第二章岩石中的空隙与水分
岩土中的空隙和水讲义及思考题
岩土中的空隙和水3．1 岩土中的空隙空隙：void ，interspace ，space地壳岩石中的空隙为地下水的赋存提供了必要的空间条件。
按维尔纳茨基的形象说法“地壳表层就好象是饱含着水的海绵”。
岩石空隙是地下水存储空间和传输通道，空隙的特征(多少、大小、形状、方向性、连通程度及其空间变化等)决定着岩土储容、滞留、释出以及传输水的性能。
岩石空隙可分为三类：a. 未固结的松散岩石中的孔隙；b. 固结的坚硬岩石中的裂隙；c. 可溶岩石中的溶穴（隙）。
1．孔隙（pore ）松散岩石是由大小不等的颗粒组成的，颗粒及颗粒集合体之间的空隙––––孔隙。
孔隙的多少，决定岩土储容水的能力，在一定条件下，还控制岩土滞留、释出和传输水的能力。
孔隙体积的多少可用孔隙度表示：孔隙度（porosity ）（n ）––––指某一体积岩土（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的比例。
即：VV n n = 式中：V n ––––岩石中孔隙的体积；V ––––包括孔隙在内的岩石体积；n ––––孔隙度，用小数或百分数表示。
另外一个概念：孔隙比（void ratio ）（ε）––––指某一体积岩土内孔隙的体积（V n ）与固体颗粒体积（V s ）之比。
即sn V V =ε 因为V=V n +V s ，所以n 与ε关系为：nn -=1ε。
应用时：a. 涉及变形时（工程地质）→ε（采用孔隙比较方便）；b. 涉及水的储容与运动时（水文地质）→n （采用孔隙度方便）。
影响因素：a. 分选程度：分选程度好，n 大；分选程度差，n 小；b. 颗粒的排列情况：立方体排列时n =47.64%，四面体n =25.95% ；c. 颗粒的形状：形状愈不规则，棱角愈明显，n 愈大；d. 胶结充填情况：充填程度高，n 小。
孔隙度的测定方法：a. 饱和含水率：n =θs （θs 饱和含水率）；b. 抽水试验；c. 形态学方法：成象、扫描→借助与计算机处理（研究领域的前沿课题）。
水文地质学 岩石中的孔隙与水分
孔隙大小取决于颗粒大小(图4—3)。 颗粒排列方式也影响孔隙大小。仍以理 想等粒圆球状颗粒为例，设颗粒直径为 D，孔喉直径为d，则作立方体排列时， d=0.414D (图4—4)，图4—5a)； 作四面体排列时，d=0.155D (图4—5b)。 对于粘性土，决定孔隙大小的不仅是颗 粒大小及排列，结构孔隙及次生空隙的 影响是不可忽视的。
(4—2)
(4—3) 有效应力等于总应力减去孔隙水压力，这就是 著名的太沙基有效应力原理。
即原先由水承受的应力由于水头降低，
3.4.2 地下 水位 变动 引起 的岩 土压 密
浮托力减少而部分地转由砂层骨架 (颗粒本 身)承担：
(4—4) 砂层是通过颗粒的接触点承受应力的。 孔隙水压力降低，有效应力增加，颗粒发 生位移， 排列更为紧密，颗粒的接触面增 加，孔隙度降低，砂层受到压密。
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。
4.1.1 孔隙
松散岩石是由大小不等的颗粒组成的。 颗粒或颗粒集合体之间的空隙，称为孔 隙。 岩石中孔隙体积的多少是影响其储容地 下水能力大小的重要因素。孔隙体积的 多少可用孔隙度表示。孔隙度是指某一 体积岩石 ( 包括孔隙在内 ) 中孔隙体积所 占的比例。若以n表示岩石的孔隙度，V 表示包括孔隙在内的岩石体积，Vn表示 岩石中孔隙的体积，则：
Pz Pz P (u u)
⑴重量含水量：松散岩石孔隙中所含的水量（Gw）
与干燥岩石重（Gs）的比值。
Gw Wg 100% Gs
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
us水文地质学岩石中的空隙与水分
体积含水量：含水体积（Vw）与包括孔隙在内的岩石体积
（V）的比值
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
Wv Vw 100% V
若水的比重为1，岩石的干容重（单位体积干土的重）为
重量含水量与体积含水量的关系 Wg Wv a
第二章 岩石中的空隙与水分
2.3.2 含水量
→比重：也称相对密度，固体和液体的比重是该物质的 密度与在标准大气压，3.98℃时纯H2O的密度（999.972 kg/m3）的比值。气体的比重是指该气体的密度与标准状况 下空气密度的比值。液体或固体的比重说明了它们在另一 种流体中是下沉还是漂浮。
→次生孔隙：在碳酸盐岩层中，除粒间孔隙或晶粒间孔隙 所构成的原生孔隙外，还有由孔洞、裂隙、白云岩化所构 成的次生孔隙。
第二章 岩石中的空隙与水分
2.1.1 孔隙
孔隙度的影响因素：
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。对于粘性土， 结构及次生孔隙常是影响孔隙度的重要因素。
岩溶率
录像
图片
第二章 岩石中的空隙与水分
总结与比较 孔隙、裂隙、溶穴不是独立存在。自然界岩石中空隙
