水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)巖石中的空隙與水

水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)巖石中的空隙與水第1頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第二章巖石中的孔隙與水分2.1巖石中的空隙2.2巖石中水的存在形式2.3巖石的水理性質(zhì)2.4有效應(yīng)力原理與松散巖土壓密第2頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1巖石中的空隙巖石：指堅(jiān)硬的巖石及松散的土層（水文地質(zhì)學(xué)定義）2.1.1巖石空隙的種類空隙：巖石中沒(méi)有被固體顆粒占據(jù)的那部分空間松散巖石中的孔隙堅(jiān)硬巖石中的裂隙可溶巖石中的溶穴地下水賦存場(chǎng)所和運(yùn)移通道未固結(jié)松散巖層固結(jié)巖層可溶巖層第3頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一分選好，排列疏松的砂分選好，排列緊密的砂分選不好，含泥砂的礫石部分膠結(jié)的砂巖2.1巖石中的空隙第4頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一有結(jié)構(gòu)空隙的粘土經(jīng)過(guò)壓縮的粘土裂隙發(fā)育的巖石有溶隙和溶穴的可溶巖2.1巖石中的空隙第5頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1.2孔隙

（1）孔隙是指松散巖石中顆?；蚱浼象w之間的空隙。特點(diǎn)：①呈小孔狀，②分布均勻且密集，③連通性好。（2）孔隙度是指某一體積巖石（包括顆粒骨架和孔隙在內(nèi)）中孔隙體積所占的比例?？紫抖仁敲枋鏊缮r石中孔隙多少的指標(biāo)

VT=Vn+Vs,其中n為孔隙度，Vn為孔隙體積，Vs為巖石固體顆粒體積，VT為巖石總體積。

2.1巖石中的空隙第6頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

（3）孔隙度(n)大小的影響因素：

2.1巖石中的空隙第7頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

（3）孔隙度(n)大小的影響因素：①分選程度：分選差時(shí)n小，大小混雜時(shí)n??；

②顆粒排列：立方體時(shí)n=47.64%，四面體n=25.95%，其余一般介于兩者之間，菱面體排列n=26.795%≈37%。

2.1巖石中的空隙第8頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

（3）孔隙度(n)大小的影響因素：

③顆粒形狀：棱角多、松散的，n大。④膠結(jié)充填：充填物多時(shí)n小。⑤結(jié)構(gòu)及次生裂隙：粘性土中有結(jié)構(gòu)孔隙和蟲(chóng)孔、根孔等次生裂隙，均使n增大。影響孔隙度大小的主要因素是試樣的分選程度。2.1巖石中的空隙第9頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1巖石中的空隙第10頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1巖石中的空隙第11頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1巖石中的空隙第12頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（4）孔隙大小的影響因素

孔喉是指孔隙通道中最細(xì)小的部分，孔腹是孔隙中最寬大的部分?？紫洞笮∮绊懙叵滤\(yùn)動(dòng)，孔喉對(duì)水流動(dòng)的影響更大。

2.1巖石中的空隙第13頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（4）孔隙大小的影響因素

①顆粒大小及分選性：顆粒大而均勻,孔隙就大；顆粒大小不均時(shí)，小顆粒充填大顆粒形成的孔隙，孔隙就小；2.1巖石中的空隙第14頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（4）孔隙大小的影響因素

2.1巖石中的空隙第15頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（4）孔隙大小的影響因素②顆粒排列方式：四面體排列孔喉直徑d=0.155D，立方排d=0.414D；③顆粒形狀：帶棱角的易形成架空空間---較大的空隙；④結(jié)構(gòu)孔隙及次生孔隙（粘性土）。2.1巖石中的空隙第16頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1.2裂隙

裂隙是指固結(jié)的堅(jiān)硬巖石（沉積巖、巖漿巖和變質(zhì)巖）在各種應(yīng)力作用下巖石破裂變形而產(chǎn)生的空隙。以裂隙率表示。

成巖裂隙是指巖石在成巖過(guò)程中由于冷凝收縮（巖漿巖）或固結(jié)干縮（沉積巖）而產(chǎn)生的裂隙，以玄武巖柱狀節(jié)理最有水文地質(zhì)意義。

