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1、 第二章 岩石中的空隙与水分 l岩石中的空隙 l岩石中的水分 l岩石的水理性质 l含水层与含水系统 第1节 岩石中的空隙 岩石空隙是地下水储存场所和运动通道。空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，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。对地下水的分布和运动具有重要影响。 l孔隙孔隙 松散沉积物中的空隙松散沉积物中的空隙 l裂隙裂隙 坚硬岩石地层中的空隙坚硬岩石地层中的空隙 l溶穴溶穴 可溶性基岩地层中经溶蚀后的空隙可溶性基岩地层中经溶蚀后的空隙 第1节 岩石中的空隙 不同介质中的空隙特征不同介质中的空隙特征 第
2、1节 岩石中的空隙孔隙 lOutwash sand and gravel in a gravel pit 第1节 岩石中的空隙孔隙 l概念：概念：松散岩石是由大小不等的颗粒组成的。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。颗粒或颗粒集合体之间的空隙，称为孔隙。 l孔隙度（孔隙度（n）：）： 或或 V 表示包括孔隙在内的岩石体积表示包括孔隙在内的岩石体积 Vn表示岩石中孔隙的体积表示岩石中孔隙的体积 第1节 岩石中的空隙孔隙 l影响孔隙度影响孔隙度n大小的因素：大小的因素： 颗粒的排列方式：颗粒的排列方式： 等体积球作立方体排列，是最疏松排列等体积球作立方体排列，
3、是最疏松排列 n = 47.64% 等体积球作四面体排列，是最紧密排列等体积球作四面体排列，是最紧密排列 n = 25.95% 第1节 岩石中的空隙孔隙 第1节 岩石中的空隙孔隙 颗粒大小：颗粒大小： 理论上讲（按等体积球），理论上讲（按等体积球），n与颗粒大小无关，与颗粒大小无关， 但实际上则无理想的等体积颗粒，大小必不但实际上则无理想的等体积颗粒，大小必不 相等，甚至大小悬殊。一般颗粒越大，则相等，甚至大小悬殊。一般颗粒越大，则n越越 大。但由于分选性的影响，往往孔隙度反而大。但由于分选性的影响，往往孔隙度反而 减小。实际减小。实际n值可大于值可大于47.64%或小于或小于25.95%。
4、第1节 岩石中的空隙孔隙 分选性分选性(sorting) 分选性越差，颗粒大小越悬殊，分选性越差，颗粒大小越悬殊，n则越小。反则越小。反 之则越大。之则越大。 颗粒形状颗粒形状 形状越不规则，棱角越明显，排列越疏松，形状越不规则，棱角越明显，排列越疏松，n 越大。反之则越小。越大。反之则越小。 胶结程度胶结程度 胶结越好，胶结越好，n越小。越小。 第1节 岩石中的空隙孔隙 特殊孔隙的影响：特殊孔隙的影响： l结构性孔隙结构性孔隙 l虫孔、根孔、甘裂缝等次生空隙虫孔、根孔、甘裂缝等次生空隙 因此，对粘性土，它们对因此，对粘性土，它们对n的大小影的大小影 响很大，不可忽视。响很大，不可忽视。 岩石
5、名称 砾 石 砂 粉 砂 粘 土 n变化区间 0.250.40 0.250.50 0.350.50 0.400.70 第1节 岩石中的空隙孔隙 lActual tortuous flow paths through the pore spaces 第1节 岩石中的空隙裂隙 坚硬岩石中的空隙，除沉积岩尚包含一定的原生孔坚硬岩石中的空隙，除沉积岩尚包含一定的原生孔 隙外，其余的岩浆岩和变质岩一般均很少存在粒间孔隙外，其余的岩浆岩和变质岩一般均很少存在粒间孔 隙。岩石中的空隙主要由各种成因的裂隙隙。岩石中的空隙主要由各种成因的裂隙成岩裂成岩裂 隙、构造裂隙和风化裂隙所构成。隙、构造裂隙和风化裂隙所构
