第2章 岩石中的空隙和水
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2.1 岩石中的空隙
2.2 岩石中水
2.3 与水有关的岩石性质 2.4 有效应力定律
2.2.1 岩石中水的分类
1、存在状态：气态 2、存在形式： 固态 液态
沸石水 矿物结合水 结晶水 结构水 结合水 空隙中的水 重力水 毛细水
2.2.1 结合水
1、定义： 由于固相颗粒的吸附作用附着于颗粒表面，在自身重 力下不能自由运动的水。
存在形式： a、矿物结合水
沸石水 结晶水 结构水
b、空隙中的水
结合水 毛细水 重力水
第二章 岩石中的空隙和水
2.1 岩石中的空隙
2.2 岩石中水
2.3 与水有关的岩石性质 2.4 有效应力原理
2.3 与水有关的岩石性质 （岩石的水理性质）
岩石的水理性质是与水的储容、滞留、运移及释出有
2.2.4 毛细水
1、定义：
岩石细小孔隙中，在毛细力和重力共同作用下与岩石颗粒相结合的 具有一定流动性的水。
2、特定：
处于结合水和重力水之间的过渡类型
3、影响因素：
岩石颗粒大小
4、工程意义：
建筑物地下结构的防潮，地基土的防潮和冻胀
2.2.4 毛细水
5. 毛细水的存在形式（分类）
a) 支持毛细水
在毛细作用下，水从地下水面沿着岩石小孔隙上升一定高度，在地 下水面支持下存在的（附着水面上的）毛细水。 特点：该毛细带的水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。
2.3.2 含水量
1、定义：
重量含水量：岩石空隙中所含水分重量与干燥岩石重量比值。
体积含水量：岩石中所含水的体积与包括空隙在内的岩石体积的比 值。当岩石饱水时，该值等于容水度。
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的比值。
2、实质：
岩石空隙中所反映岩石样实际保留水分的状况
2、特点：
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。
重力影响下可以自由运动。
能够传递静水压力。
3、影响因素：重力、水压（水头） 4、工程意义：基坑排水，地下工程
2.2.4 毛细水
毛细现象（毛细管作用）：
指液体在细管状物体内侧，由于固体的管内壁对液体的附着力和内 聚力之间差异，造成的液体克服重力而上升（或下降，取决于液体的种 类）的现象。
2.3.5 渗透系数
1、定义：
单位水力梯度下，通过单位过水面积的水的体积。 2、实质：
岩土透过水或其他流体的性能；或者是流体通过孔隙骨架的难易程度。
3、影响因素：
岩石的空隙性质：空隙的大小、多少 水的物理性质：容重，粘滞性
岩石空隙越大越多——透水能力越强——渗透性越好
第二章 岩石中的空隙和水
Vn n 100 % V
岩石名称 孔隙度n（%） 砾石 27 粗 砂 40 细 砂 42 砂质粘土 47 粘 土 50 泥炭土 80
2.1.1 孔隙
2. 孔隙度的影响因素
a. 与颗粒排列有关； b. 与颗粒分选有关（颗粒均匀程度）：分选差时n小，大 小混杂时n小； c. 与颗粒形态（棱角）有关：棱角多、松散的，n大； d. 胶结充填：充填物多时n小； e. 结构及次生裂隙：粘性土中有结构孔隙和虫孔、根孔 等次生裂隙，均使n增大； 影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度。
2.1.1 孔隙
孔隙度与颗粒分选性之间的关系
2.1.1 孔隙
孔隙度与颗粒结构和次生裂隙之间的关系 （对于粘性土（粒径小于0.005mm）而言）
由于粘性土颗粒表面带有电荷，且由于颗粒较小，比表面积大， 连结力强，其在沉积环境中往往形成蜂窝状，海绵状，以及絮状的架 空的颗粒集合体，形成大于颗粒尺寸的空隙（结构孔隙）。同时粘性 土还具有虫孔、根孔等次生裂隙，也能增加粘性土的孔隙度。
溶蚀裂隙：溶孔、溶隙、溶洞等
2. 岩溶岩体描述：
a. 岩溶发育方向（构造条件和地下水运动方向控制） b. 溶蚀率(岩溶率Kk)——钻孔岩溶发育程度
c. 溶洞（方向、规模等）
2.1.4
空隙特征的对比
1、含水介质（介质场）
