水文地质学基础岩土中的空隙和水
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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
《水文地质基础》第二章 岩石中的空隙与水分
空隙发育的复杂性
松散层主要发育孔隙，但粘性土失水干缩后可产生裂隙； 坚硬岩石中也不全为裂隙或裂隙-溶穴。如有些沉积岩往 往存在大量的原生孔隙，其数量可大大超过裂隙与溶穴。
第1节 岩石中的空隙—三者比较
不同地区岩性空隙度比较
地区
岩性
孔隙度（%） 裂隙率（%）
中国北京西山 地区
美国斯普拉贝 尔油田
前苏联斯涅别 林斯基油田
慢。
第2节 岩石中水的存在形式— （矿物表面）结合水
– 溶解盐类能力较弱 – 冰点为-15℃ – 有一定的粘滞性和抗剪强度 – 在一定条件下（饱水带）可传递静水压力 – 弱结合水的外层能被植物吸收利用
第2节 岩石中水的存在形式— 毛细水(capillary water)
概念
依靠毛细力而保持在毛细空隙中的水，称为毛细水。 毛细空隙是岩土中的细小空隙，一般指直径小于1mm的 孔隙或宽度小于0.25mm的裂隙。
第二章 岩石中的空隙与水分
岩石中的空隙 岩石中的水分 岩石的水理性质 含水层与含水系统
第1节 岩石中的空隙
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。
孔隙 – 松散沉积物中的空隙 裂隙 – 坚硬岩石地层中的空隙 溶穴 – 可溶性基岩地层中经溶蚀后的空隙
毛细现象及实质
将一根玻璃毛细管插入水中，毛细管内的水面即会上升 到一定高度，这便是发生在固、液、气三相界面上的毛 细现象。 其实质是毛细张力的作用。
形弯液面产生的附加压强Pc，是个负压强，称毛细负压。
毛细上升高度hc(capillary height)和毛细上 升速度
式中D的单位为mm，Pc为毛细压力。 对主曲率半径分别为R1和R2的毛细空隙，拉普拉斯公式：
松散层主要发育孔隙，但粘性土失水干缩后可产生裂隙； 坚硬岩石中也不全为裂隙或裂隙-溶穴。如有些沉积岩往 往存在大量的原生孔隙，其数量可大大超过裂隙与溶穴。
第1节 岩石中的空隙—三者比较
不同地区岩性空隙度比较
地区
岩性
孔隙度（%） 裂隙率（%）
中国北京西山 地区
美国斯普拉贝 尔油田
前苏联斯涅别 林斯基油田
慢。
第2节 岩石中水的存在形式— （矿物表面）结合水
– 溶解盐类能力较弱 – 冰点为-15℃ – 有一定的粘滞性和抗剪强度 – 在一定条件下（饱水带）可传递静水压力 – 弱结合水的外层能被植物吸收利用
第2节 岩石中水的存在形式— 毛细水(capillary water)
概念
依靠毛细力而保持在毛细空隙中的水，称为毛细水。 毛细空隙是岩土中的细小空隙，一般指直径小于1mm的 孔隙或宽度小于0.25mm的裂隙。
第二章 岩石中的空隙与水分
岩石中的空隙 岩石中的水分 岩石的水理性质 含水层与含水系统
第1节 岩石中的空隙
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。
孔隙 – 松散沉积物中的空隙 裂隙 – 坚硬岩石地层中的空隙 溶穴 – 可溶性基岩地层中经溶蚀后的空隙
毛细现象及实质
将一根玻璃毛细管插入水中，毛细管内的水面即会上升 到一定高度，这便是发生在固、液、气三相界面上的毛 细现象。 其实质是毛细张力的作用。
形弯液面产生的附加压强Pc，是个负压强，称毛细负压。
毛细上升高度hc(capillary height)和毛细上 升速度
式中D的单位为mm，Pc为毛细压力。 对主曲率半径分别为R1和R2的毛细空隙，拉普拉斯公式：
水文地质学基础课件——第二章 岩石中的孔隙与水
11
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！
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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
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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。
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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%
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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%？
水文地质学 第二章 岩石中的空隙与水分1.