6、成。 裂隙岩石的空隙特征，主要表现为单个裂隙或裂隙裂隙岩石的空隙特征，主要表现为单个裂隙或裂隙 组在发育方向与几何尺寸上的差异性、分布上的不均组在发育方向与几何尺寸上的差异性、分布上的不均 匀性、裂隙相互间的连通性、裂隙的充填情况以及裂匀性、裂隙相互间的连通性、裂隙的充填情况以及裂 隙面的粗糙程度等方面，这些都对地下水的分布与运隙面的粗糙程度等方面，这些都对地下水的分布与运 动具有重要影响。动具有重要影响。 第1节 岩石中的空隙裂隙 l体积裂隙率（体积裂隙率（Kr） 裂隙体积（裂隙体积（Vn）与包括裂隙在内的岩石体积）与包括裂隙在内的岩石体积 （V）的比值，即）的比值，即 l面积裂隙率面积裂隙
7、率（Ka） 单位面积岩石上裂隙面积的大小。单位面积岩石上裂隙面积的大小。 l线裂隙率（线裂隙率（Kl） 垂直裂隙走向方向上单位长度上裂隙的条数。垂直裂隙走向方向上单位长度上裂隙的条数。 VVnKr/ 第1节 岩石中的空隙溶穴 lLimestone exposed in a road cut 第1节 岩石中的空隙溶穴 l概念概念 可溶的沉积岩，如岩盐、石膏、石灰岩和白可溶的沉积岩，如岩盐、石膏、石灰岩和白 云岩等，在地下水溶蚀下会产生空洞，这种空云岩等，在地下水溶蚀下会产生空洞，这种空 隙称为溶穴（隙）。隙称为溶穴（隙）。 l岩溶率（岩溶率（Kk） VVrKk/ 第1节 岩石中的空隙三者比较 l
8、空隙特征空隙特征 孔隙：分布均匀、连通性好、各向异性不明显孔隙：分布均匀、连通性好、各向异性不明显 裂隙：分布不均匀、连通性差、各向异性明显裂隙：分布不均匀、连通性差、各向异性明显 溶穴：以空隙大小悬殊、分布极不均匀为特征溶穴：以空隙大小悬殊、分布极不均匀为特征 l空隙发育的复杂性空隙发育的复杂性 松散层主要发育孔隙，但粘性土失水干缩后可产生裂隙；松散层主要发育孔隙，但粘性土失水干缩后可产生裂隙； 坚硬岩石中也不全为裂隙或裂隙坚硬岩石中也不全为裂隙或裂隙-溶穴。如有些沉积岩往溶穴。如有些沉积岩往 往存在大量的原生孔隙，其数量可大大超过裂隙与溶穴。往存在大量的原生孔隙，其数量可大大超过裂隙与溶穴
9、。 第1节 岩石中的空隙三者比较 不同地区岩性空隙度比较不同地区岩性空隙度比较 地 区 岩 性 孔隙度（%） 裂隙率（%） 中国北京西山 地区 下奥陶统碳 酸盐岩 610 0.30.8 美国斯普拉贝 尔油田 砂 岩 13 小于1 前苏联斯涅别 林斯基油田 砂 岩 527 0.30.4 第2节 岩石中水的存在形式 第2节 岩石中水的存在形式 （矿物表面）结合水(bound water) 第2节 岩石中水的存在形式 （矿物表面）结合水 l强结合水的特点强结合水的特点 密度大于密度大于1，平均，平均2g/cm3左右左右 不受重力影响不受重力影响 不能流动。只有在温度不能流动。只有在温度105110时
10、才以气态的形式时才以气态的形式 脱离颗粒表面而移动脱离颗粒表面而移动 溶解盐类能力弱溶解盐类能力弱 -80 时仍不结冰时仍不结冰 第2节 岩石中水的存在形式 （矿物表面）结合水 有较大的粘滞性、弹性和抗剪强度有较大的粘滞性、弹性和抗剪强度 不能传递静水压力不能传递静水压力 无导电性无导电性 l弱结合水弱结合水(薄膜水薄膜水film water,pellicular moisture) 的特点的特点 密度大于密度大于1，为，为1.31.774g/cm3 不受重力影响不受重力影响 可以从簿膜厚的颗粒向簿膜小的颗粒方向移动，但速度十分缓可以从簿膜厚的颗粒向簿膜小的颗粒方向移动，但速度十分缓 慢。慢。
11、 第2节 岩石中水的存在形式 （矿物表面）结合水 溶解盐类能力较弱溶解盐类能力较弱 冰点为冰点为-15 有一定的粘滞性和抗剪强度有一定的粘滞性和抗剪强度 在一定条件下（饱水带）可传递静水压力在一定条件下（饱水带）可传递静水压力 弱结合水的外层能被植物吸收利用弱结合水的外层能被植物吸收利用 第2节 岩石中水的存在形式 毛细水(capillary water) l概念概念 依靠毛细力而保持在毛细空隙中的水，称为毛细水。依靠毛细力而保持在毛细空隙中的水，称为毛细水。 毛细空隙是岩土中的细小空隙，一般指直径小于毛细空隙是岩土中的细小空隙，一般指直径小于1mm的的 孔隙或宽度小于孔隙或宽度小于0.25m