由各类空隙所构成的岩石称为含水介质。不同含水介质 的空间分布与连通特征的差异较大。 松散岩石中的孔隙连通性好，分布均匀，其中的地下水 分布与流动比较均匀。 坚硬基岩中的裂隙，连通性较差，分布不均匀，宽窄不 等，多具有方向性，其中的地下水相互关联差，分布流 动不均匀。 可溶岩石中的溶穴是一部分原有裂隙与原生孔缝溶蚀而 成，大小悬殊，分布不均，其中的地下水分布与流动多 极不均匀。
亚粘土 亚砂土 黄土状亚粘土 黄土状亚砂土 粉 砂
中细砂 中 砂
中粗砂 粗 砂
粘土胶结的砂岩 裂隙灰岩
粉细砂
为什么？
2.3.4 持水度
1、定义：
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（非饱和带）的水量。表示为Sr。
2、实质： 岩石的持水能力——最大保持水分的能力。 思考：1、给水度、持水度、空隙度之间的关系？ 2、岩石持水度的影响因素有哪些？
地下流体观测
开课：地下水科学与工程教研室 主讲：廖欣
第二章 岩石中的空隙和水
2.1 岩石中的空隙
2.2 岩石中水的存在形式
2.3 与水有关的岩石性质 2.4 有效应力原理
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、土体中各种类型的 空洞的总称。 岩石空隙—是地下水赋存场所 和运移通道。
2.1 岩石中的空隙
2.2 岩石中水
2.3 与水有关的岩石性质 2.4 有效应力原理
3.4 有效应力原理
1、原理：
有效应力（Pz）等于总应力（P）减去 孔隙水压力（u）。
2、相关定义
有效应力：岩石骨架所承担的应力。 Skempton系数：B = u/P
3.4 有效应力定律
3、工程意义
b) 悬挂毛细水
脱离水面，由于上部细小颗粒介质的毛细作用而悬挂在地下水面以 上的毛细水。
c) 孔角毛细水
保留在岩石颗粒接触处的毛细水。
悬挂毛细水似串珠状且连续分布，孔角毛细水孤立分布。
2.2.4 毛细水
支持毛细水 悬挂毛细水
小结
存在状态：
气态 固态 液态
各种形式的水存在于 实际地层中的什么部 位？
2.2.2 结合水
3、影响因素
岩石颗粒大小
颗粒越小——比表面积越大——结合水含量越高
温度 压强
在特定压强和温度的作用下，结合水可以转化为自由水。
4、工程意义：
松散岩石的工程基坑稳定性问题
2.2.3 重力水
1、定义：
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。实际的岩层中，重力水位于地下水面以下。
2.1.4
空隙特征的对比
2、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。 空隙率：孔隙介质最大，裂隙最小。 渗透性：孔隙介质为各向同性，裂隙与溶穴为各向异 性造成
第二章 岩石中的空隙和水
2.2.1 结合水
2、性质（特点）：
结合水具有固态和液态水的双重性质；结合水具有一定 的抗剪强度，在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。结合水的这种特性，影响着土 体的力学性质。 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）
2.1.1 孔隙百度文库
颗粒大小是否影响孔隙度？
不同粒度等粒岩石的孔隙度与孔隙大小
不管颗粒大小为多少，孔隙率都为：1-π/6
2.1.1 孔隙
孔隙度与颗粒排列之间的关系 理想最疏松孔隙为47.64%
（立方体排列）
最紧密排列孔隙为25.95% （四面体排列）
颗粒的排列形式(参照格雷通) A—立方体排列；B—四面体排列
裂隙率（Kr）是岩石中裂隙体积（Vr）与包含裂隙体积在内的岩石体积 （V）的比值，此为体积裂隙率，即Kr = Vr/V或Kr = Vr/V×100%。亦可用面 积裂隙率和线裂隙率表示。
d.充填情况
2.1.2 裂隙
3. 分类（按裂隙成因）：
成岩裂隙、构造裂隙、风化（卸荷）裂隙 （原生） （次生）
2.2.3 给水度μ
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。用μ表示。 问题：重力疏干后保留在岩石中的水包含哪些？ 结合水和毛细水（以孔角毛细水为主，有时还可能存在少量的悬 挂毛细水和支持毛细水。
2、影响因素：
岩性，地下水位初始埋深，地下水位下降速度，土层结构
2.2.3 给水度
2.2.3 给水度
各种岩性给水度经验值
