《水文地质学基础》课程授课教案（讲稿）第二章 岩石中的孔隙与水分

课程名称：水文地质学基础第2讲次第二章岩石中的孔隙与水分S1岩石中的空隙授课题目（章、节）$2岩石中水的存在形式$3与水的储容及运移有关的岩石性质84有效应力原理本讲目的及重点：【目的要求]：通过本讲学习，使学生了解地下水赋存的岩石空隙及其影响因素；了解地下水存在的形式掌握与水的储容及运移有关的岩石性质：[重点]：容水性、含水量、给水度、持水度、透水性[难点]：给水度内容备注[本讲内容的引入]：回顾上两讲，本节我们将进入地下水，水文地质学研究的中心。课程第一部分：基本理论与知识，即水文地质学研究第二阶段发展起来的理论，包括：介质、赋存、运动、化学、补与排。本章将介绍：容器岩石中的空隙状态水的存在形式岩石因水表现的性质有效应力原理与松散岩土压密水土耦合一[本讲内容]：$1岩石中的空隙P15第二段P16图2-1，岩石中的空隙，注意空隙多少、大少、形态、连通、分布规律岩石空隙的水文地质分类·松散岩石中的孔隙·坚硬岩石中的裂隙·可溶岩中的溶穴

课程名称：水文地质学基础 第 2 讲次 授课题目(章、节) 第二章 岩石中的孔隙与水分 §1 岩石中的空隙 §2 岩石中水的存在形式 §3 与水的储容及运移有关的岩石性质 §4 有效应力原理 本讲目的及重点： [目的要求]：通过本讲学习,使学生了解地下水赋存的岩石空隙及其影响因素；了解地下水存在的形式； 掌握与水的储容及运移有关的岩石性质； [重点]：容水性、含水量、给水度、持水度、透水性 [难点]：给水度 内 容 备 注 [本讲内容的引入]： 回顾上两讲，本节我们将进入地下水，水文地质学研究的中心。课程第一部分：基本 理论与知识，即水文地质学研究第二阶段发展起来的理论，包括：介质、赋存、运动、化学、 补与排。 本章将介绍： 岩石中的空隙 容器 水的存在形式 状态 岩石因水表现的性质 有效应力原理与松散岩土压密 水土耦合 [本讲内容]： §1 岩石中的空隙 P15 第二段 P16 图 2-1，岩石中的空隙，注意空隙多少、大少、形态、连通、分布规律 岩石空隙的水文地质分类： ⚫ 松散岩石中的孔隙 ⚫ 坚硬岩石中的裂隙 ⚫ 可溶岩中的溶穴

$1.1孔隙指标：多少——孔隙度：储容空间大小一一地下水运动的条件V.孔隙度：n=V影响因素：①读P16图2-2、P16图2-3，得出：颗粒的排列情况：假定颗粒为大小相等的球体最疏松的排列：立方体排列J孔隙度47.64%最紧密的排列：四面体排列孔隙度25.95%47.64%>自然界中孔隙度>25.95%命题1孔隙度是一个比例数，与颗粒大小无关②分选程度：例黄豆、绿豆、小米，分选好的黄豆n>分选差的混合豆等粒砾石与等粒极细砂混合，极细砂完全充填于砾石孔隙中n1*n2=40%*40%=16%③磨圆度：愈好，愈容易紧密排列，孔隙度越小：棱角、条状、片状颗粒不利于紧密排列。④胶结物的充填，将降低孔隙度。对比图2一1，5、6图。现象1,与命题1相冲突③读P17表2-1：自然界中孔隙度常随颗粒直径的减少而增大孔隙度超过理论值？？？原因：颗粒直径大，其孔隙或多或少为更细小的颗粒所充填：粘粒表面带有电荷，颗粒接触时连结形成集合体，形成结构孔隙。孔隙大小：P17图2-4孔腹、孔喉一—过水能力取决于孔喉现象2P17图2-5颗粒大孔喉大，反之则小。分选不好，颗粒大小悬殊的松散岩石来说，孔隙大小？并不取决于颗粒的平均直径，主要取决于细小颗粒直径，粗颗粒的孔隙被细小颗粒充填后形成的较大孔隙不复存在。还与颗粒排列方式，颗粒形状及胶结程度有关。问题1：由现象1、现象2，砾、砂、粉砂、粘土，什么该是好的含水层？