的发育状况远较上面所说的复杂。
✓松散岩石固然以孔隙为主，但某些粘土干缩后 可产生裂隙，而这些裂隙的水文地质意义，甚至 远远超过其原有的孔隙。
第二章 岩石中的空隙与水分
✓固结程度不高的沉积岩，往往既有孔隙，又有裂隙。
第二章 岩石中的空隙与水分
2.3.5 透水性——岩石允许水透过的能力
以松散岩石为例，分析一个理想孔隙通道中水的运动情况
第二章 岩石中的空隙与水分
2.3.5 透水性——岩石允许水透过的能力
圆管状孔隙通道的纵断面，孔隙的边缘上分布着在寻 常条件下不运动的结合水，其余部分是重力水。由于附着 于隙壁的结合水层对于重力水，以及重力水质点之间存在 着摩擦阻力，最近边缘的重力水流速趋于零，中心部分流 速最大。
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%？
第2讲岩石中的孔隙与水分
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（图2-6）。
根据库仑定律，电场强度与距离平方成反比。
故离固相表面很近的水分子受到静电引力很大； 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。
结合水的概念：
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。
小。
细小颗粒充填于粗大颗粒之间的孔隙中，自然
会大大降低孔隙度。
当某种岩石由两种大小不等的颗粒组成，且粗
大颗粒之间的孔隙完全为细小颗粒所填充时，则孔 隙度等于由粗粒和细粒单独组成时孔隙度的乘积。
形状对孔隙度的影响：
形状愈不规则，棱角愈明显，排列 就愈松散，n愈大
自然界中的岩石的颗粒形状多是不规则
地表以下剖面上各种状态的水在岩层中的分布图
岩土的水理性质
概念：
指岩土控制水活动的性质
容水性
岩土主要水理性质：
含水性
持水性 给水性 透水性
1.容水性（容水度）
定义：
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。可用小数或百分数表 示。 一般来说容水度在数值上与孔隙度（裂隙 率、岩溶率）相当。但是对于具有膨胀性的粘 土，充水后体积扩大，容水度可大于孔隙度。
三、与水的储容及运移有关的岩石性质
影响水的储容及运移的因素：
岩石空隙大小、多少、连通程度及
其分布均匀度。
控制水活动的因素：
岩石的容水性、含水性、给水性、
持水性、透水性
•水在岩土中的赋存形式
1一湿度不足带分布有气态水、吸着水; 2一温度饱和带分布有气态水、吸着水、薄膜水; 3一上升毛细水带; 4一无压重力水带; 5一粘土层; 6一承压重力水带
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。
03岩石中的空隙
三、裂隙
1. 概念：坚硬岩石形成以后，由于各种内外营力的作用，使岩 概念：坚硬岩石形成以后，由于各种内外营力的作用， 石遭到破坏而形成的空隙。 石遭到破坏而形成的空隙。 2. 分布：主要分布在坚硬岩层：除沉积岩、变质岩、岩浆岩 分布：主要分布在坚硬岩层：除沉积岩、变质岩、 等保留原生成岩孔隙外， 等保留原生成岩孔隙外，主要是在后期构造应力作用下产生后 生裂隙。 生裂隙。 3. 分类：按成因分 分类： 成岩裂隙
第3节 岩石的水理性质 节
• 一、 容水性 • 岩石能容纳一定数量水的性质。用容水度表示。 岩石能容纳一定数量水的性质。用容水度表示。 • 容水度（Mc） 容水度（ • 单位体积饱水岩石中所能容纳的最大水的体积。 单位体积饱水岩石中所能容纳的最大水的体积。 若以重量计，则称容水量。 若以重量计，则称容水量。
• 五、自然界岩石空隙的复杂性 • • 发育状况复杂： 发育状况复杂： 粘性土层既有孔隙也有裂隙，按水井讲， 粘性土层既有孔隙也有裂隙，按水井讲，粘土 --隔水层，若粘土中有存在干缩裂隙可以为含水 隔水层， 隔水层 如河南驻马店粘土层，可以为含水层（ 层，如河南驻马店粘土层，可以为含水层（取的 是裂隙中的水）。 是裂隙中的水）。 坚硬岩石：既有孔隙，又有裂隙， 坚硬岩石：既有孔隙，又有裂隙，如甘肃白垩 系岩石。 系岩石。 可溶岩里保留原来的裂隙，甚至有孔隙存在。 可溶岩里保留原来的裂隙，甚至有孔隙存在。
• • （2）研究意义（作用）：影响岩石储容地下水的能力 ）：影响岩石储容地下水的能力 ）研究意义（作用）：
（4）孔隙度的影响因素 ）
