第五章地下水概论5.3-5.6

5.相关定义及概念
岩石—水文地质学中指坚硬的岩石及松散的土层。 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，决定着岩土储容、滞留、 释出以及传输水的性能。

孔隙 – 松散沉积物中的空隙; （第四纪地质学）
裂隙 – 坚硬岩石地层中的空隙; （构造地质学） 溶穴 – 可溶性基岩地层中经溶蚀后的空隙; （岩溶地貌学）
描述量 多少 n 形状 大小 分布规律 均匀 连通性 好
不具有方向性 小而均匀
多少：
度量指标：孔隙度（n）
（1）概念：某一体积岩土（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的 比例。 Vn
n V 100%
（2）研究意义（作用）：影响岩石储容地下水的能力的大小。
（3）测定方法： 砂、砾等松散岩土一般用注水方法，粘土遇水膨胀不能；
岩心中的空隙
钻探与采样
采样
孔隙（大型双环渗水试验，石羊河流域）
一、孔隙
1. 概念：存在于松散的或未完全胶结的岩土颗粒之间或颗 粒集合体之间的空隙。 2. 分布：最新沉积、新生界、主要在第四系沉积层中的碎 石土、砂土、粘土等，其次是胶结不完全的第三系或中生界部 分地层。如河边砂砾中存在的孔隙。 3. 特征：
本 节 课 内 容
5.3 岩土中的空隙
5.4 岩土中的水
5.5 与水有关的岩土性质 5.6 有效应力原理与岩土变形破坏
5.3 岩土中的空隙
1. 岩土空隙在地球上的分布：地壳表层十余公里，尤 其近1～2公里以内。
2. 岩土空隙的水文地质意义：是地下水的赋存场所和
运移通道。 3. 岩土空隙的描述：形状、大小、多少、分布规律和 连通性。 4. 岩土空隙的水文地质分类：松散岩土中的孔隙、坚 硬岩石中的裂隙、可溶岩石中的溶穴。
• 细小粘粒团构成颗粒集合体，可形成比颗粒自身还大的结构孔隙
• 集合体与集合体结合构成粘性土的沉积结构特征。
（2）粘土孔隙
粘性土：蜂窝、絮状结构，如同海绵
• 结构孔隙：集合体与集合体、粘粒与粘粒之间的孔隙。 • 次生孔隙：虫孔、根系孔、干裂缝等。
松散岩石孔隙度参考数值（据弗里泽等，1987）
岩石名称 孔隙度变化 区间 砾石 25%-40% 砂 25%-50% 粉砂 35%-50% 粘土 40%-70%
４．特征
描述量 形状 大小 多少
KV
分布规律
极不均匀
连通性
总体差，局部可以很好
有方向性 极不均匀
形状：有方向性，主要在裂隙基础上进一步溶蚀而成，所以具 有裂隙特征。 大小：极不均匀，暗河，主干溶蚀形成。 多少：岩溶率 分布：极不均匀（保留了裂隙特征）
Vk Kv V
连通性：总体上差，局部可以很好，形成溶穴含水系统。 找水就要找主干，但地质开采要避免碰到主干——暗河。
Smaller pores hold water with greater energy
土的最大毛细上升高度[据西林—别克丘林，1958]
毛细水类型：
2.毛细水类型：
1. 支持毛细水：下面有水面 的支持。图中井的左侧表示高水 位时砂层中的支持毛细水。 2. 悬挂毛细水：下部没有水 面支持。井的右侧表示水位降低 后砂层中的悬挂毛细水。 砾石层中孔隙直径已超过毛 细管，故不存在支持毛细水。 3. 孔角毛细水：包气带中颗 粒接触点上的毛细水。由于粗细 交替的地质条件和水位的变化而 形成将水滞留在孔角上。
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。
静电引力受到距离的影响，结合水的自由不同。
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 ℃
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， 土力学中也称不均匀系数。）
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。
对于粘性土，还与结构孔隙、次生孔隙有关。
颗粒排列——等径圆球最疏松与最紧密
立方体排列
四面体排列
不同颗粒大小的试样——孔隙度？
岩土中的各种空隙
分选良好， 排列疏松的砂
分选良好， 排列紧密的砂
具有结构孔隙的 粘土
经过压缩的粘土
具有裂隙的岩石
具有溶隙及溶穴的 可溶岩
孔隙（松散岩样）
IFC Hanford Formation Cores
Coarse-sand
Matrix-supported Open-framework
Hanford Field Test Site
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） 弱结合水（薄膜水）
