第二章-岩石中的孔隙与水分
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
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%？
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。
第二章 岩石中的空隙与水分(下)
三、持水性 1.持水性：饱水岩石重力释水后，由于分子力和表面引力 作用，使其空隙中保持一定水量的性能。，这部分水包括： 结合水、孔角毛细水和一部分悬挂毛细水。在数量上用持 水度衡量。 2.持水度（Sr）：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，即 重力作用下岩石空隙中所保持的水体积与岩石体积之比。 Sr=Wr/V Wr：重力作用下在岩石空隙中水的体积。 3. Sr大小影响因素： 松散岩石中Sr与岩石颗粒大小有关： a.细粒粘土：比表面积大，结合水含量大，Sr值大，有 时甚至Sr=C； b.粗粒砂： Sr值小，而砾石和具有宽大裂隙和溶穴的岩 石， Sr值微不足道。
二、含水性 1.含水性：松散岩石包气带中能滞留水分的性能。其数量多少用含水量表 示。 2.含水量：松散岩石实际保留水分的数量。 1）重量含水量（Wg）：松散岩石孔隙中所含水的重量与干燥岩石重量 的比值。 Wg=Gw/Gs×100% Gw：孔隙中所含水的重量；Gs：干燥岩石重量。 2）体积含水量（Wv）：含水体积与包括孔隙在内的岩石体积的比值。 Wv=Vw/V ×100% Vw：含水体积；V：岩石总体积。 3）Wg与Wv之间的关系：当水的比重为1，岩石的干容重（单位体积干 土的重量）为ra时，重量含水量与体积含水量的关系为：Wv=Wg· ra 4）饱和差：孔隙充分饱水时的含水量称作饱和含水量（Ws）。饱和含 水量与实际含水量之间的差值。代表空隙中未充水的部分有多少。 Ws-Wg（Wv） 5）饱和度：实际含水量与饱和含水量之比。表示岩石中充水部分占多少。 Wg（Wv）/ Ws
二、岩石空隙中的水
这是水文地质学研究的对象。 1.结合水：松散岩石的颗粒表面及坚硬岩石空隙壁面均 带有电荷，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。离固相表面很近的水分子受到的 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。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。此部分水束缚于固相 表面，不能在自身重力影响下运动。 1）强结合水：最接近固相表面的结合水。水分子排列 紧密，不能流动，但可转化为气态水而移动。 2）弱结合水：处于强结合水的外层，受到固相表面的 引力比强结合水弱。水分子排列不如强结合水规则和紧 密，溶解盐类的能力较低。弱结合水的外层能被植物吸收 利用。 结合水区别于普通液态水是它的强粘滞性和具有抗剪 强度，即必须施一定的力方能使其发生变形。
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。
《水文地质学基础》试题库及参考答案
第一章地球上的水及其循环一、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的比值。
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。
水文地质学第二章
第二章岩石中的空隙与水分学习目的和要求：了解岩石中空隙的类型，掌握孔隙度、孔隙比、裂隙率、岩溶率的概念。
了解结合水、重力水、毛细水的概念。
在与水的储容及运移有关的岩石性质一节中，掌握容水度、重量含水量、体积含水量、给水度、持水度的概念，相互间的关系及其影响因素，重点掌握给水度的有关概念。
理解太沙基有效应力原理。
2．1 岩石中的空隙岩石空隙可分为三类：（1）松散岩石中的孔隙；（2）坚硬岩石中的裂隙；（3）可容岩石中的容穴。
1．孔隙孔隙体积的多少可用孔隙度表示：孔隙度（n）——指某一体积岩石（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的比例。
孔隙比（ε）——指某一体积岩石内孔隙的体积（Vn）与固体颗粒体积（Vs）之比。
两者之间的关系为：ε=n/(1-n)影响因素：（1）分选程度；（2）颗粒的排列情况；（3）颗粒的形状；（4）胶结充填程度。
2．裂隙裂隙按成因可分为：（1）成岩裂隙；（2）构造裂隙；（3）风化裂隙。
裂隙的多少以裂隙率表示：裂隙率（Kr）——裂隙体积（Vr）与包括裂隙在内的岩石体积（V）的比值。
实际应用时，还用到面裂隙率，线裂隙率的概念。
另外，通过测定裂隙的几何参数→计算渗透张量K。
3．溶穴（溶隙）岩溶率(Kk)——指溶穴的体积(Vk)与包括溶穴在内的岩石体积(V)的比值。
自然界中岩石空隙的发育状况是复杂的。
岩石中的空隙以一定方式连接起来→空隙网络，成为地下水有效的储容空间和运移通道。
三种空隙网络具有不同的特点。
2．2 岩石中水的存在形式1．结合水结合水——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。
2．重力水重力水——重力的影响大于固体表面的吸引力，在自身重力下能运动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。
进一步分为：（1）支持毛细水；（2）悬挂毛细水；（3）触点毛细水。
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
第二章岩石中的孔隙与水分
第⼆章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。
水文地质学第二章
昆明理工大学国土资源工程学院 地球科学系
• 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
昆明理工大学国土资源工程学院 地球科学系
• 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。
昆明理工大学国土资源工程学院 地球科学系
昆明理工大学国土资源工程学院 地球科学系
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
地球科学系
• 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。
03岩石中的空隙
对坚硬岩体 ： 同松散层一样，但更取决于裂隙的几何结构特征：延伸 方向、宽度、密度、长度、连通性、充填物、裂隙面的粗 糙程度等。
表2-5 松散岩石渗透系数经验值
渗透系数可以通过达西试验、抽水试验、数值模 拟计算方法等求出。
般为最大簿膜水层厚度时的体积）。若以重量计，则称 持水量。 • 若空隙中除持有最大簿膜水外，还保持有一定量的悬挂 毛细水和孔角水，则称田间持水度或田间持水量。
以上三者之间关系可表示如下：
四、透水性
渗透系数（K）：水力坡降为1时的渗透流速（m/d）， K为衡量透水性能大小的指标。
