第五章地下水概论5.3-5.6
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5.1地下水概述
★ 潜水位 潜水位——潜水水面上任一点的高程称该点的潜水位。 潜水水面上任一点的高程称该点的潜水位。 潜水水面上任一点的高程称该点的潜水位
潜水的埋藏深度——自地面某点至潜水面的距离称该点潜 ★ 潜水的埋藏深度 自地面某点至潜水面的距离称该点潜 水的埋藏深度。 水的埋藏深度。 潜水含水层的厚度——潜水面到隔水底板的距离为潜水含 ★ 潜水含水层的厚度 潜水面到隔水底板的距离为潜水含 水层的厚度。 水层的厚度。
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潜水埋藏特征示意图
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剖面上不同地点地下水的流向不同， (1) 剖面上不同地点地下水的流向不同，由分水岭到河 谷，流向从向下到接近水平； 流向从向下到接近水平； 由分水岭到河谷，流线越来越密集，流量增大， (2) 由分水岭到河谷，流线越来越密集，流量增大，地 下径流加强。因此，在河谷或近山地区，流入基坑的水量比 下径流加强。因此，在河谷或近山地区， 其它地方多； 其它地方多； 在河谷或近山地区，基坑越深， (3) 在河谷或近山地区，基坑越深，坑底承受的水头压 力越大。 力越大。
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潜水的特征： ★ 潜水的特征：
1)潜水面以上无稳定的隔水层存在，与大气相通，具 潜水面以上无稳定的隔水层存在，与大气相通， 潜水面以上无稳定的隔水层存在 自由水面，为无压水； 自由水面，为无压水； 2) 潜水的补给区与分布区一致，直接接受大气降水补 潜水的补给区与分布区一致， 给，具有明显的季节性；旱季时，以蒸发形式排泄；且易受 具有明显的季节性；旱季时，以蒸发形式排泄； 地面污染的影响； 地面污染的影响； 3) 水量丰富的潜水可作为供水水源。 水量丰富的潜水可作为供水水源。 4) 潜水自水位较高处向水位较低处渗流。 潜水自水位较高处向水位较低处渗流。 在山脊地带潜水位的最高处可形成潜水分水岭。 在山脊地带潜水位的最高处可形成潜水分水岭。潜水面 的形状是因时因地而异的，它受地形地质、 的形状是因时因地而异的，它受地形地质、气象水文等自然 因素控制，并常与地形有一定程度的一致性。 因素控制，并常与地形有一定程度的一致性。
工程地质 课件 第五章 地下水
承压水等水压线图用途： a承压水位埋深 b承压水头大小 c含水层埋深
二、孔隙水、裂隙水、岩溶水
1、孔隙水
多存在于松散岩层的孔隙中，呈均匀连续的层状分布，颗粒 大而均匀、孔隙大、透水性好、地下水量大，运动快、水质 好.
按不同埋藏条件可形成：
孔隙－上层滞水 孔隙－潜水 孔隙－承压水
2、裂隙水－坚硬岩石裂隙中的地下水 裂隙按成因分：风化裂隙、成岩裂隙、构造裂隙
第五章 地下水
本章提要
赋予地壳岩石层空隙中各种形式的水系统 为地下水，其中可在重力作用下运动的地下水 又称重力水。本章着重阐述了岩石（层）的水 理性质，重力水的类型及其特征、循环与运动； 扼要介绍了地下水引发的工程和环境问题及其 防治措施。
第五章
地下水
§5～1 地下水的基本概念 §5～2 地下水的类型 §5～3 地下水的补给、径流与排泄
地下水对建筑材料的腐蚀性
溶出侵蚀：混凝土中Ca(OH)2成分被水溶解。
碳酸侵蚀：含侵蚀性co2的水溶解混凝土中的钙质而 使混凝土崩解。 硫酸盐侵蚀：水中SO4-2与混凝土作用生成新的化合 物，由于体积膨胀而胀裂。 酸性侵蚀：PH值低的酸性水对混凝土具腐蚀性。 镁盐侵蚀：水中镁盐与混凝土作用后生成化合物溶
§5～1 地下水的基本概念
一、岩石的空隙
地表10km以上范围，有空隙; 浅部1～2km范围，空隙普遍。 岩石空隙是地下水储存场所，也是渗透通道 空隙的多少、大小 及其分布规律
决定
地下水分布与渗 透特点
1.松散沉积物中的孔隙
按成因空隙分
2.坚硬岩石中的裂隙
3.可溶性岩石中的溶隙
1、孔隙 松散岩石（粘土、砂石、砾石等）中颗粒或颗粒集 合体之间存在的空隙。
3、地下水的径流：地下水由补给区流向排泄区的过程 地下水的循环：补给区→径流区→ 排泄区 径流包括：径流方向、径流速度、径流量 4、地下水的运动 地下水的运动有层流、紊流和混合流三种形式 a.层流：地下水在岩石的孔隙或微裂隙中渗透，产生连续水流， 水质点有秩序地呈相互平行而互不干扰的运动。 b.紊流：地下水在岩石的裂隙或溶隙中流动，涡流性质，各流线
工程地质学第五章-地下水
硬 度
M C2 2 a g 2 H3 C O M Ca3 3 g C C H 2 O O O C2 O
2021/永8/2 久硬度：煮沸时未发生碳酸盐沉淀的那部分Ca2＋、Mg2＋含量 44