及变形
（强结合水） 吸着水
紧束在土粒表面， 不能自由移动
吸附于吸湿水外部， 只能沿土粒表面做 微小的移动
土 土 粒 粒
二、重力水
• 重力水是指远离固相表面，水分子受固相表面吸 引力的影响极其微弱，主要受重力影响。重力影 响下可以自由运动 • 地层内岩石空隙中如果存在一定的重力水，就可
注：
（１）与粒径的关系不是粒径愈大则孔隙度愈大 （２）孔隙度超过最疏松排列的47.62％，达到70％
大小：
（1）研究意义（作用）：孔腹和孔喉，影响地下水的运动， 尤其是孔喉直径大小对地下水流动起关键性作用。 （2）影响因素：
颗粒大小：尤其是细小颗粒的大小，颗粒越大形成的孔隙 越大。 颗粒排列方式：理想等粒圆球状颗粒，颗粒直径为D，孔 喉直径为d 立方体排列时，d=0.414D 四面体排列时，d=0.155D。
结合水 （矿物表面结合水） 重力水 液态水 毛细水 固态水
水文地质学 的重点研究 对象
强结合水 弱结合水
岩土空隙中的水
气态水
存在形式：气态 固态 液态
设想实验：材料（玻璃珠子、细管）+水（水杯）
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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。
大小：大的有构造断裂带，小的要用显微镜看。具有级次，大构造断 裂带，次级------，再次一级------。 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， 裂隙含水系统。 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 向、宽度、延伸长度、充填情况等，这些影响水的运动。
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
的主要对象
重力水：
受重力支配不能为 土壤所保持的水分
三、毛细水
1.毛细现象：在液体表面张力作用下，毛细管中水位上升一 定高度的现象。 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。 毛细上升高度与毛管直径成反比。 松散岩石中细小的孔隙通道构成毛细管，∴在地下水面 以上的包气带中广泛存在毛细水。 结论：松散岩层的颗粒越粗，孔隙越大，则毛细上升 高度越小。
不同排列的试样——孔隙度？
理想最疏松孔隙为 47.62%， 最紧密排列孔隙为 25.95%。
D
d
D
d
立方体排列
四面体排列
粘性土的孔隙与孔隙度
（1）粘土颗粒
• 粘性土：土体颗粒直径﹤0.005mm
• 粘土由于颗粒细小，比表面积大，颗粒表面常带有电荷，所以连结力强 • 粘粒在悬浮推移互相接触时，就会连结起来形成“粘粒团”
5.5 与水有关的岩土性质
容水性：岩石能容纳一定数量水的性质。用容水度表示。 给水性：饱水岩石在重力作用下能自由排出一定数量水的
性质。用给水度表示。
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。
一、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。
孔隙大小的描述：孔喉 (d) d=0.414D 孔腹 (d’) d’=0.732D （立方体排列的理想等径园球颗粒）
孔隙大小的描述：孔喉 (d) d=0.155D （四面体排列的理想等径园球颗粒）
二、裂隙
1. 概念：岩石形成以后，由于各种内、外营力的作用，使 岩石遭到破坏而形成的空隙。 2. 分布：主要分布在固结岩层：沉积岩、变质岩、岩浆岩 等保留原来成岩孔隙，但主要是在后期应力作用下产生裂隙。 3. 分类：按成因分：
容重-比重法：细砂ห้องสมุดไป่ตู้先测岩土的容重r、比重

n (1 ) 100 % r

（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：n=47.62%; 最紧密排列：四面体：n=25.95%。（未涉及粒径大小，粒 径大小不同，但等粒状、排列方式相同时，孔隙度是相同 的） 颗粒分选程度：分选性越好，孔隙度越大；分选程度不好，大颗粒
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 。
弱结合水：
排列规则，密度大于1，为1.3~1.774g/cm3
在外力作用下可产生运动，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 弱结合水的外层能被植物吸收利用 。