§1.1 孔隙 指标： 多少——孔隙度：储容空间 大小——地下水运动的条件 孔隙度： V V n n = 影响因素： ① 读 P16 图 2-2、 P16 图 2-3，得出： 颗粒的排列情况：假定颗粒为大小相等的球体 最疏松的排列：立方体排列 孔隙度 47.64% 最紧密的排列：四面体排列 孔隙度 25.95% 47.64%＞自然界中孔隙度＞25.95% 孔隙度是一个比例数，与颗粒大小无关 ② 分选程度：例黄豆、绿豆、小米，分选好的黄豆 n＞分选差的混合豆 等粒砾石与等粒极细砂混合，极细砂完全充填于砾石孔隙中 n1*n2=40%*40%=16% ③ 磨圆度：愈好，愈容易紧密排列，孔隙度越小；棱角、条状、片状颗粒不利于紧密排列。 ④ 胶结物的充填，将降低孔隙度。对比图 2－1，5、6 图。 ⑤ 读 P17 表 2-1：自然界中孔隙度常随颗粒直径的减少而增大 孔隙度超过理论值？？？ 原因：颗粒直径大，其孔隙或多或少为更细小的颗粒所充填； 粘粒表面带有电荷，颗粒接触时连结形成集合体，形成结构孔隙。 孔隙大小： P17 图 2-4 孔腹、孔喉——过水能力取决于孔喉 P17 图 2-5 颗粒大孔喉大，反之则小。 分选不好，颗粒大小悬殊的松散岩石来说，孔隙大小？并不取决于颗粒的平均直径，主 要取决于细小颗粒直径，粗颗粒的孔隙被细小颗粒充填后形成的较大孔隙不复存在。 还与颗粒排列方式，颗粒形状及胶结程度有关。 命题 1 现象 1,与命题 1 相冲突 现象 2 问题 1：由现象 1、现象 2，砾、砂、粉砂、粘土，什么该是好的含水层？

$1.2裂隙如图P116图11-1裂隙：裂隙率：体积裂隙率面裂隙率线裂隙率S1.3溶穴：P18，例：柳江盆地江锅店村东坡岩溶地貌岩溶率：溶穴的体积（Vk）与包括溶穴在内的岩石体积（V）的比值。K=V/VsS1.4空隙与地下水简单关系（读P18页，自学，三段课文）S2岩石中水的存在形式P19页，读地壳岩石中水的各种形式框图，突出水文地质研究岩石空隙中的液态水：重力水、毛细水。着重介绍毛细水的形态毛细水：毛细作用，P44页图5一1（a）空隙中的毛细水，如图2一7：首先看图的左侧，松散岩石中细小的孔隙通道构成毛细管，因此在地下水面以上的包气带中广泛存在毛细水，为支持毛细水带。图右侧，地下水位下降细粒土中仍保持一定毛细水，为悬挂毛细水。而其下粗粒层中由于孔隙直径较大，超过毛细管，不存在毛细水。图2一8，粗大的卵砾石，颗粒接触处孔隙大小可以达到毛细管程度而形成弯液面，将水滞留在孔角上，为孔角毛细水。$3与水的储容及运移有关的岩右性质1．容水度：岩石完全饱和时所能容纳的最大的水体积与岩石总体积之比容水度=孔隙度如何测？饱水条件：1.5Mpa大气压or真空条件特例：膨胀粘性土，容水度≥孔隙度非岩石总重量2.含水量：岩石保留水分的状况重量含水量：岩石孔隙中所含水的重量与干燥岩石重量的比值

