比例。線裂隙率在垂直于裂隙方向上單位長(zhǎng)度內(nèi)裂隙所占比例。 三、溶穴 1.定義 溶穴(隙)可溶的沉積巖（巖鹽、石膏、石灰?guī)r、白云巖等）在地下水溶蝕下產(chǎn)生的空洞。 巖溶率（KK）溶穴的體積與巖石總體積比值 2.可溶巖石的空隙特征 溶穴的規(guī)模十分懸殊，大的溶洞長(zhǎng)達(dá)幾十公里；而小的溶孔直徑僅幾毫米。 巖溶發(fā)育帶巖溶率可達(dá)百分之幾十，而其附近巖石的巖溶率幾乎為零。 四、空隙發(fā)育的多樣性 松散巖石以孔隙為主，但粘土干縮后可產(chǎn)生裂隙，而這些超過(guò)其原有的孔隙。 固結(jié)程度不高的沉積巖，往往既有孔隙，又有裂隙。 可溶巖石，有時(shí)還可保留原生的孔隙與裂縫。 空隙特點(diǎn)與地下水類型 巖

6、石中的空隙，連接成網(wǎng)絡(luò)，成為地下水有效的儲(chǔ)容空間和運(yùn)移通道。 孔隙連通良好，分布均勻，在不同方向上，孔隙通道的大小和多少很接近。地下水分布與流動(dòng)都比較均勻。 裂隙具有一定的方向性，連通性較差。地下水分布不均勻，水力聯(lián)系差。 溶穴空隙大小懸殊且分布極不均勻。地下水分布與流動(dòng)通常極不均勻。 三種類型地下水：孔隙水、裂隙水和巖溶水。矛盾1：如表所示，顆粒小而孔隙度大，這與我們說(shuō)的孔隙度大小與顆粒大小無(wú)關(guān)是不是矛盾？為什么？矛盾2：計(jì)算得到最疏松土的孔隙度為47.62%，但是為什么表的粘土達(dá)到70%，泥炭達(dá)到80%，這是為什么？課后思考題1.孔隙度大小和孔隙大小有什么區(qū)別和聯(lián)系？它們對(duì)地下水的賦存和運(yùn)

7、移有怎樣的影響？2.孔隙、裂隙、溶穴有什么區(qū)別和聯(lián)系？概述其發(fā)育規(guī)律。地殼巖土中的水礦物格架水沸石水 結(jié)晶水結(jié)構(gòu)水空隙中水顆粒表面結(jié)合水強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水液態(tài)水固態(tài)水氣態(tài)水重力水毛細(xì)水 非結(jié)合水第2節(jié) 巖石中水的存在形式 一、地殼巖石中各種形式的水二、結(jié)合水（吸附水） 1、定義 受引力大于水分子自身重力的那部分水，稱為結(jié)合水。此部分水束縛于固相表面，不能在自身重力影響下運(yùn)動(dòng)。 最接近固相表面的結(jié)合水稱為強(qiáng)結(jié)合水，其外層稱為弱結(jié)合水。 2、形成條件 松散巖土的顆粒表面、巖石空隙壁帶有電荷； 水分子是偶極體； 3、特征* 具有抗剪強(qiáng)度； 不能在自重作用下移動(dòng)； 巖土顆粒周圍水分子受到庫(kù)侖力的作用；

8、吸附力受到距離的影響，結(jié)合水與自由水不同。 厚 度特 征強(qiáng)結(jié)合水幾幾百個(gè)水分子厚度水分子排列緊密；不能流動(dòng)，氣化可移動(dòng)；結(jié)晶溫度 -78。 弱結(jié)合水幾十、幾百或幾千個(gè)水分子厚度分子排列不太規(guī)則緊密；溶解鹽類的能力較低；外層能被植物吸收；2030 結(jié)晶。4、分類與特點(diǎn) 三、重力水 1、定義 固體表面結(jié)合水層以外的水分子，受重力的影響大于固體表面的吸引力，能在自身重力作用下自由運(yùn)動(dòng)的地下水即重力水。 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是重力水，是水文地質(zhì)研究的主要對(duì)象。2、特征 靠近固體顆粒表面的重力水排列整齊，遠(yuǎn)處的排列紊亂； 固體顆粒近處水分子呈層流運(yùn)動(dòng)，遠(yuǎn)處水分子呈紊流運(yùn)動(dòng)

9、； 四、毛細(xì)水（毛管水） 1、定義 毛細(xì)現(xiàn)象 毛細(xì)管中的水面產(chǎn)生上升的現(xiàn)象。 毛細(xì)水 沿松散巖石的細(xì)小的孔道（毛細(xì)管）上升的在地下形成的水。 毛細(xì)水帶 毛細(xì)水集中分布的地帶。 2、分類 支持毛細(xì)水 地下水面支持作用的毛細(xì)水。 懸掛毛細(xì)水 失去地下水支持作用的毛細(xì)水。 孔角毛細(xì)水(觸點(diǎn)毛細(xì)水) 在包氣帶中粗粒顆粒接觸點(diǎn)懸留的毛細(xì)水。 五、氣態(tài)水、固態(tài)水及礦物中的水 在未飽和的巖土空隙中存在著氣態(tài)水。氣態(tài)水可以隨空氣或在水氣壓力差的作用下流動(dòng)。 巖土的溫度低于0時(shí)，液態(tài)水轉(zhuǎn)為固態(tài)水。我國(guó)北方大部分地區(qū)有季節(jié)性凍土。東北及青藏高原有多年凍土。 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。

