3第三章 岩土中的空隙和水
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）。
第三章地下水分类及其特征
第三章地下水分类及其特征3．1 地下水分类地下水这一名词有广义与狭义之分：a. 广义地下水––––指赋存于地面以下岩土空隙中的水，包括包气带及饱水带岩石空隙中的水（subsurface water––––包括soil water和ground water）。
b. 狭义地下水––––指赋存于饱水带岩土空隙中的水（ground water）。
长期以来水文地质学着重研究饱水带中的重力水。
现在开始重视包气带水的研究。
因为人们认识到在“三水”（大气水、地表水、地下水）转化过程中包气带是必经之路。
由于埋藏条件，含水介质类型对地下水水量、水质的时空分布有决定意义，所以按埋藏条件和含水介质（空隙）类型对地下水进行划分：1．按埋藏条件：包气带水、潜水、承压水；2．按含水介质（空隙类型）：孔隙水、裂隙水、岩溶水；3．综合分类（见P27：表3–1地下水分类表）。
如：孔隙潜水，孔隙承压水。
大 气3．2 包气带与饱水带地下水面以上称为––––包气带，或非饱和带（unsaturated zone)。
地下水面以下称为––––饱水带，或饱和带（saturated zone ）。
地下水面输送水分，获得补给。
雨季，包气带中的水以下渗为主，雨后，通过蒸发与植物蒸腾向大气圈排泄。
包气带是饱水带与大气圈联系的必经之路。
饱水带通过包气带获得大气降水和地表水的补给，又通过包气带蒸发与蒸腾排泄到大气圈→参与水循环。
饱水带岩石空隙全部为液态水所充满。
水体是连续分布的，能够传递静水压力，在水头差的作用下，可发生连续运动。
饱水带中的重力水––––是开发利用或排除的主要对象。
书上内容：包气带水主要是土壤水和上层滞水。
(一)土壤水埋藏于包气带土壤层中的水，称土壤水。
主要包括气态水、吸着水、薄膜水和毛管水。
靠大气降水的渗人、水汽的凝结及潜水由下而上的毛细作用补给。
大气降水向下渗入，必须通过土壤层，这时渗入的水一部分保持在土壤层中，成为所谓的田间持水量(即土壤层中最大悬着毛管水含水量)，多余的部分呈重力水下渗补给潜水。
水文地质学基础岩土中的空隙和水
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
水文地质学试题库及参考答案
绪论一、名词解释1、水文地质学：水文地质学是研究地下水的科学。
它研究地下水与岩石圈、水圈、大气圈、生物圈以及人类活动相互作用下地下水水量和水质在时空上的变化规律，并研究如何运用这些规律去兴利避害，为人类服务。
2、地下水：地下水是赋存于地面以下岩石空隙中的水。
二、填空题1、水文地质学是研究地下水的科学。
它研究岩石圈、水圈、大气圈、生物圈及人类活动相互作用下地下水水量和水质的时空变化规律。
2、地下水的功能主要包括：资源、地质营力、致灾因子、生态环境因子、和信息载体。
三、问答题1、水文地质学的研究对象答：（1）地下水赋存条件；（2）地下水资源形成条件及运动特征；（3）地下水的水质；（4）地下水动态规律；（5）地下水与环境的相互关系；（6）地下水资源的开发利用。
第二章地球上的水及其循环一、名词解释：1、水文循环：发生于大气水、地表水和地壳浅表地下水之间的水文交换。
水文循环的速度较快，途径较短，转换交替比较迅速。
2、地质循环：发生于大气圈到地幔之间的水分交换3、径流：降落到地表的降水在重力作用下沿地表或地下流动的水流。
4、海陆之间的水分交换称为大循环，海陆内部的循环称为小循环。
二、填空1、自然界的水循环按其循环途径长短、循环速度的快慢以及涉及圈层的范围，分为水文循环和地质循环。
2、太阳辐射和重力水循环是水文循环的一对驱动力，以蒸发、降水和径流等方式周而复始进行的。
3、主要气象要素有气温、气压、湿度、蒸发、降水。
三、问答题1、简述水文循环的驱动力及其基本循环过程？水文循环的驱动力是太阳辐射和重力。
地表水、包气带水及饱水带中浅层水通过蒸发和植物蒸腾而变为水蒸气进入大气圈。
水汽随风飘移，在适宜条件下形成降水。