颗粒排列方式：等粒状：最疏松排列 立方体 立方体--颗粒排列方式：等粒状：最疏松排列----立方体 n=47.64%; 最紧密排列---四面体：n=25.95%。(未涉 最紧密排列 四面体： 。 未涉 四面体 及粒径大小，粒径大小不同，但等粒状、 及粒径大小，粒径大小不同，但等粒状、排列方式相 同时，孔隙度是相同的） 同时，孔隙度是相同的） 颗粒分选程度：分选性越好，孔隙度越大； 颗粒分选程度：分选性越好，孔隙度越大；分选程度 不好，大颗粒孔隙被小颗粒充填，降低孔隙。（ 。（分选 不好，大颗粒孔隙被小颗粒充填，降低孔隙。（分选 程度是指颗粒粒度的均匀程度， 程度是指颗粒粒度的均匀程度，土力学中也称不均匀 系数。） 系数。） 颗粒形状：越不规则，越疏松，孔隙度就越大。 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。 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。 对于粘性土，还与结构孔隙、次生孔隙有关。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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 soil
1、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/V
4、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 rock
2、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。
三者定义也各不相同。
4、裂隙率和岩溶率可以直接评价赋水性，孔隙度加孔隙大小才可评价。
5、孔隙度及其影响因素。
按岩层的空隙类型分为三种类型地下水：①孔隙水；②裂隙水；③岩溶水。
§2.2 岩石中水的存在形式
岩石空隙中水的存在形式有：①结合水；②重力水；③毛细水；④固态水和气态水。
岩石骨架中的水（矿物结合水）
一、结合水
1、定义：
2、强结合水（吸着水）：
3、弱结合水（薄膜水）：
结合水区别于普通液态水的最大特征是：具有抗剪强度，即必须施加一定的力方能使其
发生变形，施加的外力越大，发生流动的水层厚度也越大。
二、重力水1、定义：2、重力水是水文地质研究的主要对象
三、毛细水1、毛细水定义：2、毛细现象：3、支持毛细水4、悬挂毛细水5、悬留孔角毛细水（触点毛细水）：
四、气态水、固态水以及矿物中的水
气态水在一定温度、压力条件下，于液态水相互转化，两者之间保持动态平衡。
五、小结：
1、重力水是水文地质研究的主要对象，毛细水是消耗地下水水量的，结合水影响地下水的运动。
2、在大孔隙中以重力水为主，细小孔隙中以结合水为主，裂隙、溶穴中几乎全部为重力水。
§2.3 与水储容及运移有关的岩石性质
岩石空隙大小、多少、连通程度及其分布的均匀程度，都对其储容、滞留、释出以及透过水的能力有影响。
一、容水性
1、容水性：岩石的孔隙具有容纳地下水的性质。
2、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之比。
Sc=Vw/V。
一般说来，容水度在数值上于孔隙度（裂隙率、岩溶率）相当。
但
是，……
3、含水量：某一时刻岩石孔隙中的实际水量与岩石的比值。
该指标说明松散岩石实际保留水份的状况。
1）重量含水量：Wg=Gw/Gs2）体积含水量：Wv=Vv/V3）当水的比重为1，岩石的干容重（单位体积干土的重量）为rα时，重量含水量与体积含水量的关系为：Wv=Wg*rα
1、给水性：含水岩石在重力作用下能释放出水的性质。
2、给水度：在重力作用下岩石所能释放出水体积与岩石总体积的比值。
μ＝Vw/V。
野外识别：地下水水位下降一个单位深度，从地下水水位延伸到地表面的单位水平面积岩石柱体，在重力作用下释出水的体积，称为给水度。
3、注意：野外地层的给水度为一变值，室内试验中给水度为定值。
4、给水度的影响因素：1）岩性：主要是孔隙的大小与多少；2）初始地下水埋藏深度3）地下水下降速率4）地下水下降幅度
5、给水度在理想数值上等于容水度减去持水度
三、持水性
1、持水性：饱水岩石在重力作用下失水，依赖静电引力和毛细力依然能保持水的性质。
2、持水度：地下水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，称作持水度。
Sr
3、给水度、持水度与孔隙度的关系：μ＋Sr=n
四、透水性
1、透水性：岩石允许水透过的能力叫做透水性。
2、定量指标：渗透系数
五、小结：
1、应该掌握的性质：①容水度；②含水量；③给水度；④持水度；⑤透水性。
2、一般情况下，孔隙越小，持水度越大，给水度越小。
3、一般不能用容水性来评价水资源，因为容水性同时包括有重力水、结合水和毛细水。
真正能利用的只有重力水。
2.4.2 地下水位变动引起的岩土压密
Pz+△Pz=P-(u-△u)
当由于抽水而引起测压管高度降低时，可近似地认为总应力P不变，孔隙水压力降低△u，相应地有效应力增加△Pz。
意即原先由水承受的应力由于水头降低，浮托力减少而部分地转由砂层骨架（颗粒本身）承担：
第二章岩石中的空隙与水分
一、关键概念空隙性；孔隙；孔隙度；裂隙；裂隙度；溶隙（穴）；岩溶率；结合水；容水性；容水度；含水量；给水性；给水度；持水性；持水度；透水性；渗透系数
二、论述题
1、影响孔隙度的因素？（按主次叙述）
2、影响孔隙大小的主要因素有哪些？（按主次
叙述）3、岩土中水的主要存在形式有哪些？其各自的特点？
4、影响透水性的主要因素？。