12、m的裂隙。的裂隙。 l毛细现象及实质毛细现象及实质 将一根玻璃毛细管插入水中，毛细管内的水面即会上升将一根玻璃毛细管插入水中，毛细管内的水面即会上升 到一定高度，这便是发生在固、液、气三相界面上的毛到一定高度，这便是发生在固、液、气三相界面上的毛 细现象。细现象。 其实质是毛细张力的作用。其实质是毛细张力的作用。 形弯液面产生的附加压强形弯液面产生的附加压强Pc，是个负压强，称毛细负压。，是个负压强，称毛细负压。 l毛细上升高度毛细上升高度hc(capillary height)和毛细上和毛细上 升速度升速度 式中式中D的单位为的单位为mm，Pc为毛细压力。为毛细压力。 对主曲率半径分别为对主
13、曲率半径分别为R1和和R2的毛细空隙，的毛细空隙，拉普拉斯公式：拉普拉斯公式： 第2节 岩石中水的存在形式 毛细水 最细毛管最大毛细上升高度最细毛管最大毛细上升高度Hc： 以最细毛管的直径代入上式即可。以最细毛管的直径代入上式即可。 关于毛细上升速度：关于毛细上升速度： （1）具有不均匀性：开始时上升速度快，以后逐渐减）具有不均匀性：开始时上升速度快，以后逐渐减 慢，直到停止。慢，直到停止。 （2）毛细空隙越大，毛细上升速度越大）毛细空隙越大，毛细上升速度越大 毛细空隙越小，毛细上升速度越小毛细空隙越小，毛细上升速度越小 第2节 岩石中水的存在形式 毛细水 土的最大毛细上升高度土的最大毛细上升
14、高度据西林据西林别克丘林，别克丘林，1958 第2节 岩石中水的存在形式 毛细水 l毛细水类型毛细水类型 支持毛细水：存在于饱水带以上并与地下水面相连的支持毛细水：存在于饱水带以上并与地下水面相连的 毛细空隙中的水。毛细空隙中的水。 能传递静水压力，当温度低于能传递静水压力，当温度低于0时冰结。时冰结。 悬挂毛细水：存在于包气带并与地下水面不相连的毛悬挂毛细水：存在于包气带并与地下水面不相连的毛 细空隙中的水。呈细空隙中的水。呈“悬挂悬挂”状态，经蒸发后消失。状态，经蒸发后消失。 成因：入渗重力水；由支持毛细水转化而成。成因：入渗重力水；由支持毛细水转化而成。 孔角毛细水（触点毛细水）：颗粒与
15、颗粒接触处孔隙孔角毛细水（触点毛细水）：颗粒与颗粒接触处孔隙 狭窄地方呈点滴状态的水。结合紧密，不易移动。狭窄地方呈点滴状态的水。结合紧密，不易移动。 第2节 岩石中水的存在形式 毛细水 第2节 岩石中水的存在形式 毛细水 第2节 岩石中水的存在形式 气态水 l概念概念 储存并运动于未饱和岩石空隙中呈水汽状态的水。储存并运动于未饱和岩石空隙中呈水汽状态的水。 l水汽来源水汽来源 地表水气进入地表水气进入 地下水面蒸发地下水面蒸发 l水汽运动水汽运动 从水汽压大处向水汽压小的方向运动从水汽压大处向水汽压小的方向运动 或从绝对湿度大处向绝对湿度小的方向运动或从绝对湿度大处向绝对湿度小的方向运动 第
16、2节 岩石中水的存在形式 固态水 从温度高处向温度低的方向运动从温度高处向温度低的方向运动 l概念概念 指以固态形式存在于岩石空隙中的水（地下冰）。指以固态形式存在于岩石空隙中的水（地下冰）。 我国北方冬季常形成我国北方冬季常形成冻土冻土； 东北及青藏高原有一部分地下水多年保持固态东北及青藏高原有一部分地下水多年保持固态多年冻多年冻 土土。 第2节 岩石中水的存在形式 矿物结合水 l结构水结构水(water of constitution)：以以H+和和OH-离离 子形式存在于矿物结晶格架中，与矿物结合紧密。子形式存在于矿物结晶格架中，与矿物结合紧密。 l结晶水结晶水(water of cry