構(gòu)造裂隙是指巖石在構(gòu)造變動(dòng)中受力而產(chǎn)生的裂隙。具有方向性，大小懸殊，分布不均勻。

風(fēng)化裂隙是指巖石在風(fēng)化營(yíng)力作用下發(fā)生破壞而產(chǎn)生的裂隙。主要分布于地表附近。2.1巖石中的空隙第17頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一裂隙的分類成巖裂隙構(gòu)造裂隙風(fēng)化裂隙主要發(fā)育巖漿巖中，以玄武巖柱狀節(jié)理最佳，連通、導(dǎo)水性好具有方向性，大小懸殊，分布不均，張裂隙最佳，剪裂隙較差分布在地表附近，發(fā)育程度受氣侯、地形、巖性、構(gòu)造等控制特點(diǎn)裂隙：空間形態(tài)是兩向延伸長(zhǎng)，橫向延伸短的“餅狀”空隙單個(gè)裂隙是孤立的。2.1巖石中的空隙第18頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一砂巖巖芯中的空隙2.1巖石中的空隙第19頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1.2裂隙裂隙率（Kr）是巖石中裂隙體積（Vr）與包含裂隙體積在內(nèi)的巖石體積（V）的比值，此為體積裂隙率，即Kr=Vr/V或Kr=Vr/V×100%。亦可用面積裂隙率和線裂隙率表示。2.1巖石中的空隙第20頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一裂隙玄武巖成巖裂隙花崗巖構(gòu)造裂隙風(fēng)化裂隙2.1巖石中的空隙第21頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1巖石中的空隙第22頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一成巖和構(gòu)造裂隙2.1巖石中的空隙第23頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1.3溶穴（1）溶穴（溶隙）（Karst）是指可溶的沉積巖（如鹽巖、石膏、石灰?guī)r、白云巖等）在地下水溶蝕作用下所產(chǎn)生的空隙（空洞）。在裂隙基礎(chǔ)，水流對(duì)可溶巖進(jìn)一步作用的結(jié)果

——是擴(kuò)大了的裂隙溶穴：溶蝕的裂隙，有溶孔、溶隙、溶洞等2.1巖石中的空隙第24頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一溶洞溶孔溶隙第25頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1.3溶穴巖溶巖體：要描述裂隙特征及巖溶發(fā)育特征（裂隙+溶洞）1）巖溶發(fā)育方向2）溶蝕率--鉆孔巖溶發(fā)育程度3）溶洞（方向、規(guī)模等）（2）巖溶率（Kk）是指溶穴的體積（Vk）與包含溶穴在內(nèi)的巖石體積（V）的比值，即即Kk=Vk/V或Kk=Vk/V×100%。2.1巖石中的空隙第26頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一天坑石林第27頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第28頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

（3）空隙網(wǎng)絡(luò)是由巖石中的空隙按一定方式連接起來(lái)所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)有效的儲(chǔ)水空間和運(yùn)移通道①松散巖石中的孔隙連通性好，分布均勻，其中的地下水分布與流動(dòng)比較均勻，為孔隙水。②堅(jiān)硬基巖中的裂隙，連通性較差，分布不均勻，寬窄不等，多具有方向性，其中的地下水相互關(guān)聯(lián)差，分布流動(dòng)不均勻，為裂隙水。③可溶巖石中的溶穴是一部分原有裂隙與原生孔縫溶蝕而成，大小懸殊，分布不均，其中的地下水分布與流動(dòng)多極不均勻，為巖溶水。2.1巖石中的空隙第29頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1巖石中的空隙第30頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第31頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.1巖石中的空隙第32頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2巖石中水的存在形式巖土中水的存在狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)

結(jié)構(gòu)水，以H+和OH-離子的形式存在于礦物結(jié)晶格架某一位置上的水。結(jié)晶水是礦物結(jié)晶構(gòu)造中的水，以H2O分子形式存在于礦物結(jié)晶格架固定位置上的水。

沸石水(zeolitewater)：方沸石（Na2Al2Si4O12?nH2O）。第33頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一氣態(tài)水、固態(tài)水