注意： 图示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 颗粒的分选性（颗粒的均匀程度）
((aa))
（a）等径圆球按立方体排列， 孔隙度为47.64%；
(b()b)
（b）圆球按立方体排列， 空隙为小颗粒所充填， 孔隙度大为下降。
③ 颗粒的形状
颗粒形状愈是不规则，棱角越是明显，突出 部分互相接触，会使颗粒架空，通常排列就越松 散，n也越大。
故有：
V —岩石总体积(包括孔隙在内用）孔隙比；
ε＝n/（1－n）
孔隙比（ε）：
而涉及水的储容与 流动时，则采用孔隙
ε＝ Vn / Vs
或ε＝ Vn
/
V
s
度。
×100％
式中：Vs —固体颗粒的体积
2.影响孔隙度的因素
孔隙度的大小取决于以下因素： ① 颗粒的排列情况（即岩石的密实程度） ② 颗粒的分选性（颗粒的均匀程度） ③ 颗粒的形状 ④ 颗粒的胶结充填情况 ⑤ 结构孔隙及次生空隙（对粘性土）
岩溶率
衡量溶隙多少的定量指标。可用下式表示：
KK
VK V
或
KK
VK V
100%
式中: Kk ——岩石岩溶率；Vk ——岩石中溶隙或溶穴的体积； V ——岩石总体积。（包括溶隙在内）
注意： 自然界岩石中空隙的发育状况要复杂得多. 松散岩石、坚硬基岩和可溶岩石中的空隙网络 具有不同的特点。
综上所述，岩石越松散，分选越好，
圆度和胶结程度越差时，n越大。
3.孔喉，孔腹：
孔喉：孔隙通道最细 小的部分
孔腹：最宽大的部分
孔喉对水流动的 影响更大，讨论孔隙 大小时可以用孔喉直 径进行比较。
4.影响孔隙大小的因素
水文地质学-第2章岩石中的空隙与水份
chd-qw
第二章 岩石中的空隙与水分
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chd-qw
第二章 岩石中的空隙与水分
16
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。三者定义也各不相同。 4、裂隙率和岩溶率可以直接评价赋水性，孔隙度加孔 隙大小才可评价。 5、孔隙度及其影响因素。 按岩层的空隙类型分为三种类型地下水：①孔隙水；② 裂隙水；③岩溶水。
§2.3 与水储容及运移有关的岩石性质
四、透水性 1、透水性：岩石允许水透过的能力叫做透水性。 2、定量指标：渗透系数 3、影响透水性的因素： 1）空隙的大小和联通情况，特别是最小空隙直 径的影响，平均孔隙直径。 2）孔隙度：粘土和砂砾石孔隙度的区别。 颗粒的分选性，决定孔隙的变化和曲折性。
chd-qw
水文地质学
第二章 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。
第二章 岩石中的空隙与水分
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在花岗岩闪长岩岩体边坡上，分布大量陡于80°倾角的 构造裂隙。
chd-qw
第二章 岩石中的空隙与水分
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§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 rock 2、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。
水文地质学基础(第六版)岩石中的空隙与水分
静电引力受2到021距/8/2离0 的影响，结合水的自由不同。
24
3、类型及特征：按牢固程度划分：
强结合水：
密度大于1，平均2g/cm3左右
冰点： -78 ℃
类似固体，不能流动。在温度105℃上才能以气态的形式脱离颗粒表面 溶解盐类能力弱、不能为植物吸收 有较大的粘滞性、弹性和抗剪强度 。
多少：裂隙率。线裂隙率：与裂隙走向垂直方向上单位长度内裂隙所 占的比例。 面裂隙率，体裂隙率。野外研究裂隙时应注意测定裂隙的方15 向、 宽度、延伸长度、充填情况等，这些影响水的运动。
各种岩石裂隙率数值表（变化范围）
岩石 名称
碎屑岩 化学岩 岩浆岩 变质岩 玄武岩 凝灰岩 现代火山岩
裂隙率 %
3-30 ＜1-30
持水性：岩石在重力释水后能在空隙中保持一定数量水的
性质。用持水度表示。
透水性：岩石允许让水通过的性质。用渗透系数或单位吸水
量表示。
2021/8/20
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容水度（Mc） 岩土完全饱水时所能容纳的水的体积与岩土体积的比值。若
以重量计，则称容水量。 容水度与孔隙度（裂隙率、岩溶率）相等。
Mc
(Vm V
毛细水 固态水 气态水
水文地质学 的重点研究
对象 23
一、结合水
1、概念：分布在颗粒表面受静电引力大于重力，而不能
在自身重力作用下发生运动的那部分水。
2、成因：
➢ 带电荷的颗粒表面，一般带负电，主要存在于细小空隙、裂隙； ➢ 极性分子水，水分子是偶极体，被吸入； ➢ 岩石颗粒周围水分子受到库仑力（静电引力）的作用。
四、地下水分类
按含水介质（空隙特征）分： 孔/t8w/2a0 sh sand and gravel in a gravel pit
水文地质学 第二章 岩石中的空隙与水分2.
