05地下水概论.ppt
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1、第五章第五章 地下水概论地下水概论本堂课教学目的及要求:阐述自然界中水的循环规律,地下水本堂课教学目的及要求:阐述自然界中水的循环规律,地下水的形成和地下水的基本类型,岩石的空隙类型,地下水存储的的形成和地下水的基本类型,岩石的空隙类型,地下水存储的岩石空隙特征及基本类型,岩石的水理性质,含水层和隔水层。岩石空隙特征及基本类型,岩石的水理性质,含水层和隔水层。介绍地下水主要分类标准及类型,地下水的埋藏和储存规律,介绍地下水主要分类标准及类型,地下水的埋藏和储存规律,潜水和承压水的特征基本特征。介绍地下水的物理性质及化学潜水和承压水的特征基本特征。介绍地下水的物理性质及化学成分,以及水质分析和评
2、价标准。成分,以及水质分析和评价标准。重点:水循环、大循环和小循环,岩石的三种基本空隙类型,重点:水循环、大循环和小循环,岩石的三种基本空隙类型,水在岩石中的存在形式,岩石的四种基本水理性质,含水层和水在岩石中的存在形式,岩石的四种基本水理性质,含水层和隔水层的基本概念及划分标志,构成含水层的基本条件。地下隔水层的基本概念及划分标志,构成含水层的基本条件。地下水按含水层性质和埋藏条件划分的基本类型,潜水和承压水的水按含水层性质和埋藏条件划分的基本类型,潜水和承压水的基本特征及差异。舒卡列夫分类中考虑主要阳离子成分及水化基本特征及差异。舒卡列夫分类中考虑主要阳离子成分及水化学成分以摩尔为单位表示
3、后对舒卡列夫分类如何修正。学成分以摩尔为单位表示后对舒卡列夫分类如何修正。作业:关于孔隙度的计算。作业:关于孔隙度的计算。水文地质及工程地质水文地质及工程地质 四川大学水电学院四川大学水电学院 符文熹符文熹第一节第一节第一节第一节 自然界水中的水自然界水中的水自然界水中的水自然界水中的水一、自然界中水的分布一、自然界中水的分布一、自然界中水的分布一、自然界中水的分布大气圈大气圈 水圈水圈 岩石圈岩石圈大气水大气水 地表水地表水 地下水地下水l我国地表水资源分布极不均匀我国地表水资源分布极不均匀l地下水是水文地质研究的重要内容地下水是水文地质研究的重要内容水文地质及工程地质水文地质及工程地质 四
4、川大学水电学院四川大学水电学院 符文熹符文熹二、自然界的水循环二、自然界的水循环二、自然界的水循环二、自然界的水循环水文地质及工程地质水文地质及工程地质 四川大学水电学院四川大学水电学院 符文熹符文熹二、自然界的水循环二、自然界的水循环二、自然界的水循环二、自然界的水循环水文地质及工程地质水文地质及工程地质 四川大学水电学院四川大学水电学院 符文熹符文熹二、自然界的水循环二、自然界的水循环二、自然界的水循环二、自然界的水循环自然界水的蒸发、降水、径流过程,在全球范围周而复自然界水的蒸发、降水、径流过程,在全球范围周而复始不断进行,构成了自然界中极为复杂的水循环。始不断进行,构成了自然界中极为复
5、杂的水循环。水文地质及工程地质水文地质及工程地质 四川大学水电学院四川大学水电学院 符文熹符文熹二、自然界的水循环二、自然界的水循环二、自然界的水循环二、自然界的水循环大循环:水在大气圈、水圈和岩石圈之间,整个地球范大循环:水在大气圈、水圈和岩石圈之间,整个地球范围的循环;小循环:水仅在陆地或海洋范围内的循环。围的循环;小循环:水仅在陆地或海洋范围内的循环。陆地范围陆地范围小循环小循环海洋范围海洋范围小循环小循环水文地质及工程地质水文地质及工程地质 四川大学水电学院四川大学水电学院 符文熹符文熹二、自然界的水循环二、自然界的水循环二、自然界的水循环二、自然界的水循环地下水运动既是自然界水的大循