巖石空隙中的這部分水含量小。其中氣態(tài)水存在于包氣帶中，可以隨空氣流動(dòng)而流動(dòng)，在一定溫度、壓力下可與液態(tài)水相互轉(zhuǎn)化。凍土地區(qū)存在固態(tài)水(solidwater)。2.2巖石中水的存在形式第34頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.1結(jié)合水

結(jié)合水是指受固相表面的引力大于水分子自身重力的那部分水，亦即被巖土顆粒的分子引力和靜電引力吸附在顆粒表面的水。2.2巖石中水的存在形式第35頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.1結(jié)合水強(qiáng)結(jié)合水：最接近固相表面的結(jié)合水，為緊附于巖土顆粒表面結(jié)合最牢固的一層水，其所受吸引力可相當(dāng)于一萬(wàn)個(gè)大氣壓。其含量，在粘性土中為48%，在砂土中為0.5%。特點(diǎn)：①分子排列緊密②吸引力大，密度大（2g/l）③不受重力支持④無(wú)溶解能力，不能運(yùn)動(dòng)⑤不導(dǎo)電弱結(jié)合水：結(jié)合水的外層由于分子力而粘附在巖土顆粒上的水，又稱薄膜水。其含量，在粘性土中為48%，在砂土中為0.2%。特點(diǎn)：①分子排列不緊密，厚度較大，狀態(tài)處于固態(tài)與液態(tài)之間②吸引力小，密度較大③溶解能力較低④有一定運(yùn)動(dòng)能力，在飽水帶中，能傳遞靜水壓力，靜水壓力大于結(jié)合水的抗剪強(qiáng)度時(shí)能夠運(yùn)移⑤其外層可被植被吸收，有抗剪強(qiáng)度。2.2巖石中水的存在形式第36頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一結(jié)合水和重力水結(jié)合水與重力水（a）橢圓形小粒代表水分子，結(jié)合水部分的水分子帶正電荷一端朝向顆粒；（b）箭頭代表水分子所受合力方向2.2巖石中水的存在形式第37頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2.2重力水

重力水是指距離固體表面更遠(yuǎn)、重力對(duì)其影響大于固體表面對(duì)其吸引力、能在重力影響下自由運(yùn)動(dòng)的那部分水。井、泉所采取的均為重力水，為水文地質(zhì)學(xué)的主要研究對(duì)象。2.2巖石中水的存在形式第38頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.2巖石中水的存在形式毛細(xì)水（capillarywater）是由于毛細(xì)管力作用而保存于包氣帶內(nèi)巖層空隙中的地下水。毛細(xì)管由松散巖石中細(xì)小的孔隙通道構(gòu)成。2.2.3毛細(xì)水第39頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一毛細(xì)力：受到表面吸引力，重力，還有另一種力——稱稱毛細(xì)力的作用，產(chǎn)生毛細(xì)現(xiàn)象。2.2巖石中水的存在形式第40頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一毛細(xì)水的存在形式：懸掛毛細(xì)水似串珠狀且連續(xù)分布，孔角毛細(xì)水孤立分布。第41頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一毛細(xì)水2.2巖石中水的存在形式第42頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一第43頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.3巖石的水理性質(zhì)

巖石的水理性質(zhì)是與水的儲(chǔ)容、運(yùn)移及釋出有關(guān)的巖石性質(zhì)的總稱。容水性容水度含水性含水量給水性給水度持水性持水度滲透性滲透系數(shù)第44頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

2.3.1容水性

容水性是指在常壓下巖土空隙容納一定水量的能力。衡量指標(biāo)為容水度。容水度是反映巖石最大含水能力。

容水度是指巖石完全飽和時(shí)所能容納的最大的水體積與巖石總體積的比值。用小數(shù)或%表示，W0=V0/V×100%。

容水度一般小于或等于孔隙度。2.3巖石的水理性質(zhì)

對(duì)于膨脹土，容水度可大于孔隙度。第45頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.3巖石的水理性質(zhì)2.3.2含水性

