第2章 地下水的赋存

n

1
61

cos


1

2
cos
θ---颗粒中心连线平面角的二面角。 θ=90°，n=47.64%，立方体； θ=60°，n=25.95%，四面体。（斯利郝特公式）
粘土
粘土是指土体颗粒＜0.005mm 的直径 粘土的孔隙度往往可以超过上述理论上最大孔隙度值。
粘性土如同海绵、峰窝或絮状结构 结构孔隙——粘土颗粒表面常常带有电荷，构成颗粒 集合体，可形成直径比颗粒还大的结构孔隙。 次生孔隙——虫孔、根系孔、裂隙裂痕等
1
2
脆性岩层与塑性岩层的裂隙发育素描图 1——脆性岩层 2——塑性岩层
岩石中的孔隙——思考题
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。 （4）坚硬的花岗岩、砂岩、灰岩的空隙特征有何异同点？
第二节 岩石中水的存在形式
性质 结合水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）及变形
意义 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（称无效空间）
二、重力水
远离固相表面，水分子受固相表面吸引力的影响极
积（V）的比值
Wv=Vw/V*100%
重量含水量与体积含水量的关系
•饱和含水量（ Ws）：孔隙充分饱水时的含水量。 •饱和差：饱和含水量与实际含水量之间的差值称为饱和差。 •饱和度：实际含水量与饱和含水量之比称为饱和度。
三、给水度
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？ 保留的水有：结合水(膜)，孔角毛细水，有时悬挂毛细水与 支持毛细水
以通过泉，或井流出（抽出）
三、毛细水
设想实验：材料（玻璃珠子、细管）+水（水杯）
三、毛细水
毛细水：由于毛细力的作用而充满岩石毛细空隙中的水。 孔隙要求（D<1mm)、裂隙要求（L <0.25mm） 毛细水产生的原因：表面张力与重力的平衡 因此，不同的空隙毛细水上升的高度不同 毛细上升高度Hk=0.003/D
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）
一根毛细管子，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

三、毛细水
a) 支持毛细水：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
b) 悬挂毛细水：脱离水面，岩石细小孔隙中保留的水分 c) 孔角毛细水
孔隙大小的描述：
孔喉 (d) d=0.414D 孔腹 (d’) d’=0.732D
2、砂砾石孔隙大小及其影响因素
孔隙大小的影响因素：
D
D
• （2）颗粒的排列方式
d
d
• （3）颗粒的分选程度 • （4）颗粒的形状
❖ 立方体排列
d=0.414D
• （5）颗粒被胶结情况
• （6）粘性土的结构孔隙及次生空隙

三、毛细水
四、气态水、固态水及矿物水
•气态水：在未饱和水的空隙中存在着气态水。
气态水在一定温度、压力条件下，与液态水相互转化，
两者之间保持动平衡。
•固态水：岩石的温度低于 0℃时，空隙中的液态水转为固
态水。
多年冻土。
•矿物水：存在于矿物结晶内部及其间的水称为沸石水、结
其微弱，主要受重力影响。重力影响下可以自由运动 （1）层流运动——位于结合水外层，靠近固体颗粒
的那部分重力水，仍然受静电引力影响，水分子排列较 整齐，运动较规则。
（2）紊流运动——远离固体表面的重力水，不受 静电引力作用，只受重力作用，流速较大，水分子运动 轨迹较紊乱。
地层内岩石空隙中如果存在一定的重力水，就可
五、 透水性
影响因素：（1）空隙大小 （主要决定因素）
图2-9 理想圆管状空隙中重力水流速分布 （阴线部分代表结合水，箭头长度代表重力水质点实际流速）

图2-10 理想化孔隙介 质
五、 透水性
影响因素：（2）空隙的最小直径
a 孔隙通道原型
b 概化为沿程等经的圆管
c概化为沿程不等径圆管 图2－11 实际孔隙通道及其概化
（3）空隙的多少 （4）颗粒的分选性 （5）矿物成分 （6）结构构造

是不同的。

五、 透水性
指岩石允许水透过的能力。
衡量指标：渗透系数(K)
K0=cd2 按透水性好坏分类：
透水岩石：
K>1m/d
弱透水岩石：
K＝0.001～1m/d
不透水岩石或隔水岩石： K<0.001m/d
Note：粘土孔隙度达50％，但不透水

