第二章岩石中的孔隙与水分
岩土中的空隙和水讲义及思考题
岩土中的空隙和水3．1 岩土中的空隙空隙：void ，interspace ，space地壳岩石中的空隙为地下水的赋存提供了必要的空间条件。
按维尔纳茨基的形象说法“地壳表层就好象是饱含着水的海绵”。
岩石空隙是地下水存储空间和传输通道，空隙的特征(多少、大小、形状、方向性、连通程度及其空间变化等)决定着岩土储容、滞留、释出以及传输水的性能。
岩石空隙可分为三类：a. 未固结的松散岩石中的孔隙；b. 固结的坚硬岩石中的裂隙；c. 可溶岩石中的溶穴（隙）。
1．孔隙（pore ）松散岩石是由大小不等的颗粒组成的，颗粒及颗粒集合体之间的空隙––––孔隙。
孔隙的多少，决定岩土储容水的能力，在一定条件下，还控制岩土滞留、释出和传输水的能力。
孔隙体积的多少可用孔隙度表示：孔隙度（porosity ）（n ）––––指某一体积岩土（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的比例。
即：VV n n = 式中：V n ––––岩石中孔隙的体积；V ––––包括孔隙在内的岩石体积；n ––––孔隙度，用小数或百分数表示。
另外一个概念：孔隙比（void ratio ）（ε）––––指某一体积岩土内孔隙的体积（V n ）与固体颗粒体积（V s ）之比。
即sn V V =ε 因为V=V n +V s ，所以n 与ε关系为：nn -=1ε。
应用时：a. 涉及变形时（工程地质）→ε（采用孔隙比较方便）；b. 涉及水的储容与运动时（水文地质）→n （采用孔隙度方便）。
影响因素：a. 分选程度：分选程度好，n 大；分选程度差，n 小；b. 颗粒的排列情况：立方体排列时n =47.64%，四面体n =25.95% ；c. 颗粒的形状：形状愈不规则，棱角愈明显，n 愈大；d. 胶结充填情况：充填程度高，n 小。
孔隙度的测定方法：a. 饱和含水率：n =θs （θs 饱和含水率）；b. 抽水试验；c. 形态学方法：成象、扫描→借助与计算机处理（研究领域的前沿课题）。
3岩石中的孔隙与水分
细 水及 矿物 中的 水
定条件下，由于上下弯液面毛细力的作用， 在细土层中会保留与地下水面不相连接的 毛细水，这种毛细水称为悬挂毛细水 ( 图 4—7)。 在包气带中颗粒接触点上还可以悬留孔 角毛细水(触点毛细水)，即使是粗大的卵 砾石， 颗粒接触处孔隙大小也总可以达到 毛细管的程度而形成弯液面，将水滞留在 孔角上（图4-8）。
受固相表面的引力大于水分子自身重力
4.2. 1、 结合 水
的那部分水，此部分水束缚于固相表面， 不能在自身重力影响下运动。 由于固相表面对水分子的吸引力自内向 外逐渐减弱，结合水的物理性质也随之发 生变化。因此，将最接近固相表面的结合 水称为强结合水，其外层称为弱结合水。
距离固体表面更远的那部分水分子，重
岩石的多少、大小、连通程度及其分布
4.3 与水 的储 容及 运移 有关 的岩 石性 质
的均匀程度，都对其储容、滞留、释出以 及透过水的能力有影响。 3.3.1溶水度 概念：指岩石完全饱水时所能容纳的最 大的水体积与岩石总体积之比值。 容水度在数值上与孔隙度（裂隙率、岩 溶率）相当，但大于与粘土的孔隙度。
4.3.4 持水 度
地下水位下降一个单位深度时，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) 给水度、持水度与孔隙度的关系： Μ +Sr=n 包气带充分重力释水而又未受到蒸发、 蒸腾消耗时 的含水量称作残留含水量 (W0)数值上相当于最大的持水度。
岩石的透水性是指岩石允许水透过的能 力。 表征岩石透水性的定量指标是渗透系数。
表3—1列出自然界中主要松散岩石孔隙的参考数值
岩 名
石
称
砾石
砂
水文地质学 岩石中的孔隙与水分
孔隙大小取决于颗粒大小(图4—3)。 颗粒排列方式也影响孔隙大小。仍以理 想等粒圆球状颗粒为例，设颗粒直径为 D，孔喉直径为d，则作立方体排列时， d=0.414D (图4—4)，图4—5a)； 作四面体排列时，d=0.155D (图4—5b)。 对于粘性土，决定孔隙大小的不仅是颗 粒大小及排列，结构孔隙及次生空隙的 影响是不可忽视的。
(4—2)
(4—3) 有效应力等于总应力减去孔隙水压力，这就是 著名的太沙基有效应力原理。
即原先由水承受的应力由于水头降低，
3.4.2 地下 水位 变动 引起 的岩 土压 密
浮托力减少而部分地转由砂层骨架 (颗粒本 身)承担：
(4—4) 砂层是通过颗粒的接触点承受应力的。 孔隙水压力降低，有效应力增加，颗粒发 生位移， 排列更为紧密，颗粒的接触面增 加，孔隙度降低，砂层受到压密。
空隙的多少、大小、形状、连通情况和 分布规律，对地下水的分布和运动具有 重要影响。 将岩石空隙作为地下水储存场所和运动 通道研究时，可分为三类，即：松散岩 石中的孔隙，坚硬岩石中的裂隙和可溶 岩石中的溶穴。
4.1.1 孔隙
松散岩石是由大小不等的颗粒组成的。 颗粒或颗粒集合体之间的空隙，称为孔 隙。 岩石中孔隙体积的多少是影响其储容地 下水能力大小的重要因素。孔隙体积的 多少可用孔隙度表示。孔隙度是指某一 体积岩石 ( 包括孔隙在内 ) 中孔隙体积所 占的比例。若以n表示岩石的孔隙度，V 表示包括孔隙在内的岩石体积，Vn表示 岩石中孔隙的体积，则：
Pz Pz P (u u)
⑴重量含水量：松散岩石孔隙中所含的水量（Gw）