落到陆地的降水，部分汇聚于江河湖沼形成地表水，部分渗入地下，部分滞留于包气带中，其余部分渗入饱水带岩石空隙之中，成为地下水。
地表水与地下水有的重新蒸发返回大气圈，有的通过地表径流和地下径流返回海洋。
2、水循环对于保障生态环境以及人类发展的作用：一方面：通过不断转换水质得以净化。
水文基础知识点总结
水文地质学复习资料§1 绪论1、水文地质学是一门研究地下水的科学2、水文地质学的研究内容：研究地下水与周围环境（岩石圈、水圈、生物圈、大气圈）及人类活动的相互作用下，其水质、水量的时空变化规律；并研究如何运用这些规律兴利除害，造福于人类。
§2 地球中水的分布与循环1、水文循环是指发生于大气水、地表水和地壳岩石空隙中地下水之间的水循环。
大循环是指海洋或大陆之间的水分交换。
小循环是指海洋或大陆内部的水分交换。
2、地质循环是地球浅部层圈和深部层圈之间水的相互转化过程。
3、湿度：表示空气中水汽含量或空气干湿程度的物理量，是大气中的水汽含量。
有绝对温度、相对湿度、饱和差和露点等多种表示方法。
4、绝对湿度：表示某一地区某一时刻中的水汽含量，即单位体积空气中所含水汽的质量。
用重量表示时，符号记为m，单位为g/m3；用压力表示时，符号记为e，为空气中所含水汽分压，相当于水银柱高度的mm数或mba（1mba=102Pa），表示空气中水分的不饱和程度。
5、相对湿度：大气中实际水汽含量与饱和时水汽含量的比值，亦即绝对湿度与饱和水汽含量之比，数值上也等于实际水汽压与同温度下饱和水汽压之比值，即r（%）=e/E×100%=m/M×100%式中，f为相对湿度，以百分数表示，表示实际水汽压，单位为毫米隶柱；E为饱和水汽压、（同一温度下，水汽压的最大值）。
6、蒸发：是指常温下水由液态变为气态进入大气的过程，亦即温度低于沸点时，水分子从液态或固态水的自由面逸出而变成气态的过程或现象。
7、径流是指降落到地表的降水在重力作用下沿地表或地下流动的现象。
为水流的重要环节和水均衡的基本因素。
分为地表径流和地下径流。
8、水系是指汇流于某一干流的全部河流所构成的地表径流系统。
9、流域是指一个水系的全部集水面积，亦即地表水、地下水的分水岭所包围的集水区域。
10、分水线（分水岭）是指相邻两个流域之间地形最高点的连线。
水文地质学基础试题库(新)
第一二章绪论与地球中的水及其循环一、名词解释：1．水文地质学：水文地质学是研究地下水的科学。
它研究与岩石圈、水圈、大气圈、生物圈以及人类活动相互作业下地下水水量和水质的时空变化规律，并研究如何运用这些规律去兴利除害，为人类服务。
2．地下水：地下水是赋存于地面以下岩石空隙中的水。
3．矿水：含有某些特殊组分，具有某些特殊性质，因而具有一定医疗与保健作用的地下水。
4．自然界的水循环：自大气圈到地幔的地球各个层圈中的水相互联系、相互转化的过程。
5．水文循环：发生于大气水、地表水和地壳岩石空隙中的地下水之间的水循环。
6．地质循环：地球浅层圈和深层圈之间水的相互转化过程。
7．大循环：海洋与大陆之间的水分交换。
8．小循环：海洋或大陆内部的水分交换。
9．绝对湿度：某一地区某一时刻空气中水汽的含量。
10．相对湿度：绝对湿度和饱和水汽含量之比。
11．饱和差：某一温度下，饱和水汽含量与绝对湿度之差。
12．露点：空气中水汽达到饱和时的气温。
13．蒸发：在常温下水由液态变为气态进入大气的过程。
14．降水：当空气中水汽含量达饱和状态时，超过饱和限度的水汽便凝结，以液态或固态形式降落到地面。
14．径流：降落到地表的降水在重力作用下沿地表或地下流动的水流。
15．水系：汇注于某一干流的全部河流的总体构成的一个地表径流系统。
16．水系的流域：一个水系的全部集水区域。
17．分水岭：相邻两个流域之间地形最高点的连线。
18．流量：单位时间内通过河流某一断面的水量。
19．径流总量：某一时间段内，通过河流某一断面的水量。
20．径流模数：单位流域面积上平均产生的流量。
21．径流深度：计算时段内的总径流量均匀分布于测站以上整个流域面积上所得到的平均水层厚度。
22．径流系数：同一时段内流域面积上的径流深度与降水量二、填空1．水文地质学是研究地下水的科学。
