水文地质学第二章.ppt

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1、第二章第二章 岩石中的孔隙与水分岩石中的孔隙与水分岩石中的孔隙孔隙裂隙溶穴昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系岩石中水的存在形式岩石中水的存在形式结合水重力水毛细水气态水、固态水及矿物中的水昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系与水的储容及运移有关的岩石性质容水度含水量给水度持水度透水性昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系有效应力原理与松散岩土压密有效应力原理与松散岩土压密有效应力原理地下水位变动引起的岩土压密昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地

2、球科学系2.1 岩石中的空隙岩石中的空隙地壳表层十余公里范围内，都或多或少存在着空地壳表层十余公里范围内，都或多或少存在着空隙，特别是深部一、两公里以内，空隙分布较为隙，特别是深部一、两公里以内，空隙分布较为普遍。这就为地下水的赋存提供了必要的空间条普遍。这就为地下水的赋存提供了必要的空间条件。按维尔纳茨基（件。按维尔纳茨基（B.II.BepHack）的形象说）的形象说法，法，“地壳表层就好像是饱含着水的海绵地壳表层就好像是饱含着水的海绵”。岩石空隙是地下水储存场所和运动通道。空隙的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，对地多少、大小、形状、连通情况和

3、分布规律，对地下水的分布和运动具有重要影响。下水的分布和运动具有重要影响。将岩石中空隙作为地下水储存场所和运动通道研将岩石中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：松散岩石中的究时，可分为三类，即：松散岩石中的孔隙孔隙，坚，坚硬岩石中的硬岩石中的裂隙裂隙和可溶岩石中的和可溶岩石中的溶穴溶穴。作业21:岩石中空隙可分为岩石中空隙可分为 、和和 三类三类.昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系2.1.1 孔隙孔隙松散岩石是由大小不等的颗粒组成的。颗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，称为孔隙粒或颗粒集合体之间的空隙，称

4、为孔隙（参见图（参见图21）。）。昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系图图21 岩石中的各种空隙岩石中的各种空隙1分选良好，排列疏松的分选良好，排列疏松的砂；砂；2分选良好，排列紧密分选良好，排列紧密的砂；的砂；3分选不良的，含泥、分选不良的，含泥、砂的砾石；砂的砾石；4经过部分胶结经过部分胶结的砂岩；的砂岩；5具有结构性孔隙具有结构性孔隙的粘土；的粘土；6经过压缩的粘土；经过压缩的粘土；7具有裂隙的岩石；具有裂隙的岩石；8具具有溶隙及溶穴的可溶岩有溶隙及溶穴的可溶岩昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系岩石中孔隙体

5、积的多少是影响其储容地下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石（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的比例例。若以表示岩石的孔隙度，若以表示岩石的孔隙度，V表示包括孔隙在表示包括孔隙在内的岩石体积，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，则：则：n=Vn/V 或或 n=Vn/V 100%昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系孔隙度是一个比值，可用小数或百分数表示。孔

6、隙度是一个比值，可用小数或百分数表示。孔隙度的大小孔隙度的大小主要主要取决于分选程度及颗粒排列情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。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对于粘性土，结构及次生孔隙常是影响孔隙度的重要因素。重要因素。为了说明颗粒排列方式对孔隙度的影响，我们不为了说明颗粒排列方式对孔隙度的影响，我们不妨设想一种理想所副产品，即构成松散岩石的颗妨设想一种理想所副产品，即构成松散岩石的颗粒均为等粒圆球；当其为立方体排列时（图粒均为等粒圆球；当其为立方体排列时（图22，a）。可算得孔隙度）。可算得孔隙度4

7、7.64%，为四面体排列时，为四面体排列时（图（图22，b）菱面体排列孔隙度）菱面体排列孔隙度39.54%，孔隙，孔隙度仅为度仅为25.95%。由几何学可知，六方体排列为最。由几何学可知，六方体排列为最松散排列，四面体排列为最紧密排列，自然界中松散排列，四面体排列为最紧密排列，自然界中松散岩石中的孔隙度大多介于此两者之间。松散岩石中的孔隙度大多介于此两者之间。作业2-2:孔隙度的大小主要取决于 及 情况，另外颗粒形状及胶结充填情况也影响孔隙度。昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系 另一种表示松散岩石中孔隙多少的参数是孔隙比。另一种表示松散岩石中孔隙多少的