②根据硬度对地下水进行分类：
极软水、软水、微硬水、硬水、极硬水
5、地下水的侵蚀性
地下水对混凝土的侵蚀破坏类型包括分解性侵蚀、结晶性侵蚀和分解结晶
如挖排水、截水沟，筑挡水坝，开凿输
水隧洞改道等等。
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5、泉：地下水在地表的天然出露
泉的类型按补给源可分为三类：包气带泉、潜水泉、 自流水泉，按水头性质分为上升泉和下降泉，按出露 原因分为侵蚀泉、接触泉和断层泉。
河谷切割到潜水含水层时，潜水出露成侵蚀下降泉。河 谷切穿承压含水层的隔水顶板时，承压水喷涌成泉，称 为侵蚀上升泉。透水性不同的岩层接触，地下水沿接触 面出露称为接触泉。断层使承压含水层被隔水层阻挡， 当断层导水时沿地面出露的承压水称为断层泉。
隔水层(aquiclude)： 不透水但可含水的岩土层。
含水层的形成条件：
一是岩石中要有空隙存在，并充满足
够数量的重力水；二是这些重力水能够在 岩石空隙中自由运动。
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3、岩土的水理性质
1.含水性
• 容水度:岩土空隙完全被水充满时的含水
量。
• 持水度:岩土在重力作用下释水时仍能保
持的含水量。
C、H、O为主的有机质
2、氢离子浓度
氢离子浓度是指水的酸碱度，用PH值表示：PH = lg[H+]
根据PH值可将地下水分为5类：
强酸性水、弱酸性水、中性水、弱碱性水、强碱性水
20地21/下8/2水的氢离子浓度为一般酸性侵蚀指标。
地下水科学概论[整理版]
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《地下水科学概论》一、名词解释。
第一章地下水分布1. 地下水：分布在地下岩石空隙之中的水。
2．岩石的透水性：岩石允许水透过的能力。
3. 结合水：由于固体颗粒表面的静电作用而吸附在颗粒表面的水。
4. 重力水：重力对它的影响大于固体表面对它的吸引力，因而能在自身重力作影响下运动的那部分水。
5. ★☆毛细水：在毛细力作用，水从地下水面沿着细小空隙上升到一定高度，形成一个毛细水带6. 支持毛细水：由于毛细力的作用，水从地下水面沿孔隙上升形成一个毛细水带，此带中的毛细水下部有地下水面支持。
7．孔角毛细水：在包气带中颗粒接点上由毛细力作用而保持的水。
8. 悬挂毛细水：由于上下弯液面毛细力的作用，在细土层会保留与地下水面不相联接的毛细水。
9. 空隙：地下岩石中没有被固体颗粒或固体骨架占据的那一部分空间。
10. 多孔介质：含有空隙的固体称为多孔介质。
11．孔隙：松散的（或未固结的）固体颗粒之间或颗粒集合体之间的空隙。
12．★孔隙度：某一体积的孔隙介质中孔隙体积与孔隙介质体积之比。
13. ★孔隙比：某一体积孔隙介质内孔隙体积与固体颗粒体积之比14. 有效空隙：相互连通而能使水流通过的孔隙称为有效空隙。
15. 孔隙介质的比表面积：一定体积的孔隙介质中所有颗粒的总面积与孔隙介质体积之比。
16．裂隙：固结的和坚硬的岩石在成岩过程中或成岩以后由于受到一些地质营力的作用而形成的沿一定平面方向展布的空隙。
17．★裂隙率：一定体积的裂隙介质内裂隙的体积与裂隙介质体积之比。
18．溶穴：可溶的沉积岩在地下水溶蚀下产生的空洞。
19．岩溶率：一定体积的岩溶介质内溶穴的体积与岩溶介质体积之比。
20. ☆容水度：一定体积的多孔介质完全被水饱和时所能容纳的水的体积与多孔介质体积之比。
21．★持水度：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量。
22. ★☆给水度：一定体积的饱水多孔介质在重力作用下释放出的水体积与多孔介质体积之比（重力给水度：地下水位下降一个单位深度，从地下水位延伸到地表面的单位水平面积岩石柱体，在重力作用下释出的水的体积）。
5-工程地质学第五章地下水资料
二、含水层、隔水层与透水层
透水层：允许水透过的岩层。 隔水层：不能给出并透过水的岩层。 含水层：饱水的透水层。
三、地下水的物理化学性质
1、地下水的物理性质
温度 颜色 透明度 气味 味道 比重 导电性 放射性等
2、地下水的化学成分
地下水的化学成分可呈离子、分子、化合物和气体状态， 而以离子状态为最多。
Δh
3、潜蚀
1）机械潜蚀：土粒在地下水的动水力作用下受到冲 刷，将细粒土冲走，使土的结构破坏，形成洞穴的过程。
2）化学潜蚀：地下水溶解土中的易溶盐分，使土粒 间的结合力和土的结构破坏，土粒被水带走，形成洞穴的 作用。
由人类工程活动所引起的这种现象叫管涌。
4、地下水的浮托作用 建筑物基础底面位于地下水位以下时，地下
如图含水层为潜水层，含水层透水系数为 k=4.8*10-3cm/sec, H为3m, α为5度。 求渗透流量Q(m3/hr/m).