17、stallization)：以以H2O分子分子 形式存在于矿物结晶格架中，与矿物结合紧密。形式存在于矿物结晶格架中，与矿物结合紧密。 l沸石水沸石水：以以H2O分子形式存在于矿物晶格的空隙中，分子形式存在于矿物晶格的空隙中， 与矿物结合不紧密。与矿物结合不紧密。 l三者差别三者差别：1 结合水的数量不同；结合水的数量不同； 2 结合水结合水逸出程度不同：前两者需高温，逸出程度不同：前两者需高温， 后者在常温下即可逸出。后者在常温下即可逸出。 第3节 岩石的水理性质 l容水性容水性岩石能容纳一定数量水的性质。用容水度岩石能容纳一定数量水的性质。用容水度 (specific capacity) 表
18、示。表示。 l持水性持水性岩石在重力释水后能在空隙中保持一定数岩石在重力释水后能在空隙中保持一定数 量水的性质。用持水度量水的性质。用持水度(specific water retention)表示。表示。 l给水性给水性饱水岩石在重力作用下能自由排出一定数饱水岩石在重力作用下能自由排出一定数 量水的性质。用给水度量水的性质。用给水度(specific yield)表示。表示。 l透水性透水性岩石允许让水通过的性质。用渗透系数或岩石允许让水通过的性质。用渗透系数或 单位吸水量表示。单位吸水量表示。 第3节 岩石的水理性质容水度 l容水度（容水度（Mc） 单位体积饱水岩石中所能容纳的最大水的体积。
19、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。 除膨胀性粘性土外，容水度与孔隙度（体积裂隙率、岩除膨胀性粘性土外，容水度与孔隙度（体积裂隙率、岩 溶率）相当。溶率）相当。 第3节 岩石的水理性质持水度 l持水度（持水度（Sr） 重力释水后单位体积岩石中所能保持的最大水体积重力释水后单位体积岩石中所能保持的最大水体积 （一般为最大簿膜水层厚度时的体积）。（一般为最大簿膜水层厚度时的体积）。 若以重量计，则称持水量。若以重量计，则称持水量。 若空隙中除持有最大簿膜水外，还保持有一定量的悬挂若空隙中除持有最大簿膜水外，还保持有一定量的悬挂 毛细水和孔角水
20、，则称田间持水度或田间持水量。毛细水和孔角水，则称田间持水度或田间持水量。 第3节 岩石的水理性质给水度 l给水度（给水度（u） 单位饱水岩石在重力作用下所能排出的最大水的体积。单位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。面积岩石柱体中所能释放出的水体积。 在数值上在数值上 第3节 岩石的水理性质给水度 影响给水度大小的因素：影响给水度大小的因素： 岩性影响。有三个方面：岩性影响。有三个方面： l组成岩石的矿物成分组成岩石的矿物成分 l颗粒大小、级配及分选程
21、度颗粒大小、级配及分选程度 l空隙情况空隙情况 毛细上升水及地下水埋深影响毛细上升水及地下水埋深影响 地下水位下降速率影响地下水位下降速率影响 第3节 岩石的水理性质给水度 常见岩石的给水常见岩石的给水度度 岩 石 名 称 给 水 度（%） 最 大 最 小 平 均 粘土 亚粘土 粉砂 细砂 中砂 粗砂 砾砂 细砾 中砾 粗砾 5 12 19 28 32 35 35 35 26 26 0 3 3 10 15 20 20 21 13 12 2 7 18 21 26 27 25 25 23 22 第3节 岩石的水理性质渗透系数 单位吸水率 l渗透系数（渗透系数（K） 水力坡降为水力坡降为1时的渗透流
22、速。（时的渗透流速。（m/d） l单位吸水率（单位吸水率（w） 指单位长度的试段在单位压力水头的作用下的指单位长度的试段在单位压力水头的作用下的 稳定稳定 流量。流量。 （L/min.m.m或或Lu） 1Lu定义为当试段压力为定义为当试段压力为1MPa时时,每每m试段的压力流试段的压力流 量为量为L/min. 1L/min.m.m = 100 Lu 第3节 岩石的水理性质渗透系数 单位吸水率 l影响渗透性大小的因素影响渗透性大小的因素: 对松散层对松散层: l颗粒大小、形状、分选程度、密实度、胶结情况颗粒大小、形状、分选程度、密实度、胶结情况 l水质、水温、液体类型水质、水温、液体类型 对坚硬