8、参数是孔隙比。岩石的孔隙比（岩石的孔隙比（，简称隙比）是指某一体积岩石内孔，简称隙比）是指某一体积岩石内孔隙的体积（隙的体积（Vn）与固体颗粒体积（）与固体颗粒体积（Vs）的比值，即）的比值，即=Vn/Vs或或=（Vn/Vs）100%。因为因为V=Vn+Vs，故孔隙度与孔隙比之间有如下关系：，故孔隙度与孔隙比之间有如下关系：松散岩石压缩（或膨胀变形）时，孔隙体积（松散岩石压缩（或膨胀变形）时，孔隙体积（Vn）发）发生变化，而颗粒体积（生变化，而颗粒体积（Vs）不变，故孔隙比与孔隙体）不变，故孔隙比与孔隙体积变化成正比，积变化成正比，在涉及变形时，采用孔隙比在涉及变形时，采用孔隙比方便些；而方便

9、些；而涉及水的储容涉及水的储容与流动时，则采用孔隙度。与流动时，则采用孔隙度。昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系孔隙与粒径关系孔隙与粒径关系昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系图图22 颗粒的排列形式颗粒的排列形式 图图23 不同粒度等粒岩石的孔隙度与不同粒度等粒岩石的孔隙度与孔隙大小孔隙大小a立方体排列；立方体排列；b四面体排列四面体排列昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系应当注意，上述讨论并未涉及圆球的大小。应当注意，上述讨论并未涉及圆球的大小。如图如图23所示，三种颗

10、粒直径不同的等粒所示，三种颗粒直径不同的等粒岩石，排列方式相同时，孔隙度完全相同。岩石，排列方式相同时，孔隙度完全相同。昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系自然界中并不存在完全等粒的松散岩石。自然界中并不存在完全等粒的松散岩石。分选程度分选程度愈差，颗粒大小愈悬殊的松散岩石，孔隙度便愈愈差，颗粒大小愈悬殊的松散岩石，孔隙度便愈小。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（图隙度（图21中中3）。）。当某种岩石由两种大小不等的颗粒组成，且粗大颗粒之间的当某种岩石由两种大小不等的颗粒组成

11、，且粗大颗粒之间的孔隙，完全为细小颗粒所充填时，孔隙，完全为细小颗粒所充填时，由此岩石的孔隙度等于由由此岩石的孔隙度等于由粗粒或细粒单独组成的岩石的孔隙度的乘积。粗粒或细粒单独组成的岩石的孔隙度的乘积。n=n1n2 在颗粒成分累积曲线上，取累积含量为在颗粒成分累积曲线上，取累积含量为60%处的颗粒直径处的颗粒直径d60，除以累积含量为，除以累积含量为10%的颗粒直径的颗粒直径D10，得不等粒系数，得不等粒系数，此系数可表征松散岩石的分选程度。此系数可表征松散岩石的分选程度。作业2-3:如果把孔隙度为如果把孔隙度为40%的细砂与孔隙度为的细砂与孔隙度为40%的砾石充分混合，即细砂完全充填于砾石的

12、孔隙中，的砾石充分混合，即细砂完全充填于砾石的孔隙中，试问混合后的砂砾的孔隙度是多少？试问混合后的砂砾的孔隙度是多少？昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系松散砂砾石孔隙大小与分选的关系松散砂砾石孔隙大小与分选的关系好、坏？好、坏？昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系自然界中的岩石的颗粒形状多是不规则的。组成自然界中的岩石的颗粒形状多是不规则的。组成岩石的颗粒形成愈不规则，棱角愈明显，通常排岩石的颗粒形成愈不规则，棱角愈明显，通常排列就愈松散，孔隙度也愈大。列就愈松散，孔隙度也愈大。粘土的孔隙度往往可以超过上述理论上

13、最大孔隙粘土的孔隙度往往可以超过上述理论上最大孔隙度值。这是因为粘土颗粒表面常带有电荷，在沉度值。这是因为粘土颗粒表面常带有电荷，在沉积过程中粘粒愈合，构成颗粒集合体，可形成直积过程中粘粒愈合，构成颗粒集合体，可形成直径比颗粒还大的结构孔隙（图径比颗粒还大的结构孔隙（图21中中5和和6）。此）。此外，粘性土中往往还发育有虫孔、根孔、干裂等外，粘性土中往往还发育有虫孔、根孔、干裂等次生空隙。次生空隙。昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系表表21列出自然界中主要松散岩石孔隙的参考数列出自然界中主要松散岩石孔隙的参考数值。值。表表21 松散岩石孔隙度参考数值（