它研究岩石圈、水圈、大气圈、生物圈及人类活动相互作用下地下水水量和水质的时空变化规律。
2．地下水的功能主要包括：资源、生态环境因子、灾害因子、地质营力、或信息载体。
地质学基础第三章岩土中的空隙和水
岩土中的各种空隙
E
F
岩土中的各种空隙
A
B
分选不良、含泥 砂的砾石
C
D
E
F
G
H
部分胶结的砂
一、孔隙
1、定义：
孔隙——松散岩土中颗粒（颗粒集合体）之间 的空隙。
孔隙度——指单位体积岩土(包括孔隙在内)中 孔隙体积所占的比例。
n Vn (100%) V
孔隙比——岩土中孔隙体积与固体体积的比值。
Vn (100%) n
然而，岩土的透水能力并不取决于平均孔隙直 径，而在很大程度上取决于最小的孔隙直径。 2、孔隙通道弯曲性
此外，孔隙通道愈弯曲，流程就愈长，流动阻 力愈大。
颗粒的大小与分选性，是通过响孔隙大小和通 道直径的沿程变化和曲折性影响透水性的。
第4节 有效应力原理与岩土体变形破坏
1.有效应力原理 有效应力原理是太沙基于1925年提出的，即
当砂土岩层和粘土层相邻时，抽取砂土层里面的地下 水，导致水位下降，相邻粘土层水会向砂层释水，这样 粘土层发生压密，导致粘性土骨架因压密而发生塑性变 形，当地下水位恢复后，粘性土不能回弹，从而导致不 可恢复的地面沉降。
释水速度的影响 均质的颗粒较细小的松散岩 石，释水比较充分，给水度才能达到其理论最大值。
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；
五、气态水、固态水及矿物中的水
在未饱和的岩土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。
岩土的温度低于0℃时，液态水转为固态水。 我国北方大部分地区有季节性冻土。东北及青藏 高原有多年冻土。
岩石中的空隙与水
μ变小。
悬挂毛细水似串珠状且连续分布的，孔角毛细水是孤立的
毛细水的存在形式
支持毛细水 悬挂毛细水
孔角毛细水
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？
小结：
岩石空隙中的水——有三种存在形式 三种形式的水有差异——与受力状态有关
自己总结、比较——加深理解
岩石中的空隙——思考题
1.什么叫孔隙度？孔隙度大与孔隙大有区别吗？ 2.坚硬的花岗岩、砂岩、灰岩的空隙特征有何异同 点？
本章内容
2.1 岩石中的空隙 2.2 空隙中的水 2.3 岩石的水理性质
2.2 空隙中的水
空隙中水的三种存在状态： 气态 液态 固态
空隙中水的三种存在形式：
结合水——（absorbed water, bound water） 重力水——（gravitational water;bulk water） 毛细水——（capillary water）
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）。
重力水
结合水与重力水
图中随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
图中箭头代表水分 子所受合力方向
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
R1
1 R2
)
当 R1 R2时
pc
2α R
半圆球形是任意液面的特殊形式，都可用拉普拉斯公式描述。
第3章 岩土中的空隙与水
选愈差，孔隙度愈小！
9
（2）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。
(a )
( b)
图3 颗粒的排列方式与孔隙度的关系 (a)-立方体排列(47.64%) (b)-四面体排列(25.95%)
3.3
与水有关的岩土性质
• 即水文地质学中水理性质：与水分储存、释出与运移有关的
性质。
3.3.1
容水度（反映岩石最大含水能力）—nr
•
• •
岩石能容纳一定水量的性能称为岩石的容水性。其度量 指标为容水度。 容水度：岩石完全饱水时，所能容纳的最大水体积与岩 石总体积之比。 孔隙度n与容水度nr两者有何关系?
