【文章內(nèi)容簡介】 支持與懸掛毛細水 小結(jié) Company Logo 巖石的水理性質(zhì) ? 一 、 定義 指巖石與水接觸過程中表現(xiàn)出來的控制水分活動的各種性質(zhì) 。 就水文地質(zhì)學(xué)來說 ， 主要涉及是與水分 儲容 、釋出與運移 有關(guān)的性質(zhì) 包括： 容水度 、 含水量 、 持水度 、 給水度 ? 二 、 水理性質(zhì) 容水度和孔隙度 （ porosity） nr ? 巖石完全飽水時 ， 所能容納的最大水體積 與巖石總體積之比 （ 反映巖石最大含水能力 ） 孔隙度 —— n。 容水度 —— nr ？ 兩者有何關(guān)系 %100??巖石容水VVnr 巖石的水理性質(zhì) ?二 、 水理性質(zhì) 容水度和孔隙度 （ porosity） nr 孔隙度 —— n。 容水度 —— nr ？ 兩者有何關(guān)系 – 一般情況下，容水度在數(shù)值上與孔隙度（裂隙率、巖溶率）相等，但在如下情況下，二者不相等： – 對于吸水后體積發(fā)生收縮或膨脹的土粒： 吸水后膨脹時， nr n 吸水后收縮時， nr n 含水量 （ water content） w ? 巖石 實際保留水分的狀況 （ 是某巖樣某時的含水狀態(tài) ） ， 又稱巖石的天然含水量 1）重量含水量（ Wg）： 巖石孔隙中所含水份的重量（ Gw）與干燥巖石重量（ Gs）之比。 %100??swg GGW 巖石的水理性質(zhì) ? 二 、 水理性質(zhì) 含水量 （ water content） w ? 2） 體積含水量 （ Wv） ： 巖石孔隙中含水體積與巖石總體積之比 。 ? 3） Wg與 Wv間的關(guān)系 在水的比重為 1時，若巖石的干容重（單位體積干燥巖石的重量）為 ，則有： Wg =W v ? 4）飽和含水量、飽和差、飽和度的概念 – 飽和含水量： 孔隙充分飽水時的含水量，用 Ws表示。 – 飽和差： 飽和含水量與實際含水量的差值。 – 飽和度： 實際含水量與飽和含水量之比值。 %100?? VVW wV?? ?? 巖石的水理性質(zhì) ? 二 、 水理性質(zhì) 持水度 （ specific retention） Sr 巖石的持水能力 —— 最大保持水分的能力 – 定義 1： 飽水巖石在重力作用下釋水，巖石中保持住的水體積與飽水巖石總體積之比。 – 定義 2： 地下水位下降一個單位深度，單位水平面積飽水巖石柱體中反抗重力而保持于巖石空隙中的水量（體積）。 – 保持下來的水主要是什么水？ ? 影響因素： 與給水度的影響因素相同 ， 在下面介紹 。 %100?? VVS r 持水Company Logo 二 、 水理性質(zhì) 給水度 （ specific yield） —— ? （ 1） 、 定義 定義 1： 飽水巖石在重力作用下給出的水的體積與飽水巖石總體積之比 。 定義 2： 當?shù)叵滤幌陆狄粋€單位高度時 ， 單位水平面積巖石柱體 ， 在重力作用下釋放出來的水體積 ， 稱為給水度 。 當水位下降一個單位 ， 土層孔隙中是否所有的水都流出來 ？ 在土層中會保留什么形式的水 ？ 結(jié)合水 (膜 )， 孔角毛細水 ， 有時懸掛毛細水與支持毛細水 巖石的水理性質(zhì) 均質(zhì)土包氣帶水分分布 %100?? VV 給水?Company Logo 二 、 水理性質(zhì) 給水度 （ specific yield） —— ? （ 2） 影響給水度 —— μ值的因素 ？ 礫石 、 粗砂 、 細砂 、 砂礫混合樣相比較 ， 哪種樣給水度大 ？ 1) 巖性 ：空隙大的樣品 ， 給水度大 ， μ≈n ? 礫 ＞粗砂 ＞ … ＞粉砂 —— （ 與粒徑有關(guān) ） ? 顆粒細小者 ， 比表面積大 ， 結(jié)合水與孔角毛細水殘留多 ， 除巖性外 ， 同一巖層中其它原因也可造成 μ不同 ，為什么 ？ 