对遇水膨胀的粘土来说，恰好相反，容水度会大于 原有的孔隙度。
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。
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。
水文地质学基础第3章_岩土中的空隙和水
胶结程度
胶结程度越好（胶结物越多），孔隙越小
颗粒形状
形状越不规则，棱角越明显，排列越疏松，孔隙度越大
粘土：直径<0.005 mm的土颗粒 粘性土颗粒细小，比表面大，连结力强；颗粒表面带电， 易连结形成粘粒团，构成颗粒集合体
颗粒集合体在重力作用下沉积，形成峰窝或絮状结构 粘土孔隙
结构孔隙—粘粒（集合体）之间的空隙 次生孔隙—节理、裂缝、虫孔、根孔等 粘土孔隙度常大于粗粒土
弱结合水的特点
密度大于1，为1.3~1.8 g/cm3 不受重力影响 可以从簿膜厚的颗粒向簿膜薄的颗粒方向移动， 但速度十分缓慢
溶解盐类能力较弱 冰点为-15 ℃ 有一定的粘滞性和抗剪强度 在一定条件下（饱水带）可传递静水压力 弱结合水的外层能被植物吸收利用
重力水
重力水：固体表层结合水层以外受重力影响大于固体表面 吸引力，在重力作用下运移 重力水具有非常重要的实用价值 地层岩石空隙中如存在一定的重力水，就可以通过泉，或 井流出（抽出），为人们所用 重力水是水文地质学研究的主要对象
水文地质学基础
第三章 岩土中的空隙和水
杨峰田 讲师 吉林大学环境与资源学院 yangfengtian@
2012年11月14日
提纲
岩土中的空隙 岩土中的水 与水有关的岩土性质 有效应力原理与岩土体变形破坏
孔隙度：定义
n V n 或 n Vn 100%
V
V
孔隙的多少：决定岩土储容水的能力，控制岩土滞留、释 出传输水的能力
本节小结
空隙空间的类型 岩土中水的存在形式 有效应力原理
思考题
孔隙度的影响因素有哪些？
Thanks for your attention！
毛细水
水文地质学基础--3.空隙与水
描述空隙的指标： 空隙的大小、多少（空隙率）、形状、方向性、连通情况等。
空隙的研究意义 水文地质意义：
➢ 岩土中的空隙是水的储容空间和传输通道; ➢ 空隙特征决定岩土储容、滞留、释出以及传输水的能力，是
认识岩土水理性质的基础; ➢ 对岩土空隙性的研究,是分析与地下水有关问题的出发点。
工程地质意义： ➢ 空隙发育的岩块和岩体易遭受风化，增强地下水的循环和联
第3章 空隙与水
3.1 岩土中的空隙
概述 孔隙
下面就以砂性土为例来分析影响孔隙大小和多少的因素
孔隙大小及其影响因素
孔隙大小影响岩土滞留、释出及传输水的能力！ 孔隙大小与颗粒大小的关系
岩石颗粒愈粗，孔隙愈大；颗粒愈细，孔隙愈小!