对于粘性土：还与结构孔隙、次生孔隙有关。
孔隙与粒径关系
砾石（模型）
砂土样品
砂砾混合样品
松散土体宏观上可以分为2大类：砂性土与粘性土类
孔喉（直径为d）与孔腹（直径为D’）
通过孔隙通道中心切面图 假定颗粒为等粒球体（直径为D）作立方体排列
颗粒排列形式
立方体排列
四面体排列
立方体排列与四面体排列——孔腹和孔喉
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
2-5
2-5
1-12
4-40
50
成岩裂隙、 构造裂隙
三、溶穴
1. 概念：可溶岩石在地下水的溶蚀作用下形成。 必须在原有空隙、裂隙发育基础上产生的。
2. 分布：可溶岩的沉积岩，如常见的灰岩，白云 岩。 3. 种类：溶孔（压水试验，石灰岩的微空隙）， 溶蚀裂隙，溶隙，地下暗河。
溶穴（隙）
四、地下水分类
按含水介质（空隙特征）分： 孔隙水、裂隙水、岩溶水
Outwash冰水沉积 sand and gravel in a gravel砂、砾石 pit坑
Actual tortuous flow paths through the pore spaces
结构性孔隙
Limestone exposed in a road cut
Vm M c ( ) 100 % V
二、给水度（u） 地下水位下降单位体积时，释出水的体积和疏干体积的 比值。 反映饱水岩石在重力作用下所能排出的最大水的体积。 即当地下水位下降一个单位时，在重力作用下单位水平面 积岩石柱体中所能释放出的水体积。
成岩裂隙： 岩浆作用：侵入、喷出，冷凝收缩（岩浆岩）
成岩作用
沉积作用：固结、干缩 （沉积岩）。
岩浆岩最普遍，玄武岩（基性）柱状节理最有水文地质意义。
风化裂隙：风化作用 构造裂隙：构造应力作用 卸荷裂隙
４．特征
描述量 形状
有方向性
大小
相差悬殊 不均匀
多少
k
分布规律
不均匀
连通性
总体：不好 局部：好，主干断裂
水 井
砾石层
滴水 砂土
下雨 黄土
器皿 砾石
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思考： 1. 上细下粗土层，滴水，水停留在何处？ 2. 黄土层中挖平洞，下大雨后，洞内能否接到水？
四、气态水、固态水及矿物中的水
在未饱和水的空隙中存在着气态水。气态水可以随空气 或在水气压力差的作用下流动。
岩石的温度低于0℃时，液态水转为固态水。我国大部 分地区有季节性冻土。东北及青藏高原，有多年冻土，对工 程的破坏性比较强，融化时固态转为液态，体积变化。 矿物晶格内及矿物孔洞中的水，就是沸石水、结晶水及 结构水。方沸石（Na2A12Si4O12· 2O)中沸石水，在加热时可 nH 以从矿物中分离出去。
思考题：
（1）什么叫孔隙度？孔隙度大与孔隙大有区
别吗？
（2）粘性土孔隙度大——是含水层吗？
5.4 岩土中水的存在形式
沸石水：方沸石(Na2Al2Si4O12· 2O) nH
地 壳 岩 土 中 的 水
岩土“骨架”中的 水 （矿物结合水）
结晶水：石膏(CaSO42H2O)
结构水：高岭石(Al4[Si4O10](OH)8)