岩 性 粘 土 给水度 0.02～0.035 0.03～0.045 0.035～0.06 0.02～0.05 0.03～0.06 0.06～0.08 0.07～0.010 岩 性 细 砂 给水度 0.08～0.11 0.085～0.12 0.09～0.13 0.10～0.15 0.11～0.15 0.02～0.03 0.008～0.10
2.1 岩石中的空隙
空隙种类：
1. 孔隙——松散岩石 2. 裂隙——坚硬固结岩石 3. 溶穴——可溶性岩石
松散沉积 物中孔隙
坚硬岩石 中的裂隙
可溶性岩 石中溶穴
2.1.1 孔隙
1. 孔隙度（porosity）
孔隙度（n）是描述松散岩石中孔隙多少的指标。 定义：某一体积（V）岩石（包括颗粒骨架与空隙在内）中 孔隙体积（Vn）所占的比例。
2.1.1 孔隙
孔隙度大小与颗粒形态的关系： 棱角越多、越松散，n越大； 孔隙度与胶结充填物的关系： 充填物越多，n越小；
小结：影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度。
2.1.2 裂隙
1. 定义
固结的坚硬岩石中存在的各种应力作用下产生的裂缝。
2.1.2 裂隙
2. 裂隙岩体描述：
a.裂隙的连通性（组数、产状、长度和密度） b.张开性（裂隙宽度） c.裂隙率（体积裂隙率、面裂隙率、线裂隙率）
成岩裂隙是指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）而产生的裂隙。 构造裂隙是指岩石在构造变动中受力而产生的裂隙。 具有方向性，大小悬殊，分布不均匀。 风化裂隙是指岩石在风化营力作用下发生破坏而产生 的裂隙。主要分布于地表附近。
2.1.3
1. 溶穴
溶穴
可溶的沉积岩，在地下水溶蚀下会形成的空洞。
是研究地面沉降和滑坡、 泥石流等的理论基础
总结
重点：
各种空隙类型 孔隙度的影响因素
各种形式的水及影响因素
岩石的水理性质及物理内涵
关的岩石性质的总称。
容水性 容水度
含水性
给水性 持水性 渗透性
含水量
给水度 持水度 渗透系数
2.3.1 容水度
定义：
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。反映岩石最大含水能力。
注意：除膨胀性粘土外，岩石容水度在数值上一般与空隙度相当。
岩石饱水时，岩石中包含哪些形式的水？
2.2 岩石中水
2.3 与水有关的岩石性质 2.4 有效应力定律
2.2.1 岩石中水的分类
1、存在状态：气态 2、存在形式： 固态 液态
沸石水 矿物结合水 结晶水 结构水 结合水 空隙中的水 重力水 毛细水
2.2.1 结合水
1、定义： 由于固相颗粒的吸附作用附着于颗粒表面，在自身重 力下不能自由运动的水。
存在形式： a、矿物结合水
沸石水 结晶水 结构水
b、空隙中的水
结合水 毛细水 重力水
第二章 岩石中的空隙和水
2.1 岩石中的空隙
2.2 岩石中水
2.3 与水有关的岩石性质 2.4 有效应力原理
2.3 与水有关的岩石性质 （岩石的水理性质）
岩石的水理性质是与水的储容、滞留、运移及释出有
2.2.4 毛细水
1、定义：
岩石细小孔隙中，在毛细力和重力共同作用下与岩石颗粒相结合的 具有一定流动性的水。
2、特定：
处于结合水和重力水之间的过渡类型
3、影响因素：
岩石颗粒大小
4、工程意义：
建筑物地下结构的防潮，地基土的防潮和冻胀
2.2.4 毛细水
5. 毛细水的存在形式（分类）
a) 支持毛细水
在毛细作用下，水从地下水面沿着岩石小孔隙上升一定高度，在地 下水面支持下存在的（附着水面上的）毛细水。 特点：该毛细带的水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。
2.3.2 含水量
1、定义：
重量含水量：岩石空隙中所含水分重量与干燥岩石重量比值。
体积含水量：岩石中所含水的体积与包括空隙在内的岩石体积的比 值。当岩石饱水时，该值等于容水度。
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的比值。
2、实质：
岩石空隙中所反映岩石样实际保留水分的状况
2、特点：
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。
重力影响下可以自由运动。
能够传递静水压力。
3、影响因素：重力、水压（水头） 4、工程意义：基坑排水，地下工程
