第二章 岩石中的空隙与水分

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）
2.2.2 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
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
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。
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
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。
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）
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

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。
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
2.1.1 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

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

（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。
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。
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。
均质砾μ=23%± ，粗沙μ=27%± 粗砾μ=22%±
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）。
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

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。
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
粘土孔隙
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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）。
2.2.1 结合水（absorbed water,bound water）