与干燥岩石重（Gs）的比值。
Gw Wg 100% Gs
第二章 岩石中的空隙与水分
高度？
c)孔角毛细水（触点毛细水）（corner water,contiguity water?） 孔角毛细水与悬挂毛细水的不同——？ 悬挂毛细水似串珠状且连续分布的，孔角毛细水是孤立的
支 持 毛 细 水 与 悬 挂 毛 细 水
2.3 岩石的水理性质
岩石（包括骨架与空隙在内的总称），岩石空隙的大小， 多少，连通程度及分布的均匀程度都对地下水的储容、滞留、 释出及透水能力有影响。 水理性质：就水文地质学，主要涉及是与水分储容、释出与 运移有关的性质 一、容水度和孔隙度（porosity） 二、含水量（water content）__w 三、给水度（specific yield）——μ (water drained from soil under gravity flow) 四、持水度（specific retention）__Sr 五、储水性（释水性） 六、透水性
溶穴：溶蚀的裂隙，有溶孔、溶隙、溶洞等
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）
岩溶发育的垂直分带
3 4
石林
天坑
2.1.4空隙特征的对比
含水介质—由各类空隙所构成的岩石称为含水介质，也称为介 质场。含水介质的空间分布与连通特征（孔隙含水介质、裂 隙含水介质、溶质含水介质）是不同的，三种主要类型的含 水介质比较： 连通性—孔隙介质最好，其它较差 空间分布—孔隙介质分布最均匀，裂隙不均匀，溶穴极不均 匀；孔隙大小均匀，裂隙大小悬殊，溶穴极悬殊 空隙比—孔隙介质最大，裂隙最小 空隙渗透性—孔隙介质-各向同性；裂隙与溶穴-各向异性； 造成空隙介质上述差异的主要原因：沉积物形成和空隙形成 的环境
us水文地质学岩石中的空隙与水分
体积含水量：含水体积（Vw）与包括孔隙在内的岩石体积
（V）的比值
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Wv Vw 100% V
若水的比重为1，岩石的干容重（单位体积干土的重）为
重量含水量与体积含水量的关系 Wg Wv a
第二章 岩石中的空隙与水分
2.3.2 含水量
→比重：也称相对密度，固体和液体的比重是该物质的 密度与在标准大气压，3.98℃时纯H2O的密度（999.972 kg/m3）的比值。气体的比重是指该气体的密度与标准状况 下空气密度的比值。液体或固体的比重说明了它们在另一 种流体中是下沉还是漂浮。
→次生孔隙：在碳酸盐岩层中，除粒间孔隙或晶粒间孔隙 所构成的原生孔隙外，还有由孔洞、裂隙、白云岩化所构 成的次生孔隙。
第二章 岩石中的空隙与水分
2.1.1 孔隙
孔隙度的影响因素：
孔隙度的大小主要取决于分选程度及颗粒排列情况，
另外颗粒形状及胶结充填情况也影响孔隙度。对于粘性土， 结构及次生孔隙常是影响孔隙度的重要因素。
岩溶率
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第二章 岩石中的空隙与水分
总结与比较 孔隙、裂隙、溶穴不是独立存在。自然界岩石中空隙
的发育状况远较上面所说的复杂。
✓松散岩石固然以孔隙为主，但某些粘土干缩后 可产生裂隙，而这些裂隙的水文地质意义，甚至 远远超过其原有的孔隙。
第二章 岩石中的空隙与水分
✓固结程度不高的沉积岩，往往既有孔隙，又有裂隙。
第二章 岩石中的空隙与水分
2.3.5 透水性——岩石允许水透过的能力
以松散岩石为例，分析一个理想孔隙通道中水的运动情况
第二章 岩石中的空隙与水分
2.3.5 透水性——岩石允许水透过的能力
圆管状孔隙通道的纵断面，孔隙的边缘上分布着在寻 常条件下不运动的结合水，其余部分是重力水。由于附着 于隙壁的结合水层对于重力水，以及重力水质点之间存在 着摩擦阻力，最近边缘的重力水流速趋于零，中心部分流 速最大。
岩石中的孔隙与水分
第二章岩石中的空隙与水分一、名词解释1．岩石的透水性：岩石允许水透过的能力。
2．孔隙：松散岩石中，颗粒或颗粒集合体之间的空隙。
3．孔隙度：松散岩石中，某一体积岩石中孔隙所占的体积。
4．裂隙：各种应力作用下，岩石破裂变形产生的空隙。
5．裂隙率：裂隙体积与包括裂隙在内的岩石体积的比值。
6．岩溶率：溶穴的体积与包括溶穴在内的岩石体积的比值。
7．溶穴：可溶的沉积岩在地下水溶蚀下产生的空洞。
8．给水度：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，在重力作用下释出的水的体积。
9．重力水：重力对它的影响大于固体表面对它的吸引力，因而能在自身重力作影响下运动的那部分水。
10．毛细水：受毛细力作用保持在岩石空隙中的水。
11．支持毛细水：由于毛细力的作用，水从地下水面沿孔隙上升形成一个毛细水带，此带中的毛细水下部有地下水面支持。
12．悬挂毛细水：由于上下弯液面毛细力的作用，在细土层会保留与地下水面不相联接的毛细水。
13．容水度：岩石完全饱水时所能容纳的最大的水体积与岩石总体积的比值。
14．孔角毛细水：在包气带中颗粒接点上由毛细力作用而保持的水。
15．持水度：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。
二、填空1．岩石空隙是地下水储存场所和运动通道。
空隙的多少、大小、形状、连通情况和分布规律，对地下水的分步和运动具有重要影响。