地表面
渗透方向
潜水面
隔水层
四、地下水与工程
1、地基沉降(大量抽取地下水)
（1）松散沉积层中进行深基础施工时，人工降低地下 水位——使周围土层产生固结沉降。
（2）生活用水抽水时在水周围形成降水漏斗——使周 围建筑物或地下管线产生不均匀沉降，甚至开裂。
第五章 地下水
• 第一节 地下水的基本概念 • 第二节 地下水的类型 • 第三节 地下水的补给、径流与排泄
第一节 地下水的基本概念
地下水是指存在于地表以下岩石空隙 (孔隙、裂隙和溶 隙)中的水。
一、岩石的空隙 ➢ 孔隙—松散介质中颗粒或颗粒集合体之间呈小孔状分布 的空隙。
➢ 裂隙—岩石受地壳运动及其它内外地质营力作用影响产 生的空隙。
承压水的分布 ——自流斜地
第五章 地下水 ppt课件
图5-6 洪积物中地下水分布示意图
Ⅰ—深埋带 Ⅱ —溢出带 Ⅲ—垂直交替带
1— 砾卵石 2—砂 3—粉质粘土及粉土 4— 基岩 5—水位
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2） 裂隙水
埋藏分布极不均匀
埋藏于基岩裂隙中的 地力水。
特征 透水性各个方向呈各向异性
分类
动力性质比较复杂
风化裂隙水
主要接受大气降水的补给，常 以泉的形式排泄于河流中。
学
以碳、氢、氧为主的有机质，经常以胶体方
成
式存在于地下水中。很难以离子状态溶于水
分 胶体成分 的化合物也往往以胶体状态存在地下水中，
其中分布最广的是Fe(OH)2 、Al(OH)3及
SO2。PPT课件
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地下水的水质
气体成分
O2 H2S CO2
离子成分
ClSO4-2 HCO3Na+ K+ Ca+2 Mg+2
表5-1 松散岩石孔隙度参考数值
岩石名称
砾岩
砂
粉砂 粘土
孔隙度变化区间（％） 25～40 25～50 35～50 40～70
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2. 裂隙
裂隙：岩石受地壳运动及其他内外地质应力作用影响产生的空隙。 裂隙的发育程度除与岩石的受力条件有关，还与岩性有关。
成岩裂隙 裂隙按成因分类 风化裂隙
构造裂隙
连通性好
分布不均匀
连通性差
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1. 孔隙
孔隙：岩土颗粒之间的空隙。 孔隙度：孔隙的发育程度，又称孔隙率。
n = vn × 100% v
式中 n ─ 孔隙度
vn ─ 岩土中孔隙的体积 V ─ 包括孔隙在内的岩土总体积
工程地质学第五章 地下水
5地下水groundwater一、概念：㈠地下水：岩（土）的孔隙和裂缝中的水。
㈡地下水的不良作用：⒈使岩（土）体强度、稳定性降低，产生不良地质现象。
ex：滑坡、溶蚀、潜蚀、地基沉陷、冻胀、翻浆等，造成工程危害。
⒉含过多的侵蚀性化学成分（如：CO3-、SO4--、Cl-等），对混凝土等地下结构产生危害。
㈢地下水的来源：渗透水、凝结水、原生水、封存水㈣地下水的存在状态：气态、液态（含吸着水、薄膜水、毛细水、重力水）、固态水㈤地下水的形成条件：地质、气候、地貌、人为二、地下水的类型：按地下水的埋藏条件分为：①上层滞水(perched water)②潜水(phreatic water)③承压水(confined water)裂隙水——fissure water1、上层滞水（如图5-2所示）：在包气带（未饱和带aerationzone）内局部隔水层（imperviouslayer）上形成的饱和带水（空隙充满水）。
上层滞水特征:①位于浅地表处②范围不大③水位不稳定。
上层滞水受气候影响，变化幅度比较大，给设计、施工造成一定困难。
2、潜水（如图5-2所示）：地表下面第一个隔水层之上的具有自由水面的重力水。
存在于：①第四纪堆积物孔隙—孔隙潜水；②出露地表基岩裂隙—裂隙潜水；③溶洞——岩溶潜水。
⑴潜水特征：①补给(recharge)来源：降水、地表水渗入，或受承压水补给（如图5-5所示）；②埋深、含水层厚度受气候、地形、地质条件（岩性、切削）影响；③排泄方式：垂直排泄—蒸发。
平原、河流下游以此为主。
