第三讲岩石水理性质

岩石的水理性质1 岩石的溶水性：岩石能容纳一定水量的性质，用容水度（W n）表示W n＝V nV×100%2 岩石的给水性：在重力作用下，从饱水岩石中，自由流出一定水量的性能，用给水度（μ）表示μ＝V gV×100%3 岩石的持水性：饱水的岩石在重力作用下排水后仍能保持一定水量的性能，用持水度(W m)表示W m＝V mV×100%岩石的吸水性：用吸水率（W a）表示W a=m w1m s式中 m w1——岩石试件在0.1 M P a和室温条件下自由吸入水的质量m s——试件干质量岩石的软化性：岩石浸水后强度降低的性质，用软化系数（K R）表示K R＝σcwσcd式中σcw——岩石的饱水抗压强度σcd——岩石的干抗压强度4岩石的抗剪强度：τ=σtanφ+c式中σ——垂直的压应力Φ——岩石的内摩擦角C——内聚力4 岩石的隔水值：单位厚度的岩石对地下水流的阻隔能力m i＝m固V＝m固Ah式中 m i——岩石隔水值，kg/m3m固——岩石的固体质量，kgV——岩石的体积，m3A——岩石的面积，m2h——岩石的厚度, m5 岩石的隔水质量等值系数：在相同的水文地质条件下，与泥岩不同质量，但有相同厚度的任一种岩石的隔水值与泥岩隔水值之比。

δi ＝m im0式中m i——某岩石的单位厚度隔水值， kg/m2m0——泥岩单位厚度隔水值，kg/m26 等值厚度：每种岩石的厚度在隔水值方面相当于泥岩的厚度h e＝h iδi式中h e——岩石的等值厚度，mh i——该岩石的实际厚度，mδi——该岩石的隔水质量等值系数7 水力坡度 I＝H A−H BL AB式中H A−H B——A、B两点的水位差L AB——A、B两点的实际距离8 流量：单位时间内通过某一过水断面的水量Q＝ων式中ω——过水断面面积，m2ν——水流的平均流速，m/s9 达西定律 Q＝KωI式中 Q——单位时间内通过过水断面ω的渗流流量，m3/d K——砂土的渗透系数，m/dω——过水断面面积，m2 I——水力坡度10 通过含水层过水断面的流量 Q＝KMB H1−H2L q＝KM H1−H2L式中 K——渗透系数，m/dM——含水层厚度，mB——过水断面的水流宽度，mH1、H2——孔1孔2断面的水头，m q——单宽流量，m2/d11 岩心采取率Kμ＝L0L×100%式中 L——某回次所取岩芯的总长度，mL0——本回次进尺长度，m12 钻孔涌水量当f＜5m时，Q＝11d2√f当f＞5m时，Q＝11d2√f（1＋0.00 3f）式中 Q——钻孔涌水量，L/sf——钻孔涌水高度，dmd——孔口管内径，dm13 岩石的裂隙率K T＝∑IbA×100%式中 A——测定面积，m2I——裂隙长度，m b——裂隙宽度，m14 突水点的划分（一）小突水点：Q ≤60m3/h(二)中等突水点60m3/h＜Q≤600m3/h（三）大突水点600m3/h＜Q≤1800m3/h（四）特大突水点Q＞1800m3/h15 矿井涌水量1）正常涌水量大于1000m3/h的矿井，主要水仓有效容量 V＝2（Q＋3000）2）富水系数法K P＝QPQ——某一时期矿井排水量 P——同一时期的开采量3）单位涌水量法q0＝Q0F0S0Q0——生产矿井的涌水量F0——开采面积S0——水位降深16 底板破坏深度与采面斜长关系的经验公式：h1＝1.86＋0.11Lh1＝0.009 11H＋0.044 8α-0.311 3f＋7.929 1×ln L24式中h1——采动对底板的破坏深度L——工作面斜长，mH——采深，mα——煤层倾角，（°）f——底板岩石坚固性系数17 斯列萨列夫公式计算巷道底板突水时的安全水头H 安＝2K P t2L2+γt t安=L（√γ2L2+8KP H—γL）4K P式中H安——安全水头，即巷道底板隔水层所能承受的极限水头值，10−2M P a K P——底板隔水层抗张强度，10−2M P at——巷道底板隔水层实际厚度，mL——巷道宽度，mγ——巷道底板隔水层密度t安——安全厚度，即巷道底板抵抗实际水头的极限厚度，mH——作用于巷道底板的实际水压，10−2M P a采煤工作面的安全水压P＝T s M T s——临界突水系数，M P a／m M——底板隔水层厚度，m18 突水系数 T=PM—C p式中P——作用于底板的水压，M P aM——隔水层底板厚度，mC p——矿压破坏深度，M19 老空积水量的估算Q 积=∑Q采+∑Q巷Q采=KMFcosαQ巷=KWL式中Q积——相互连通的各个积水区的总水量，m3∑Q采——有水力联系的煤层采空区积水量之和，m3∑Q巷——与采空区连通的各种巷道积水量之和，m3K——充水系数，通常采空区取0.25~0.5，煤巷取0.5~0.8,岩巷取0.8~1.0 M——采空区煤层平均采高或煤厚，mF——采空积水区的水平投影面积，m2α——煤层倾角，（°）W——积水巷道原有断面，m2L——不同断面的巷道长度，m20 超前距的计算公式a=0.5AB√3PK P式中 a——超前距（防水煤柱宽度L），mA——安全系数（一般取2~5）B——巷道的跨度（宽或高取其大者），mP——水头压力，M P aK P——煤的抗拉强度，M P a21 矿区需水量的计算Q=∑qn式中Q——矿区工业场地需水量，m3／dq——每生产1t煤的需水量，m3n——一年中最高日产煤量，t／d22 补给量的计算1)地下水流入量的计算Q j=KIBM式中Q j——地下水平均径流量，m3／dK——含水层渗透系数，m／dI——天然状态或开采条件下的水力坡度B——计算断面宽度，mM——天然状态或开采条件下计算断面内含水层的厚度，m 2）大气降水渗入补给量的计算Q s=aZF365式中 a——渗入系数，m3／dZ——多年平均降水量，mF——接受降水的渗入面积，m23）地表水渗漏补给量的计算潜水含水层：Q s=BK H2−h22L承压含水层：Q s=BKM H−hL式中Q s——河水的渗漏补给量，m3／dB——河水对供水井（群）的补给宽度，mK——含水层的渗透系数，m／dH——河水至含水层底板高度，mh——供水井（群）动水位高度，mL——井（群）至河水边线距离，mM——承压含水层厚度，m4)相邻含水层越流补给量的计算Q y=KμFμHμ−hMμ+K L F L H L−hM L式中Q y——越流补给量，m3／dK μ、Mμ——开采层上部弱透水层的垂直渗透系数（m／d）和厚度（m）K L、M L——开采层下部弱透水层的垂直渗透系数（m／d）和厚度（m）Hμ、H L——与开采层相邻上、下含水层的水位，mFμ、F L——与开采层相邻上、下含水层越流面积，m2h——开采含水层的水位或开采漏斗的平均水位，m地下水综合补给量的计算Q b=E+Q y+Q j+Q k±∆V365式中Q b——开采区含水层接受的日平均补给量，m3／dE——开采区日平均地下水蒸发量，m3／dQ y——开采区地下水日平均溢出量，m3／dQ j——流出区外的日平均径流量，m3／dQ k ——开采区含水层日平均开采量，m 3／d∆V ——开采区接连两年同一天含水层中地下水储存量年差，m 323 地下水环境影响评价的数学模型 H m ＝W i （D n +D m +K +M) 式中 H m ——环境质量变异系数 W i ——污染源影响分量 D n ——地质条件影响分量 D m ——地貌条件影响分量 K ——开采条件影响分量 M ——修正系数在此处键入公式。

