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：

V

V 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

s

n

V V =

ε 因为V=V n +V s ，所以n 与ε关系为：n

n

-=

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）。

表3–1 松散岩石孔隙度参考数值 （单位％）

粘土孔隙度较高的原因： a. 颗粒表面带有电荷，构成颗粒集合体，形成较大的结构孔隙； b. 粘性土中往往发育有虫孔、根孔、干裂缝等次生孔隙。 2．裂隙（裂隙crack ，fissure ，fracture ，小→大）和溶穴（溶隙：solution fissure ，vugular pore space ）（详见12章，13章）

坚硬固结岩石包括：沉积岩、岩浆岩、变质岩→岩石破裂变形产生裂隙。

裂隙按成因可分为：

a. 成岩裂隙––––岩石在形成时产生的裂隙（如玄武岩中的柱状节理）；

b. 构造裂隙––––构造运动中产生的裂隙；

c. 风化裂隙

––––风化作用产生的裂隙，主要分布在地壳附近。

d. 卸荷裂隙––––因天然地质作用或人为工程活动减载卸荷形成的裂隙。

溶穴（隙）––––可溶的沉积岩在地下水溶蚀下会产生空洞，这种空隙称为溶隙。 最常见的可溶岩石：石灰岩、白云岩等。

关于溶隙：大的溶洞宽度数十米，高度数十米，长达几－几十km ；小的溶洞直径仅几毫米。大小相差悬殊。

赋存于不同岩石中的地下水，由于其含水介质特征不同，具有不同的分布与运动特点。按岩层的空隙类型区分为三种类型的地下水––––孔隙水、裂隙水和岩溶水（以后讲）。

3．2 岩土中的水

地壳岩石中水的存在形式： 1．结合水

松散岩石颗粒表面、坚硬岩石空隙壁面→电荷→吸附水分子。离固相表面越近，吸引力越大，自内向外逐渐减弱：

结合水––––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。

这部分水被束缚于固相表面，不能在自身的重力下运动。

强结合水（吸着水）：不能流动，但可转化为气态水而移动。

弱结合水（薄膜水）：外层能被植物吸收利用。

结合水→具有抗剪强度。

2．重力水

重力水––––固体表面结合水层以外的水分子，受重力的影响大于固体表面的吸引力，在重力作用下运移的那部分水。

岩土空隙中的重力水能够自由流动。井泉取用的地下水，都属于重力水。

3．毛细水（毛管水）

毛细力––––产生毛细现象的力。

将一根毛细玻璃管插入水中，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。

松散岩石中细小的孔隙通道构成毛细带，在地下水面以上的包气带中广泛存在毛细水。 毛细水：

a. 支持毛细水：与地下水面相连；

b. 悬挂毛细水：与地下水面不相连（地下水面下降时）；

c. 触点毛细水：在颗粒接触点上。 4．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 液态水。 岩石温度<0℃，空隙中液态水→固态水。 我国北方冬季→冻土。

青藏高原部分岩石中的地下水多年保持固体→多年冻土。 存在于矿物结晶内部及其间的水––––沸石水、结晶水、结构水→加热时可从矿物中分离出去。

3．3 与水有关的岩土性质

岩石空隙的大小、多少、连通程度及其分布的均匀程度，对水的储容、运移有明显的影响。

1．容水度

容水度––––是指岩土完全饱水时所容纳的水的体积与岩土体积的比值。 一般在数值上容水度≈n 。 2．含水量（或含水率）（water content ）

对松散岩石而言，如Q 4、土壤等。

1）重量含水量(W g )––––岩土孔隙含水重量(Gw)与干燥岩土重量(GN)的比值，为重量含水量(Wg)。即：

s

w

g G G W =

（小数或%表示）→国外文献上常用g θ表示。 测定：a ．烘干称重法；b ．中子仪。