2．岩石空隙可分为松散岩石中的孔隙、坚硬岩石中的裂隙、和可溶岩石中的溶穴。
3．孔隙度的大小主要取决于分选程度及颗粒排列情况，另外颗粒形状及胶结充填情况也影响孔隙度。
4．松散岩层中，决定透水性好坏的主要因素是孔隙大小；只有在孔隙大小达到一定程度，孔隙度才对岩石的透水性起作用。
5．地下水按岩层的空隙类型可分为：孔隙水、裂隙水、和岩溶水。
6．岩性对给水度的影响主要表现为空隙的大小与多少。
7．通常以容水度、含水量、给水度、持水度和透水性来表征与水分的储容和运移有关的岩石性质。
水文地质学基础课件——第二章 岩石中的孔隙与水
第1节 岩石中的空隙—孔隙
影响孔隙大小的因素：
孔隙大小与岩石颗粒的分选程度的关系： ？ 问：下列2种试样哪种孔隙大？
a—砂砾混合样
b—砾
a试样的孔隙为细颗粒形成的小孔石隙。
分选愈差，细粒占的比例愈大，孔隙愈小！ 胶结程度越好，充填物越多，孔隙愈小！
12
第1节 岩石中的空隙—孔隙
影响孔隙大小的因素：
孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标 定义：某一体积岩石（包括颗粒骨架与空隙在内）中孔隙体积所 占的比例。通常用 n 表示
n Vn 100 % VT
？问：孔隙度的大小与什么有关？——与颗粒大小有关？ a. 与排列有关——紧密与疏松 理想最疏松孔隙为47.64%，最紧密排列孔隙为25.95%。 b. 与分选有关——下面试样哪个孔隙度大？哪个小？ 试样：①砾石 ②砂石 ③混合样
17
第1节 岩石中的空隙—孔隙
颗粒排列方式对孔隙度的影响 理想最疏松排列（立方体）：孔隙度为 47.64%； 理想最紧密排列（四面体）：孔隙度为 25.95%。 排列愈紧密孔隙度愈小。
18
第1节 岩石中的空隙—孔隙
粘性土的孔隙与孔隙度
粘土颗粒（指直径<0.005mm的颗粒）； 粘性土颗粒细小，比表面积大，连结力强；颗粒表面带 电，
达到70%
16
第1节 岩石中的空隙—孔隙
这里与粒径的关系是：粒径愈小，孔隙度愈大！
与以上分析有矛盾！为什么？ 砂样与砾石样混合时，砾石样中孔隙体积变小，因此 孔隙度变小。 当粗细颗粒完全混合时，混合样的孔隙度：
n混=n粗×n细 因此影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度， 分选愈差，孔隙度愈小！ 为何粘性土的孔隙度超过最疏松排列的47.64%可达 70%？
第2讲岩石中的孔隙与水分
有电荷，水分子又是偶极体，由于静电吸引， 固相表面具有吸附水分子的能力（图2-6）。
根据库仑定律，电场强度与距离平方成反比。
故离固相表面很近的水分子受到静电引力很大； 随着距离增大，吸引力减弱，而水分子受自身 重力的影响就愈显著。
结合水的概念：
受固相表面的引力大于水分子自身重
力的那部分水，称为结合水。
小。
细小颗粒充填于粗大颗粒之间的孔隙中，自然
会大大降低孔隙度。
当某种岩石由两种大小不等的颗粒组成，且粗
大颗粒之间的孔隙完全为细小颗粒所填充时，则孔 隙度等于由粗粒和细粒单独组成时孔隙度的乘积。
形状对孔隙度的影响：
形状愈不规则，棱角愈明显，排列 就愈松散，n愈大
自然界中的岩石的颗粒形状多是不规则
地表以下剖面上各种状态的水在岩层中的分布图
岩土的水理性质
概念：
指岩土控制水活动的性质
容水性
岩土主要水理性质：
含水性
持水性 给水性 透水性
1.容水性（容水度）
定义：
指岩石完全饱水时所能容纳的最大的水体 积与岩石总体积的比值。可用小数或百分数表 示。 一般来说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，充水后体积扩大，容水度可大于孔隙度。
三、与水的储容及运移有关的岩石性质
影响水的储容及运移的因素：
岩石空隙大小、多少、连通程度及
其分布均匀度。
控制水活动的因素：
岩石的容水性、含水性、给水性、
持水性、透水性
•水在岩土中的赋存形式
1一湿度不足带分布有气态水、吸着水; 2一温度饱和带分布有气态水、吸着水、薄膜水; 3一上升毛细水带; 4一无压重力水带; 5一粘土层; 6一承压重力水带
2.水文地质学基础-岩石中的空隙与水解析
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。
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。
有溶隙和溶穴的可溶岩
2.1 岩石中的空隙
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：①呈小孔状，②分布均匀且密集，③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。
气态水
Vaporous water
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（Na2Al2Si4O12•nH2O）。
2.2 岩石中水的存在形式
气态水、固态水 岩石空隙中的这部分水含量小。其
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 重力排水作用下可以给 出的水体积与多孔介质 体积之比。
岩石中的孔隙与水分
研究内容与方法
研究内容