c) 孔角毛细水（触点毛细水） 颗粒与颗粒之间相互接触，接触点附近孔径最小，形成孔 角毛细水。
24
25
孔角毛细水与悬挂毛细水 有何不同？ 孔角毛细水是孤立的，而 悬挂毛细水似串珠状且连 续分布的。
26
思考题：结合水、重力水和毛细水有何特点？
结合水束缚于固体表面，不能在自身重力影响下运动， 水分子排列精密、密度大，具抗剪强度； 重力水在自身重力下运动，不具抗剪强度； 毛细水受毛细力作用存在于固、液、气三相界上。
22
3.2.3
毛细水（capillary water） 1、基本概念
毛细现象：把细管插入水中，水上升至 一定高度停下来
毛细水受固体表面吸引力、液体表面张
力和液体重力的共同作用。毛细力是在
三相界面上弯液面引起的附加表面压力。 毛细管管径越小，毛细力越大，毛细上 升高度也越大。
23
2、毛细水的存在形式
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》课程笔记 (2)
《水文地质学》课程笔记第一章绪论一、水文地质学的研究对象1. 地下水- 定义：地下水是指在地表以下岩石空隙和土壤孔隙中储存的水。
- 特点：地下水具有隐蔽性、循环性、动态性、可再生性和不可替代性。
- 研究内容：地下水的水位、流量、水质、水温、化学成分、运动规律等。
- 分类：根据埋藏条件，地下水可分为潜水、承压水等类型。
2. 岩土- 定义：岩土是指地球表层及其内部的岩石和土壤。
- 特性：岩土的物理性质（如密度、孔隙度、渗透性）、化学性质（如酸碱度、氧化还原性）和力学性质（如抗压强度、抗剪强度）。
- 研究内容：岩土的结构、组成、分布、成因、水文地质特性等。
3. 水资源- 定义：水资源是指地球表层可供人类利用的水。
- 特点：水资源具有时空分布不均、可再生性和有限性。
- 研究内容：水资源的评价、开发、利用、管理和保护。
4. 水文地质环境- 定义：水文地质环境是指地球表层地下水、岩土、气候、生态等因素相互作用的综合体。
- 研究内容：水文地质环境的调查、评价、监测、预测和调控。
二、地下水的功能1. 供水- 地下水是重要的饮用水源，尤其在干旱和半干旱地区。
- 地下水供水稳定，受气候变化影响较小。
2. 农业灌溉- 地下水灌溉可以提高作物产量，保障粮食安全。
- 地下水灌溉系统简单，易于管理。
3. 生态保护- 地下水维持河流、湖泊、湿地等生态系统的稳定。
- 地下水是许多生态系统的重要补给来源。
4. 灾害防治- 地下水可以调节地表水循环，减轻洪水和干旱灾害。
- 地下水开采可以降低地面沉降和海水入侵的风险。
5. 工业生产- 地下水用于冷却、洗涤、制造等多种工业用途。
- 地下水的水质稳定，适合特定工业需求。
6. 科研价值- 地下水研究为地质学、气候学、生态学等领域提供重要信息。
- 地下水是研究地球历史和地质作用的天然实验室。
三、水文地质学发展简史1. 古代阶段- 早期人类对地下水的利用主要限于井、泉等自然出露点。
- 古代文明（如古埃及、美索不达米亚）已有简单的地下水开发利用技术。
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 ，inters pace ，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（porosi t y ）（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）。
工程地质与水文地质-第3章 水的地质作用--地下水
纯水无臭味，但当水中含有某些气体或有机质时就有了某种气味 （5）口味
主要决定于水中化学成分
三 地下水的物理性质和化学性质
（6）比重
地下水比重决定于水温和溶解盐类。溶解的盐分越多，比重就 越大。地下淡水比重常常接近于1 盐水的比重可用波美度来表示，即一升水含有10克氯化钠，则 盐度相当于1波美度。波美度与地下水比重之间的关系如下表：
量）
Vg
V
4 透水性
定义：透水性是岩石允许水透过的性能。
影响透水性的因素
孔隙大小的影响：当孔隙度一定而孔隙直径愈大，则圆管通道的数量愈 少，但有效渗流断面愈大，透水能力就愈强；