6、环的一个重要部分,同地下水运动既是自然界水的大循环的一个重要部分,同时也独立参与自身的补给、径流、排泄的小循环。时也独立参与自身的补给、径流、排泄的小循环。水文地质及工程地质水文地质及工程地质 四川大学水电学院四川大学水电学院 符文熹符文熹二、自然界的水循环二、自然界的水循环二、自然界的水循环二、自然界的水循环水循环水循环大循环大循环小循环小循环水文地质及工程地质水文地质及工程地质 四川大学水电学院四川大学水电学院 符文熹符文熹三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙岩石的空隙性岩石的空隙性岩石的空隙是地下水储存场所和运动通道;岩石的空隙是地下水储存场所和运动通道;岩石
7、空隙的多少、大小、形状、连同情况和分布规律,岩石空隙的多少、大小、形状、连同情况和分布规律,对地下水的分布和运动具有重要影响;对地下水的分布和运动具有重要影响;因岩石性质的差异和受力作用的不同,岩石空隙的形状、因岩石性质的差异和受力作用的不同,岩石空隙的形状、多少、连通、分布有很大差异。多少、连通、分布有很大差异。水文地质及工程地质水文地质及工程地质 四川大学水电学院四川大学水电学院 符文熹符文熹三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙岩石的空隙性岩石的空隙性1分选良好、排列疏松的砂分选良好、排列疏松的砂2分选良好、排列紧密的砂分选良好、排列紧密的砂3分选不良、含泥砂的
8、砾石分选不良、含泥砂的砾石4经过部分胶结的砂岩经过部分胶结的砂岩5具有结构性孔隙的粘土具有结构性孔隙的粘土6经过压缩的粘土经过压缩的粘土7具有裂隙的基岩具有裂隙的基岩8具有溶隙及溶穴的可溶岩具有溶隙及溶穴的可溶岩水文地质及工程地质水文地质及工程地质 四川大学水电学院四川大学水电学院 符文熹符文熹三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙岩石空隙分类岩石空隙分类孔隙:松散岩石中;孔隙:松散岩石中;裂隙:坚硬岩石中;裂隙:坚硬岩石中;溶隙:可溶岩石中。溶隙:可溶岩石中。水文地质及工程地质水文地质及工程地质 四川大学水电学院四川大学水电学院 符文熹符文熹三、岩石中的空隙三、岩石
9、中的空隙三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙(一)孔隙:松散岩石是由大小不等的颗粒组成。颗粒或颗(一)孔隙:松散岩石是由大小不等的颗粒组成。颗粒或颗粒集合体之间的空隙称为孔隙。粒集合体之间的空隙称为孔隙。松散岩石孔隙体积的多少是影响其储存地下水能力大小松散岩石孔隙体积的多少是影响其储存地下水能力大小的重要因素,孔隙体积可用孔隙度或孔隙比表示;的重要因素,孔隙体积可用孔隙度或孔隙比表示;孔隙度孔隙度n:某一体积某一体积V岩石(包括孔隙)中孔隙体积岩石(包括孔隙)中孔隙体积Vn所所占的比例占的比例n=(Vn/V)100%;孔隙比孔隙比e:某一体积某一体积V岩石内孔隙的体积岩石内孔隙的体积Vn与固体颗粒
10、与固体颗粒Vs之间的比值之间的比值e=(Vn/Vs)100%。气相气相液相液相固相固相水文地质及工程地质水文地质及工程地质 四川大学水电学院四川大学水电学院 符文熹符文熹三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙(一)孔隙(一)孔隙孔隙度孔隙度n的计算的计算在土工试验中,孔隙度是换算指标,在水文地质的计算在土工试验中,孔隙度是换算指标,在水文地质的计算中用孔隙度。基本物理指标有三个(含水量、比重、干中用孔隙度。基本物理指标有三个(含水量、比重、干密度)。密度)。孔隙度孔隙度n与孔隙比与孔隙比e的关系的关系水文地质及工程地质水文地质及工程地质 四川大学水电学院四川大学水电学