研究岩石孔隙类型、特征及分布规律，分析岩石孔隙中水的存在状态和运动规律，探讨岩石孔隙与地下水相互作 用机制。
研究方法
采用野外地质调查、室内实验测试、数值模拟等多种方法相结合进行研究。其中，野外地质调查包括岩石和土壤 样品的采集、观测和记录；室内实验测试包括岩石孔隙结构和物理性质的测定、水文地质参数的测量等；数值模 拟则利用专业软件对岩石孔隙与水分的相互作用进行模拟和分析。
孔隙定义与分类
孔隙定义 孔隙分类
孔隙形成与演化
孔隙形成
孔隙演化
孔隙对岩石物理性质的影响
01
热导率
02
电导率
03
强度脆性
04
渗透性
水的分子结构与性质
水分子的化学式 水的物理性质
岩石中水的存在形式与分 类
01
02
吸附水
薄膜水
03 毛细管水
水在岩石中的流动与传
水在多孔介质中的流动
水在裂隙中的流动
02
孔隙充填与岩石弹性 性质的关系
03
孔隙率对岩石导热性 的影响
油气勘探与开 发
水资源管理与利用
岩石孔隙研究在水资源管理与利用方面具有实际应用价值。地下水是水 资源的重要组成部分，地下水储藏和运动主要受到岩石孔隙特征的控制。
通过研究岩石孔隙特征，可以了解地下水的形成、储存和运动规律，为 水资源合理规划、管理和保护提供科学依据。
在水资源利用方面，针对不同地区和特性的岩石孔隙，采取相应的水资 源开发、利用和保护措施，可以提高水资源的利用效率和可持续性。
岩土工程设计与施工
研究结论
第二章 岩石中的空隙与水分
松散岩石储容水分的能力，与孔隙度关系很大，而地下水 的运动条件则首先取决于孔隙的大小，影响孔隙大小的主要因 素是颗粒大小，颗粒排列方式，对于粘性土，结构孔隙及次生 孔隙的影响不可忽视。 孔隙大小特征的描述： 孔喉：孔隙通道最细小的部分。 孔腹：孔隙通道最宽大的部分。 ①颗粒的大小—颗粒大则孔隙大，反之则孔隙小。 注意：对于分选不好，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，而是取决于细小颗粒的直 径。 ②颗粒的排列方式—以理想等粒圆球状颗粒为例，颗粒直 径为D，孔喉直径为d，立方体排列时，d=0.424D，作四面体 排列时，d=0.155D。 ③考虑粘性土的结构孔隙及次生孔隙。
Vn n 100% V
Vn ——岩石的孔隙体积，V——包括孔隙在内 其中： 的整个岩石总体积。
孔隙度的大小主要取决于颗粒排列情况及分选程 度，另外颗粒形状及胶结充填情况也影响孔隙度。 ①颗粒的排列—以理想等粒圆球状颗粒为例， 理论上几何计算立方体排列最疏松，孔隙度为 47.64%，四面体排列为最紧密，孔隙度为25.95%。 注意：三种颗粒直径不同的等粒岩石，排列方式 相同时，孔隙度完全相同。 ②颗粒的分选—在颗粒大小不等时，分选差则 孔隙度小， 分选好则孔隙度大。 ③颗粒的形状及胶结—磨圆愈好，孔隙度愈小， 胶结可以降低孔隙度。 ④考虑粘性土的结构孔隙及次生孔隙。
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2.3
与水的储容及运移有关的岩石性质
三、给水度（specific yield）—— (e d) 1、定义： 当地下水位下降一个单位深度时，从地下水位延伸到 地表面的单位水平面积岩石柱体，在重力作用下释放出 来的水体积，称为给水度 。 V 1 0 0 % 给水度概念图 V总 当地下水位下降一个单位，土层孔隙中是否所有的水都流 出来？ 在土层中会保留什么形式的水？
岩石中的空隙与水分
第二章岩石中的空隙与水分§2.1 岩石中的空隙岩石的空隙是地下水储存和运移的先决条件，空隙的多少、大小、形状、联通状况和分布规律，决定着地下水的埋藏、分布和运动。
将岩石空隙作为地下水储存场所和运动通道研究时，可分为三类，即：松散岩石中的孔隙，坚硬岩石中的裂隙和可溶岩石中的溶穴。
§2.1.1 孔隙孔隙（pore）--unconsolidated soil1、孔隙：在松散堆积物中或胶结不好的沉积岩中以及部分喷出岩中，组成岩石的颗粒或粒集合体之间能存在的多孔状的空隙。
2、孔隙性：岩土孔隙的大小、分布规律、数量、形状、性质、联通情况等的总称。
3、孔隙度：岩石孔隙体积与岩石总体积之比。
n=Vn/V4、影响孔隙度大小的因素：1）分选程度2）颗粒排列状况：排列方式相同但颗粒直径不同的等粒岩石，其孔隙度完全相同。
3）颗粒形状4）胶结充填情况例外：粘性土的孔隙度§2.1.2 裂隙固结的坚硬岩石，包括：沉积岩、岩浆岩、变质岩，一般不存在或只是保留一部分颗粒之间的孔隙，而主要发育各种应力作用下岩石破裂变形产生的裂隙。
（fissure）-- hard rock按照成因分类：成岩裂隙构造裂隙风化裂隙裂隙率：裂隙体积与岩石总体积之比。
Kr=Vr/V野外研究裂隙时，还应注意测定裂隙的方向、宽度、延伸长度、充填情况。
§2.1.3 溶穴1、溶穴：起因于水的溶蚀，在可溶岩（白云岩、岩盐、石膏、石灰岩等）中形成的空洞（溶隙）。
（cavity）-- soluble rock2、岩溶率：Kk=Vk/V特点：岩溶率的变化范围很大，且在相邻很近地点处岩溶率完全不同，同一地点的不同深度处岩溶率也有很大变化。
四、岩石中的空隙小结1、岩石中的空隙是研究地下水的基础2、分布特点：孔隙主要分布于松散堆积物中，分布广泛，联通均匀裂隙分布于坚硬岩石中，分布不均溶穴分布可溶性岩石中，分布不均3、孔隙度，运用范围广；裂隙率、岩溶率受到地区限制，运用不广，代表性不强。
水文地质学 第二章 岩石中的空隙与水分2.
