第3講巖石的水理性質課件

本節(jié)內容■水的儲容及運移有關的巖石性質含水層與隔水層地下水的類型一、與水的儲容及運移有關的巖石性質影響水的儲容及運移的因素：巖石空隙大小、多少、連通程度及其分布均勻度。控制水活動的因素：巖石的容水性、含水性、給水性、持水性、透水性巖土的水理性質概念：指巖土控制水活動的性質

巖土主要水理性質：容水性持水性給水性透水性含水性1.容水性（容水度）定義：

巖石的容水性是指巖石容納一定水的能力。表征指標：

容水度——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

θ=100%或θ=100%

容水度數值上一般與空隙度（裂隙率、巖溶率）相等，但膨脹土的容水度大于孔隙度。2.含水性（含水量）概念：含水量——松散巖石實際保留水分的狀況。重量含水量（Wg）：松散巖石孔隙中所含水的重量與干燥巖石重量的比值。體積含水量（Wv）：含水的體積與包括孔隙在內的巖石體積的比值。飽和含水量Ws：

孔隙充分飽水時的含水量稱作飽和含水量Ws。飽和含水量與實際含水量之間的差值稱為飽和差。實際含水量與飽和含水量之比稱為飽和度。3.給水性（給水度）給水性：地下水位下降時，其下降范圍內飽水巖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，這一現象稱為巖石的給水性（μ）。表征指標：給水度μ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量。以小數或百分數表示。μ=（V出水/V砂樣容水）100%含水率釋水前水位釋水后水位單位水位降OO‘OO‘DEAIHGFC結合水懸掛毛細水支持毛細水影響因素：重力釋水不是瞬時完成，往往滯后于水位下降。對于均質的松散巖石，給水度的大小與巖性、初始地下水位埋藏深度、地下水位下降速率等因素有關。表2-2常見松散巖石的給水度[Fetter,1980]4、持水性（持水度）持水性：

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。表征指標持水度：在重力作用下，巖石所保持的水體積與巖石體積的比值。殘留含水量（W0）：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（W0），數值上相當于最大的持水度。5、透水性（滲透系數）巖石的透水性：指巖石允許水透過的能力。表征指標：表征巖石透水性的定量指標——滲透系數。實例分析——以松散巖石為例，分析一個理想孔隙通道中水的運動情況。圖2-9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合水，其余部分是重力水。由于附著于隙壁的結合水層對于重力水，以及重力水質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。分析可見：孔隙直徑愈小，結合水所占據的無效空間愈大，實際滲流斷面就愈小；孔隙直徑越小，透水性越差。

分析可見：

決定透水性好壞的主要因素是孔隙大?。恢挥性诳紫洞笮∵_到一定程度，孔隙度才對巖石的透水性起作用，孔隙度愈大，透水性愈好。實際的孔隙通道并不是直徑均一的圓管，而是直徑變化、斷面形狀復雜的管道系統(tǒng)（圖a）實際的孔隙通道不是直線的，而是曲直的（圖a）。顆粒分選性，既影響孔隙大小，還決定著孔隙通道沿程直徑的變化和曲折性（圖a），CompanyLogo二、含水層隔水層1、基本概念

飽水巖層中，根據巖層給水與透水能力而進行的劃分

含水層（Aquifer）：是能夠透過并給出重力水的巖層—各類砂土，砂巖等

隔水層（Aquifuge)：不能透過與給出水或透過與給出的水量微不足道的巖層——裂隙不發(fā)育的基巖、頁巖、板巖、粘土（致密）

弱透水層（Aquitard）：

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——各種粘土，泥質粉砂巖CompanyLogo2構成含水層具備條件（1）有儲水空間（2）有儲存地下水的地質構造條件（3）有良好的補給水源和補給條件。CompanyLogo

定義中的模糊概念—“相當水量，微不足道，較大水力梯度”等。對于是否是含水層，還要從實際應用角度來看劃分的相對的性。

即：在利用與排除地下水的實際中應當考慮巖層所能給出水的數量大小是否具有實際意義。3概念的相對性CompanyLogo例1：黃土

利用地下水供水時,某一巖層能夠給出的水量較小,對于水源豐沛、需水量很大的地區(qū),由于遠不能滿足供水需求,而被視作隔水層。但在水源匱乏、需水量又小的地區(qū),同一巖層便能在一定程度上滿足,甚至充分滿足實際需要;在后一地區(qū),這種巖層便可看作含水層。3概念的相對性CompanyLogo

例2：如在某處一口井出水量80m3/d，作為1萬人的供水，非含水層；作為飲料廠、裝瓶生產則為含水層。3概念的相對性CompanyLogo3.2.2概念的相對性例3、從理論意義來看——微不足道：微不足道，有時空尺度的制約。