水平排泄—径流（runoff）补给相邻含水层或出露地表补给地表水。
山区、河流中上游，埋深大，径流、排泄条件—与地形切削程度、含水层岩性、气候有关，坡陡、切削程度高，则条件好。
⑵等水位线图（如图5-3所示）：类似等高线图。
注意流向3、承压水（如图5-6所示）：水源充满两个隔水层之间（无自由水面）的含水层中承受水压力（可自流）的地下水。
第五章地下水
孔隙率
nv
?
Vv V
? 100%
岩土孔隙率的大小，主要与颗粒的形状、排列情况及颗粒的分选性和 压密、胶结情况有关。松散沉积物的孔隙率一般很大，可达 20%-60%
沉积物的孔隙率范围
沉积物
孔隙率(％)
分选好的砂或砾 25-50
砂砾混合物
20-35
粉砂
35-50
粘土
35-60
裂隙：存在于坚硬岩石中的裂缝状空隙称裂隙
土壤水 土壤中未饱和的水； 上层滞水 存在于包气带中， 局部隔水层之上的重力水
特征：
分布区与补给区一致；受气 候控制，季节性明显，变化 大，雨季雨量多，旱季雨量 少，对农业影响很大，对工 程影响不大
包气带 饱水带
凝 结 水
水蒸气凝结 后渗入地下 的水
埋 藏 水
地史时期 沉积物空 隙中被封 闭保存下 来的水， 又称古水
原 生 水
岩浆中析 出的结晶 水和水汽 又称岩浆水
地下水的埋藏类型
潜水 埋藏 深度
上层滞水 毛细带水 潜水面 潜水
潜水含水 层厚度
隔水底板
地下水的补给、排泄
潜水面形态的变化规律
受地形和 河流位置 的影响
名称 砾石 粗砂 中砂
砾石及砂性土的给水度
给水度
名称
0.30-0.35
细砂
0.25-0.30
粉细砂
0.20-0.25
给水度 0.15-0.20 0.10-0.15
3.岩土的透水性
岩土允许重力水渗透的能力称为透水性，常用渗透系数表示
达西定律
1856年法国学者 Darcy对砂土的渗 透性进行研究
渗透试验
结论：
水在岩土中的渗透速度与 试样的水力梯度成正比
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水 井
砾石层
滴水 砂土
下雨 黄土
器皿 砾石
思考： 1. 上细下粗土层，滴水，水停留在何处？ 2. 黄土层中挖平洞，下大雨后，洞内能否接到水？
四、气态水、固态水及矿物中的水
在未饱和水的空隙中存在着气态水。气态水可以随空气 或在水气压力差的作用下流动。
岩石的温度低于0℃时，液态水转为固态水。我国大部 分地区有季节性冻土。东北及青藏高原，有多年冻土，对工 程的破坏性比较强，融化时固态转为液态，体积变化。 矿物晶格内及矿物孔洞中的水，就是沸石水、结晶水及 结构水。方沸石（Na2A12Si4O12· 2O)中沸石水，在加热时可 nH 以从矿物中分离出去。
本 节 课 内 容
5.3 岩土中的空隙
5.4 岩土中的水
5.5 与水有关的岩土性质 5.6 有效应力原理与岩土变形破坏
5.3 岩土中的空隙
1. 岩土空隙在地球上的分布：地壳表层十余公里，尤 其近1～2公里以内。
2. 岩土空隙的水文地质意义：是地下水的赋存场所和
运移通道。 3. 岩土空隙的描述：形状、大小、多少、分布规律和 连通性。 4. 岩土空隙的水文地质分类：松散岩土中的孔隙、坚 硬岩石中的裂隙、可溶岩石中的溶穴。
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） 弱结合水（薄膜水）
及变形
（强结合水） 吸着水
紧束在土粒表面， 不能自由移动
吸附于吸湿水外部， 只能沿土粒表面做 微小的移动
土 土 粒 粒
二、重力水
• 重力水是指远离固相表面，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。重力影 响下可以自由运动 • 地层内岩石空隙中如果存在一定的重力水，就可
孔隙大小的描述：孔喉 (d) d=0.414D 孔腹 (d’) d’=0.732D （立方体排列的理想等径园球颗粒）
孔隙大小的描述：孔喉 (d) d=0.155D （四面体排列的理想等径园球颗粒）
二、裂隙
1. 概念：岩石形成以后，由于各种内、外营力的作用，使 岩石遭到破坏而形成的空隙。 2. 分布：主要分布在固结岩层：沉积岩、变质岩、岩浆岩 等保留原来成岩孔隙，但主要是在后期应力作用下产生裂隙。 3. 分类：按成因分：
