水文地质学基础--3.空隙与水

容水度（ Storativity ）
概念
容水度（ω）：指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。
影响容水度的因素
容水度的大小取决于岩土空隙的多少;
孔隙度n与容水度ω的关系
一般有： n = ω；
对于膨胀性粘土，充水后体积扩大，容水度可大于孔隙
度。
含水量（ Water/Moisture content）
孔腹
孔喉
描述孔隙的指标：形状、大小、多少、
连通与分布情况。
粒间孔隙 集合体之间孔隙
形状：孔喉、孔腹 大小：孔径
多少：孔隙度(porosity)
d‘
d
➢ 定义：是指某一体积岩石（包括孔隙在内）
中孔隙体积所占的比例，常用n表示。
水文地质（孔隙度）： n Vn
孔隙度与孔隙比的关系：
V
工程地质（孔隙比）： e Vn
自然界松散岩体孔隙度参考值
岩石名称
孔隙度 （％）
砾石 25-35
砂 25-50
粉砂 35-50
粘土 40-70
➢孔隙度与粒径有关？ ➢孔隙度超过最疏松排列的47.64%，可达70%？
与前面的分析矛盾！为什么？
粘性土的孔隙与孔隙度
粘土颗粒 ➢ 指直径<0.005(0.002)mm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，粘粒在悬浮、推移、互相接触时，易连结
➢ 可同时监测多达256个不同位置和不同深度的测点，表层探头 长15cm-70cm。
➢ TRASE的精度高达2％。 ➢ TRASE已经应用在工业、农业、
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
在裂隙基础上，水流对可溶岩进一步作用的结果——是扩大 了的裂隙；
空隙特征的比较
岩石中的空隙，连接成网络，成为地下水有效的储容空间
和运移通道。
含水介质——由各类空隙所构成的岩石称为含水介质。 含水介质分类：孔隙含水介质、裂隙含水介质、溶穴含水
介质；
含水介质空隙特征比较：
➢ 孔隙连通良好，分布均匀，在不同方向上，孔隙通道的大 小和多少很接近。地下水分布与流动都比较均匀。
特性：
✓介于固体与液体之间；
✓具有抗剪强度。
F
分类——强结合水（吸着水）和弱
结合水（薄膜水）
✓强结合水——水分子排列紧密，不 能流动，但可转化为气态水而移动；
r
✓弱结合水——水分子排列相对疏松
，可以从薄膜厚的地方向薄的地方运
动，可溶解盐类，外层可被植物吸收
利用，能够传递静水压力。
岩土空隙中的水 重力水（Gravitational water）
➢分选程度是影响孔隙度大小的主要因素，分选愈差，孔隙 度愈小！
排列方式与孔隙度的关系
θ
斯利赫特公式: n 1
6(1 cos ) 1 2 cos
θ为颗粒中心连线平面角的二面角。
➢ θ＝90º，理想最疏松排列（立方体）：孔隙度为47.64%；
θ＝60º，理想最紧密排列（四面体）：孔隙度为25.95%。
定义：是指在自身重力作用下能够 自由移动的那部分水。
在饱水岩层中，岩石空隙直径大 于2倍结合水厚度时，其中间分布 的水都是重力水。
它分布最广，是空隙中水的主要 存在形式，是供水、排水的主要对 象，也是水文地质研究的主要对象。
岩土空隙中的水
毛细水（Capillary water）
毛细现象
将一根玻璃毛细管插入水中， 毛细管内的水面即会上升到至一 定高度，这便是发生在固、液、 气三相界面上的毛细现象。
第3章 空隙与水（Voids and Water）
3.1 岩土中的空隙
概述 孔隙 裂隙 溶穴 空隙特征的比较
3.2 岩土中的水
结合水 重力水 毛细水
3.3与水有关的岩土性质
3.1 岩土中的空隙
概述
岩土——包括坚硬岩石及松散土类。 空隙——岩、土中各种类型空洞的总称。 空隙的类型：
孔隙（pore）——松散岩石（unconsolidated soil） 裂隙 (fissure) —— 坚硬岩石（hard rock） 溶穴 (cavity) ——可溶岩（dissoluble rock）
➢ 在实际中，天然砂砾石孔隙度一般介于两者之间。
排列愈紧密，孔隙度愈小!