巖石的水理性質(zhì) Company Logo 二 、 水理性質(zhì) 給水度 （ specific yield） —— ? （ 2） 影響給水度 —— μ值的因素 2) 地下水位初始埋深 （ H0） ? 當初始地下水位埋深 小于 最大毛細上升高度時 H0＜＜ hc 時 ， 原重力水大多轉(zhuǎn)化為支持毛細水 ， 土層給水量大大降低 ， μ 變小 。 ? 當?shù)叵滤怀跏悸裆?大于 支持毛細水帶高度時 H0 ＞＞ hc ,可達最大 μ值 ? 土層含水量曲線分析：當水位埋深足夠大時 ， 土層給水度不發(fā)生變化 （ 為定值 ） ， 此時給水度 — 也是最大理論給水度 巖石的水理性質(zhì) Company Logo 二 、 水理性質(zhì) （ 2） 影響給水度 —— μ值的因素 3) 與地下水位下降速度有關(guān) – 地下水位下降快慢會影響到 μ 的大小 —— （ 下降快 μμ理 、 下降慢 μ→μ理 ） 這是因為釋水滯后 ， 而導(dǎo)致的釋水減量 4) 土層結(jié)構(gòu) – 均質(zhì)土特征與上述討論一致 – 巖土層為層狀非均質(zhì)土?xí)r ， 往往會影響 μ 值 ， – 多層狀土的特征而言 ， 上粗下細 ， 上細下粗結(jié)構(gòu)影響是不同的 。 巖石的水理性質(zhì) Company Logo 給水度小結(jié) —— 野外實際測定時 ： – 均 質(zhì) 土 ， 當?shù)叵滤怀跏悸裆畲笥?hc， 降速緩慢 ， μ=WSW0 – 初始埋深小于 hc時 ， 埋深愈淺 ， μ↓ – 水位降速愈快 ， μ↓ – 一般而言 ， 層狀土 μ小于均值土 。 – 給水度、持水度與孔隙度三者間關(guān)系： – μ + Sr=n 給水度小結(jié) Company Logo 二 、 水理性質(zhì) 透水性 （ permeability） —— （ 先自學(xué)一下 ） 反映巖土透過水的能力 后續(xù)講 “ 地下水的運動 ” 時再討論 巖石空隙直徑越大 — 透水能力越強 — 透水性越好 ！ 巖石的水理性質(zhì) 地下水類型 地下水埋藏類型 上層滯水 (perch ground water ) 包氣帶中聚集在局部隔水層之上的重力水 . 特征：接近地表，接受大氣降水補給，以蒸發(fā)形式或向隔水底板邊緣排泄。動態(tài)變化很不穩(wěn)定。 在寒冷地區(qū)易引起道路凍脹和翻漿 . 潛水 (phreatic water) 1－砂層 2－隔水層 3－含水層 4－潛水面 5－基準 面 埋藏在地面以下第一個穩(wěn)定隔水層之上具自由水面的重力水 。 特征：與大氣相通 ，具自由水面 ， 補給區(qū)與分布區(qū)一致 ，動態(tài)受氣候影響較大 。 潛水面形狀受地形影響 。 ? 潛水的埋藏特點： ? 1）潛水面以上，一般無穩(wěn)定的隔水層，潛水通過包氣帶與地表相通，所以大氣降水和地表水直接滲入而補給潛水，成為潛水的主要補給來源； ? 2）潛水埋藏深度及含水層的厚度是經(jīng)常變化的，而且有的還變化甚大，它們受氣候、地形和地質(zhì)條件的影響，其中以地形的影響最顯著； ? 3）潛水具有自由表面，為無壓水。 ? 4）潛水的排泄有以泉的形勢排泄和通過蒸發(fā)的方式進行排泄。一個是水平方向上的，一個是垂直方向上的。 潛水等水位線圖 可解決如下問題： 1）決定潛水的流向； 2）求潛水的水力坡度；3）確定潛水的埋藏深度； 4）提供合理的取水位置； 5）推斷含水層巖性或厚度變化； 6）確定地下水和地表水的相互補給關(guān)系； 7）確定泉水出露點和沼澤化范圍。 虛線－潛水等水位線 實線－地形等高線 潛水與地表水的關(guān)系 潛水補給河流 河流補給潛水 單側(cè)補給 承壓水 (pressure water) 充滿于兩個隔水層之間的含水層中承受水壓力的重力水。 