孔隙大小与排列方式的关系
D
d
立方体排列
➢ 立方体排列：d=0.414D ➢ 四面体排列：d=0.155D
裂隙 （ fractures ） 固结的坚硬岩石中，一般仅残存很小部分孔隙，
而主要发育各种内外力作用下产生的裂隙；
裂隙的分类 风化（卸荷）裂隙；
成岩裂隙；
构造裂隙。
裂 隙 的 方 向 、 宽 度 、 延伸长度、充填情况 等，对水的运动具有 重要影响.
溶穴（solution cavity）
可溶的沉积岩（岩盐、石膏、石灰岩、白云岩等）在地下水 溶蚀下产生的空洞。主要包括溶孔、溶隙、溶洞等。
毛细水的存在形式 ✓支持毛细水
在地下水面支持下存在，随地下水升降而升降。 毛细上升高度与水面上部的岩石孔隙性质有关。
✓悬挂毛细水
脱离水面，岩石细小孔隙中保留的水分，称为悬挂毛细水。 粗粒层和细粒层相间时，在一定条件下，由于上下弯液面的毛细力的作用， 在细土层中会保留与地下水不相连接的毛细水——悬挂毛细水。
水文地质学 岩石中的孔隙与水分
Vr Vr Kr 或n 100% V V
除了这种体积裂隙率，还可用面裂隙率 或线裂隙率说明裂隙的多少。野外研究 裂隙时，应注意测定裂隙的方向、宽度、 延伸长度、充填情况等
可溶的沉积岩，如岩盐、石膏、石灰岩 和白云岩等，在地下水溶蚀下会产生空洞， 这种空隙称为溶穴(隙)。 （1）岩溶率(Kk)：溶穴的体积Vk与包括 溶穴在内的岩石体积(V)的比值即为岩溶率 (Kk)。
Pz Pz P (u u)
4.1.3 溶穴
Vk Vk Kk 或n 100% V V
岩石中的空隙，必须以一定方式连接起来构
成空隙网络，才能成为地下水有效的储容空间 和运移通道。松散岩石、坚硬基岩和可溶岩石 中的空隙网络具有不同的特点。 松散岩石中的孔隙分布于颗粒之间，连通良 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。 赋存于其中的地下水分布与流动都比较均匀。 坚硬基岩的裂隙是宽窄不等，长度有限的线状 缝隙，往往具有一定的方向性。 按岩层的空隙类型区分为三种类型地下水— —孔隙水、裂隙水和岩溶水。
孔隙度：
Vn Vn n 或n 100 % V V
孔隙度是一个比值，可用小数或百分数 表示。 (1)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。 (2) 对于粘性土，结构及次生孔隙常是影 响孔隙度的重要因素。
构成松散岩石的颗粒均为等粒圆球； 当其为立方体排列时。可算得孔隙度为 47.64％， 为四面体排列时，孔隙度仅为25.95％。 由几何学可知，六方体排列为最松散排 列，四面体排列为最紧密排列，自然界 中松散岩石的孔隙度大多介于此两者之 间。
水文地质学 岩土中的空隙与水
>>空隙──岩、土中各种类型的空洞的总称。自然界中不含空隙的 岩石是不存在的。
>>介质──一种物质存在于另一种物质之中，后者就是前者的介质。 >>多孔介质──由固体物质组成的骨架和由骨架分隔成大量密集成 群的微小空隙所构成的物质。多孔介质的主要物理特征是空隙尺寸 极其微小，比表面积数值很大。多孔介质内的微小空隙可能是互相 连通的，也可能是部分连通、部分不连通的。
n 1 d s
即可获得岩石的孔隙度。
3.1.5 裂Байду номын сангаас(fissure, fracture)
>>固结的坚硬岩石中，一般仅残存很小部分孔隙，而主要发育 各种应力作用下岩石破裂变形产生的裂隙。
成岩裂隙 >>裂隙按成因分为：构造裂隙
风化(卸荷)裂隙 体积裂隙率
>>裂隙的多少以裂隙率表示： 面裂隙率 线裂隙率
3.1.2 岩石空隙的普遍存在
