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1、地下水科学与工程教研室,水文地质学基础Fundamentals of Hydrogeology,第二章 岩石中的孔隙与水分,2.1 岩石中的空隙2.2 岩石中水的存在形式2.3 岩石的水理性质2.4 有效应力原理与松散岩土压密,2.1 岩石中的空隙,岩石：指坚硬的岩石及松散的土层（水文地质学定义）,2.1.1 岩石空隙的种类,空隙：岩石中没有被固体颗粒占据的那部分空间,松散岩石中的孔隙,坚硬岩石中的裂隙,可溶岩石中的溶穴,地下水赋存场所和运移通道,未固结松散岩层,固结岩层,可溶岩层,2.1 岩石中的空隙,有结构空隙的粘土,经过压缩的粘土,裂隙发育的岩石,有溶隙和溶穴的可溶岩,2.1 岩石中的空
2、隙,2.1.2 孔隙（1）孔隙是指松散岩石中颗粒或其集合体之间的空隙。特点：呈小孔状，分布均匀且密集，连通性好。（2）孔隙度是指某一体积岩石（包括颗粒骨架和孔隙在内）中孔隙体积所占的比例。孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标 VT=Vn+Vs,其中n为孔隙度，Vn为孔隙体积，Vs 为岩石固体颗粒体积，VT为岩石总体积。,2.1 岩石中的空隙,（3）孔隙度(n)大小的影响因素：,2.1 岩石中的空隙,（3）孔隙度(n)大小的影响因素：分选程度：分选差时n小，大小混杂时n小；,颗粒排列：立方体时n=47.64%，四面体n=25.95%，其余一般介于两者之间，菱面体排列n=26.795%37%。,2
3、.1 岩石中的空隙,（3）孔隙度(n)大小的影响因素：,颗粒形状：棱角多、松散的，n大。胶结充填：充填物多时n小。结构及次生裂隙：粘性土中有结构孔隙和虫孔、根孔等次生裂隙，均使n增大。,影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度。,2.1 岩石中的空隙,2.1 岩石中的空隙,2.1 岩石中的空隙,2.1 岩石中的空隙,（4）孔隙大小的影响因素 孔喉是指孔隙通道中最细小的部分，孔腹是孔隙中最宽大的部分。孔隙大小影响地下水运动，孔喉对水流动的影响更大。,2.1 岩石中的空隙,（4）孔隙大小的影响因素,颗粒大小及分选性：颗粒大而均匀,孔隙就大；颗粒大小不均时，小颗粒充填大颗粒形成的孔隙，孔隙就小；,2
4、.1 岩石中的空隙,（4）孔隙大小的影响因素,2.1 岩石中的空隙,（4）孔隙大小的影响因素,颗粒排列方式：四面体排列孔喉直径d=0.155D，立方排d=0.414D；颗粒形状：带棱角的易形成架空空间-较大的空隙；结构孔隙及次生孔隙（粘性土）。,2.1 岩石中的空隙,裂隙 裂隙是指固结的坚硬岩石（沉积岩、岩浆岩和变质岩）在各种应力作用下岩石破裂变形而产生的空隙。以裂隙率表示。成岩裂隙是指岩石在成岩过程中由于冷凝收缩（岩浆岩）或固结干缩（沉积岩）而产生的裂隙，以玄武岩柱状节理最有水文地质意义。构造裂隙是指岩石在构造变动中受力而产生的裂隙。具有方向性，大小悬殊，分布不均匀。风化裂隙是指岩石在风化营
5、力作用下发生破坏而产生的裂隙。主要分布于地表附近。,2.1 岩石中的空隙,裂隙的分类,成岩裂隙,构造裂隙,风化裂隙,主要发育岩浆岩中，以玄武岩柱状节理最佳，连通、导水性好,具有方向性，大小悬殊，分布不均，张裂隙最佳，剪裂隙较差,分布在地表附近，发育程度受气侯、地形、岩性、构造等控制,特,点,裂隙：空间形态是两向延伸长，横向延伸短的“饼状”空隙单个裂隙是孤立的。,2.1 岩石中的空隙,砂岩岩芯中的空隙,2.1 岩石中的空隙,裂隙,裂隙率（Kr）是岩石中裂隙体积（Vr）与包含裂隙体积在内的岩石体积（V）的比值，此为体积裂隙率，即Kr=Vr/V或Kr=Vr/V100%。亦可用面积裂隙率和线裂隙率表示
6、。,2.1 岩石中的空隙,裂隙玄武岩成岩裂隙 花岗岩构造裂隙 风化裂隙,2.1 岩石中的空隙,2.1 岩石中的空隙,成岩和构造裂隙,2.1 岩石中的空隙,溶穴（1）溶穴（溶隙）（Karst）是指可溶的沉积岩（如盐岩、石膏、石灰岩、白云岩等）在地下水溶蚀作用下所产生的空隙（空洞）。在裂隙基础，水流对可溶岩进一步作用的结果 是扩大了的裂隙溶穴：溶蚀的裂隙，有溶孔、溶隙、溶洞等,2.1 岩石中的空隙,溶洞,溶孔,溶隙,溶穴岩溶岩体：要描述裂隙特征及岩溶发育特征（裂隙+溶洞）1）岩溶发育方向 2）溶蚀率-钻孔岩溶发育程度3）溶洞（方向、规模等）（2）岩溶率（Kk）是指溶穴的体积（Vk）与包含溶穴在内的