14、据弗里泽等，松散岩石孔隙度参考数值（据弗里泽等，1987）岩岩 石石 名名 称称 砾砾 石石 砂砂 粉粉 砂砂 粘粘 土土孔隙度变化区间孔隙度变化区间25%40%2550%35%50%40%70%矛盾之一：与粒径的关系不是愈大则愈大？矛盾之一：与粒径的关系不是愈大则愈大？矛盾之二：孔隙度超过最疏松排列的矛盾之二：孔隙度超过最疏松排列的47.64%达到达到70%昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系孔隙大小对地下水运动影响很大。孔隙通道最细孔隙大小对地下水运动影响很大。孔隙通道最细小的部分称作小的部分称作孔喉孔喉，最宽大的部分称作，最宽大的部分称作孔腹孔腹（

15、图（图24）；孔喉对水流动的影响更大，讨论孔隙大小）；孔喉对水流动的影响更大，讨论孔隙大小时可以用孔喉直径进行比较。时可以用孔喉直径进行比较。孔隙大小取决于颗粒大小孔隙大小取决于颗粒大小（图（图23）。对于颗粒）。对于颗粒大小悬殊的松散岩石，由于粗大颗粒形成的孔隙大小悬殊的松散岩石，由于粗大颗粒形成的孔隙被细小颗粒所充填，孔隙大小取决实际构成孔隙被细小颗粒所充填，孔隙大小取决实际构成孔隙的细小颗粒的直径（图的细小颗粒的直径（图21，3）。）。颗粒排列方式也影响孔隙度大小颗粒排列方式也影响孔隙度大小。仍以理想等粒。仍以理想等粒圆球状颗粒为例，设颗粒直径为圆球状颗粒为例，设颗粒直径为D，孔喉直径为

16、，孔喉直径为d，则作立方体排列时，此时孔腹直径，则作立方体排列时，此时孔腹直径d=0.411D，参见图参见图24（图（图24，图，图25，a）；作四面体）；作四面体排列时，排列时，d=0.155D（图（图25b）。）。昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系立方体排列与四面体排列立方体排列与四面体排列图24 孔喉（直径为d）与孔腹图 25 排列方式与孔隙大小关系 （直径为d通过孔隙通道中心切面图 a立方体排列；b四面体排列假定颗粒为等粒球体（直径为D）作立方体排列显然，对于粘性土，决

17、定孔隙大小的不仅是颗粒大小及排显然，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。列，结构孔隙及次生空隙的影响是不可忽视的。昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系粘性土的孔隙与孔隙度粘性土的孔隙与孔隙度粘土颗粒粘土颗粒 粘土颗粒粘土颗粒粘性土是指土体颗粒粘性土是指土体颗粒 0.005mm 的直径的直径“粘性土由于颗粒细小，比表面积大，连结力强粘性土由于颗粒细小，比表面积大，连结力强粘粒在悬浮粘粒在悬浮 推移推移 互相接触时，就会连结起来互相接触时，就会连结起来 形成粘粒团形成粘粒团”细小粘粒集合（团）构成（称为）颗粒

18、集合体细小粘粒集合（团）构成（称为）颗粒集合体 颗粒集合体。颗粒集合体。集合体与集合体结合构成粘性土集合体与集合体结合构成粘性土 粘性土的沉积结构特征粘性土的沉积结构特征粘土孔隙粘土孔隙 粘土孔隙粘土孔隙粘性土如同海绵、峰窝或絮状结构粘性土如同海绵、峰窝或絮状结构 结构孔隙结构孔隙集合体与集合体、粘粒与粘粒之间集合体与集合体、粘粒与粘粒之间次生孔隙次生孔隙虫孔、根系孔、裂隙裂痕等虫孔、根系孔、裂隙裂痕等昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国