理想圆管状空隙中重力水流速分布 （阴线部分代表结合水，箭头长度代表重力水质点实际流速）
理想化孔隙介质
4 透水性
影响透水性的因素
水的波美度与比重的关系
三 地下水的物理性质和化学性质
（7）导电性 地下水的导电性取决于溶解于地下水中的盐量 Ke=1/R Ke为水的导电率； R为水的电阻率。 地下淡水的导电率为33×10-5至33×10-3之间
（8）放射性 由地下水中的气态镭射气（氡）及少量放射性盐量引起的
三 地下水的物理性质和化学性质
5 包气带
包气带分三带 中间带 过渡带，介于土壤水带和 毛细水带之间。厚度变化 大，从零米到几百米不等。 •中间带的土壤含水量，随 深度逐步降低。
5 包气带
包气带分三带
毛细带 由于空气和水界面上的表
面张力作用，水可沿地下水 面上升形成支持毛细水，在 包气带底部构成毛细水带。 毛细带内颗粒物大小不同， 毛细上升高度也各不相同， 因此毛细水带上缘常成不规 则形状。
水文地质学 岩土中的空隙与水
>>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》课程笔记
《水文地质学》课程笔记第一章绪论1.1 水文地质学的研究对象一、水文地质学的定义水文地质学是地球科学的一个分支，它主要研究地下水的性质、分布、运动、质量以及地下水与地质环境之间的相互作用。
它涉及地下水文、地质学、水化学、环境科学等多个领域，是解决水资源问题、地质灾害防治和环境保护的重要学科。
二、研究对象的具体内容1. 地下水：研究地下水的起源、形成条件、化学成分、物理特性、动态变化等。
- 地下水类型：如孔隙水、裂隙水、岩溶水等。
- 地下水运动：研究地下水的流动方向、速度、流量等。
2. 含水层与隔水层：研究含水层的分布、结构、渗透性、储水性能等。
- 含水层特性：包括含水层的岩性、厚度、连续性等。
- 隔水层特性：研究隔水层的分布规律和隔水性能。
3. 地下水循环：研究地下水的补给、径流、排泄等过程。
- 补给：降水、河流、湖泊等对地下水的补给。
- 径流：地下水在含水层中的流动路径和速度。
- 排泄：地下水以泉、井、河流等形式排出地表。
4. 地下水与环境：研究地下水与环境因素的相互作用，如地下水与土壤、植被、气候等的关系。
- 地下水与生态：研究地下水对生态系统的影响。
- 地下水与污染：研究污染物质在地下水中的迁移和转化。
1.2 地下水的功能一、水资源供给1. 生活用水：地下水作为饮用水源，其水质和水量对人类健康至关重要。
- 饮用水标准：研究地下水的质量标准，确保饮用水安全。
- 供水系统：探讨地下水开采、输送和分配的技术和设施。
2. 工业用水：地下水在工业生产中的应用，如冷却、洗涤、工艺用水等。
- 用水要求：不同工业对水质的不同要求。
- 废水处理：研究工业废水对地下水的影响及其处理技术。
3. 农业灌溉：地下水灌溉对农业生产的影响。
- 灌溉需求：研究作物对地下水的需求量。
- 土壤盐碱化：探讨地下水灌溉引起的土壤盐碱化问题。
二、生态环境调节1. 维持地表水与地下水的平衡：研究地表水与地下水的相互转化关系。
- 水量平衡：探讨降水、蒸发、地表径流和地下径流之间的平衡。
第三章 地下水
一、地下水及含水层
强结合水 结合水 弱结合水 毛细水 液态水 重力水 土中水 非结合水 气态水 固态水
1、毛细水 定义：存在于细小孔隙中（直径0.002～0.5mm）， 受毛细作用控制的水。毛细水上升高度与土粒大 小相关，细小的土粒，水位上升越高。P120表5-1 为土层毛细水通常上升高度。毛细水对工程建筑 意义： （1）产生毛细力。 （2）导致土内产生封闭气体。 （3）助长地基土的冻涨现象；地下室受潮；危害 房屋基础及公路路面；土的沼泽化、盐渍化。
2、重力水 、 定义：存在于较粗大孔隙中，在重力作用 下自由流动的水。 产生浮托力；孔隙水压力；潜蚀。 含水层：能够给出并透过相当数量的重力 水的岩层或土层。如碎石土、碎屑岩。 隔水层：不能够给出并透过相当数量的重 力水的岩层或土层，或给出并透过水的数 量微不足道的岩土层。粘土层、页岩
二、岩土的水理性质
上层滞水 包 气 带 水 饱 和 带 水
潜水面 潜水
承压水