§1.2 裂隙 如图 P116 图 11-1 裂隙： 裂隙率： 体积裂隙率 面裂隙率 线裂隙率 §1.3 溶穴：P18，例：柳江盆地江锅店村东坡岩溶地貌 岩溶率：溶穴的体积（Vk）与包括溶穴在内的岩石体积（V）的比值。 Kk=Vk/V §1.4 空隙与地下水简单关系（读 P18 页，自学，三段课文） §2 岩石中水的存在形式 P19 页，读地壳岩石中水的各种形式框图，突出水文地质研究岩石空隙中的液态水：重 力水、毛细水。着重介绍毛细水的形态 毛细水： 毛细作用，P44 页 图 5－1 （a） 空隙中的毛细水，如图 2－7：首先看图的左侧，松散岩石中细小的孔隙通道构成毛细管， 因此在地下水面以上的包气带中广泛存在毛细水，为支持毛细水带。图右侧，地下水位下降， 细粒土中仍保持一定毛细水，为悬挂毛细水。而其下粗粒层中由于孔隙直径较大，超过毛细 管，不存在毛细水。 图 2－8，粗大的卵砾石，颗粒接触处孔隙大小可以达到毛细管程度而形成弯液面，将水 滞留在孔角上，为孔角毛细水。 §3 与水的储容及运移有关的岩石性质 1． 容水度：岩石完全饱和时所能容纳的最大的水体积与岩石总体积之比。 容水度=孔隙度 特例：膨胀粘性土，容水度＞孔隙度 2． 含水量：岩石保留水分的状况 重量含水量：岩石孔隙中所含水的重量与干燥岩石重量的比值。 如何测？饱水条件：1.5Mpa 大气压 or 真空条件 非岩石总重量

W. =%×100%G体积含水量：含水的体积与包括孔隙在内的岩石体积的比值。VW, :=×100%=V饱和含水量：孔隙充分饱水时的含水量。饱和差：饱和含水量与实际含水量之差。饱和度：实际含水量与饱和含水量之比。3.给水度*****（重点)：给出水的能力，含水层好坏评判指标。参照图P34页，3-8b理解：若地下水位下降，则下降范围内饱水岩石及相应的支持毛细水带中的水，将因重力作用而下移并部分地从原先赋存的空隙中释出。将地下水位下降一个单位深度，从地下水位延伸到地表面的单位水平面积岩石柱体，在重力作用下释出水的体积，称为给水度。给水度=含水量一滞留水（结合水、毛细水为主）影响因素：空隙大小：颗粒粗大的松散岩、裂隙较宽的坚硬岩、具溶穴的可溶岩，给水度接近孔隙度、裂隙度、岩溶率。若孔隙细小；如粘性土给水度往往很小。读表2一2：给水度随粒度增加，先增加，后减小。现象1一—孔隙度随粒径增加而减小现象2—一孔隙大小随粒径增加而增加，因此，问题1：最后的含水层，给水度最大，为中、粗砂岩。.4.持水度地下水位下降时，一部分水由于毛细力（及分子力）的作用而反抗重力保持于空隙中。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，称为持水度。μ+s, =n5.透水性：岩石充许水透过的能力，用渗透系数K来表征。*****重点图2一11，（a）水在松散岩土中流经的通道；（c）概化为沿程不等径直管，过水能力取决于最细的地方。图2一10，将复杂的水流通道，概化为束平行等径直管。孔隙度越大

= 100% s w g G G W 体积含水量：含水的体积与包括孔隙在内的岩石体积的比值。 = 100% V V W w v 饱和含水量：孔隙充分饱水时的含水量。 饱和差：饱和含水量与实际含水量之差。 饱和度：实际含水量与饱和含水量之比。 3． 给水度*****(重点)：给出水的能力，含水层好坏评判指标。 参照图 P34 页，3－8 b 理解： 若地下水位下降，则下降范围内饱水岩石及相应的支持毛细水带中的水，将因重力作用 而下移并部分地从原先赋存的空隙中释出。将地下水位下降一个单位深度，从地下水位延伸 到地表面的单位水平面积岩石柱体，在重力作用下释出水的体积，称为给水度。 给水度＝含水量－滞留水（结合水、毛细水为主） 影响因素： 空隙大小：颗粒粗大的松散岩、裂隙较宽的坚硬岩、具溶穴的可溶岩，给水度接近孔隙 度、裂隙度、岩溶率。若孔隙细小；如粘性土给水度往往很小。 读表 2－2：给水度随粒度增加，先增加，后减小。 现象 1——孔隙度随粒径增加而减小 现象 2——孔隙大小随粒径增加而增加 因此，问题 1：最后的含水层，给水度最大，为中、粗砂岩。 4． 持水度 地下水位下降时，一部分水由于毛细力（及分子力）的作用而反抗重力保持于空隙中。 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，称为持水度。  + Sr = n 5． 透水性：岩石充许水透过的能力，用渗透系数 K 来表征。*****重点 图 2－11,（a）水在松散岩土中流经的通道； （c）概化为沿程不等径直管，过水能力取 决于最细的地方。图 2－10，将复杂的水流通道，概化为束平行等径直管。孔隙度越大