19、土资源工程学院地球科学系地球科学系2.1.2 裂隙裂隙固结的坚硬岩石中，一般仅残存很小部分孔隙，而存在有固结的坚硬岩石中，一般仅残存很小部分孔隙，而存在有各种内外力作用下产生的裂缝（缝隙）各种内外力作用下产生的裂缝（缝隙）裂隙：空间形态是两向延伸长，横向延伸短的裂隙：空间形态是两向延伸长，横向延伸短的“饼状饼状”空空隙隙单个裂隙是孤立的单个裂隙是孤立的裂隙岩体：从水的赋存与运移角度来看，裂隙的描述包括裂隙岩体：从水的赋存与运移角度来看，裂隙的描述包括1)裂隙的连通性（组数、产状、长度和密度）裂隙的连通性（组数、产状、长度和密度）2)张开性（裂隙宽度）张开性（裂隙宽度）3)裂隙率等裂隙率等昆明理

20、工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系固结的坚硬岩石，包括沉积岩、岩浆岩和变质岩，一般不固结的坚硬岩石，包括沉积岩、岩浆岩和变质岩，一般不存在或只保留一部分颗粒之间的孔隙，而主要发育各种应存在或只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。力作用下岩石破裂变形产生的裂隙。按裂隙的成因可分成岩裂隙、构造裂隙和风化裂隙。按裂隙的成因可分成岩裂隙、构造裂隙和风化裂隙。成岩裂隙成岩裂隙是岩石在成岩过程中由于冷凝收缩（岩浆岩）或是岩石在成岩过程中由于冷凝收缩（岩浆岩）或固结干缩（沉积岩）而产生的。岩浆岩中成岩裂隙比较发固结干缩（沉积岩）而产生

21、的。岩浆岩中成岩裂隙比较发育，尤以玄武岩中柱状节理最有意义。育，尤以玄武岩中柱状节理最有意义。构造裂隙构造裂隙是岩石在构造变动中受力而产生的。这种裂隙具是岩石在构造变动中受力而产生的。这种裂隙具有方向性，大小悬殊（由隐蔽的节理到大断层），分布不有方向性，大小悬殊（由隐蔽的节理到大断层），分布不均一。均一。风化裂隙风化裂隙是风化营力作用下，岩石破坏产生的裂隙，主要是风化营力作用下，岩石破坏产生的裂隙，主要分布在地表附近。有关各种成因裂隙的形成分布规律详见分布在地表附近。有关各种成因裂隙的形成分布规律详见第十一章。第十一章。作业2-4:岩石裂隙按成因分为：、和 。昆明理工大学国土资源工程学院昆明理

22、工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系裂隙的多少裂隙率表示。裂隙率（裂隙的多少裂隙率表示。裂隙率（Kr）是）是裂隙体积（裂隙体积（Vr）与包括裂隙在内的岩石体）与包括裂隙在内的岩石体积（积（V）的比值，）的比值，即即Kr=Vr/V或或Kr=（Vr/V）100%。除了这。除了这种体积裂隙度，还可用面裂隙率种体积裂隙度，还可用面裂隙率或线裂或线裂隙率隙率说明裂隙的多少。野外研究裂隙时，说明裂隙的多少。野外研究裂隙时，应注意测定裂隙的方向、宽度、

23、延伸长度、应注意测定裂隙的方向、宽度、延伸长度、充填情况等，因为这些都对水的运动具有充填情况等，因为这些都对水的运动具有重要影响。重要影响。昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系面裂隙率面裂隙率即单位面积岩石上裂隙面积所即单位面积岩石上裂隙面积所占的比例，即占的比例，即Ka=bili/F或或Ka=(bili/F)100%，式中，式中，Ka面裂隙面裂隙率，率，bili在测量面积内每根裂隙宽度和在测量面积内每根裂隙宽度和长度乘积的总和；长度乘积的总和；F进行裂隙测量的岩石进行裂隙测量的岩石面积。面积。线裂隙率线裂隙率。即与裂隙走向垂直方向上单。即与裂隙走向垂直

24、方向上单位长度内裂隙所占的比例，即位长度内裂隙所占的比例，即K1=bi/l或或K=（bi/l）100%，式中：，式中：K1线裂隙线裂隙率，率，bi裂隙宽度总和；裂隙宽度总和；l测量线段的长测量线段的长度。度。昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系2.1.3 溶穴溶穴可溶的沉积岩，如岩盐、石膏、石灰岩和可溶的沉积岩，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，白云岩等，在地下水溶蚀下会产生空洞，这种空隙称为溶穴（隙）。这种空隙称为溶穴（隙）。溶穴的体积（溶穴的体积（Vk）与包括溶穴在内的岩石）与包括溶穴在内的岩石体积（体积（V）的比值即为岩溶率