描述量 多少 n 形状 大小 分布规律 均匀 连通性 好
不具有方向性 小而均匀
多少：
度量指标：孔隙度（n）
（1）概念：某一体积岩土（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的 比例。 Vn
n V 100%
（2）研究意义（作用）：影响岩石储容地下水的能力的大小。
（3）测定方法： 砂、砾等松散岩土一般用注水方法，粘土遇水膨胀不能；
Vm M c ( ) 100 % V
二、给水度（u） 地下水位下降单位体积时，释出水的体积和疏干体积的 比值。 反映饱水岩石在重力作用下所能排出的最大水的体积。 即当地下水位下降一个单位时，在重力作用下单位水平面 积岩石柱体中所能释放出的水体积。
注：
（１）与粒径的关系不是粒径愈大则孔隙度愈大 （２）孔隙度超过最疏松排列的47.62％，达到70％
大小：
（1）研究意义（作用）：孔腹和孔喉，影响地下水的运动， 尤其是孔喉直径大小对地下水流动起关键性作用。 （2）影响因素：
颗粒大小：尤其是细小颗粒的大小，颗粒越大形成的孔隙 越大。 颗粒排列方式：理想等粒圆球状颗粒，颗粒直径为D，孔 喉直径为d 立方体排列时，d=0.414D 四面体排列时，d=0.155D。
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， 土力学中也称不均匀系数。）
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。
对于粘性土，还与结构孔隙、次生孔隙有关。
颗粒排列——等径圆球最疏松与最紧密
立方体排列
四面体排列
不同颗粒大小的试样——孔隙度？
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？
5.4 岩土中水的存在形式
沸石水：方沸石(Na2Al2Si4O12· 2O) nH
地 壳 岩 土 中 的 水
岩土“骨架”中的 水 （矿物结合水）
结晶水：石膏(CaSO42H2O)
结构水：高岭石(Al4[Si4O10](OH)8)
容重-比重法：细砂，先测岩土的容重r、比重
n (1 ) 100 %r
（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：n=47.62%; 最紧密排列：四面体：n=25.95%。（未涉及粒径大小，粒 径大小不同，但等粒状、排列方式相同时，孔隙度是相同 的） 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
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
重力水：
受重力支配不能为 土壤所保持的水分
三、毛细水
1.毛细现象：在液体表面张力作用下，毛细管中水位上升一 定高度的现象。 毛细空隙是岩土中的细小空隙，一般指直径小于1mm 的孔隙或宽度小于0.25mm的裂隙。 毛细上升高度与毛管直径成反比。 松散岩石中细小的孔隙通道构成毛细管，∴在地下水面 以上的包气带中广泛存在毛细水。 结论：松散岩层的颗粒越粗，孔隙越大，则毛细上升 高度越小。
结合水 （矿物表面结合水） 重力水 液态水 毛细水 固态水
水文地质学 的重点研究 对象
强结合水 弱结合水
岩土空隙中的水
气态水
存在形式：气态 固态 液态
设想实验：材料（玻璃珠子、细管）+水（水杯）
一、结合水
1、概念：分布在颗粒表面受静电引力大于重力，而不能
在自身重力作用下发生运动的那部分水。
• 细小粘粒团构成颗粒集合体，可形成比颗粒自身还大的结构孔隙
• 集合体与集合体结合构成粘性土的沉积结构特征。
（2）粘土孔隙
粘性土：蜂窝、絮状结构，如同海绵
• 结构孔隙：集合体与集合体、粘粒与粘粒之间的孔隙。 • 次生孔隙：虫孔、根系孔、干裂缝等。
松散岩石孔隙度参考数值（据弗里泽等，1987）
岩石名称 孔隙度变化 区间 砾石 25%-40% 砂 25%-50% 粉砂 35%-50% 粘土 40%-70%
5.相关定义及概念
岩石—水文地质学中指坚硬的岩石及松散的土层。 岩石空隙是地下水储存场所和运动通道。空隙的多少、大 小、形状、连通情况和分布规律，决定着岩土储容、滞留、 释出以及传输水的性能。