7、岩石体积（V）的比值，即即Kk=Vk/V或Kk=Vk/V100%。,2.1 岩石中的空隙,天坑,石林,（3）空隙网络是由岩石中的空隙按一定方式连接起来所构成的网络 有效的储水空间和运移通道 松散岩石中的孔隙连通性好，分布均匀，其中的地下水分布与流动比较均匀，为孔隙水。坚硬基岩中的裂隙，连通性较差，分布不均匀，宽窄不等，多具有方向性，其中的地下水相互关联差，分布流动不均匀，为裂隙水。可溶岩石中的溶穴是一部分原有裂隙与原生孔缝溶蚀而成，大小悬殊，分布不均，其中的地下水分布与流动多极不均匀，为岩溶水。,2.1 岩石中的空隙,2.1 岩石中的空隙,2.1 岩石中的空隙,2.2 岩石中水的存在形式,岩土
8、中水的存在状态：固态、液态、气态,结构水，以H+和OH-离子的形式存在于矿物结晶格架某一位置上的水。,结晶水是矿物结晶构造中的水，以H2O分子形式存在于矿物结晶格架固定位置上的水。沸石水(zeolite water)：方沸石（Na2Al2Si4O12nH2O）。,气态水、固态水 岩石空隙中的这部分水含量小。其中气态水存在于包气带中，可以随空气流动而流动，在一定温度、压力下可与液态水相互转化。冻土地区存在固态水(solid water)。,2.2 岩石中水的存在形式,2.2.1 结合水 结合水是指受固相表面的引力大于水分子自身重力的那部分水，亦即被岩土颗粒的分子引力和静电引力吸附在颗粒表面的水。
9、,2.2 岩石中水的存在形式,2.2.1 结合水强结合水：最接近固相表面的结合水，为紧附于岩土颗粒表面结合最牢固的一层水，其所受吸引力可相当于一万个大气压。其含量，在粘性土中为48%，在砂土中为0.5%。特点：分子排列紧密吸引力大，密度大（2g/l）不受重力支持无溶解能力，不能运动不导电,弱结合水：结合水的外层由于分子力而粘附在岩土颗粒上的水，又称薄膜水。其含量，在粘性土中为48%，在砂土中为0.2%。特点：分子排列不紧密，厚度较大，状态处于固态与液态之间吸引力小，密度较大溶解能力较低有一定运动能力，在饱水带中，能传递静水压力，静水压力大于结合水的抗剪强度时能够运移其外层可被植被吸收，有抗剪强
10、度。,2.2 岩石中水的存在形式,结合水和重力水,结合水与重力水（a）椭圆形小粒代表水分子，结合水部分的水分子带正电荷一端朝向颗粒；（b）箭头代表水分子所受合力方向,2.2 岩石中水的存在形式,2.2.2 重力水 重力水是指距离固体表面更远、重力对其影响大于固体表面对其吸引力、能在重力影响下自由运动的那部分水。井、泉所采取的均为重力水，为水文地质学的主要研究对象。,2.2 岩石中水的存在形式,2.2 岩石中水的存在形式,毛细水（capillary water）是由于毛细管力作用而保存于包气带内岩层空隙中的地下水。毛细管由松散岩石中细小的孔隙通道构成。,2.2.3 毛细水,毛细力：受到表面吸引力
11、，重力，还有另一种力称称毛细力的作用，产生毛细现象。,2.2 岩石中水的存在形式,毛细水的存在形式,：悬挂毛细水似串珠状且连续分布，孔角毛细水孤立分布。,毛细水,2.2 岩石中水的存在形式,2.3岩石的水理性质,岩石的水理性质是与水的储容、运移及释出有关的岩石性质的总称。容水性 容水度 含水性 含水量 给水性 给水度 持水性 持水度 渗透性 渗透系数,2.3.1 容水性容水性是指在常压下岩土空隙容纳一定水量的能力。衡量指标为容水度。容水度是反映岩石最大含水能力。容水度是指岩石完全饱和时所能容纳的最大的水体积与岩石总体积的比值。用小数或%表示，W0=V0/V100%。,容水度一般小于或等于孔隙度
12、。,2.3岩石的水理性质,对于膨胀土，容水度可大于孔隙度。,2.3岩石的水理性质,含水性含水性是岩石实际保留水分的状况，反映的是某岩样在某时刻的含水状态。用含水量W表示。含水量（water content）是岩石空隙中所保留的水分的多少。重量含水量（Wg）是松散岩石孔隙中所含水的重量（Gw）与干燥岩石重量（Gs）的比值，Wg=Gw/Gs100%。体积含水量（Wv）是岩石中所含水的体积（Vw）与包含孔隙在内的岩石体积（V）的比值，Wv=Vw/V100%。记岩石的干容重(单位体积干土重量)为gd，则有 Wv=gdWg。,饱和含水量（Ws）是岩石孔隙充分饱水时的含水量。数值上在粗颗粒及宽裂隙岩石中接