25、（）的比值即为岩溶率（Kk），），即即Kk=Vk/V或或Kk=（Vk/V）100%。昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系在裂隙基础，水流对可溶岩进一步作用的结果在裂隙基础，水流对可溶岩进一步作用的结果是扩大了的裂隙是扩大了的裂隙溶穴溶穴：溶蚀的裂隙，有溶孔、溶隙、溶洞等：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岩溶岩体：要描述裂隙特征及岩溶发育特征发育特征（裂隙（裂隙+溶洞）溶洞）1）岩溶发育方向）岩溶发育方向2）溶蚀率）溶蚀率钻孔岩溶发育程度钻孔岩溶发育程度3）溶洞（方向、规模等）溶洞（方向、规模等）昆明理工大学国土资源工程学院昆

26、明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系溶穴的规模十分悬殊，大的溶洞可宽达数十溶穴的规模十分悬殊，大的溶洞可宽达数十米，高数十乃至百余米，长达几至几十公米，高数十乃至百余米，长达几至几十公里，而小的溶孔直径仅几毫米。溶岩发育里，而小的溶孔直径仅几毫米。溶岩发育带岩溶率可达百分之几十，而附近岩石的带岩溶率可达百分之几十，而附近岩石的岩溶率几乎为零岩溶率几乎为零昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系空隙特征的对比空隙特征的比较空隙特征的比较含水介质含水介质由各类空隙所构成的岩石称

27、为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，也称为介质场。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、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：溶质含水介质）是不同的，三种主要类型的含水介质比较：连连 通通 性性 孔隙介质最好，其它较差孔隙介质最好，其它较差空间分布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，溶穴极悬殊孔隙大小均匀，裂隙大小悬殊，溶穴极悬殊空隙比率空隙比率孔隙介质最大，裂隙最小孔隙介质最大，裂隙最小

28、空隙空隙 渗透性渗透性孔隙介质孔隙介质各向同性，裂隙与溶穴各向同性，裂隙与溶穴各向异性造成各向异性造成空隙介质上述差异的主要原因：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沉积物形成和空隙形成的环境 昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系2.2 岩石中水的存在形式岩石中水的存在形式 地壳岩石中存在着以下各种形式的水：水文地地壳岩石中存在着以下各种形式的水：水文地质学重点研究的对象是岩石空隙中的水。质学重点研究的对象是岩石空隙中的水。按照其受力状态可划分为：结合水、重力水、毛按照其受力状态可划分为：结合水、重力水、毛细水细水按照其存在形式可划分为

29、：气态水、液态水、固按照其存在形式可划分为：气态水、液态水、固态水及矿物中的水态水及矿物中的水作业2-5:岩石空隙中的水按照其受力状态可划分为岩石空隙中的水按照其受力状态可划分为：、和 三种存在形式三种存在形式。昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系2.2.1 结合水结合水松散岩石的颗粒表面及坚硬岩石空隙壁面均带有电荷，水分子又松散岩石的颗粒表面及坚硬岩石空隙壁面均带有电荷，水分子又是偶极体是偶极体，（当原子或离子处于电场中时，在电场的作用下，使，（当原子或离子处于电场中时，在电场

30、的作用下，使正负电荷的重心发生相对位移，从而产生偶极。其结果使离子的正负电荷的重心发生相对位移，从而产生偶极。其结果使离子的形状和大小发生改变，原子或离子在外电场的作用下改变其形状形状和大小发生改变，原子或离子在外电场的作用下改变其形状与大小，称为原子或离子的极化）与大小，称为原子或离子的极化）由于静电吸引，固相表面具有由于静电吸引，固相表面具有吸附水分子的能力（图吸附水分子的能力（图26）。根据库仓定律，）。根据库仓定律，FQ1Q2/r2 电场强度与距离平方成反比。电场强度与距离平方成反比。因此，离固相表面很近的水分子受到的静电引力很大；随着距离因此，离固相表面很近的水分子受到的静电引力很大

31、；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。增大，吸引力减弱，而水分子受自身重力的影响就愈显著。受固相表面的引力大于水分子自身重力的那部份水，称为结合水。受固相表面的引力大于水分子自身重力的那部份水，称为结合水。此部分水束缚于固相表面，不能在自身重力影响下运动。此部分水束缚于固相表面，不能在自身重力影响下运动。昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系图图26 结合水与重力水结合水与重力水左图：椭圆形小粒代表水分子，结合水部分的水分子带正电荷一左图：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；端朝向颗粒；右图：箭头代表水分子