管越多。图2一9，水质点流速失量线，管径越小，流速越小，第三图，当管径为双倍结合水厚度时，不透水。透水性好坏，取决于孔隙大小，只有孔隙大小达到一定程度，孔隙度才对岩石的透水性起作用。所以，粘性土、粉砂土不易透水。S4有效应力原理与松散岩土压密有效应力原理：太沙基，土力学奠基理论读P24图2-12（b）：得出P=u+Pz岩土的压密：读图2-12（a)，当地下水位下降△u，P=（u-△u）+（Pz+△u）Pz+△u使得砂层压密。读P25最后二段。岩土压密是地面沉降的原因，天津、上海、唐山沿海地区等均严重。[课程小结]本章主要介绍了岩石的空隙（孔隙、裂隙及溶隙）特征，岩石中存在的毛细水形式，重点讲述容水、含水、给水、持水及透水等性质。理解由于地下水位下降引起地面沉降的有效应力机理。[本讲作业及要求]：（1）在一个孔隙度为30%的砾石堆积体中，充填了孔隙度为60%的粉质粘土，试估算该堆积体的实际孔隙度。(2）请对以下陈述作出辨析：A.地层介质的固体颗粒越粗大，孔隙度就越大；B.分布有裂隙的岩石中，一般不发育孔隙；C.毛细水不受重力作用，只受表面张力作用：D.松散岩层的给水度虽然经验上被认为是固定的参数，但实际上也随时间变化，并且总是小于孔隙度；（3）当潜水的水位下降时，水面下岩石的固体骨架有效应力将如何变化？而水面上的岩石含水量如何变化？（4）对于上海市的地面沉降，有人认为是抽取地下水引起的，也有人认为是高层建筑不断兴建引起的，试分析这些论断所依据的原理和可能的论证方法。（5）回顾分析，砾、砂、粉砂、粘土，那一类给水度大，有何实际意义？

管越多。 图 2－9，水质点流速矢量线，管径越小，流速越小，第三图，当管径为双倍结合水厚度 时，不透水。 透水性好坏，取决于孔隙大小，只有孔隙大小达到一定程度，孔隙度才对岩石的透水性 起作用。所以，粘性土、粉砂土不易透水。 §4 有效应力原理与松散岩土压密 有效应力原理：太沙基，土力学奠基理论 读 P24 图 2－12（b）：得出 P＝u＋Pz 岩土的压密： 读图 2－12（a），当地下水位下降△u，P＝（u－△u）＋（Pz＋△u） Pz＋△u 使得砂层压密。 读 P25 最后二段。 岩土压密是地面沉降的原因，天津、上海、唐山沿海地区等均严重。 [课程小结]本章主要介绍了岩石的空隙（孔隙、裂隙及溶隙）特征，岩石中存在的毛细水形 式，重点讲述容水、含水、给水、持水及透水等性质。理解由于地下水位下降引起地面沉降 的有效应力机理。 [本讲作业及要求]： (1) 在一个孔隙度为 30%的砾石堆积体中，充填了孔隙度为 60%的粉质粘土，试估算该堆 积体的实际孔隙度。 (2) 请对以下陈述作出辨析：A. 地层介质的固体颗粒越粗大，孔隙度就越大；B. 分布有 裂隙的岩石中，一般不发育孔隙；C.毛细水不受重力作用，只受表面张力作用；D.松散岩 层的给水度虽然经验上被认为是固定的参数，但实际上也随时间变化，并且总是小于孔隙度； (3) 当潜水的水位下降时，水面下岩石的固体骨架有效应力将如何变化？而水面上的岩石含 水量如何变化？ (4) 对于上海市的地面沉降，有人认为是抽取地下水引起的，也有人认为是高层建筑不断兴 建引起的，试分析这些论断所依据的原理和可能的论证方法。 （5）回顾分析，砾、砂、粉砂、粘土，那一类给水度大，有何实际意义？