A－補給區(qū) B－承壓區(qū) C－排泄區(qū) 特征： 1）承壓水的分布區(qū)和補給區(qū)是不一致的。 2）地下水面承受靜水壓力，非自由面。 3）承壓水的水位、水量、水質(zhì)及水溫等受到氣象水文因素季節(jié)變化的影響不顯著。 4）任一點的承壓含水層的厚度不變，不受降水季節(jié)變化的支配。 承壓含水層局部 H1－初見水位 H2－承壓水位 H－承壓水頭 h－承壓水位埋深 承壓水等水位線圖 如圖中 A點： 地形標高 103m，承壓水位 91m，含水層頂板標高 83m。 則承壓水位埋深為： 103－ 91＝ 12m 承壓水頭為 91－ 83＝ 8 m 含水層埋深為 ： 103－ 83＝ 20m 承壓水等水位線圖可確定 下列重要指標： ?承壓水位埋深 ?承壓水頭大小 ?含水層埋深（初見水位） Fundamentals of Hydrogeoloy 水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ) 第三章 地下水的運動 The movement of 主講教師：王 濤 第三章 地下水的運動 ? 地下水運動的幾個基本概念 （ 1） 滲流與滲流場 滲流 （ 滲透 ） ： 指地下水在巖石空隙中的運動 。 滲流場： 指發(fā)生滲流的區(qū)域 。 （ 2）層流運動與紊流運動 層流運動： 在巖石空隙中滲流時，水的質(zhì)點作有秩序的、互不混雜的流動。 紊流運動 ： 在巖石空隙中滲流時，水的質(zhì)點無秩序地、互相混雜的流動 。 從流態(tài)來看，地下水多為層流（除巖溶管道外） 第三章 地下水的運動 ? 地下水運動的幾個基本概念 （ 3） 穩(wěn)定流與非穩(wěn)定流 穩(wěn)定流： 指水在滲流場內(nèi)運動，各個運動要素 (水位、水量、流速、流向等 )不隨時間變化的水流運動 。 非穩(wěn)定流： 指各個運動要素隨時間變化的水流運動 。 嚴格地講，自然界中地下水都屬于非穩(wěn)定流。 Company Logo 達西定律（ Darcy’s law） 達西定律 —線性滲透定律 （ linear law） ? — 法國水力學(xué)家 ， 1856年通過大量的室內(nèi)實驗得出的 。 實驗條件：裝置圖 — P36， 圖 41 1） 等徑圓筒裝入均勻砂樣 （ uniform sand） ， 斷面為 ω 2） 上 （ 下各 ） 置一個穩(wěn)定的溢水裝置 —— 保持穩(wěn)定水流 3） 實驗時上端進水 ， 下端出水 —— 示意流線 4） 砂筒中安裝了 2個測壓管 5） 下端測出水量 （ outflow） — Q 達西試驗裝置 LhK ωQ ?O O’ 斷面 1 斷面 2 L H1 H2 h ω 達 西 試 驗 裝 置 _兩種 2—變水頭裝置 1—常水頭裝置 達西定律（ Darcy’s law） ? 通過變水頭，多次實驗得出：出水端的流量 Q與砂柱、測壓管水頭之間的關(guān)系為： （ 1） LhK ωQ ?g r a d i e n th y d r a u l i cJILh 水力梯度????? Q ——滲流量； ω——砂柱斷面面積； ? h ——水頭損失（ m）； L ——滲流途徑； ? K——與試樣有關(guān)的比例常數(shù) 。 v由水力學(xué) 中水動力學(xué)基本原理： （ 2） Q = K I ω Company Logo 達西定律（ Darcy’s law） ? 滲透流速 – 根據(jù)水力學(xué) ， 流速與流量的關(guān)系對上式轉(zhuǎn)化： Q = ω V – 與 （ 2） 式比較 V = KI （ 3） V稱為 滲透流速 （ seepage velocity \Darcy velocity ） – 達西定律中由此看出： – 滲透流速與水力梯度是一次方成正比 – 故達西定律又稱為線性滲透定律 V— I關(guān)系圖 轉(zhuǎn)下頁 V——I 曲線 砂樣 V I O 1 2