32、所受合力方向右图：箭头代表水分子所受合力方向昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系由于固相表面对水分子的吸引力自内向外逐渐减由于固相表面对水分子的吸引力自内向外逐渐减弱，结合水的物理性质也随之发生变化。因此，弱，结合水的物理性质也随之发生变化。因此，将最接近固相表面的结合水称为将最接近固相表面的结合水称为强结合水强结合水，其外，其外层称为弱结合水（图层称为弱结合水（图26）强结合水强结合水（又称吸着水）的厚度，不同研究者说（又称吸着水）的厚度，不同研究者说者不一，一般认为相当于几个水分子的厚度；也者不一，一般认为相当于几个水分子的厚度；也有人认为，可达几百

33、个水分子厚度。它所受到的有人认为，可达几百个水分子厚度。它所受到的引力可相当于引力可相当于10132510000Pa，水分子排列紧，水分子排列紧密，其密度平均达密，其密度平均达2g/cm3左右。不能流动，但可左右。不能流动，但可转化为气态水而移动。转化为气态水而移动。昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系弱结合水弱结合水（又称薄膜水）处于强结合水的（又称薄膜水）处于强结合水的外层，受到固相表面的引力比强结合水弱，外层，受到固相表面的引力比强结合水弱，但仍存在范德华尔斯但仍存在范德华尔斯Van der Waals引力引力和强结合水最外层水分子的静电引力的合和

34、强结合水最外层水分子的静电引力的合力的影响，不同学者认为其厚度为几十、力的影响，不同学者认为其厚度为几十、几百或几千个水分子厚度。水分子排列不几百或几千个水分子厚度。水分子排列不如强结合水规则和紧密，溶解盐类的能力如强结合水规则和紧密，溶解盐类的能力较低。弱结合水的外层能被植物吸收利用。较低。弱结合水的外层能被植物吸收利用。昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系结合水结合水区别于普通液态水的最大区别于普通液态水的最大特征特征是是具具有抗剪强度有抗剪强度，即必须施一定的力方能使其，即必须施一定的力方能使其发生变形。发生变形。结合水的抗剪强度由内层向外层减弱。

35、结合水的抗剪强度由内层向外层减弱。当施加的外力超过其抗剪强度时，外层结当施加的外力超过其抗剪强度时，外层结合水发生流动，施加的外力愈大，发生流合水发生流动，施加的外力愈大，发生流动的水层厚度也加大动的水层厚度也加大 昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系关于粘土矿物表面与结合水的连接有物理关于粘土矿物表面与结合水的连接有物理连接（引处所论述的即为物理连接）和化连接（引处所论述的即为物理连接）和化学连接两种看法，学连接两种看法，主张化学连接者认为，强结合水相当于双主张化学连接者认为，强结合水相当于双电层中吸附层的水，弱结合水相当于双电电层中吸附层的水，弱结合

36、水相当于双电层中扩散层中的水。后一观点可参见土质层中扩散层中的水。后一观点可参见土质学教科书及地质出版社学教科书及地质出版社1984年出版的年出版的土土中结合水译文集中结合水译文集，汪民，汪民，1987。昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系2.2.2 重力水重力水距离固体表面更远的那部分水分子，重力距离固体表面更远的那部分水分子，重力对它的影响大于固体表面对它的吸引力，对它的影响大于固体表面对它的吸引力，因而能在自身重力影响下运动，这部分水因而能在自身重力影响下运动，这部分水就是重力水。就是重力水。重力水中靠近固体表面的那一部分，仍然重力水中靠近固体表面

37、的那一部分，仍然受到固体引力的影响，水分子的排列较为受到固体引力的影响，水分子的排列较为整齐，这部分水在流动时呈层流状态，而整齐，这部分水在流动时呈层流状态，而不作紊流运动。不作紊流运动。昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系远离固体表面的重力水，不受固体引力的远离固体表面的重力水，不受固体引力的影响，只受重力控制。这部分水在流速较影响，只受重力控制。这部分水在流速较大时容易转为紊流运动。大时容易转为紊流运动。岩土空隙中的重力水能够自由流动。井泉岩土空隙中的重力水能够自由流动。井泉取用的地下水，都属取用的地下水，都属重力水重力水，是，是水文地质水文地质研究