二、含 水 性
1.含水性：岩石含有水分的性能。 2.含水量：说明松散岩石实际保留水分的状况。
①重量含水量：松散岩石孔隙中所含水的重量与
干燥岩石重量的比值。即：
Wg
Gw Gs
100 %
Gw＝Vw·1②体积含水量：含水的体积与包括孔隙在内的岩
一、有效应力原理： 有效应力 Pz ＝总应力 P － 孔隙水压力u
假定所讨论的是松散沉积物质构成的饱水砂层，
P ＝Gs＋Gw
A
B
PZ 有效应力
u ＝γwh
P＝u＋Pz
P＝u＋Pz 即Pz＝P－u
二、地下水位变动引起的岩土压密
1.假设:总应力P不变 2.地下水位下降：孔隙水压力降低△u
有效应力增加△Pz， 即：Pz＋△Pz＝P－（u－△u）
Gs＝V石·γα 体积的比值。即：
Wv
Vw V
100%
当水的比重为1，岩石的干容重为 时，有：
Wv Wg
有关含水量的几个概念
饱和含水量（Ws）：孔隙充分饱水时的含水量。 饱和差：饱和含水量－实际含水量 饱和度：实际含水量/饱和含水量
三、给 水 性
1.给水性：当地下水位下降时，其下降范 围内饱水岩石及相应的支持毛细水带中的水， 在重力作用下，从原先赋存的空隙中释出，这 一现象称为岩石的给水性。
1. 持水度 ：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。
可分为毛细持水度和结合持水度，通常应用结合持水 度，又称最大分子持水度。
2. 残留含水量（Wo ）：包气带充分重力释水而又未 受到蒸发、蒸腾消耗时的含水量。数值上相当于最大的持 水度。
2 第二章 岩石中的空隙
４．特征
大小：具有级次性，如，大构造断裂带，次级造断裂带， 大小：具有级次性， 大构造断裂带，次级造断裂带， 再次一级造断裂带，小到用显微镜进行微观裂隙观测。 再次一级造断裂带，小到用显微镜进行微观裂隙观测。 连通性：总体上不好，局部可能很好，形成裂隙系统。 连通性：总体上不好，局部可能很好，形成裂隙系统。 找水，局部裂隙，最好找在最大断裂带上，主干断裂， 找水，局部裂隙，最好找在最大断裂带上，主干断裂， 裂隙含水系统。 裂隙含水系统。 多少：裂隙率。包括线裂隙率、面裂隙率和体裂隙率。 多少：裂隙率。包括线裂隙率、面裂隙率和体裂隙率。 在野外研究裂隙时，测定裂隙的方向、宽度、延伸长度、 在野外研究裂隙时，测定裂隙的方向、宽度、延伸长度、 充填等。 充填等。
第二章 岩石中的空隙与水分
本章内容： 本章内容： 岩石中的空隙 岩石中水的存在形式 岩石的水理性质 有效应力原理与松散岩土压密
第一节 岩石中的空隙
一 引言 1. 岩石空隙在地球上的分布：地壳表层十余公里， 岩石空隙在地球上的分布：地壳表层十余公里， 尤其近一、两公里以内。 尤其近一、两公里以内。 2. 岩石空隙的水文地质意义：是地下水的赋存场 岩石空隙的水文地质意义： 所和运移通道。 所和运移通道。 3. 岩石空隙的描述：形状、大小、多少、分布规 岩石空隙的描述：形状、大小、多少、 律和连通性。 律和连通性。 4. 岩石空隙的水文地质分类：松散岩石中的孔隙、 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、可溶岩石中的溶穴。 坚硬岩石中的裂隙、可溶岩石中的溶穴。
（4）孔隙度的影响因素 ）
颗粒排列方式：等粒状：最疏松排列 立方体 立方体--颗粒排列方式：等粒状：最疏松排列----立方体 n=47.64%; 最紧密排列 四面体：n=25.95%。(未涉 最紧密排列---四面体： 四面体 。 未涉 及粒径大小，粒径大小不同，但等粒状、 及粒径大小，粒径大小不同，但等粒状、排列方式相 同时，孔隙度是相同的） 同时，孔隙度是相同的） 颗粒分选程度：分选性越好，孔隙度越大；分选程度 颗粒分选程度：分选性越好，孔隙度越大； 不好，大颗粒孔隙被小颗粒充填，降低孔隙。（分选 不好，大颗粒孔隙被小颗粒充填，降低孔隙。（分选 。（ 程度是指颗粒粒度的均匀程度， 程度是指颗粒粒度的均匀程度，土力学中也称不均匀 系数。） 系数。） 颗粒形状：越不规则，越疏松，孔隙度就越大。 颗粒形状：越不规则，越疏松，孔隙度就越大。 胶结充填：孔隙被胶结充填，孔隙度减小。 胶结充填：孔隙被胶结充填，孔隙度减小。 对于粘性土，还与结构孔隙、次生孔隙有关。 对于粘性土，还与结构孔隙、次生孔隙有关。
第2章 岩石中的孔隙与水分(2)
2.2.1
定义
结合水
结合水（absorbed water, bound water）