11、院 符文熹符文熹三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙(一)孔隙(一)孔隙不同颗粒排列方式,孔隙度不同颗粒排列方式,孔隙度n的计算的计算a立方体排列,立方体排列,n=47.64%;b面体排列,面体排列,n=39.54%;c四面体排列,四面体排列,n=26.18%;对于球形颗粒,排列方式相同时,孔隙度相同(对于球形颗粒,排列方式相同时,孔隙度相同(请同学请同学们课后证明们课后证明)。)。课堂练习。课堂练习。水文地质及工程地质水文地质及工程地质 四川大学水电学院四川大学水电学院 符文熹符文熹三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙(一)孔隙(一)孔
12、隙影响孔隙度大小的因素:影响孔隙度大小的因素:颗粒的排列方式;颗粒的排列方式;颗粒的分选程度;颗粒的分选程度;颗粒的形状;颗粒的形状;压密作用压密作用胶结程度;胶结程度;对于粘性土,还包括结构孔隙及次生孔隙。对于粘性土,还包括结构孔隙及次生孔隙。水文地质及工程地质水文地质及工程地质 四川大学水电学院四川大学水电学院 符文熹符文熹三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙(一)孔隙(一)孔隙岩石名称岩石名称砾石砾石砂砂粉砂粉砂粘土粘土孔隙度孔隙度2540%2550%3550%4070%松散岩石孔隙度参考值松散岩石孔隙度参考值水文地质及工程地质水文地质及工程地质 四川大学水电
13、学院四川大学水电学院 符文熹符文熹三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙(二)裂隙:存在于坚硬岩石中的裂缝状空隙称为裂隙。(二)裂隙:存在于坚硬岩石中的裂缝状空隙称为裂隙。裂隙的几何参数:迹长、隙宽、间距、连通率、性质等;裂隙的几何参数:迹长、隙宽、间距、连通率、性质等;裂隙在岩石中的分布具有不均匀性。裂隙在岩石中的分布具有不均匀性。裂隙率裂隙率nf的定义:的定义:水文地质及工程地质水文地质及工程地质 四川大学水电学院四川大学水电学院 符文熹符文熹三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙(三)溶隙:可溶岩在地表水和地下水长期溶蚀作用下形成(三)
14、溶隙:可溶岩在地表水和地下水长期溶蚀作用下形成的特殊空隙称为裂隙。的特殊空隙称为裂隙。岩溶率岩溶率nk的定义:定义:溶隙的变化规律:溶隙的形状、规模变化更复杂,岩溶溶隙的变化规律:溶隙的形状、规模变化更复杂,岩溶率的变化范围大,常具有不均匀性。率的变化范围大,常具有不均匀性。水文地质及工程地质水文地质及工程地质 四川大学水电学院四川大学水电学院 符文熹符文熹三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙三、岩石中的空隙空隙网络:构成地下水的存储和运移空间。空隙网络:构成地下水的存储和运移空间。松散岩石、裂隙岩石和可溶岩石的空隙网络差别显著。松散岩石、裂隙岩石和可溶岩石的空隙网络差别显著。赋存
15、于不同岩石中的地下水,因含水介质特征不同,具赋存于不同岩石中的地下水,因含水介质特征不同,具有不同的分布与运动特征。有不同的分布与运动特征。水文地质及工程地质水文地质及工程地质 四川大学水电学院四川大学水电学院 符文熹符文熹四、水在岩石中的存在形式四、水在岩石中的存在形式四、水在岩石中的存在形式四、水在岩石中的存在形式水文地质及工程地质水文地质及工程地质 四川大学水电学院四川大学水电学院 符文熹符文熹四、水在岩石中的存在形式四、水在岩石中的存在形式四、水在岩石中的存在形式四、水在岩石中的存在形式水文地质及工程地质水文地质及工程地质 四川大学水电学院四川大学水电学院 符文熹符文熹四、水在岩石中的