38、的主要对象。研究的主要对象。昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系2.2.3 毛细水毛细水将一根玻璃毛细管插入水中，毛细管内的水面即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、气三会上升到一定高度，这便是发生在固、液、气三相界面上的毛细现象。相界面上的毛细现象。松散岩石中细小的孔隙通道构成毛细管，因此在松散岩石中细小的孔隙通道构成毛细管，因此在地下水面以上的包气带中广泛存在毛细水地下水面以上的包气带中广泛存在毛细水。由于毛细力的作用，水从地下水面沿着小孔隙上由于毛细力的作用，水从地下水面沿着小孔隙上升到一定高度，形成一个

39、毛细水带，此带中的毛升到一定高度，形成一个毛细水带，此带中的毛细水下部有地下水面支持，因此称为支持毛细水细水下部有地下水面支持，因此称为支持毛细水（图（图27）。）。昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系图图支持毛细水与悬挂毛细水支持毛细水与悬挂毛细水 图图8 孔角毛细水孔角毛细水 井左侧表示高水位时砂层中支持毛细井左侧表示高水位时砂层中支持毛细水；右侧表示水位降低后砂层中的悬水；右侧表示水位降低后砂层中的悬挂毛细水；砂石层中孔隙直径已超过挂毛细水；砂石层中孔隙直径已超过毛细管，故不存在支持毛细水毛细管，故不存在支持毛细水昆明理工大学国土资源工程学院昆明理

40、工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系支持毛细水与悬挂毛细水支持毛细水与悬挂毛细水昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系细粒层次与粗粒层次交互成层时，在一定条件下，细粒层次与粗粒层次交互成层时，在一定条件下，由于上下弯液面毛细力的作用，在细土层中会保由于上下弯液面毛细力的作用，在细土层中会保留与地下水面不相连接的毛细水，这种毛细水称留与地下水面不相连接的毛细水，这种毛细水称为悬挂毛细水（图为悬挂毛细水（

41、图27）。）。在包气带中颗粒接触点上还可以悬留孔角毛细水在包气带中颗粒接触点上还可以悬留孔角毛细水（触点毛细水），即使是粗大的卵砾石，颗粒接（触点毛细水），即使是粗大的卵砾石，颗粒接触处孔隙大小也总可以达到毛细管的程度而形成触处孔隙大小也总可以达到毛细管的程度而形成弯液面，将水滞留在孔角上（图弯液面，将水滞留在孔角上（图28）。）。关于毛细现象的实质及毛细水运动规律详见第五关于毛细现象的实质及毛细水运动规律详见第五章。章。昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系小结小结岩石空隙中的水岩石空隙中的水有三种存在形式有三种存在形式三种形式的水有差异三种形式的水有差

42、异与受力状态有关与受力状态有关自己总结、比较自己总结、比较加深理解加深理解_有比较有比较就会有记忆就会有记忆昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系2.2.4 气态水、固态水及矿物中的水气态水、固态水及矿物中的水在未饱和水的空隙中存在着气态水。气态水可以随空气在未饱和水的空隙中存在着气态水。气态水可以随空气流动而流动。另外，即使空气不流动，它也能从水汽压流动而流动。另外，即使空气不流动，它也能从水汽压力（绝对湿度）大的地方向小的地方迁移。气态水在一力（绝对湿度）大的地方向小的地方迁移。气态水在一定温度、压力条件下，与液态水相互转化，两者之间保定温度、压力条件

43、下，与液态水相互转化，两者之间保持动平衡。持动平衡。岩石的温度低于岩石的温度低于0时，空隙中的液态水转为固态水。时，空隙中的液态水转为固态水。我国北方冬季常形成冻土。东北及青藏高原，有一部分我国北方冬季常形成冻土。东北及青藏高原，有一部分岩石赋存其中的地下水多年中保持固态，这就是所谓多岩石赋存其中的地下水多年中保持固态，这就是所谓多年冻土。年冻土。除了存在于岩石空隙中的水，还有存在于矿物结晶内部除了存在于岩石空隙中的水，还有存在于矿物结晶内部及其间的水，这就是沸石水、结晶水及结构水。如方沸及其间的水，这就是沸石水、结晶水及结构水。如方沸石（石（Na2AlSi4O12nH2O）中就含有沸石水，这