孔隙 – 松散沉积物中的空隙; （第四纪地质学）
裂隙 – 坚硬岩石地层中的空隙; （构造地质学） 溶穴 – 可溶性基岩地层中经溶蚀后的空隙; （岩溶地貌学）
岩心中的空隙
钻探与采样
采样
孔隙（大型双环渗水试验，石羊河流域）
一、孔隙
1. 概念：存在于松散的或未完全胶结的岩土颗粒之间或颗 粒集合体之间的空隙。 2. 分布：最新沉积、新生界、主要在第四系沉积层中的碎 石土、砂土、粘土等，其次是胶结不完全的第三系或中生界部 分地层。如河边砂砾中存在的孔隙。 3. 特征：
对于粘性土：还与结构孔隙、次生孔隙有关。
孔隙与粒径关系
砾石（模型）
砂土样品
砂砾混合样品
松散土体宏观上可以分为2大类：砂性土与粘性土类
孔喉（直径为d）与孔腹（直径为D’）
通过孔隙通道中心切面图 假定颗粒为等粒球体（直径为D）作立方体排列
颗粒排列形式
立方体排列
四面体排列
立方体排列与四面体排列——孔腹和孔喉
5.5 与水有关的岩土性质
容水性：岩石能容纳一定数量水的性质。用容水度表示。 给水性：饱水岩石在重力作用下能自由排出一定数量水的
性质。用给水度表示。
持水性：岩石在重力释水后能在空隙中保持一定数量水的
性质。用持水度表示。
透水性：岩石允许让水通过的性质。用渗透系数或单位吸
水量表示。
一、容水度（Mc） 岩土完全饱水时所能容纳的水的体积与岩土体积的比值。 若以重量计，则称容水量。 容水度与孔隙度（裂隙率、岩溶率）相等。
岩土中的各种空隙
分选良好， 排列疏松的砂
分选良好， 排列紧密的砂
具有结构孔隙的 粘土
经过压缩的粘土
具有裂隙的岩石
具有溶隙及溶穴的 可溶岩
孔隙（松散岩样）
IFC Hanford Formation Cores
Coarse-sand
Matrix-supported Open-framework
Hanford Field Test Site
大小：大的有构造断裂带，小的要用显微镜看。具有级次，大构造断 裂带，次级------，再次一级------。 连通性：总体上不好，局部可能很好，形成裂隙系统。找水，局部裂 隙，最好找在最大断裂带上，主干断裂， 裂隙含水系统。 多少：裂隙率。线裂隙率：与裂隙走向垂直方向上单位长度内裂隙所 占的比例。 面裂隙率，体裂隙率。野外研究裂隙时应注意测定裂隙的方 向、宽度、延伸长度、充填情况等，这些影响水的运动。
类似固体，不能流动。在温度105℃上才能以气态的形式脱离颗粒表 面 溶解盐类能力弱、不能为植物吸收 有较大的粘滞性、弹性和抗剪强度 。
弱结合水：
排列规则，密度大于1，为1.3~1.774g/cm3
在外力作用下可产生运动，但速度十分缓慢 溶解盐类能力较弱 冰点为-15℃ 有一定的粘滞性和抗剪强度 弱结合水的外层能被植物吸收利用 。
溶穴（隙）
四、地下水分类
按含水介质（空隙特征）分： 孔隙水、裂隙水、岩溶水
Outwash冰水沉积 sand and gravel in a gravel砂、砾石 pit坑
Actual tortuous flow paths through the pore spaces
砾石层
滴水 砂土
下雨 黄土
器皿 砾石
思考： 1. 上细下粗土层，滴水，水停留在何处？ 2. 黄土层中挖平洞，下大雨后，洞内能否接到水？
四、气态水、固态水及矿物中的水
在未饱和水的空隙中存在着气态水。气态水可以随空气 或在水气压力差的作用下流动。
岩石的温度低于0℃时，液态水转为固态水。我国大部 分地区有季节性冻土。东北及青藏高原，有多年冻土，对工 程的破坏性比较强，融化时固态转为液态，体积变化。 矿物晶格内及矿物孔洞中的水，就是沸石水、结晶水及 结构水。方沸石（Na2A12Si4O12· 2O)中沸石水，在加热时可 nH 以从矿物中分离出去。
本 节 课 内 容
5.3 岩土中的空隙
5.4 岩土中的水
5.5 与水有关的岩土性质 5.6 有效应力原理与岩土变形破坏
5.3 岩土中的空隙
1. 岩土空隙在地球上的分布：地壳表层十余公里，尤 其近1～2公里以内。
2. 岩土空隙的水文地质意义：是地下水的赋存场所和
运移通道。 3. 岩土空隙的描述：形状、大小、多少、分布规律和 连通性。 4. 岩土空隙的水文地质分类：松散岩土中的孔隙、坚 硬岩石中的裂隙、可溶岩石中的溶穴。