16、存在形式四、水在岩石中的存在形式四、水在岩石中的存在形式四、水在岩石中的存在形式包气带和饱水带:重力水面以上,岩石的空隙未被饱和,包气带和饱水带:重力水面以上,岩石的空隙未被饱和,称包气带,以下则为饱水带,毛细管带为过渡带。称包气带,以下则为饱水带,毛细管带为过渡带。包气带的作用:包气带的作用:1)成壤作用、植物生长成壤作用、植物生长2)大气圈、地表水圈联系通道大气圈、地表水圈联系通道水文地质及工程地质水文地质及工程地质 四川大学水电学院四川大学水电学院 符文熹符文熹五、岩石的水理性质五、岩石的水理性质五、岩石的水理性质五、岩石的水理性质容水性容水性持水性持水性给水性给水性透水性透水性水文地质
17、及工程地质水文地质及工程地质 四川大学水电学院四川大学水电学院 符文熹符文熹五、岩石的水理性质五、岩石的水理性质五、岩石的水理性质五、岩石的水理性质(一)容水性:(一)容水性:岩石能容纳一定水量的性能。岩石能容纳一定水量的性能。容水度容水度Wn:岩石中容纳水的体积岩石中容纳水的体积Vn与岩石总体积与岩石总体积V之比。之比。理论上,当岩石空隙被水完全充满时,容水度与空隙度理论上,当岩石空隙被水完全充满时,容水度与空隙度(孔隙率、裂隙率或岩溶率)相当。(孔隙率、裂隙率或岩溶率)相当。实际中,当岩石中的部分空隙不连通,或者裂隙呈闭合实际中,当岩石中的部分空隙不连通,或者裂隙呈闭合状态,容水度小于空隙
18、度;对于含蒙脱石等粘土矿物较状态,容水度小于空隙度;对于含蒙脱石等粘土矿物较多的粘土,当孔隙充水后发生膨胀,原有的结构发生改多的粘土,当孔隙充水后发生膨胀,原有的结构发生改变,容水度大于空隙度。变,容水度大于空隙度。水文地质及工程地质水文地质及工程地质 四川大学水电学院四川大学水电学院 符文熹符文熹五、岩石的水理性质五、岩石的水理性质五、岩石的水理性质五、岩石的水理性质(二)持水性:在重力作用下岩石空隙中能保持一定水量的(二)持水性:在重力作用下岩石空隙中能保持一定水量的性能。性能。持水度持水度Wm:重力作用下,岩石空隙所能保持的水体积重力作用下,岩石空隙所能保持的水体积Vr与岩石总体积与岩石
19、总体积V之比。之比。在重力作用下,岩石空隙中尚能保持的主要是结合水,在重力作用下,岩石空隙中尚能保持的主要是结合水,其与岩石颗粒的比表面积有密切联系。如粘土的持水度其与岩石颗粒的比表面积有密切联系。如粘土的持水度大于砂的持水度。大于砂的持水度。水文地质及工程地质水文地质及工程地质 四川大学水电学院四川大学水电学院 符文熹符文熹五、岩石的水理性质五、岩石的水理性质五、岩石的水理性质五、岩石的水理性质(三)给水性:饱水岩石在重力作用下能自由排除一定水量(三)给水性:饱水岩石在重力作用下能自由排除一定水量的性能。的性能。给水度给水度u:重力作用下,饱水岩石从空隙中排除水的体积重力作用下,饱水岩石从空
20、隙中排除水的体积Vg与岩石总体积与岩石总体积V之比。之比。最大给水度最大给水度umax与容水度与容水度Wn、持水度持水度Wm之间的关系:之间的关系:给水度与岩性、颗粒级配、空隙发育程度,以及饱和差给水度与岩性、颗粒级配、空隙发育程度,以及饱和差(见华北水利水电学院试验关系)有关。(见华北水利水电学院试验关系)有关。水文地质及工程地质水文地质及工程地质 四川大学水电学院四川大学水电学院 符文熹符文熹五、岩石的水理性质五、岩石的水理性质五、岩石的水理性质五、岩石的水理性质(四)(四)透水性透水性:岩石可透过水的性能。:岩石可透过水的性能。渗透系数渗透系数K:衡量透水性能强弱。有关参数评价与衡量透水