1.3.3 岩石的水理性质岩石的空隙为地下水的储存和运动提供了空间条件，但水能否自由地进入这些空间，以及进入这些空间的地下水能否自由地运动和被取出，这就需要研究岩石与水接触过程中，岩石表现出来的控制水分活动的各种性质，如容水性、持水性、给水性和透水性等，这些性质统称为岩石的水理性质。

1. 容水性岩石具有能容纳一定水量的性能称岩石的容水性，在数量上用容水度来衡量。

容水度（W n ）是指岩石完全饱水时所能容纳的最大的水体积（V n ）与岩石总体积（V ）之比，以小数或百分数表示：100%n n V W V=⨯ （1-16） 显然，当岩石的空隙中完全被水所饱和时，容水度在数值上与孔隙度（裂隙率、岩溶率）相当。

但是对于具有膨胀性的粘土来说，充水后体积扩大，容水度可以大于孔隙度。

容水度只能说明岩石的最大容水能力，而不能反映岩石含水的真是状况，故又引入了含水量的概念。

含水量指松散岩石实际保留水分的状况。

松散岩石空隙中所含水的重量（G w ）与干燥岩石重量（G s ）的比值，称为重量含水量（W g ），即：100%w g sG W G =⨯ （1-17） 含水的体积（V w ）与包括孔隙在内的岩石总体（V ）的比值，称为体积含水量（W v ），即：100%w v V W V=⨯ （1-18） 2. 给水性 饱水岩石在重力作用下能自由流出（排出）一定水量的性能，称岩石的给水性，数量上用给水度来衡量。

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，将因重力作用下移并部分地从原先赋存的空隙中释出。

我们把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主体，在重力作用下释出的水的体积，称为给水度（μ）（图1-7）。