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） 弱结合水（薄膜水）
及变形
（强结合水） 吸着水
紧束在土粒表面， 不能自由移动
吸附于吸湿水外部， 只能沿土粒表面做 微小的移动
土 土 粒 粒
二、重力水
• 重力水是指远离固相表面，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。重力影 响下可以自由运动 • 地层内岩石空隙中如果存在一定的重力水，就可
孔隙大小的描述：孔喉 (d) d=0.414D 孔腹 (d’) d’=0.732D （立方体排列的理想等径园球颗粒）
孔隙大小的描述：孔喉 (d) d=0.155D （四面体排列的理想等径园球颗粒）
二、裂隙
1. 概念：岩石形成以后，由于各种内、外营力的作用，使 岩石遭到破坏而形成的空隙。 2. 分布：主要分布在固结岩层：沉积岩、变质岩、岩浆岩 等保留原来成岩孔隙，但主要是在后期应力作用下产生裂隙。 3. 分类：按成因分：
描述量 多少 n 形状 大小 分布规律 均匀 连通性 好
不具有方向性 小而均匀
多少：
度量指标：孔隙度（n）
（1）概念：某一体积岩土（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的 比例。 Vn
n V 100%
（2）研究意义（作用）：影响岩石储容地下水的能力的大小。
（3）测定方法： 砂、砾等松散岩土一般用注水方法，粘土遇水膨胀不能；
Vm M c ( ) 100 % V
二、给水度（u） 地下水位下降单位体积时，释出水的体积和疏干体积的 比值。 反映饱水岩石在重力作用下所能排出的最大水的体积。 即当地下水位下降一个单位时，在重力作用下单位水平面 积岩石柱体中所能释放出的水体积。
注：
（１）与粒径的关系不是粒径愈大则孔隙度愈大 （２）孔隙度超过最疏松排列的47.62％，达到70％
大小：
（1）研究意义（作用）：孔腹和孔喉，影响地下水的运动， 尤其是孔喉直径大小对地下水流动起关键性作用。 （2）影响因素：
颗粒大小：尤其是细小颗粒的大小，颗粒越大形成的孔隙 越大。 颗粒排列方式：理想等粒圆球状颗粒，颗粒直径为D，孔 喉直径为d 立方体排列时，d=0.414D 四面体排列时，d=0.155D。
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， 土力学中也称不均匀系数。）
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。
对于粘性土，还与结构孔隙、次生孔隙有关。
颗粒排列——等径圆球最疏松与最紧密
立方体排列
四面体排列
不同颗粒大小的试样——孔隙度？
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？
5.4 岩土中水的存在形式
沸石水：方沸石(Na2Al2Si4O12· 2O) nH
地 壳 岩 土 中 的 水
岩土“骨架”中的 水 （矿物结合水）
结晶水：石膏(CaSO42H2O)
结构水：高岭石(Al4[Si4O10](OH)8)
容重-比重法：细砂，先测岩土的容重r、比重
n (1 ) 100 %r
（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：n=47.62%; 最紧密排列：四面体：n=25.95%。（未涉及粒径大小，粒 径大小不同，但等粒状、排列方式相同时，孔隙度是相同 的） 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
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
重力水：
受重力支配不能为 土壤所保持的水分
三、毛细水
1.毛细现象：在液体表面张力作用下，毛细管中水位上升一 定高度的现象。 毛细空隙是岩土中的细小空隙，一般指直径小于1mm 的孔隙或宽度小于0.25mm的裂隙。 毛细上升高度与毛管直径成反比。 松散岩石中细小的孔隙通道构成毛细管，∴在地下水面 以上的包气带中广泛存在毛细水。 结论：松散岩层的颗粒越粗，孔隙越大，则毛细上升 高度越小。
