第二章 岩石中的空隙与水分

孔隙大小特征的描述：孔喉(d)d=0.414D 孔腹(d’)d’=0.732D
(上述为：立方体排列的理想等径园球颗粒）
松散砂砾石孔隙大小与分选的关系—好、坏？
立方体排列与 四面体排列
（2）砂砾石的孔隙度（poorrosity）及其影响因素

？问题：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 完全混合试样时，孔隙度n混=n砾×n砂
2.1.1 孔隙（pore,void）
1.定义：松散岩石（洪积物、冲积物、黄土等）中颗粒 之间的空隙。
2.表示方法：孔隙度n
Vn：空隙体积，V：岩石体积
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。 V
n
n
V
100%
土体孔隙的描述有：孔隙的大小，多少，形状，连通与分布 松散土体宏观上可以分为2大类：砂性土与粘性土类
一、 溶水性：
常温常压下，空隙中能容纳水的性质（反映岩石最大含水 能力）。溶水度是指岩石完全饱水时，所能容纳的最大水体积 VW 与岩石总体积之比。
wp
孔隙度——n;容水度——wp
V
100%
？两者有何关系
二、含水量w ：
松散岩石实际保留水分的状况（是某岩样某时的含水状态） 又称岩石的天然含水量。 重量含水量Wg ：松散岩石孔隙中所含水的重量 Gw 与干 燥岩石重量Gs 的比值。 体积含水量 Wv ：含水的体积 Vw与包括孔隙在内的岩石 体积V 的比值。 饱和含水量Ws ：孔隙充分饱水时的含水量。饱和含水量 与实际含水量之间的差值称为饱和差。实际含水量与饱和含水 量之比称为饱和度。
冲积物 经由河溪或其他流动水 体所沉积的黏土、粉砂、 砂、砂砾或相似的松散 物质。
洪积物：由于经受—定 的流水搬运，所以其砾 石有一定的磨圆，堆积 物质有一定的分选，但 磨圆度及分选性均不好；
洪积物的层理不明显， 由洪积扇顶部到扇缘部 分总的趋势是沉积物有 粗变细，透水性由强变 弱，地下径流由好变差。
μ是一个重要参数。因介质不完全是均质的，大孔先 释水，而细孔后释水，故有滞后现象。一般粗粒介 质μ大。
均质土包气带水分分布
粘土μ=50%±，中沙μ=26%± 中砾μ=23%± ，粗沙μ=27%± 粗砾μ=22%±
2.2.2 重力水（gravitational water ; bulk water）

在自身重力作用下，能运动的那部分水。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。
？无重力作用下水的存在？如在太空瓶中的水分布、 受表面吸引的作用液态水的特征

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 主要对象
毛细力的产生： 是在三相界面上内弯液面引起——液面弯曲产生的。 毛细力的方向：作用方向始终指向弯曲液面的凹侧

凹凸弯液面是指相对于液相一侧而言的 凹形弯液面—负的毛细压强---如同真空吸力 凸形弯液面—正的毛细压强（positive）

毛细力的大小： 毛细力大小与弯液面的曲率成正比（曲率大,毛 细力大;曲率小，毛细力小）
2.2.1 结合水（absorbed water,bound water）

定义：由于静电引力而吸附在固体颗粒表面的水。 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
？抗剪强度的产生、大小与什么有关


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）
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？ 3）试总结砂砾类土体的孔隙形状特点，并加以概化 （图示）。 3）坚硬的花岗岩、砂岩、灰岩的空隙特征有何异同 点？（可以通过查阅资料和文献回答）
2.2 岩石中水的存在形式
水文地质学重点研究的对象是岩石空隙中的水

裂隙：空间形态是两向延伸长，横向延伸短的“饼状”空 隙 单个裂隙是孤立的 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

泥岩中的裂隙
灰岩中的裂隙
砂岩中的卸荷裂隙
层间错动带
按性质划分：
张裂隙：延伸不远，裂隙面粗糙，含水性好。 剪裂隙：在剪应力作用下一般成“X”状，开启差，含水性差， 当再次构造运动后新形成复合裂隙，含水性好。 断层： 含水性好，压性断层差些。 节理、劈理：只在局部出现，连通性差，含水差 风化裂隙： 由风化程度而决定其含水性。
三、给水度μ
若使地下水面下降，则下降范围内饱水岩石及相应的 支持毛细水带中的水，将因重力作用而下移并部分地从原 先赋存的空隙中释出 1、定义：当地下水位下降一个单位高度时，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。
?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？ 结合水(膜)，孔角毛细水，有时悬挂毛细水与支持毛细水