附着于固体表面，在自身重力下不能运动的水 即结合水具有一定的抗剪强度 表面引力—服从库仑定律，随固体表面的距离加大而减弱 性质 结合水具有固态和液态水的双重性质；即自身重力作用 下不能运动，在外力作用下能够移动（运动）及变形。 意义 只要有固相表面就存在结合水，存在范围广，其量很小 （结合水膜很薄），当孔隙直径小于2倍结合水膜厚度时，孔 隙中只含有不能自由运动的结合水（又称无效空间）。
脱离水面，岩石细小孔隙中保留的水分，称为悬挂毛细水 上粗下细或上细下粗砂砾试样的例子。
c) 孔角毛细水（触点毛细水）
（ corner water, contiguity water?）
小结 悬挂毛细水似串珠状且连续分布的，孔角毛细水是孤立的
支持毛细水与悬挂毛细水
地 下 水 位 下 降
2.3 岩石的水理性质
二、含水量（water content）__
三、持水度（specific retention）__Sr
岩石的持水量（持水体积）与岩石总体积之比
2.3 岩石的水理性质
四、给水度（specific yield）——
(water drained from soil under gravity flow)
岩石（包括骨架与空隙在内的总称）
水理性质：就水文地质学主要涉及是与水分储容、释出与 运移有关的性质 包括： 一、容水度和孔隙度（porosity）（反映岩石最大含水能力） 孔隙度——n; 容水度——nr
岩土中的空隙和水讲义及思考题
岩⼟中的空隙和⽔讲义及思考题岩⼟中的空隙和⽔3．1 岩⼟中的空隙空隙：void ，interspace ，space地壳岩⽯中的空隙为地下⽔的赋存提供了必要的空间条件。
按维尔纳茨基的形象说法“地壳表层就好象是饱含着⽔的海绵”。
岩⽯空隙是地下⽔存储空间和传输通道，空隙的特征(多少、⼤⼩、形状、⽅向性、连通程度及其空间变化等)决定着岩⼟储容、滞留、释出以及传输⽔的性能。
岩⽯空隙可分为三类：a. 未固结的松散岩⽯中的孔隙；b. 固结的坚硬岩⽯中的裂隙；c. 可溶岩⽯中的溶⽳（隙）。
1．孔隙（pore ）松散岩⽯是由⼤⼩不等的颗粒组成的，颗粒及颗粒集合体之间的空隙––––孔隙。
孔隙的多少，决定岩⼟储容⽔的能⼒，在⼀定条件下，还控制岩⼟滞留、释出和传输⽔的能⼒。
孔隙体积的多少可⽤孔隙度表⽰：孔隙度（porosity ）（n ）––––指某⼀体积岩⼟（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的⽐例。
即：VV n n = 式中：V n ––––岩⽯中孔隙的体积；V ––––包括孔隙在内的岩⽯体积；n ––––孔隙度，⽤⼩数或百分数表⽰。
另外⼀个概念：孔隙⽐（void ratio ）（ε）––––指某⼀体积岩⼟内孔隙的体积（V n ）与固体颗粒体积（V s ）之⽐。
即sn V V =ε因为V=V n +V s ，所以n 与ε关系为：nn -=1ε。
应⽤时：a. 涉及变形时（⼯程地质）→ε（采⽤孔隙⽐较⽅便）；b. 涉及⽔的储容与运动时（⽔⽂地质）→n （采⽤孔隙度⽅便）。
影响因素：a. 分选程度：分选程度好，n ⼤；分选程度差，n ⼩；b. 颗粒的排列情况：⽴⽅体排列时n =47.64%，四⾯体n =25.95% ；c. 颗粒的形状：形状愈不规则，棱⾓愈明显，n 愈⼤；d. 胶结充填情况：充填程度⾼，n ⼩。
孔隙度的测定⽅法：a. 饱和含⽔率：n =θs （θs 饱和含⽔率）；b. 抽⽔试验；c. 形态学⽅法：成象、扫描→借助与计算机处理（研究领域的前沿课题）。
水文地质学第二章
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• 有效应力原理与松散岩土压密 • 有效应力原理 • 地下水位变动引起的岩土压密
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• 2.1 岩石中的空隙 • 地壳表层十余公里范围内，都或多或少存在着空 隙，特别是深部一、两公里以内，空隙分布较为 普遍。这就为地下水的赋存提供了必要的空间条 件。按维尔纳茨基（B.II.BepHaдckй）的形象说 法，“地壳表层就好像是饱含着水的海绵”。 • 岩石空隙是地下水储存场所和运动通道。空隙的 多少、大小、形状、连通情况和分布规律，对地 下水的分布和运动具有重要影响。 • 将岩石中空隙作为地下水储存场所和运动通道研 究时，可分为三类，即：松散岩石中的孔隙，坚 硬岩石中的裂隙和可溶岩石中的溶穴。
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溶穴的规模十分悬殊，大的溶洞可宽达数十 米，高数十乃至百余米，长达几至几十公 里，而小的溶孔直径仅几毫米。溶岩发育 带岩溶率可达百分之几十，球科学系
空隙特征的对比