21、性能强弱。有关参数评价与Darcy定律紧密联系。定律紧密联系。因素:岩石空隙的大小,空隙的多少、形状,以及空隙因素:岩石空隙的大小,空隙的多少、形状,以及空隙的连通情况。的连通情况。v粘土虽然孔隙率可达粘土虽然孔隙率可达50%以上,由于次生结构的影响,以上,由于次生结构的影响,微孔隙中的水为结合水,粘滞系数大。微孔隙中的水为结合水,粘滞系数大。水文地质及工程地质水文地质及工程地质 四川大学水电学院四川大学水电学院 符文熹符文熹六、含水层与含水岩系六、含水层与含水岩系六、含水层与含水岩系六、含水层与含水岩系(一)含水层和隔水层(一)含水层和隔水层 它们是按饱水带岩层透过和给出水的能力划分的。它们
22、是按饱水带岩层透过和给出水的能力划分的。含水层是能够透过并给出相当数量水的岩层。含水层是能够透过并给出相当数量水的岩层。隔水层是不能透过并给出水,或透水和给出水的数量十隔水层是不能透过并给出水,或透水和给出水的数量十分有限的岩层。分有限的岩层。水文地质及工程地质水文地质及工程地质 四川大学水电学院四川大学水电学院 符文熹符文熹六、含水层与含水岩系六、含水层与含水岩系六、含水层与含水岩系六、含水层与含水岩系(一)含水层和隔水层(一)含水层和隔水层 划分含水层与隔水层标志是所含水的性质,而并非是否划分含水层与隔水层标志是所含水的性质,而并非是否含水。如含结合水的粘土等隔水层;含重力水的砂砾石含水。
23、如含结合水的粘土等隔水层;含重力水的砂砾石等含水层。等含水层。划分含水层与隔水层时,需考虑实际开采利用价值,或划分含水层与隔水层时,需考虑实际开采利用价值,或对工程设施是否构成威胁。对工程设施是否构成威胁。含水层与隔水层的划分是相对的。含水层与隔水层的划分是相对的。含水层和隔水层在一定条件下能相互转化。如含结合水含水层和隔水层在一定条件下能相互转化。如含结合水的粘土,在较大的水头差压下,弱结合水能发生流动。的粘土,在较大的水头差压下,弱结合水能发生流动。水文地质及工程地质水文地质及工程地质 四川大学水电学院四川大学水电学院 符文熹符文熹六、含水层与含水岩系六、含水层与含水岩系六、含水层与含水岩
24、系六、含水层与含水岩系(二)含水段与含水岩系(二)含水段与含水岩系构成含水层的基本条件构成含水层的基本条件1.具有能容纳重力水的空隙具有能容纳重力水的空隙v岩层的空隙性是构成含水层的先决条件,但有空隙存在岩层的空隙性是构成含水层的先决条件,但有空隙存在并不一定构成含水层,如粘土层。并不一定构成含水层,如粘土层。2.有存储和聚集地下水的地质条件有存储和聚集地下水的地质条件v空隙岩层下伏有隔水层;水平方向有隔水层阻挡。空隙岩层下伏有隔水层;水平方向有隔水层阻挡。3.具有充足的补给来源具有充足的补给来源v地下水补给量的变化,可以使含水层与隔水层相互转化地下水补给量的变化,可以使含水层与隔水层相互转化
25、。水文地质及工程地质水文地质及工程地质 四川大学水电学院四川大学水电学院 符文熹符文熹六、含水层与含水岩系六、含水层与含水岩系六、含水层与含水岩系六、含水层与含水岩系(二)含水段与含水岩系(二)含水段与含水岩系含水层类型含水层类型划分依据划分依据含水层类型含水层类型基本特征基本特征空隙类型空隙类型孔隙含水层孔隙含水层地下水存储在松散孔隙介质中地下水存储在松散孔隙介质中裂隙含水层裂隙含水层储水空间为坚硬岩石中各种成因的裂隙储水空间为坚硬岩石中各种成因的裂隙岩溶含水层岩溶含水层储水空间为可溶岩中各种规模的溶隙储水空间为可溶岩中各种规模的溶隙埋藏条件埋藏条件潜水含水层潜水含水层含水层上面不存在隔水层
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