10、方沸石（NaA1Si2O6H2O)中沸石水，在加熱時(shí)可以從礦物中分離出去。第3節(jié) 與水的儲(chǔ)容及運(yùn)移有關(guān)的巖土性質(zhì) 1、容水度 容水度 是指巖土完全飽水時(shí)所能容納的最大的水體積與巖石總體積的比值。 一般的容水度在數(shù)值上與孔隙度(裂隙率、巖溶率)相當(dāng)，但粘性土充水后體積擴(kuò)大，容水度可大于孔隙度。 它也是小數(shù)，和孔隙度有相同的性質(zhì)。 2、含水量 含水量 松散巖土空隙中所包含的水與巖土的比值。 重量含水量 松散巖土孔隙中所含水的重量與干燥巖土重量的比值。 體積含水量 松散巖土空隙含水的體積與包括孔隙在內(nèi)的巖石體積的比值。 重量含水量和體積含水量之間的關(guān)系： 孔隙充分飽水時(shí)的含水量稱作飽和含水量。 飽和

11、差飽和含水量與實(shí)際含水量之間的差值。 飽和度實(shí)際含水量與飽和含水量之比稱為。 3、給水度 1、給水度 完全飽水巖土單位體積所釋出水體積。 2、影響因素 巖性影響(顆粒大小、分選和粗細(xì)顆粒成層分布情況） 顆粒大的松散巖石、裂隙（溶穴）寬大，重力釋水后，結(jié)合水與孔角毛細(xì)水較少，給水度接近孔隙度、裂隙率與巖溶率。空隙細(xì)小(如粘 性土)，重力釋水時(shí)大部分水以結(jié)合水與懸掛毛細(xì)水形式滯留于空隙中，給水度很小。 釋水速度的影響 均質(zhì)的顆粒較細(xì)小的松散巖石，釋水比較充分，給水度才能達(dá)到其理論最大值。地下水下降速度的影響 地下水下降速度越快，滯留于空隙中的水分越多，釋出的水分越少，即給水度越?。幌喾?，下降速度越

12、慢，空隙中水分能充分釋出，釋出水越多，即給水度越大。3、特征 地下水位下降，原先飽水帶巖土空隙中的水只釋出一部分； 粉細(xì)砂僅能釋出孔隙度的10%-30%； 結(jié)合水不釋出，孔角毛細(xì)水不釋出，地下水位快速下降時(shí)，一部分水以懸掛毛細(xì)水形式滯留于非飽和帶。常見(jiàn)松散巖土的給水度 4、持水度 持水度 飽水的巖土釋水后，單位體積內(nèi)保持的水量。 給水度、持水度與孔隙度的關(guān)系是： 影響因素 持水度的影響因素與給水度的相同（顆粒大小、分選情況、粗細(xì)顆粒成層分布狀況及地下水下降速度）。 包氣帶充分重力釋水而又未受到蒸發(fā)、蒸騰消耗時(shí)的含水量稱作殘留含水量，數(shù)值上相當(dāng)于最大的持水度。 5、透水性 透水性是指巖石透水的能

13、力。表征巖土透水性的定量指標(biāo)是滲透系數(shù)。 影響巖土透水性的因素 1、孔隙大小 松散巖土孔隙通道邊緣上是不運(yùn)動(dòng)的結(jié)合水，其余是重力水。邊緣上的水流速為零，中心處流速最大。孔隙直徑愈小，結(jié)合水所占據(jù)的空間愈大，中心處最大流速愈小，實(shí)際滲流斷面平均流速就愈小，透水性就愈差。孔隙直徑小于兩倍結(jié)合水層厚度時(shí)不透水。 然而，巖土的透水能力并不取決于平均孔隙直徑，而在很大程度上取決于最小的孔隙直徑。 2、孔隙通道彎曲性 此外，孔隙通道愈彎曲，流程就愈長(zhǎng)，流動(dòng)阻力愈大。 顆粒的大小與分選性，是通過(guò)響孔隙大小和通道直徑的沿程變化和曲折性影響透水性的。第4節(jié) 有效應(yīng)力原理與巖土體變形破壞1.有效應(yīng)力原理 有效應(yīng)力

14、原理是太沙基于1925年提出的，即有效應(yīng)力等于總應(yīng)力減去空隙水壓力。 1.1 有效應(yīng)力：是指巖土骨架所承受的應(yīng)力。在封閉或相對(duì)封閉的條件下，上覆載荷的總應(yīng)力由飽水巖土骨架應(yīng)力與空隙水壓力共同承受： 所以有效應(yīng)力為：第4節(jié) 有效應(yīng)力原理與巖土體變形破壞1.2 有效應(yīng)力適用條件：（1）由于空隙水壓力是連續(xù)的，所以對(duì)于巖土體任意水平面都適用；（2）對(duì)于飽水含水層或含水體，封閉或相對(duì)封閉是孔隙水壓力形成的必要前提；（3）有效應(yīng)力原理適用于土體和巖體。第4節(jié) 有效應(yīng)力原理與巖土體變形破壞2.地下水位變化引起的土體變形 通常情況下，開(kāi)采承壓水或半承壓水都能導(dǎo)致測(cè)壓水位降低，孔隙水壓力隨著降低，這樣有效應(yīng)力增大，砂