结合水 （矿物表面结合水） 重力水 液态水 毛细水 固态水
水文地质学 的重点研究 对象
强结合水 弱结合水
岩土空隙中的水
气态水
存在形式：气态 固态 液态
设想实验：材料（玻璃珠子、细管）+水（水杯）
一、结合水
1、概念：分布在颗粒表面受静电引力大于重力，而不能
在自身重力作用下发生运动的那部分水。
• 细小粘粒团构成颗粒集合体，可形成比颗粒自身还大的结构孔隙
• 集合体与集合体结合构成粘性土的沉积结构特征。
（2）粘土孔隙
粘性土：蜂窝、絮状结构，如同海绵
• 结构孔隙：集合体与集合体、粘粒与粘粒之间的孔隙。 • 次生孔隙：虫孔、根系孔、干裂缝等。
松散岩石孔隙度参考数值（据弗里泽等，1987）
岩石名称 孔隙度变化 区间 砾石 25%-40% 砂 25%-50% 粉砂 35%-50% 粘土 40%-70%
5.相关定义及概念
岩石—水文地质学中指坚硬的岩石及松散的土层。 岩石空隙是地下水储存场所和运动通道。空隙的多少、大 小、形状、连通情况和分布规律，决定着岩土储容、滞留、 释出以及传输水的性能。
孔隙 – 松散沉积物中的空隙; （第四纪地质学）
裂隙 – 坚硬岩石地层中的空隙; （构造地质学） 溶穴 – 可溶性基岩地层中经溶蚀后的空隙; （岩溶地貌学）
岩心中的空隙
钻探与采样
采样
孔隙（大型双环渗水试验，石羊河流域）
一、孔隙
1. 概念：存在于松散的或未完全胶结的岩土颗粒之间或颗 粒集合体之间的空隙。 2. 分布：最新沉积、新生界、主要在第四系沉积层中的碎 石土、砂土、粘土等，其次是胶结不完全的第三系或中生界部 分地层。如河边砂砾中存在的孔隙。 3. 特征：
对于粘性土：还与结构孔隙、次生孔隙有关。
孔隙与粒径关系
砾石（模型）
砂土样品
砂砾混合样品
松散土体宏观上可以分为2大类：砂性土与粘性土类
孔喉（直径为d）与孔腹（直径为D’）
通过孔隙通道中心切面图 假定颗粒为等粒球体（直径为D）作立方体排列
颗粒排列形式
立方体排列
四面体排列
立方体排列与四面体排列——孔腹和孔喉
5.5 与水有关的岩土性质
容水性：岩石能容纳一定数量水的性质。用容水度表示。 给水性：饱水岩石在重力作用下能自由排出一定数量水的
性质。用给水度表示。
持水性：岩石在重力释水后能在空隙中保持一定数量水的
性质。用持水度表示。
透水性：岩石允许让水通过的性质。用渗透系数或单位吸
水量表示。
一、容水度（Mc） 岩土完全饱水时所能容纳的水的体积与岩土体积的比值。 若以重量计，则称容水量。 容水度与孔隙度（裂隙率、岩溶率）相等。
岩土中的各种空隙
分选良好， 排列疏松的砂
分选良好， 排列紧密的砂
具有结构孔隙的 粘土
经过压缩的粘土
具有裂隙的岩石
具有溶隙及溶穴的 可溶岩
孔隙（松散岩样）
IFC Hanford Formation Cores
Coarse-sand
Matrix-supported Open-framework
Hanford Field Test Site
大小：大的有构造断裂带，小的要用显微镜看。具有级次，大构造断 裂带，次级------，再次一级------。 连通性：总体上不好，局部可能很好，形成裂隙系统。找水，局部裂 隙，最好找在最大断裂带上，主干断裂， 裂隙含水系统。 多少：裂隙率。线裂隙率：与裂隙走向垂直方向上单位长度内裂隙所 占的比例。 面裂隙率，体裂隙率。野外研究裂隙时应注意测定裂隙的方 向、宽度、延伸长度、充填情况等，这些影响水的运动。
类似固体，不能流动。在温度105℃上才能以气态的形式脱离颗粒表 面 溶解盐类能力弱、不能为植物吸收 有较大的粘滞性、弹性和抗剪强度 。
弱结合水：
排列规则，密度大于1，为1.3~1.774g/cm3
在外力作用下可产生运动，但速度十分缓慢 溶解盐类能力较弱 冰点为-15℃ 有一定的粘滞性和抗剪强度 弱结合水的外层能被植物吸收利用 。
溶穴（隙）
四、地下水分类
按含水介质（空隙特征）分： 孔隙水、裂隙水、岩溶水
Outwash冰水沉积 sand and gravel in a gravel砂、砾石 pit坑
Actual tortuous flow paths through the pore spaces