44、种水）中就含有沸石水，这种水在加热时可以从矿物中分离出去。在加热时可以从矿物中分离出去。昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系均质土包气带水分分布均质土包气带水分分布昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系2.3 与水的储容与运移有关的岩石性质与水的储容与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。及透过水的能力有影响。基本概念：容水度、含水量、给水度、持基本概念：容水度、含水量、给

45、水度、持水度、透水性水度、透水性昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系2.3.1 容水度容水度容水度（容水度（C）是指岩石完全饱水时所能容纳是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。用小数或百分数表示。一般说来容水度在数值上与孔隙度（裂隙一般说来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，容水度可大于的粘土，充水后体积扩大，容水度可大于孔隙度。孔隙度。容水性容水性：在重力条件下，岩土体中可以容：在重力条

46、件下，岩土体中可以容纳一定水的性能纳一定水的性能昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系2.3.2 含水量含水量含水量说明松散岩石实际保留水分的状况。含水量说明松散岩石实际保留水分的状况。松散岩石孔隙中所含水的重量（松散岩石孔隙中所含水的重量（Gw）与干）与干燥岩石重量（燥岩石重量（Gs）的比值，称为重量含水）的比值，称为重量含水量（量（Wg），即：），即：Wg=Gw/Gs100%昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系含含水水的的体体积积（Vw）与与包包括括孔孔隙隙在在内内的的岩岩石石体体 积积（V）的的 比比 值值，称

47、称 为为 体体 积积 含含 水水 量量（Wv），即），即Wv=Vw/V100%当当水水的的比比重重为为1，岩岩石石的的干干容容量量（单单位位体体积积干干土土的的重重量量）为为ra，重重量量含含水水量量与与体体积积含含水水量的关系为：量的关系为：Wv=Wg ra 昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系孔隙充分饱水时的含水量称作孔隙充分饱水时的含水量称作饱和含水量饱和含水量（Ws）。）。饱和含水量与实际含水量之间的差值称为饱和含水量与实际含水量之间的差值称为饱和差饱和差。实际含水量与饱和含水量之比称为实际含水量与饱和含水量之比称为饱和度。饱和度。昆明理工大学国

48、土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系2.3.3 给水度（给水度（u）若地下水面下降，则下降范围内饱水岩石及相应的支持毛细水带若地下水面下降，则下降范围内饱水岩石及相应的支持毛细水带中的水，将因重力作用而下移并部分地从原先赋存的空隙中释出中的水，将因重力作用而下移并部分地从原先赋存的空隙中释出我们把地下水位下降一个单位深度，从地下水位延伸到地表面的我们把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，称为单位水平面积岩石柱体，在重力作用下释出的水的体积，称为给给水度（水度（u）（）（图图38b）。）。u=V释水释水/V

49、总总给水度以小数或百分数表示给水度以小数或百分数表示。例如，地下水位下降例如，地下水位下降2m，1平方米水平面积岩石柱体，在重力作平方米水平面积岩石柱体，在重力作用下释出的水的体积为用下释出的水的体积为0.2m3（相当于水柱高度（相当于水柱高度0.2m），则给水），则给水度为度为0.1或或10%作业2-6:给水度：给水度：作业2-7:当某含水岩层中的地下水位下降当某含水岩层中的地下水位下降5米时，米时，0.5平方米面积的水柱释放出平方米面积的水柱释放出0.40立方米的水量，求该含立方米的水量，求该含水岩层的给水度。水岩层的给水度。昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学

50、系地球科学系图图38 承压含水层的贮水系数与潜水含水层给水度的比较承压含水层的贮水系数与潜水含水层给水度的比较（a）承压含水层；（）承压含水层；（b）潜水含水层）潜水含水层昆明理工大学国土资源工程学院昆明理工大学国土资源工程学院地球科学系地球科学系对于均质的松散岩石，给水度的大小与岩性、初始地对于均质的松散岩石，给水度的大小与岩性、初始地下水位埋藏深度以及地下水位下降速率等因素有关下水位埋藏深度以及地下水位下降速率等因素有关（张蔚榛等，（张蔚榛等，1983）。）。岩性对给水度的影响主要表现为空隙的大小与多少。岩性对给水度的影响主要表现为空隙的大小与多少。颗粒粗大的松散岩石，裂隙比较宽大的坚硬岩