2.2.4 毛细水
毛细现象（毛细管作用）：
指液体在细管状物体内侧，由于固体的管内壁对液体的附着力和内 聚力之间差异，造成的液体克服重力而上升（或下降，取决于液体的种 类）的现象。
2.3.5 渗透系数
1、定义：
单位水力梯度下，通过单位过水面积的水的体积。 2、实质：
岩土透过水或其他流体的性能；或者是流体通过孔隙骨架的难易程度。
3、影响因素：
岩石的空隙性质：空隙的大小、多少 水的物理性质：容重，粘滞性
岩石空隙越大越多——透水能力越强——渗透性越好
第二章 岩石中的空隙和水
Vn n 100 % V
岩石名称 孔隙度n（%） 砾石 27 粗 砂 40 细 砂 42 砂质粘土 47 粘 土 50 泥炭土 80
2.1.1 孔隙
2. 孔隙度的影响因素
a. 与颗粒排列有关； b. 与颗粒分选有关（颗粒均匀程度）：分选差时n小，大 小混杂时n小； c. 与颗粒形态（棱角）有关：棱角多、松散的，n大； d. 胶结充填：充填物多时n小； e. 结构及次生裂隙：粘性土中有结构孔隙和虫孔、根孔 等次生裂隙，均使n增大； 影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度。
2.1.1 孔隙
孔隙度与颗粒分选性之间的关系
2.1.1 孔隙
孔隙度与颗粒结构和次生裂隙之间的关系 （对于粘性土（粒径小于0.005mm）而言）
由于粘性土颗粒表面带有电荷，且由于颗粒较小，比表面积大， 连结力强，其在沉积环境中往往形成蜂窝状，海绵状，以及絮状的架 空的颗粒集合体，形成大于颗粒尺寸的空隙（结构孔隙）。同时粘性 土还具有虫孔、根孔等次生裂隙，也能增加粘性土的孔隙度。
溶蚀裂隙：溶孔、溶隙、溶洞等
2. 岩溶岩体描述：
a. 岩溶发育方向（构造条件和地下水运动方向控制） b. 溶蚀率(岩溶率Kk)——钻孔岩溶发育程度
c. 溶洞（方向、规模等）
2.1.4
空隙特征的对比
1、含水介质（介质场）
由各类空隙所构成的岩石称为含水介质。不同含水介质 的空间分布与连通特征的差异较大。 松散岩石中的孔隙连通性好，分布均匀，其中的地下水 分布与流动比较均匀。 坚硬基岩中的裂隙，连通性较差，分布不均匀，宽窄不 等，多具有方向性，其中的地下水相互关联差，分布流 动不均匀。 可溶岩石中的溶穴是一部分原有裂隙与原生孔缝溶蚀而 成，大小悬殊，分布不均，其中的地下水分布与流动多 极不均匀。
亚粘土 亚砂土 黄土状亚粘土 黄土状亚砂土 粉 砂
中细砂 中 砂
中粗砂 粗 砂
粘土胶结的砂岩 裂隙灰岩
粉细砂
为什么？
2.3.4 持水度
1、定义：
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（非饱和带）的水量。表示为Sr。
2、实质： 岩石的持水能力——最大保持水分的能力。 思考：1、给水度、持水度、空隙度之间的关系？ 2、岩石持水度的影响因素有哪些？
地下流体观测
开课：地下水科学与工程教研室 主讲：廖欣
第二章 岩石中的空隙和水
2.1 岩石中的空隙
2.2 岩石中水的存在形式
2.3 与水有关的岩石性质 2.4 有效应力原理
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、土体中各种类型的 空洞的总称。 岩石空隙—是地下水赋存场所 和运移通道。
2.1 岩石中的空隙
2.2 岩石中水
2.3 与水有关的岩石性质 2.4 有效应力原理
3.4 有效应力原理
1、原理：
有效应力（Pz）等于总应力（P）减去 孔隙水压力（u）。
2、相关定义
有效应力：岩石骨架所承担的应力。 Skempton系数：B = u/P
3.4 有效应力定律
3、工程意义
b) 悬挂毛细水
脱离水面，由于上部细小颗粒介质的毛细作用而悬挂在地下水面以 上的毛细水。
c) 孔角毛细水
保留在岩石颗粒接触处的毛细水。
悬挂毛细水似串珠状且连续分布，孔角毛细水孤立分布。
2.2.4 毛细水
支持毛细水 悬挂毛细水
小结
存在状态：
气态 固态 液态
各种形式的水存在于 实际地层中的什么部 位？
2.2.2 结合水
3、影响因素
岩石颗粒大小
颗粒越小——比表面积越大——结合水含量越高
温度 压强
在特定压强和温度的作用下，结合水可以转化为自由水。
4、工程意义：
松散岩石的工程基坑稳定性问题
2.2.3 重力水
1、定义：