13、近于土或岩石的给水度。饱和度是实际含水量与饱和含水量之比，亦即岩石孔隙中水的体积与孔隙体积之比，以百分数表示。反映岩石中孔隙的充水程度。饱和差（土壤饱和差）是岩石的饱和含水量与实际含水量之差，亦即岩石的容水度与天然湿度(含水量)之差。,2.3岩石的水理性质,2.3.3 给水性 给水性是饱和岩土在重力作用下能自由排出水的能力。用给水度表示。（1）给水度是指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面积岩石柱体在重力作用下所释放出来的水的体积。常用小数表示，无量纲。,2.3岩石的水理性质,2.3.3 给水性,2.3岩石的水理性质,2.3岩石的水理性质,（2）给水度的影响因素 岩性：颗粒
14、粗大的松散岩石，空隙宽大，重力释水时持水性差，给水度大。地层结构：含有细颗粒夹层时给水度较小。空隙大小与性质：空隙宽大时给水度较大，而空隙狭小时，结合水与毛细水为主，持水性强，给水度小。水位埋深（在毛细带内）：当地下水位初始埋深大于支持毛细水带高度时（H0hc）,可达最大值。H0hc时，地下水位下降1个高度时，原重力水大多转化为支持毛细水，土层给水量大大降低，变小。土层含水量曲线分析：当水位埋深足够大时，土层给水度不发生变化（为定值），此时给水度为最大理论给水度。水位降速：抽水时降速过大时给水度偏小，降速很小时给水度较稳定。,2.3岩石的水理性质,2.3岩石的水理性质,给水度是饱和介质在重力排
15、水作用下可以给出的水体积与多孔介质体积之比。,2.3岩石的水理性质,常见松散岩石的给水度,2.3岩石的水理性质,2.3.4 持水性持水性是饱和岩土在重力排水后，岩土依靠分子力和毛管力而在岩石空隙中能保持一定水分的能力。持水度（Sr）（specific retention）是指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的体积。常用小数表示，无量纲。存在关系式：m+Sr=n。残留含水量（W0）相当于最大持水度，是岩石充分释水的结果，又称田间持水量。,2.3岩石的水理性质,2.3岩石的水理性质,2.3岩石的水理性质,持水性 各种土壤的田间持水量,2.3岩石的水理性
16、质,2.3.5 渗透性岩石的渗透性（water permeability）是指岩石允许重力水透过的能力。用渗透系数K表征。,2.3岩石的水理性质,2.3.5 渗透性岩石渗透性的影响因素有：（1）孔隙直径的大小。透水能力很大程度上取决于最小的孔隙直径。（2）孔隙通道：形状弯曲而变化时，渗透性较差。（3）颗粒分选性：比对孔隙度的影响要大。,2.3岩石的水理性质,2.3.6 毛细性岩石的毛细性（capillarity）是指水通过岩土的毛细管受毛细作用向各方向运动的性能。用毛细上升高度表示。毛细性是水在土壤空隙和岩石裂隙中受毛细管力的作用下而作垂直运动的性能。,2.3岩石的水理性质,2.4 有效应力原
17、理与松散岩石压缩,2.4.1 有效应力 太沙基（Terzaghi，1925）提出：作用在饱和砂层水平单元面积AB上的总应力P为该单元上松散岩石骨架与水的重量之和。,2.4.1 有效应力水所承受的应力相当于孔隙水压力 u=gwh实际作用于岩土骨架上的应力，称为有效应力Pz。P=u+Pz，Pz=P u 有效应力等于总应力减去孔隙水压力。这就是太沙基有效应力原理。,2.4 有效应力原理与松散岩石压缩,有效应力与松散岩石压密,2.4 有效应力原理与松散岩石压缩,2.4 有效应力原理与松散岩石压缩,2.4.2 地下水变动引起的岩土压缩 设含水砂层饱水，水位下降后其测压管高度仍高出饱水砂层顶面。抽水引起水位h降低时，可以认为总应力P不变，u降低Du，Pz增加DPz，即原先由水承受的应力由于水头降低、浮托力减少而部分地（相应）转由砂层骨架（颗粒本身）承担：Pz+DPz=P-(u-Du)砂砾质土，基本呈弹性变形。粘性土释水压密，其孔隙度、给水度、渗透系数等参数均变小，并出现地面沉降（land subsidence）。,小 结,本章主要讲授岩石中空隙类型的概念、表示方法，空隙中水的类型，岩石的水理性质及表示方法，太沙基有效应力原理与地面沉降。要求掌握基本概念、有关影响因素。,