含水性是巖石實(shí)際保留水分的狀況，反映的是某巖樣在某時(shí)刻的含水狀態(tài)。用含水量W表示。

含水量（watercontent）是巖石空隙中所保留的水分的多少。

重量含水量（Wg）是松散巖石孔隙中所含水的重量（Gw）與干燥巖石重量（Gs）的比值，Wg=Gw/Gs×100%。

體積含水量（Wv）是巖石中所含水的體積（Vw）與包含孔隙在內(nèi)的巖石體積（V）的比值，Wv=Vw/V×100%。

記巖石的干容重(單位體積干土重量)為gd，則有

Wv=gd?Wg。第46頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

飽和含水量（Ws）是巖石孔隙充分飽水時(shí)的含水量。數(shù)值上在粗顆粒及寬裂隙巖石中接近于土或巖石的給水度。

飽和度是實(shí)際含水量與飽和含水量之比，亦即巖石孔隙中水的體積與孔隙體積之比，以百分?jǐn)?shù)表示。反映巖石中孔隙的充水程度。

飽和差（土壤飽和差）是巖石的飽和含水量與實(shí)際含水量之差，亦即巖石的容水度與天然濕度(含水量)之差。2.3巖石的水理性質(zhì)第47頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.3.3給水性

給水性是飽和巖土在重力作用下能自由排出水的能力。用給水度表示。

（1）給水度是指地下水位下降一個(gè)單位深度、從地下水位延伸到地表面的單位面積巖石柱體在重力作用下所釋放出來(lái)的水的體積。常用小數(shù)表示，無(wú)量綱。2.3巖石的水理性質(zhì)第48頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.3.3給水性

2.3巖石的水理性質(zhì)第49頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.3巖石的水理性質(zhì)第50頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一（2）給水度的影響因素

①巖性：顆粒粗大的松散巖石，空隙寬大，重力釋水時(shí)持水性差，給水度大。②地層結(jié)構(gòu)：含有細(xì)顆粒夾層時(shí)給水度較小。③空隙大小與性質(zhì)：空隙寬大時(shí)給水度較大，而空隙狹小時(shí)，結(jié)合水與毛細(xì)水為主，持水性強(qiáng)，給水度小。④水位埋深（在毛細(xì)帶內(nèi)）：當(dāng)?shù)叵滤怀跏悸裆畲笥谥С置?xì)水帶高度時(shí)（H0》hc）,可達(dá)最大μ值。H0《hc時(shí)，地下水位下降1個(gè)高度時(shí)，原重力水大多轉(zhuǎn)化為支持毛細(xì)水，土層給水量大大降低，μ變小。土層含水量曲線分析：當(dāng)水位埋深足夠大時(shí)，土層給水度不發(fā)生變化（為定值），此時(shí)給水度為最大理論給水度。⑤水位降速：抽水時(shí)降速過(guò)大時(shí)給水度偏小，降速很小時(shí)給水度較穩(wěn)定。2.3巖石的水理性質(zhì)第51頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.3巖石的水理性質(zhì)第52頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一

給水度是飽和介質(zhì)在重力排水作用下可以給出的水體積與多孔介質(zhì)體積之比。2.3巖石的水理性質(zhì)第53頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一常見(jiàn)松散巖石的給水度

2.3巖石的水理性質(zhì)第54頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.3.4持水性

持水性是飽和巖土在重力排水后，巖土依靠分子力和毛管力而在巖石空隙中能保持一定水分的能力。

持水度（Sr）（specificretention）是指地下水位下降一個(gè)單位深度、單位水平面積巖石柱體中反抗重力而保持于巖石空隙中的水的體積。常用小數(shù)表示，無(wú)量綱。存在關(guān)系式：m+Sr=n。

殘留含水量（W0）相當(dāng)于最大持水度，是巖石充分釋水的結(jié)果，又稱田間持水量。2.3巖石的水理性質(zhì)第55頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.3巖石的水理性質(zhì)第56頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一2.3巖石的水理性質(zhì)第57頁(yè)，共63頁(yè)，2023年，2月20日，星期一持水性

各種土壤的田間持水量2.3巖石的水理性質(zhì)第5