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。实际的岩层中，重力水位于地下水面以下。
2.1.4
空隙特征的对比
2、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。 空隙率：孔隙介质最大，裂隙最小。 渗透性：孔隙介质为各向同性，裂隙与溶穴为各向异 性造成
第二章 岩石中的空隙和水
2.2.1 结合水
2、性质（特点）：
结合水具有固态和液态水的双重性质；结合水具有一定 的抗剪强度，在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。结合水的这种特性，影响着土 体的力学性质。 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）
2.1.1 孔隙百度文库
颗粒大小是否影响孔隙度？
不同粒度等粒岩石的孔隙度与孔隙大小
不管颗粒大小为多少，孔隙率都为：1-π/6
2.1.1 孔隙
孔隙度与颗粒排列之间的关系 理想最疏松孔隙为47.64%
（立方体排列）
最紧密排列孔隙为25.95% （四面体排列）
颗粒的排列形式(参照格雷通) A—立方体排列；B—四面体排列
裂隙率（Kr）是岩石中裂隙体积（Vr）与包含裂隙体积在内的岩石体积 （V）的比值，此为体积裂隙率，即Kr = Vr/V或Kr = Vr/V×100%。亦可用面 积裂隙率和线裂隙率表示。
d.充填情况
2.1.2 裂隙
3. 分类（按裂隙成因）：
成岩裂隙、构造裂隙、风化（卸荷）裂隙 （原生） （次生）
2.2.3 给水度μ
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。用μ表示。 问题：重力疏干后保留在岩石中的水包含哪些？ 结合水和毛细水（以孔角毛细水为主，有时还可能存在少量的悬 挂毛细水和支持毛细水。
2、影响因素：
岩性，地下水位初始埋深，地下水位下降速度，土层结构
2.2.3 给水度
2.2.3 给水度
各种岩性给水度经验值
岩 性 粘 土 给水度 0.02～0.035 0.03～0.045 0.035～0.06 0.02～0.05 0.03～0.06 0.06～0.08 0.07～0.010 岩 性 细 砂 给水度 0.08～0.11 0.085～0.12 0.09～0.13 0.10～0.15 0.11～0.15 0.02～0.03 0.008～0.10
2.1 岩石中的空隙
空隙种类：
1. 孔隙——松散岩石 2. 裂隙——坚硬固结岩石 3. 溶穴——可溶性岩石
松散沉积 物中孔隙
坚硬岩石 中的裂隙
可溶性岩 石中溶穴
2.1.1 孔隙
1. 孔隙度（porosity）
孔隙度（n）是描述松散岩石中孔隙多少的指标。 定义：某一体积（V）岩石（包括颗粒骨架与空隙在内）中 孔隙体积（Vn）所占的比例。
2.1.1 孔隙
孔隙度大小与颗粒形态的关系： 棱角越多、越松散，n越大； 孔隙度与胶结充填物的关系： 充填物越多，n越小；
小结：影响孔隙度大小的主要因素是试样的分选程度。
2.1.2 裂隙
1. 定义
固结的坚硬岩石中存在的各种应力作用下产生的裂缝。
2.1.2 裂隙
2. 裂隙岩体描述：
a.裂隙的连通性（组数、产状、长度和密度） b.张开性（裂隙宽度） c.裂隙率（体积裂隙率、面裂隙率、线裂隙率）
成岩裂隙是指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）而产生的裂隙。 构造裂隙是指岩石在构造变动中受力而产生的裂隙。 具有方向性，大小悬殊，分布不均匀。 风化裂隙是指岩石在风化营力作用下发生破坏而产生 的裂隙。主要分布于地表附近。
2.1.3
1. 溶穴
溶穴
可溶的沉积岩，在地下水溶蚀下会形成的空洞。
是研究地面沉降和滑坡、 泥石流等的理论基础
总结
重点：
各种空隙类型 孔隙度的影响因素
各种形式的水及影响因素
岩石的水理性质及物理内涵
关的岩石性质的总称。
容水性 容水度
含水性
给水性 持水性 渗透性
含水量
给水度 持水度 渗透系数
2.3.1 容水度
定义：
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。反映岩石最大含水能力。
注意：除膨胀性粘土外，岩石容水度在数值上一般与空隙度相当。
岩石饱水时，岩石中包含哪些形式的水？