第二章 地下水的赋存
本章内容
第一节 岩石的空隙
赋存
地
的
下
介质
第三节 岩石的水理性质 第五节 含水层和隔水层
水
赋 存
赋存
第二节 岩石中水的存在形式
的
形式
第四节 包气带和饱水带
第六节 地下水系统
第一节 岩石的空隙
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，是地下水渗入、 储存、运移的场所和通道。 空隙的类型：
空隙类型
孔隙
裂隙
溶穴（隙）
项目
均匀性 方向性 连通性
孔隙水均匀
在各个方向 上都比较均 匀 连通性良好
分布与流动 分布与流动
不均匀
极不均匀
裂隙水具有 溶穴的空隙
一定的方向 大小悬殊，
性
无方向性
裂隙发育方 连通性差异 向连通性好， 很大 其它方向连 通性差
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 柔塑性岩石(粘土、页岩)：在构造变动中产生变形，而不易 产生裂隙或裂隙小而密集； 硬脆性岩石(石灰岩、砂岩)：不易变形，往往以破裂消失 外成力，形成的空隙大而稀疏。
与固体颗粒（Vs）的比值，
ε＝(V /V ) *100% www.themegallenry.cosm
ε＝n/(1-n)
影响孔隙度大小的因素：
（1）颗粒的排列情况：不同的排列方式， 孔隙度可在25.95%~47.94%之间波动。
立方体排列
四面体排列
（2）分选程度：乘法原则n=n1×n2 （3）颗粒的形态、磨圆度 （4）压实、胶结情况 （5）粘性土的结构孔隙及次生空隙
表2-3
各类岩石毛细上升最大高度统计表
岩石名称
毛细上升最大 高度，（cm）
粗砂 2～4
中砂 细砂 亚砂土
亚粘土
粘土
12～35
35～ 120
120～350
350～650
650～1200
三、毛细水
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
武岩中柱状节理最有意义。
•构造裂隙 是岩石在应力作用下产生的裂隙，具有方向性，大 小悬殊（由隐蔽的节理到大断层），分布不均一。
•风化（卸荷）裂隙 风化营力作用下，岩石产生的裂隙。 裂隙的特点：
•不均一性（分布不均一，宽度、长度、密度、连通性差异很 大） •方向性
二、裂隙
– 裂隙的多少
• （体积）裂隙率：裂隙的体积（Vr）与包含裂隙在内的岩石
影响给水度的因素 a) 岩性：空隙的大小与多少 b) 地下水位初始埋深（H0） 当地下水位初始埋深大于支持毛细水带高度时H0 ＞＞ hc ,可达最大μ值。

三、给水度
c) 地下水位下降速度 下降快μ<μ理、下降慢μ→μ理
d) 土层结构 均质土特征与上述讨论一致 岩土层为层状非均质土时，往往会影响μ值， 多层状土的特征而言，上粗下细，上细下粗结构影响
沸石水、结晶水
岩石中的矿物结合水
结构水
强结合水－吸着水
地壳岩石中水的
结合水
存在形式
弱结合水－薄膜水
重力水
岩石空隙中的水 液态水
毛细水
固态水
定义 由于静电吸引，附着于固体表面，在自身重力下不能运动 的水 即结合水具有一定的抗剪强度 表面引力—服从库仑定律，随固体表面的距离加大而减弱
2、砂砾石孔隙大小及其影响因素
– 孔隙大小
• 孔隙大小的意义：孔隙大小对地下水的赋存和运动有很大 影响，孔隙越大，赋存的重力水越多，地下水运动越通畅。
孔隙大小的影响因素： • （1）颗粒大小
不同粒度等粒岩石的孔隙度与孔隙大小
而孔隙中，又是最细小的部分是 影响水流的瓶颈。
孔吼（直径为d）与孔腹（直径为d＇ ） 通过孔隙通道中心切面图
松散沉积物中的孔隙、坚硬岩石的裂隙和可溶岩的溶穴 (隙）。见图2-1。 •孔隙：存在于松散的或未完全胶结的岩石颗粒与颗粒之间或 颗粒集合体与颗粒集合体之间的空隙，称为孔隙。 •裂隙：裂隙是坚硬岩石形成时或形成后由于各种内外营力的 作用，使岩体遭受破坏而形成的空隙。 •溶穴（隙）：可溶性岩石经地下水的溶蚀和机械冲蚀作用产 生的空隙。
容水度>空隙度
二、含水量
• 岩石样品实际保留水分的状况，反映的是某岩样在某时刻
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
Wg

Gw Gg
100 %