23、岩体对坚硬岩体 l同松散层同松散层 l更取决于裂隙的几何结构特征：更取决于裂隙的几何结构特征： 延伸方向、宽度、密度、长度、连通性、充填物、延伸方向、宽度、密度、长度、连通性、充填物、 裂隙面的粗糙程度等。裂隙面的粗糙程度等。 第3节 岩石的水理性质渗透系数 单位吸水率 l坝坝(闸闸)基岩土体透水性分类基岩土体透水性分类 根据水利水电工程地质勘察资料内业整理规程根据水利水电工程地质勘察资料内业整理规程 SDJ19-78 对坚硬岩体：对坚硬岩体： 透水性分级透水性分级 单位吸水量（单位吸水量（Lu） 极严重透水极严重透水 大于大于 1000 严重透水严重透水 1000 100 较严重透水较严重透
24、水 100 10 中等透水中等透水 10 5 第3节 岩石的水理性质渗透系数 单位吸水率 微透水微透水 5 1 极微透水极微透水 小于小于1 对松散层：对松散层：透水性分级透水性分级 渗透系数（渗透系数（ m/d ） 极强透水极强透水 大于大于 100 强透水强透水 100 25 较强透水较强透水 25 5 弱透水弱透水 5 0.2 微弱透水微弱透水 0.2 0.02 弱透水弱透水 小于小于0.02 第4节 含水层与含水岩系 l透水层、隔水层、含水层和弱透水层透水层、隔水层、含水层和弱透水层 透水层透水层(permeable strata)：指在一般的野外条指在一般的野外条 件下允许大量的水在
25、其中运动透过的地层。件下允许大量的水在其中运动透过的地层。 隔水层隔水层(impermeable strata) ：即不透水地层。即不透水地层。 但可以含水，甚至大量含水，如粘土地层。但可以含水，甚至大量含水，如粘土地层。 含水层含水层(water-bearing bed/strata;aquifer)： 饱含水的透水层。或指能够透过并给出相当数量水的饱含水的透水层。或指能够透过并给出相当数量水的 岩层。岩层。 第4节 含水层与含水岩系 弱透水层弱透水层(aquitard;aquiclude)：指那些渗透性指那些渗透性 相当差的岩层，在一般的供排水中它们所能提供的水相当差的岩层，在一般的供排水
26、中它们所能提供的水 量微不足道，似乎可以看作隔水层的地层。量微不足道，似乎可以看作隔水层的地层。 如：松散层中的粘性土、基岩中的砂质页岩、泥质如：松散层中的粘性土、基岩中的砂质页岩、泥质 粉砂岩等粉砂岩等 含水层、隔水层含水层、隔水层(aquifuge)和透水层的相对和透水层的相对 性性 l运用时的具体条件。如岩层给水数量大小的实际运用时的具体条件。如岩层给水数量大小的实际 意义意义 l时间尺度时间尺度 第4节 含水层与含水岩系 第4节 含水层与含水岩系 l含水层的分类含水层的分类 根据含水层空隙情况分：根据含水层空隙情况分： 孔隙含水层：孔隙含水层：含水层的空隙主要是孔隙。如砾石或含水层的空
27、隙主要是孔隙。如砾石或 砂砾石含水层。砂砾石含水层。 裂隙含水层：裂隙含水层：含水层的空隙主要是裂隙。如砂岩裂含水层的空隙主要是裂隙。如砂岩裂 隙含水层、花岗岩裂隙含水层。隙含水层、花岗岩裂隙含水层。 岩溶含水层：岩溶含水层：含水层的空隙主要是溶穴。如溶孔、含水层的空隙主要是溶穴。如溶孔、 溶洞等充水后形成的岩溶含水层溶洞等充水后形成的岩溶含水层。 第4节 含水层与含水岩系 根据含水层透水性在空间上的变化分：根据含水层透水性在空间上的变化分： 均质含水层：均质含水层：K（x，y，z）= 常量常量 如厚层均匀如厚层均匀 的砂砾石层的砂砾石层 非均质含水层：非均质含水层： K（x，y，z） 常量常量 根据渗透性与水流运动方向的关系分：根据渗透性与水流运动方向的关系分： 各向同性含水层各向同性含水层(isotropic aquifer)： Kx = Ky =
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