>>在地壳表层的岩石是多孔介质，在它们的固体骨架 间普遍存在着形状不一、大小不等、千差万别的空隙。
>>地壳表层普遍存在的岩石空隙为地下水的赋存和运 移提供了必要的空间条件。所以，地下水的赋存和运移 受岩石的空隙性质直接支配。
>>因此，为了研究地下水的赋存和运移情况，必须首 先对地下水的赋存环境──岩石空隙的性质加以研究。
3.1.3 岩石空隙的分类
>>各类岩石中的空隙千差万别，空隙性质也极不相同，其 本质决定因素是岩石空隙的成因。
>>根据空隙成因，可把岩石中的空隙分为三类： *孔隙(pore) ──主要存在于各种成因的松散沉积物； *裂隙(fissure) ──主要存在于各种非溶性坚硬岩石； *溶隙(cavity) ──主要存在于各种可溶性坚硬岩石。
>>介质──一种物质存在于另一种物质之中，后者就是前者的介质。 >>多孔介质──由固体物质组成的骨架和由骨架分隔成大量密集成 群的微小空隙所构成的物质。多孔介质的主要物理特征是空隙尺寸 极其微小，比表面积数值很大。多孔介质内的微小空隙可能是互相 连通的，也可能是部分连通、部分不连通的。
n 1 d s
即可获得岩石的孔隙度。
3.1.5 裂Байду номын сангаас(fissure, fracture)
>>固结的坚硬岩石中，一般仅残存很小部分孔隙，而主要发育 各种应力作用下岩石破裂变形产生的裂隙。
成岩裂隙 >>裂隙按成因分为：构造裂隙
风化(卸荷)裂隙 体积裂隙率
>>裂隙的多少以裂隙率表示： 面裂隙率 线裂隙率
3.1.2 岩石空隙的普遍存在
>>在地壳表层的岩石是多孔介质，在它们的固体骨架 间普遍存在着形状不一、大小不等、千差万别的空隙。
>>地壳表层普遍存在的岩石空隙为地下水的赋存和运 移提供了必要的空间条件。所以，地下水的赋存和运移 受岩石的空隙性质直接支配。
>>因此，为了研究地下水的赋存和运移情况，必须首 先对地下水的赋存环境──岩石空隙的性质加以研究。
3.1.3 岩石空隙的分类
>>各类岩石中的空隙千差万别，空隙性质也极不相同，其 本质决定因素是岩石空隙的成因。
>>根据空隙成因，可把岩石中的空隙分为三类： *孔隙(pore) ──主要存在于各种成因的松散沉积物； *裂隙(fissure) ──主要存在于各种非溶性坚硬岩石； *溶隙(cavity) ──主要存在于各种可溶性坚硬岩石。
水文地质学岩石中的空隙与水分
03
地下水资源保护
水文地质学在地下水资源保护方面也具有重要意义，通过研究地下水污
染源、污染物迁移规律等，提出有效的防治措施，保护地下水资源免受
污染。
地下水污染防治
污染源调查
水文地质学通过调查地下水污染 源，了解污染物的来源和排放量， 为制定有效的防治措施提供依据。
污染物迁移规律研
究
水文地质学研究污染物在地下水 中的迁移规律，包括污染物扩散 速度、范围等，有助于预测污染 发展趋势和制定应对措施。
。
溶洞
指地下水沿可溶性岩石的层面、节理或断层进行溶蚀和侵蚀 而形成的地下洞室。
空隙形成
天然形成
岩石在形成过程中，由于矿物结晶、沉积物堆积等自然作用形成的空隙。
构造运动
地壳运动过程中，岩石受到挤压、拉伸等作用力，形成裂缝或断裂，形成空隙。
溶蚀作用
地下水在可溶性岩石中流动，溶解岩石，形成溶洞等空隙。
空隙分布
和经济损失。
灾害治理与恢复
水文地质学在地质灾害治理和灾后恢复方面也发挥重要作用， 通过评估灾害影响范围和程度，提出有效的治理方案和恢复措
施，促进灾区的可持续发展。
05
未来研究方向
空隙形成机制研究
总结词
深入研究空隙的形成机制，包括其形成过程、影响因素和演化规律。
详细描述
空隙的形成与岩石的成岩环境、沉积作用、构造运动等密切相关。未来研究可以通过实验室模拟、数 值模拟和实地观测等方法，深入探究空隙的形成机制，为水文地质学提供更深入的理论基础。