二、潜水 定义： 定义：埋藏在地表以下第一个连续稳定的隔水层 以上，具有自由水面的重力水。 以上，具有自由水面的重力水。 1、潜水特征 、 （1）潜水面以上无稳定的隔水层存在，大气降水 ）潜水面以上无稳定的隔水层存在， 和地表水直接补给。水位受气象要素影响较大。 和地表水直接补给。水位受气象要素影响较大。 （2）潜水自水位较高处向水位较低处渗流。在山 ）潜水自水位较高处向水位较低处渗流。 脊地带潜水位的最高处可形成潜水分水岭。 脊地带潜水位的最高处可形成潜水分水岭。
2、地下水中主要气体成分
主要气体成分有：O2、N2、CO2及H2S。一般情 况下，地下水中气体含量在几毫克/升到几十毫克/ 升，可反映地球的化学环境。 地下水中CO2含量越多，则溶解碳酸盐的能力越 强，如地下水中含有CO2气体，水体会对钢筋混 凝土产生侵蚀。 3、地下水中的胶体成分与有机质 以碳、氢、氧为主的有机质，常以胶体方式存在 于水中。难以离子状态溶于水中的化合物，常以 胶体型式存在于水中，如Fe(OH)2。
03岩土中的空隙和水(2)
抽水引起地下水位下降，松散岩石将被压密，从而其孔隙度、给水
•当水位下降一个单位，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？
保留的水有： 结合水膜，孔角毛细水，有时有悬挂毛细水与支持毛细水。
20
均质土包气带水分分布
三、给水度（specific yield）—μ
2、影响μ值的因素
z 砾石、粗砂、细砂、砂砾混合样相比较，哪种试样给水度 大？
4
3.2.1 结合水（absorbed water, bounded water）
z 定义
附着于固体表面，在自身重力下不能运动的水，称为结合水。
即结合水具有一定的抗剪强度 ？抗剪强度的产生与大小与什么有关
结合水与重力水
z 成因
固相表面与水分子间存在静电引力相互吸引，其间引力大小服从库仑定律，随
离固体表面的距离加大而减弱，结合水的物理性质随之变化。内：强，外：
a) 岩性：对μ值的影响主要表现在孔隙大小与多少。 z 空隙大的样品，给水度大，μ≈n
砾＞粗砂＞… ＞粉砂——（与粒径有关） z 颗粒细小者，如粘土比表面积大，结合水与孔角毛细水残留
多，给水度很小。
21
22
2、影响μ值的因素
b) 地下水位初始埋深（H0） z 当地下水位初始埋深大于支持毛细水带高度时（H0>>hc） ,
3.3 与水有关的岩土性质
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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）。
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：swg 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。
2）体积含水量(W v )––––岩土孔隙含水体积(Vw)与包含孔隙在内的岩土体积(V)的比值，为体积含水量(Wv ）。
即：VV W wv =（小数或%表示）→国外文献上常用v θ或θ表示。
两者之间的关系：αγ⋅=g v W W （当水的容重为1时）。
其中：αγ––––为岩石干容重（密度）。
对于土壤来说，含水量也称为含水率，国际上一般用θ表示含水率（water content ），两者之间的关系为：γθθ⋅=g v3．给水度（yield of water ；specific yield ）给水度（μ）––––给水度是指地下水位下降单位深度时，因重力作用从单位水平面积岩土柱体（从地面到潜水面）释出水的体积。
表示：小数或%表示。
specific yield （给水度）：water drained from soil under gravity flow 。
测定：a ．实验室土柱排水法（高柱仪法）；b ．野外抽水试验法。
给水度的计算：As V⨯=μ（水位下降时，单位体积土体给出的水的体积） 实际情况下，当地下水位下降时，原先饱水带岩土空隙中的水，只能释出一部分。
一系列复杂因素影响水分的释出：首先，结合水不释出；其次，孔角毛细水也不会释出；第三，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给水度是潜水含水层的主要参数之一。