（请自己推导证明） 影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度。
不同颗粒大小的试样——孔隙度？
3. 测定方法：浸水法
V1 V
V2
4、用途：平原地区找水，计算储水量，一般空隙的体积近似 等于储水体积。 5、经验值：砾石25%~40% 沙 25%~50% 粉沙35%~50% , 粘土40%~70% 为什么粘土n值大而没有地下水可用？因存在大部分结合水。
4. 测定方法：体裂隙率采用蜡封水浸法；线、 面裂隙率采用实测统计法。在测定时要注 意裂隙的走向，延伸方向及宽度，对地下 水运动有重要意义。 5.影响因素：岩石的性质，受力情况等。 6.用途：基岩地区找水，矿区防治水等。
2.1.3溶穴（solution cavity）cavern
在裂隙发育基础上，水流对可溶岩进一步作 用的结果——是扩大了的裂隙。在可溶岩地区， 以溶蚀为主的地质作用下，形成暗洞、溶洞、溶 孔、漏斗等各种形态的总称为岩溶地貌（喀斯特 地貌）。
3.表示方法： 体裂隙率 ,
Vr k r 100% V
Vr：裂隙体积， V：岩石体积
面裂隙率（单位面积上裂隙的面积）
ka
b l
F
i i
100%
F
b
bi —i条裂隙宽度 Li —i条裂隙长度 F—裂隙面积 L
线裂隙率（垂直裂隙走向单位长度裂隙的宽度之和）
kl
wk.baidu.com b 100%
i
l
体裂隙度在实验室的较多，后两者在野外用的比较多。
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
问题：粗细不同的吸管，将它们的一端浸入水中，看一看有 什么现象发生？管径越小，毛细力越大；反之亦然
毛细力大，毛细上升高度也越大
2、毛细水的存在形式：
a)支持毛细水（supporting capillary water） 在地下水面支持下存在的（附着水面上的），随地下水 升降而升降。上升高度与水面上部的岩石孔隙性质有关。 b)悬挂毛细水（suspension capillary water） 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。？悬挂毛细水的高度 思考：一个等径园管，如果支持毛细水高度为hc，悬挂毛细水
2.2.3毛细水（capillary water）
1、基本概念
毛细现象：
①根据细小管插入水中，水上升至一定高度停下来 ②在土层中挖个洞，在洞内放个接渗皿，能否接到 水？—北方地窖，陕北的窑洞 问题：盆架上搭一条干毛巾，下端浸在水里，过一 会儿，有什么现象发生？这是怎么回事？ 毛细力：毛细水受到表面吸引力、重力，还有另一 种力—称毛细力的作用，产生毛细现象 分类：支持毛细水、悬挂毛细水（过路毛细水）、 角孔毛细水。农田保墒，盐碱化等都是因毛细水 导致。

空隙分为：
1.孔隙（pore）--unconsolidated soil--（第四纪地质学） 2.裂隙（fissure）--hard rock---（构造地质学） 3.溶穴（cavity）--dissoluble rock--（岩溶地貌学） 《工程地质学》是从土层的物理力学指标（性能）来讨论，如 土的压缩性或强度变形。 下面以孔隙为例，讨论描述空隙特征的有关概念，参数（指标） 和分析方法。
粘土孔隙
• • •
松散孔隙 |粘土孔隙 |裂隙溶隙
2.1.2 裂隙（fissure fracture）
1.定义：由于内外地质营力的作用，而使岩石发生破坏的现象 的总称。固结的坚硬岩石中，一般仅残存很小部分孔隙， 而存在有各种内外力作用下产生的裂缝（缝隙）。 2.分类：按所受作用力的形成过程分：成岩裂隙（岩浆冷凝收 缩）、构造裂隙（断层）、风化裂隙（外力地质作用）。
第二章 岩石中的空隙与水
The Interstices and Water in Rocks
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 2.4 有效应力原理与松散土压密
2.1岩石中的空隙
岩石——水文地质学中指坚硬的岩石及松散的土层 空隙——岩、土中各种类型的空洞的总称 空隙—是地下水赋存场所（places）和运移通道（conduits）
2.1.1 孔隙——粘土
粘性土的孔隙与孔隙度
粘土颗粒
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粘性土是指土体颗粒＜0.005mm的直径 “粘性土由于颗粒细小，比表面积大，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” 细小粘粒集合（团）构成（称为）颗粒集合体。 集合体与集合体结合构成粘性土的沉积结构特征
粘性土如同海绵、峰窝或絮状结构 结构孔隙——集合体与集合体、粘粒与粘粒之间 次生孔隙——虫孔、根系孔、裂隙裂痕等
太空鸟瞰世界大河:西藏雪山山麓冲积平原呈完美扇形
（1）、砂砾石孔隙大小及其影响因素

试样a—砾石(模型)，试样b—砂土样品，试样c— 砂砾混合样品 颗粒大小----有关？
?提问：试样a与b构成的孔隙哪种大？哪种小？

简单归纳---砂砾石土孔隙大小与什么有关？
颗粒大小、排列——立方体或四面体、分选、胶 结与充填等