例如，地下水位下降2m ，1m 2水平面积岩石柱体，在重力作用下释出的水的体积为0.2m 3（相当于水柱高度0.2m ），则给水度为0.1或10%。

对于均质的松散岩石，给水度的大小与岩性、初始水位埋藏深度以及地下水位下降速率等有关。

岩石的水理性质岩石的水理性质：岩石与水接触后表现出的有关性质，即与水分贮容和运移有关的性质称作岩石的水理性质。

它包括岩石的容水性、给水性、持水性、透水性1．容水性容水性是在常压下岩石空隙中能够容纳若干水量的性能，在数量上以容水度来衡量。

容水度Wn 为岩石空隙能够容纳水量的体积Vn与岩石体积（V）之比，表达式为：Wn =Vn／V，用百分数或小数表示。

从定义可知，如果岩石的全部空隙被水所充满，则容水度在数值上与空隙度相等。

但实际上由于岩石中可能存在一些密闭空隙，或当岩石充水时，有的空气不能逸出，形成气泡，所以一般容水度的值小于空隙度。

但是对于具有膨胀性的粘上来说，因充水后体积扩大，容水度可以大于空隙度。

2．持水性在分子力和表面张力的作用下，岩石空隙中能够保持一定水量的性能，称为岩石的持水性。

持水性在数量上用持水度来衡量。

持水度Wr为饱和岩石经重力排水后所保持水的体积与岩石体积之比，即Wr =Vr/V。

所保持的水不受重力支配，多为结合水和悬挂毛细水。

岩石的持水量多少主要取决于岩石的颗粒直径和空隙直径的大小，即岩石颗粒越细，空隙越小，持水度越大。

3．给水性饱和岩石在重力作用下能够自由排出若干水量的性能称为岩石的给水性。

在数量上用给水度来衡量。

给水度μ是饱和岩石在重力作用下能排出水的体积Vg与岩石总体积（V）之比，μ=Vg／V，用小数或百分数表示。

从以上定义中可知，岩石的持水度与给水度之和等于容水度（或孔隙度），即：Wn =Wr+μ 或n= Wr+μ岩石的给水度与岩石的颗粒大小、形态、排列方式以及压实程度等有关。

均匀沙的给水度可达30％以上，但大多数冲积含水层的给水度在10％～20％。

给水度是水文地质计算和水资源评价中很重要的参数，下表给出了几种常见松散岩石的给水度。

如图存在于坚硬岩石裂隙和溶隙中的地下水，结合水及毛细水所占的比例非常小，岩石的给水度可看作分别等于它们的容水度或空隙度。

常见松散岩石的给水度（据C.W.Fetter，Jr.）4．岩石的透水性岩石的透水性是指岩石允许水透过的能力，用渗透系数（K）表示，渗透系数具有与渗透速度相同的量纲，即（m／d）或（cm／s）。

岩石的水理性质岩石的水理性质：岩石与水接触后表现出的有关性质，即与水分贮容和运移有关的性质称作岩石的水理性质。

它包括岩石的容水性、给水性、持水性、透水性1．容水性容水性是在常压下岩石空隙中能够容纳若干水量的性能，在数量上以容水度来衡量。

容水度Wn 为岩石空隙能够容纳水量的体积Vn与岩石体积（V）之比，表达式为：Wn =Vn／V，用百分数或小数表示。

从定义可知，如果岩石的全部空隙被水所充满，则容水度在数值上与空隙度相等。

但实际上由于岩石中可能存在一些密闭空隙，或当岩石充水时，有的空气不能逸出，形成气泡，所以一般容水度的值小于空隙度。

但是对于具有膨胀性的粘上来说，因充水后体积扩大，容水度可以大于空隙度。

2．持水性在分子力和表面张力的作用下，岩石空隙中能够保持一定水量的性能，称为岩石的持水性。

持水性在数量上用持水度来衡量。

持水度Wr为饱和岩石经重力排水后所保持水的体积与岩石体积之比，即Wr =Vr/V。

所保持的水不受重力支配，多为结合水和悬挂毛细水。

岩石的持水量多少主要取决于岩石的颗粒直径和空隙直径的大小，即岩石颗粒越细，空隙越小，持水度越大。

3．给水性饱和岩石在重力作用下能够自由排出若干水量的性能称为岩石的给水性。

在数量上用给水度来衡量。

给水度μ是饱和岩石在重力作用下能排出水的体积Vg与岩石总体积（V）之比，μ=Vg／V，用小数或百分数表示。

从以上定义中可知，岩石的持水度与给水度之和等于容水度（或孔隙度），即：Wn =Wr+μ 或n= Wr+μ岩石的给水度与岩石的颗粒大小、形态、排列方式以及压实程度等有关。

均匀沙的给水度可达30％以上，但大多数冲积含水层的给水度在10％～20％。

给水度是水文地质计算和水资源评价中很重要的参数，下表给出了几种常见松散岩石的给水度。

如图存在于坚硬岩石裂隙和溶隙中的地下水，结合水及毛细水所占的比例非常小，岩石的给水度可看作分别等于它们的容水度或空隙度。

常见松散岩石的给水度（据C.W.Fetter，Jr.）4．岩石的透水性岩石的透水性是指岩石允许水透过的能力，用渗透系数（K）表示，渗透系数具有与渗透速度相同的量纲，即（m／d）或（cm／s）。