水文地质学岩石中的空隙与水分
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目 录
• 岩石中的空隙 • 岩石中的水分 • 空隙与水分的相互关系 • 水文地质学应用 • 未来研究方向
《水文地质学基础教学课件》第二章 岩石中的空隙与水
➢ 2）体积含水量（Wv）：岩石孔隙中含水体积与岩石
总体积之比。 ➢ 3）Wg与Wv间的关系
WV
Vw V
100%
在水的比重为1时，若岩石的干容重（单位体积干
燥岩石的重量）为 ，则有： Wg· =Wv
➢ 4）饱和含水量、饱和差、饱和度的概念
▪
饱和含水量：孔隙充分饱水时的含水量，用Ws表
示。
毛细水 上细下粗土层与砂砾试样的例子？悬挂毛细水的高度
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是不同——？
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
2021/3/8
12
支持毛细水与悬挂毛细水
2.2.2 重力水
重力水（gravitational water; bulk water）
❖ 远离固相表面，水分子受固相表面吸引力的影响极
其微弱，主要受自身重力影响。在自身重力影响下可以
自由运动的水叫重力水
结合水与重力水
❖ 地层内岩石空隙中如果存在一定的重力水，就可以 通过泉，或井流出（抽出）
❖
重力水是水文地质学研究的主要对象，也是勘察的
Fundamentals of Hydrogeoloy
水文地质学基础
第二章 岩石中的空隙与水 （下）
The Interstices and Water in Rocks
主讲教L师OG：O张卫民
本章内容
2.1 岩石中的空隙 2.2 岩石空隙中的水 2.3 岩石的水理性质
2021/3/8
2
2.2 岩石空隙中的水
a) 支持毛细水（supporting capillary water ）
第三章岩土中的空隙与水分水文地质学基础
地下水下降速度的影响 地下水下降速度越快，滞留 于空隙中的水分越多，释出的水分越少，即给水 度越小；相反，下降速度越慢，空隙中水分能充 分释出，释出水越多，即给水度越大。 3、特征 地下水位下降，原先饱水带岩土空隙中的水只 释出一部分； 粉细砂仅能释出孔隙度的10%-30%； 结合水不释出，孔角毛细水不释出，地下水位 快速下降时，一部分水以悬挂毛细水形式滞留于 非饱和带。
第3节 与水的储容及运移有关的岩土性质
1、容水度 容水度 是指岩土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。 一般的容水度在数值上与孔隙度(裂隙率、岩溶率)相 当，但粘性土充水后体积扩大，容水度可大于孔隙度。 它也是小数，和孔隙度有相同的性质。
2、含水量 含水量 松散岩土空隙中所包含的水与岩土的比值。 重量含水量 松散岩土孔隙中所含水的重量与干燥岩土 重量的比值。 GW Wg (100%) GS 体积含水量 松散岩土空隙含水的体积与包括孔隙在内 的岩石体积的比值。
三种类型地下水：孔隙水、裂隙水和岩溶水。
矛盾1：如表3.1所示，颗粒小而孔隙度大， 这与我们说的孔隙度大小与颗粒大小无关 是不是矛盾？为什么？
矛盾2：计算得到最疏松土的孔隙度为 47.62%，但是为什么表3.1的粘土达到 70%，泥炭达到80%，这是为什么？
课后思考题
1.孔隙度大小和孔隙大小有什么区别和联 系？它们对地下水的赋存和运移有怎样的 影响？