裂隙岩体：从水的赋存与运移角度来看，裂隙的描述包括 1) 裂隙的连通性（组数、产状、长度和密度） 2) 张开性（裂隙宽度） 3) 裂隙率等 昆明理工大学国土资源工程学院
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• 固结的坚硬岩石，包括沉积岩、岩浆岩和变质岩，一般不 存在或只保留一部分颗粒之间的孔隙，而主要发育各种应 力作用下岩石破裂变形产生的裂隙。 • 按裂隙的成因可分成岩裂隙、构造裂隙和风化裂隙。 • 成岩裂隙是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。岩浆岩中成岩裂隙比较发 育，尤以玄武岩中柱状节理最有意义。 • 构造裂隙是岩石在构造变动中受力而产生的。这种裂隙具 有方向性，大小悬殊（由隐蔽的节理到大断层），分布不 均一。 • 风化裂隙是风化营力作用下，岩石破坏产生的裂隙，主要 分布在地表附近。有关各种成因裂隙的形成分布规律详见 第十一章。
第二章岩石中的孔隙和水分
表2—1 松散岩石孔隙度参考数值〔据弗里泽等，1987〕
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第二章 岩石中的孔隙与水分
思考表2-1给出的孔隙度数值与上述分析影响孔隙度大 小的因素是否不一致？ 请总结有哪些不同？为什么会不同。 不同： （1）在表2-1中，自然界中松散岩石的孔隙度与粒径大 小有关，粒径小孔隙度大。 （2）孔隙度超过最疏松排列的47.64%？粘性土孔隙度 高达70%-80%。
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第二章 岩石中的孔隙与水分
（2）砂砾石的孔隙度（porosity）及其影响因素 孔隙度是描述松散岩石中孔隙多少的指标，常用n表示。 孔隙度是指某一体积岩土(包括孔隙在内)中孔隙体 积所占的比例。 n Vn (100%) V
式中： 为孔隙度， 为孔隙体积， 为岩石总体积。 孔隙度是一个比值，常用可用小数或百分数表示。 请思考并回答：砂砾类土的孔隙度大小与什么有关？
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第二章 岩石中的孔隙与水分
简单归纳，影响砂砾石土孔隙大 小的主要因素有：
①颗粒大小：与构成砂砾石土 的颗粒粒径成正比（图2-1理解）
②颗粒排列：立方体（疏松）、
四面体（紧密）
由图2-2可以总结出，颗粒 呈立方体排列为最疏松的排列 方式，颗粒呈四面体排列为最 紧密的排列方式。因此，颗粒 排列的紧密程度，影响孔隙大 小。
第二章 岩石中的孔隙和水分
• 内容：掌握岩土中空隙的三种类型：孔隙、裂隙和溶 穴；重点掌握孔隙的大小、多少（空隙率）的表征及 其影响因素；了解不同空隙的特征与他们之间的差异。 掌握空隙中水的存在形式，了解结合水、重力水、毛 细水的特点；掌握岩土孔隙度、给水度、持水度的概 念和他们的关系，以及影响因素；了解容水度、含水 量、透水性的概念。
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第二章岩石中的空隙与水分
一、名词解释
1．岩石的透水性：岩石允许水透过的能力。
2．孔隙：松散岩石中，颗粒或颗粒集合体之间的空隙。
3．孔隙度：松散岩石中，某一体积岩石中孔隙所占的体积。
4．裂隙：各种应力作用下，岩石破裂变形产生的空隙。
5．裂隙率：裂隙体积与包括裂隙在内的岩石体积的比值。
6．岩溶率：溶穴的体积与包括溶穴在内的岩石体积的比值。
7．溶穴：可溶的沉积岩在地下水溶蚀下产生的空洞。
8．给水度：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，在重力作用下释出的水的体积。
9．重力水：重力对它的影响大于固体表面对它的吸引力，因而能在自身重力作影响下运动的那部分水。
10．毛细水：受毛细力作用保持在岩石空隙中的水。
11．支持毛细水：由于毛细力的作用，水从地下水面沿孔隙上升形成一个毛细水带，此带中的毛细水下部有地下水面支持。
12．悬挂毛细水：由于上下弯液面毛细力的作用，在细土层会保留与地下水面不相联接的毛细水。
13．容水度：岩石完全饱水时所能容纳的最大的水体积与岩石总体积的比值。
14．孔角毛细水：在包气带中颗粒接点上由毛细力作用而保持的水。
15．持水度：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。
二、填空
1．岩石空隙是地下水储存场所和运动通道。
空隙的多少、大小、形状、连通情况和分布规律，对地下水的分步和运动具有重要影响。