其它因素与孔隙度的关系
➢颗粒的形状对孔隙度也有影响，颗粒形状愈不规则、 棱角愈明显，通常排列愈松散，孔隙度也越大。 ➢ 在自然界中，孔隙度的大小与沉积物的压密、胶结有 关。岩石的压密作用，往往促使松散沉积物颗粒进行重 新排列，而且逐渐趋向较稳定的、较紧密的四面体排列 ，孔隙度变小； ➢沉积较早或者埋藏在深部的沉积物，其孔隙度往往比 沉积较晚或者埋藏在浅部的沉积物的孔隙度要小一些。 ➢胶结作用由于胶结物不断充填孔隙，使得孔隙进一步 变小，孔隙数量变少，降低了岩石的孔隙度。
它是描述地下岩土实际含水状况的参数。
含水量的度量指标
重量含水量Wg
➢ 松 Gw散/ G岩S×石1孔00隙%中所含水的重量Gw与干燥岩石重量GS的比值。 Wg =
体积含水量WV
➢ 松 WV散=岩V石w/孔V×隙1中00所%含水的体积Vw与包括孔隙在内的岩石体积 V的比值。 ➢ 当水的比重为1，岩石的干容重为γa时： WV = γa﹒Wg
➢ 裂隙具有一定的方向性，连通性较差。地下水分布不均匀， 水力联系差。
➢ 溶穴大小悬殊且分布极不均匀。地下水分布与流动通常极 不均匀。
3.2 岩土中的水
岩土中水的存在形式 岩石空隙中的水 重力水（Gravitational water） 毛细水（Capillary water） 结合水（Bound water）
起来形成粘粒团，细小粘粒集合（团）构成颗粒集合体。 ➢ 集合体与集合体结合构成粘性土的沉积结构特征。
粘土孔隙 ➢ 粒间孔隙—粘粒之间的空隙； ➢ 结构孔隙—集合体与集合体之间的空隙； ➢ 次生空隙—虫孔、根孔、干裂缝等。
粘性土中的次生空隙——虫孔、根孔、裂缝等
粘性土中结构孔隙和次生空隙的存在，使得粘性土的孔隙率超 过理论最大值。
岩土中水的存在形式
岩土骨架中的水 （矿物结合水） 岩石中的水
岩土空隙中的水 高岭石：Al4(Si4O10)OH8 方沸石：NaAlSi2O6·H2O
以H+和OH离子的形式存
结构水
在于矿物结晶格架某一位 置上的水，称为结构水。
以水分子的形式存在于矿
结晶水 物结晶格架一定位置上的
水，称为结晶水。
沸石水 以水分子的形式存在于矿
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。
中子仪（neutral probe）
原理：应用氢原子对中子的慢化效应测定土壤含水量。 组成:中子源、慢中子检测器、计数器、电源等部分组成。 优点: ➢ 可以测量土壤从干燥至饱和范围内全部含水量; ➢ 原位测量土壤含水量; ➢ 可以测量任意土壤类型中沿土壤剖面不同深度的土壤含水量; ➢ 方法简便易行。 缺点: ➢ 中子仪测量土壤含水量是以中子源为球心的一个球体范围内土
Vs
e n 1 n
n e 1 e
孔隙与水实验通知
42111，5月2日，周四，5、6节； 42112 ，5月2日，周四，7、8节； 地点：水工楼105
复习：第2章 地球中水的分布与循环
2.1 地球中水的分布 2.2 地球中水的循环(水文循环与地质循环） 2.3 中国水资源概况 2.4 中国地下水概况
物结晶格包和结晶包之间
气态水 液态水
的水，称为沸石水。
重力水 支持毛细水 毛细水 孔角毛细水
固态水 结合水
悬挂毛细水 强结合水
弱结合水
石膏：CaSO4·2H2O、胆矾：CuSO4·5H2O、苏打：Na2CO3·10H2O
岩土空隙中的水 结合水（Bound water）
定义——附着于固体表面，在自身重力作用下不能自由移 动的水。
✓孔角毛细水
岩石颗粒接触处的孔隙形成弯液面，将水滞留在孔角上。