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“越流”--粘土層成為“透水層”。

時間的相對性①②③④54321

如圖：5個含水層被4個弱透水層所阻隔。當含水層3中抽水時,短期內相鄰的含水層2與4的水位均未變動,圖中所示a的范圍構成一個有水力聯系的單元。但當抽水持續(xù)時,最終影響將波及圖中b所示范圍,這時5個含水層與4個弱透水層構成一個發(fā)生統(tǒng)一水力聯系的單元?？偨Y：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,人們才開始認識到,在原先劃入隔水層中的,有一類是弱透水層。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)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，則不能再把它看作隔水層了。如：松散沉積物中的粘性土,堅硬基巖中裂隙稀少而狹小的巖層都可認為是弱透水層。CompanyLogo地下水分類：

主要依據——含水介質的類型（賦存空間）埋藏條件（賦存部位）

表3-1含水介質三類，埋藏三分，組合共分為9類三、地下水的類型孔隙水裂隙水巖溶水包氣帶上層滯水上層滯水上層滯水潛水孔隙潛水裂隙潛水巖溶潛水承壓水孔隙承壓水裂隙承壓水巖溶承壓水CompanyLogo1包氣帶與飽水帶

一、包氣帶與飽水帶的劃分

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，形成一個自由水面，以海拔高度表示稱之地下水位

（一般通過打井，地下開挖來確定）CompanyLogo包氣帶與飽水帶地下水位地下水面以上稱為包氣帶；地下水面以下稱為飽水帶CompanyLogo1.1包氣帶包氣帶（zoneofaerationorzoneofunsaturation）

特點：

①巖石空隙未被水充滿②是固、液、氣三相介質并存介質

水的存在形式（多樣）結合水、毛細水（各種）、重力水、氣態(tài)水

包氣帶水的垂直分帶

土壤水帶，中間帶（過渡帶）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)的一個重要通道；“重力水”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。CompanyLogo飽水帶（saturationzone）

巖石空隙被水完全充滿→是二相介質（固相+液相水）空隙中水的存在形式：①重力水②結合水

重力水：連續(xù)分布（孔隙是連通）→傳遞壓力→在水頭差作用下，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，打井在此帶均有重力水涌出來！

1.2飽水帶

CompanyLogo2上層滯水

當包氣帶存在局部隔（弱透）水層時,局部隔(弱透）水層上會積聚具有自由水面的重力水——上層滯水。CompanyLogo2.1上層滯水的補給、徑流、排泄上層滯水分布最接近地表,接受大氣降水的補給,通過蒸發(fā)或向隔水底板(弱透水層底板)的邊緣下滲排泄。雨季獲得補充,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常時,不能終年保持有水。2.2上層滯水的特征①水量小,動態(tài)變化顯著,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。②包氣帶中的上層滯水,對其下部的潛水的補給與蒸發(fā)排泄,起到一定的滯后調節(jié)作用。③上層滯水極易受污染,利用其作為飲用水源時要格外注意衛(wèi)生防護。CompanyLogo3.1潛水與潛水含水層概念

潛水：地表以下，第一個具有自由表面的穩(wěn)定含水層中的水

自由表面—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。穩(wěn)定—具有一定的空間連續(xù)性（范圍）以示區(qū)分上層滯水潛水含水層---賦存潛水的巖層

屋建筑時的基坑排水，大堤堤角處的散浸滲漏（潛水）

3潛水與潛水含水層CompanyLogo3.2潛水幾個基本要素

潛水面：潛水的表面為自由水面，稱作潛水面；潛水含水層厚度：從潛水面到隔水底板的距離；潛水埋藏深度：潛水面到地面的距離3.3潛水的補給、徑流、排泄?jié)撍难a給：

潛水含水層上面不存在完整的隔水或弱透水頂板,與包氣帶直接連通,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。潛水的徑流：

潛水在重力作用下由水位高的地方向水位低的地方徑流。潛水的排泄：

除了流入其它含水層以外,泄入大氣圈與地表水圈的方式有兩類:

一類是徑流到地形低洼處,以泉、泄流等形式向地表或地表水體排泄,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入大氣,即蒸發(fā)排泄。①潛水與大氣圈及地表水圈聯系密切,影響顯著。動態(tài)有明顯的季節(jié)變化特點；②潛水積極參與水循環(huán),資源易于補充恢復,但受氣候影響,且含水層厚度一般比較有限,其資源通常缺乏多年調節(jié)性。

③潛水的水質主要取決于氣候、地形及巖性條件。潛水容易受到污染。

綜上所述,潛水的基本特點是與大氣圈、地表水圈聯系密切,積極參與水循環(huán);決定這一特點的根本原因是其埋藏特征——位置淺且上面沒有連續(xù)的隔水層。3.4潛水的特征3.5潛水面的形狀：

自由表面；因其埋藏條件的差異，潛水面的形狀呈傾斜的、水平的、拋物線型的，或各種形狀的組合；

潛水面的區(qū)域輪廓與地形的變化基本一致而較緩和?！L制潛水等水位線圖—獲取信息-資料的手段——調查、勘探，分析3.6潛水研究基本方法CompanyLogo某地潛水等水位線圖（平面）河河流流CompanyLogo通過潛水等水位線圖可以解決以下問題確定潛水流向；垂直于等水位線由高→低求潛水水力坡度；確定潛水位埋深；推斷含水層巖性和厚度變化；