释水系数又称贮水系数(storativity)或弹性给水度（承压水）。
水头下降一个单位时，从单位面积含水层全部厚度的柱体中，由于水的膨胀和岩层的压缩而释放出的水量；或者水头上升一个单位时，其所贮入的水量。
它是表征含水层(或弱透水层)全部厚度释水(贮水)能力的参数。
影响给水度的因素：a. 岩性：粗颗粒，孔隙大，μ大，≈n；细颗粒，孔隙小，μ小；b. 初始地下水位埋藏较浅时：当s0<h c时，水位下降时，一部分重力水将转化为毛细水，从而μ偏小；c. 当地下水位下降速率大时，μ偏小；d. 重力释水滞后于水位下降，随时间的延续μ缓慢增大，释水比较充分时→理论最大值。
均质松散岩石给水度参考值（P22，表2–2）。
表3–2 常见松散岩石的给水度（Fetter，1980）4．持水度地下水位下降时，岩石中的水：a. 一部分在重力的作用下排出，数量指标→给水度；b. 另一部分在重力的作用下仍保持在岩石中，数量指标→持水度。
持水度（S r）––––是地下水位下降时，滞留于非饱和带中而不释出的水的体积与单位疏干体积比值。
μ、S r、n三者之间的关系：μ＋S r＝n5．渗透性岩土的渗透性––––指岩体传输水或其他流体(如油气)的性能。
定量指标––––渗透系数（K）。
影响透水性的因素，主要是孔隙的大小：a. 孔隙愈大，透水性愈强，K大；b. 孔隙愈小，透水性愈差，K小。
3．4 有效应力原理与岩土体变形破坏1．有效应力原理太沙基（Terzaghi, 1925）所提出的有效应力原理可以帮助我们分析地下水位的变动引起的松散岩石压密问题。
1）水能承受的应力相当于孔隙水压力u ：h u w ⋅=γ式中：u ––––为孔隙水压力；h ––––为AB 平面上水的测压高度；w γ––––为水的容重。
2）有效应力σ’实际作用于沙层骨架上的应力称为––––有效应力。
有效应力是岩土骨架所承受的应力。
在封闭(或相对封闭)条件下，上覆载荷的总应力（σ），由饱水岩土骨架应力(σ’即有效应力)与孔隙水压力（u ）共同承受∴ σ=σ’+uσ’=σ- u有效应力等于总应力减去孔隙水压力称为––––太沙基有效应力原理。
2．地下水位变动引起的岩土压密1）水头下降（孔隙水压力降低）→岩土压密。
a. 水头降低时，总应力σ不变；b. 孔隙水压力降低△u ；c. 有效应力增加△σ’；d. 原先由水承受的应力，部分地转移到砂层骨架上。
这样：σ＝(u －△u)＋(σ’＋△σ’)2）水头上升（孔隙水压力恢复）→砂层基本上恢复原状。
开采承压水或半承压水导致测压水位下降，孔隙水压力降低，有效应力增大，砂层骨架将发生压缩。
表现为轻微的地面沉降。
当测压水位恢复到原来高度时，孔隙水压力恢复，砂层和地面都将回弹；由于砂粒排列不可能完全回到原状，因此，砂层和地面不会完全回弹。
砂砾类岩土基本上呈––––弹性变形。
粘性土由于释水压密时结构发生了不可逆转的变化，即使孔隙水压力复原，粘性土基本上仍保持其压密状态。
粘性土––––以塑性变形为主。
水位降低→岩土压密→孔隙度、给水度、渗透系数等参数变小。
3.地下水位变化引起岩土体位移破坏岩土体存在不连续面(裂隙、断裂、潜在滑动面等)时，当孔(空)隙水压力增加，有效应力降低时，不连续面的抗剪(抗滑)力降低，岩土体可能因重力作用，发生滑坡或崩塌等。
思考题1.为什么图3.2b不能代表粗粒土最小孔隙度?颗粒大小对于孔隙度有无影响?为什么?2.自然界中接近等粒、分选良好的砂，孔隙度大致范围如何?为什么?3.假定图3.2a的孔隙中充满立方体排列的等粒圆球状小颗粒，其孔隙度是多少?4.为什么孔喉对水的滞留、释出及传输，影响更大?5.试分析松散沉积物颗粒大小及分选程度对其渗透性的影响。
6.图3.5b为什么会形成悬挂毛细水?7.为什么给水度不是一个确定值?8.什么情况下，给水度才基本上等于空隙度?9.孔隙？10.孔隙度?11.孔隙比？12.成岩裂隙？13.构造裂隙？14.风化裂隙？15.卸荷裂隙16.结合水？17.重力水？18.毛细水？19.容水度？20.重量含水量？21.体积含水量？22.给水度？23.持水度？24.岩土的渗透性？25.有效应力？26.岩石空隙可分为非固结岩石中的、坚硬固结岩石中的和可溶岩石中的。