地下水位变化引起岩土体位移破坏地下水位变化引起岩土体位移破坏自然界中的岩土体经常存在不连续面自然界中的岩土体经常存在不连续面例如裂隙断裂面潜在滑动面等当发例如裂隙断裂面潜在滑动面等当发生降水或河水水位抬升及一些人为原因如生降水或河水水位抬升及一些人为原因如水库蓄水时就能使得这些不连续面的地水库蓄水时就能使得这些不连续面的地下水位抬升这时孔隙水压力增加有效下水位抬升这时孔隙水压力增加有效应力就会降低不连续面的抗剪力降低应力就会降低不连续面的抗剪力降低岩土体可能因重力作用发生滑坡或崩坍作岩土体可能因重力作用发生滑坡或崩坍作
3第三章 岩土中的空隙和水
第三章 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snV 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）。
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本节小结
空隙空间的类型 岩土中水的存在形式 有效应力原理
思考题
孔隙度的影响因素有哪些？
Thanks for your attention！
毛细水
毛细水 支持毛细带 悬挂毛细带 孔角毛细水
气态水、固态水及矿物中的水
未饱和空隙：气ห้องสมุดไป่ตู้水，高水汽压力处向低水汽压力处运移 冻土：我国北方；东北、青藏：多年冻土 结晶水、结构水、沸石水
有效应力原理
有效应力增加：岩土压密、土体抗剪能力降低 引发地质灾害：地面沉降、砂土液化、滑坡等
裂隙和溶穴
固结岩石：发育裂隙，系在各种应力作用下破裂变形而成 可溶岩石：原有孔隙或裂隙，经地下水溶蚀，扩大为溶穴
岩石中水的存在形式
结合水
结合水：固相表面引力大于自身重力的水
重力水
重力水：固体表层结合水层以外受重力影响大于固体表面 吸引力，在重力作用下运移 重力水具有非常重要的实用价值 地层岩石空隙中如存在一定的重力水，就可以通过泉，或 井流出（抽出），为人们所用 重力水是水文地质学研究的主要对象
n Vn 或 n Vn 100%
V
V
孔隙的多少：决定岩土储容水的能力，控制岩土滞留、释 出传输水的能力
孔隙度：描述孔隙的多少 定义：单位体积岩土中孔隙所占的比例
孔隙度：影响因素
颗粒排列
立方体排列（n~48%）
立方体排列——最松散排列：n~48 四面体排列——最紧密排列：n~26 松散岩土孔隙度多介于二者之间
提纲
岩土中的空隙 岩土中的水 与水有关的岩土性质 有效应力原理与岩土体变形破坏
岩土中的空隙
地壳表层就像饱含水分的海绵 岩土空隙是地下水的储容空间和传输通道 决定着岩土储容、滞留、释放和传输水的性能 空隙类型：孔隙、裂隙、溶穴
孔隙
孔隙：岩层颗粒及颗粒集合体之间的空隙
孔隙度：定义
四面体排列（n~26%）
分选程度
沉积物分选较好
沉积物分选较差
分选越差（颗粒大小越悬殊）的松散岩土，孔隙度越小 分选性是影响粗粒土孔隙度的首要因素
胶结程度
胶结程度越好（胶结物越多），孔隙越小
颗粒形状
形状越不规则，棱角越明显，排列越疏松，孔隙度越大
粘土：直径<0.005 mm的土颗粒 粘性土颗粒细小，比表面大，连结力强；颗粒表面带电， 易连结形成粘粒团，构成颗粒集合体
颗粒集合体在重力作用下沉积，形成峰窝或絮状结构 粘土孔隙
结构孔隙—粘粒（集合体）之间的空隙 次生孔隙—节理、裂缝、虫孔、根孔等 粘土孔隙度常大于粗粒土
孔喉（直径为d）与孔腹（直径为D’）
不同排列方式下的孔喉
立方排列d=0.414D；四面体排列d=0.155D
孔隙大小对地下水运动影响很大 孔隙通道最狭窄部分称作孔喉，最宽大部分称作孔腹 孔喉对水流动的影响更大，讨论孔隙大小时可用孔喉直径比较