影响渗透性大小的因素
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·nH2O)中沸石水，在加热时可以从矿 物中分离出去。
第3节 岩石的水理性质
• 一、 容水性 • 岩石能容纳一定数量水的性质。用容水度表示。 • 容水度（Mc） • 单位体积饱水岩石中所能容纳的最大水的体积。
• 坚硬岩石：既有孔隙，又有裂隙，如甘肃白垩 系岩石。
• 可溶岩里保留原来的裂隙，甚至有孔隙存在。
• 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。
• 六、地下水分类
• 按含水介质（空隙特征）划分： 孔隙水、裂隙水、岩 溶水
第二节 岩石中水的存在形式
一、水的存在形式及类型
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。
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
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• 岩石中的孔隙：
孔隙、裂隙、溶穴
• 岩石中水的存在形式
结合水、重力水、毛细水， 气态水、固态水及矿物中的水
图2-2 颗粒的排列形式(参照格雷通)
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第二章 岩石中的孔隙与水分
③试样的分选： 试样的分选是指样品的颗粒粒径的级配情况。 在颗粒成分累积曲线上，取累积含量为60％处的颗粒
直径 ，除以累积含量为10％处的颗粒直径 ，此系数可表 征松散岩石的分选程度。
试样颗粒粒径分布域大，试样的分选也就差，颗粒大小 越混杂，大孔隙易被小颗粒充填，样品的孔隙也就变小。 样品分选较差时，孔隙大小取决于充填大孔隙中实际构成 孔隙的细小颗粒的直径（如图2-1，3）。 ④颗粒形状及胶结充填情况等。（自学）。
• 岩石——在水文地质学中包括坚硬的岩石（基岩） 及松散的土层。
• 空隙——是指岩石（岩土）中各种类型的空洞的 总称。
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图2—1 岩石中的各种空隙〔据迈因策尔修改补充〕
1—分选良好，排序疏松的砂；2—分选良好，排列紧密的砂；3—分选不良 的，含泥、砂的砾石；4—经过部分胶结的砂岩；5—具有结构性孔隙的粘土；
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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。
b. 与分选有关：这点与上述讨论影响孔隙大小的原理相 同，图2-1—三种砂砾石试样的模型图，不难理解分选好 坏是影响孔隙度的主要原因。
比较一下：①砾石与②砂石的孔隙度大小。
③ 理想情况下砾石与砂石混合的试样孔隙度：
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n混合=n砾石×n沙石
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第二章 岩石中的孔隙与水分
c. 与颗粒形状、胶结充填情况有关： 颗粒形状与沉积物磨圆度有关，扁平装和棱角状的
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第二章 岩石中的孔隙与水分
一、孔隙
孔隙:松散岩石颗粒间的空隙.土体孔隙特征主要描述孔 隙的大小、多少、形状、连通性与胶结等。
松散土体宏观上可以分为两大类：砂砾石土和粘性土。 （1）砂砾石孔隙大小及其影响因素
首先，请大家比较以下三种砂砾石试样的孔隙大小 三种试样所构成的孔隙哪类大？哪类小？
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第二章 岩石中的孔隙与水分
孔隙的大小：可以用孔喉（d）和孔腹（d` ） 来定量表征。
理想条件下孔喉（d）、孔腹（ d` ）与构 成孔隙颗粒的直径有关，如图2-2理想等粒圆 球状颗粒，立方体排列条件下，有以下关系：
孔喉(d)与颗粒(D)的关系为： d = 0.414D 孔腹(d` )与颗粒(D)的关系为: d` = 0.732D
2020/5/18 a—砾石（模型） b—砂样 c—砂砾混合样
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我国土粒分级标准
颗粒名称
粒径/mm
颗粒名称
粒径
石块
>10
粉粒
石砾
粗粉粒
0.05 ～ 0.01
粗砾
10～3
细粉粒
0.01 ～ 0.005
细砾
3～1
黏粒
砂粒
粗黏粒
0.005 ～ 0.001
粗砂粒
1 ～ 0.25
细黏粒
<0.001
细砂粒
0.25 ～ 0.05
• 与水的储容及运移有关的岩石性质
容水度、含水量、给水度 持水度、透水性
• 有效应力原理与松散岩土压密
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第一节 岩土中的空隙
• 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1~2km以内，空隙分布较为普遍。按维 尔纳茨基（В．И．Вернадский）的形象说法， “地壳表层就好象是饱含着水的海绵”。
第二章 岩石中的孔隙和水分
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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。
颗粒容易形成架空状结构，造成颗粒；颗粒间发生胶 结或孔隙被充填，直接减少孔隙数量，使孔隙度减小。 d．自然界中松散岩石的孔隙度大小，可以参见表2-1。
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
a. 与排列有关：试样排列的紧密与疏松是影响孔隙度的重 要因素
由几何学可知，立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。理想最疏松排列孔隙度为47.64%，最紧 密排列孔隙度为25.95% 。（参照图2-2）
6—经过压缩的粘土；7—具有裂隙的岩石；8—具有溶隙及溶穴的可溶岩
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• 研究空隙的意义：空隙是地下水的赋存场所 （places）和运移通道（conduits）。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。
• 空隙依据成因分为三类，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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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？