复习：第3章 空隙与水（Voids and Water）
3.1 岩土中的空隙
概述 孔隙 裂隙 溶穴 空隙特征的比较
3.2 岩土中的水
结合水 重力水 毛细水
孔隙与水实验通知
42111，5月2日，周四，5、6节； 42112 ，5月2日，周四，7、8节； 地点：水工楼105
颗粒排列愈紧密， 孔隙越小！
D
d
四面ห้องสมุดไป่ตู้排列
孔隙大小及其影响因素
孔隙大小与分选（充填）的关系
孔隙大小取决于细小颗粒所形成孔隙的大小。
孔隙大小与胶结程度的关系
胶结程度越好，孔隙愈小！
影响孔隙大小的因素
颗粒大小 排列方式 分选、充填情况 胶结情况
孔隙度(porosity)及其影响因素
孔隙的多少决定岩土储容水的能力。
3.3与水有关的岩土性质
3.3 与水有关的岩土性质
水文地质学中水理性质是指与水分储容、滞留、 释出与传输有关的性质。
容水度（Storativity） 含水量（ Water/Moisture content） 给水度（Specific yield） 持水度（Specific retention） 渗透性（Permeability）
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。
a
b
c
试样a：砾石 b：砂土 c：砂砾混合样，比 较a、b、c孔隙度的大小？
颗粒大小与孔隙度的关系
➢当砂样与砾石样都是等粒圆球,且排列方式相同时 ，n砾=n砂。 孔隙度与颗粒大小无关！
分选程度与孔隙度的关系
➢当砂样与砾石样混合时，砾石样中孔隙被砂样所充填,因此 孔隙度变小。
➢当粗细颗粒（等粒圆球）完全混合时，混合样的孔隙度： n混=n粗×n细。
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
饱和含水量Ws
➢ 孔隙充分饱水时的含水量，=容水度。
饱和差
➢ 饱和含水量与实际含水量之间的差值。
饱和度
➢ 实际含水量与饱和含水量之比。
a：骨架； b：水分；c：气体；
体积含水量：
Wv
b h
100 %
饱和含水量：
Ws
bc h
100 %
饱和度： b 100%
bc
土壤含水量的测定方法
➢ 称重烘干法（重量含水量） ➢ 中子仪 ➢ 时域反射仪TDR ➢ MP406 ➢ 石膏块
系，降低其力学强度，增加其透水性；一般来说，空隙率愈 大，岩块的强度愈低，塑性变形和渗透性愈大； ➢ 因此对岩土空隙性的全面研究，也是岩体力学和工程地质学 中的基本问题之一。
孔隙（Pores）
研究孔隙的介质
通常对松散岩石而言。
松散土体宏观上分为两类：砂性土与粘性土。 孔隙
孔隙的定义
颗粒或颗粒集合体之间的空隙。
体含水量的平均值,受影响球半径的限制,表层30cm难以得到正 确的测量值; ➢ 需要建立适合于当地使用的中子仪标定方程; ➢ 放射源
时域反射仪TDR（土壤水分测量Trase系统）
➢ TDR系统使用时域反射原理(基于电磁脉冲信号沿探针在土壤 中反射时间的长短,反射时间长短与介质中的水分含量有关)， 精确测量土壤的体积含水量。
小结
影响孔隙度大小的因素： ➢ 分选（影响砂性土孔隙度的主要因素）； ➢ 排列方式； ➢ 颗粒形状、压密作用以及胶结作用等； ➢ 结构孔隙及次生空隙（影响粘性土孔隙度的主要因素）。
思考题
➢试样a：砾石 b：砂土 c：砂砾混合样，比较a、b、c构 成的孔隙、孔隙度大小？ ➢孔隙大，孔隙度也大吗？ ➢请同学们联系实际，以洪积扇为例说明影响孔隙和孔隙度 大小的因素？