2．岩石空隙可分为松散岩石中的孔隙、坚硬岩石中的裂隙、和可溶岩石中的溶穴。
3．孔隙度的大小主要取决于分选程度及颗粒排列情况，另外颗粒形状及胶结充填情况也影响孔隙度。
4．松散岩层中，决定透水性好坏的主要因素是孔隙大小；只有在孔隙大小达到一定程度，
孔隙度才对岩石的透水性起作用。
5．地下水按岩层的空隙类型可分为：孔隙水、裂隙水、和岩溶水。
6．岩性对给水度的影响主要表现为空隙的大小与多少。
7．通常以容水度、含水量、给水度、持水度和透水性来表征与水分的储容和运移有关的岩石性质。
三、判断题
1．在其它条件相同而只是岩性不同的两个潜水含水层中.在补给期时，给水度大,水位上升大，给水度小，水位上升小。
（×）
2．在一定条件下，含水层的给水度可以是时间的函数，也可以是一个常数。
（√）3．松散岩石中颗粒的形状对孔隙度没有影响。
（×）
4．两种颗粒直径不同的等粒圆球状岩石，排列方式相同时，孔隙度完全相同。
（√）5．松散岩石中颗粒的分选程度对孔隙度的大小有影响。
（√）
6．松散岩石中颗粒的排列情况对孔隙度的大小没影响。
（×）
7．饱含水的砂层因孔隙水压力下降而压密，待孔隙压力恢复后，砂层仍不能恢复原状。
（×）
8．松散岩石中颗粒的排列方式对孔隙大小没影响。
（×）
9．裂隙率是裂隙体积与不包括裂隙在内的岩石体积的比值。
（×）
10．在松散岩石中，不论孔隙大小如何，孔隙度对岩石的透水性不起作用。
（×）11．在饱水带中也存在孔角毛细水。
（×）
12．在松散的砂层中，一般来说容水度在数值上与孔隙度相当。
（√）
13．在连通性较好的含水层中，岩石的空隙越大，给水度越大。
（√）
14．
15．对于颗粒较小的松散岩石，地下水位下降速率较大时，给水度的值也大。
（×）16．颗粒较小的松散岩石中，重力释水并非瞬时完成，往往滞后于水位下降，所以给水度与时间有关。
（√）
17．松散岩石中孔隙度等于给水度与持水度之和。
（√）
18．松散岩石中，孔隙直径愈小，连通性愈差，透水性就愈差。
（√）
四、简答题
1．简述影响孔隙大小的因素，并说明如何影响？
影响孔隙大小的因素有:颗粒大小、分选程度、和颗粒排列方式。
当分选性较好时，颗粒愈大、孔隙也愈大。
当分选性较差时，由于粗大颗粒形成的孔隙被小颗粒所充填，孔隙大小取决于实际构成孔隙的细小颗粒的直经。
排列方式的影响：立方体排列比四面体排列孔隙大。
2．简述影响孔隙度大小的主要因素，并说明如何影响？
影响孔隙度大小的因素有：颗粒排列情况、分选程度、颗粒形状及胶结程度。
排列方式愈规则、分选性愈好、颗粒形状愈不规则、胶结充填愈差时，孔隙度愈大；反之，排列方式愈不规则、分选性愈差、颗粒形状愈规则、胶结充填愈好时，孔隙度愈小。
3．地壳岩石中水的存在形式有哪些？
地壳岩石中水的存在形式：
(1) 岩石“骨架”中的水(沸石水、结晶水、结构水)。
(2) 岩石空隙中的水(结合水、液态水、固态水、气态水)。
4．影响给水度的因素有哪些，如何影响？
影响给水度的因素有岩性、初始地下水位埋深、地下水位降速。
岩性主要表现为决定空隙的大小和多少，空隙越大越多，给水度越大；反之，越小。
初始地下水位埋藏深度小于最大毛细上升高度时，地下水下降后给水度偏小。
地下水位下降速率大时，释水不充分，给水度偏小。
5．影响岩石透水性的因素有哪些，如何影响？
影响因素有：岩性、颗粒的分选性、孔隙度。
岩性越粗、分选性越好、孔隙度越大、透水能力越强；反之，岩性越细、分选性越差、孔隙度越小，透水能力越弱。
五、论述题
1．岩石空隙分为哪几类，各有什么特点？
岩石空隙分为：孔隙、裂隙和溶穴。
孔隙分布于颗粒之间，连通好，分布均匀，在不同方向上孔隙通道的大小和多少都很接近；裂隙具有一定的方向性，连通性较孔隙为差，分布不均匀；溶穴孔隙大小悬殊而且分布极不均匀。
2．为什么说空隙大小和数量不同的岩石，其容纳、保持、释出及透水的能力不同？
岩石容纳、保持、释出及透水的能力与空隙的大小和多少有关。
而空隙的大小和多少决
定着地壳岩石中各种形式水所占的比例。
空隙越大，结合水所占的比例越小，则容纳、释出及透水能力越强，持水能力越弱；反之，空隙度越小，结合水所占的比例越大，则容纳、释出及透水能力越弱，持水能力越强。
所以说空隙大小和数量不同的岩石其容纳、保持、释出及透水的能力不同。
3．地下水位的埋藏深度和下降速率，对松散岩石的给水度产生什么影响？
初始地下水位埋藏深度小于最大毛细上升高度时，地下水位下降，重力水的一部分将转化为支持毛细水而保持于地下水面以上，给水度偏小；在细小颗粒层状相间分布的松散岩石，地下水位下降时，易形成悬挂毛细水不能释放出来，另外，重力释水并非瞬时完成，而往往迟后于水位下降，给水度一般偏小。