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第三章
岩土中的空隙和水
3
．
1
岩土中的空隙
空隙：
void
，
interspace
，
space
地壳岩
石中的空隙为地下水的赋存提供了必要的
空间条件
。按维尔纳茨
基的形象说法
“地壳表层就好象是饱含着水的海绵”
。
岩石空隙是地下水
存储空间
和
传输通道
，空隙的特征
(
多少、大小、形状、方向性、连
通程度及其空间变化等
)
决定着岩土储容、滞留、释出以及传输水的性能。
岩石空隙可分为三类
：
a.
未固结的松散岩石中的孔隙；
b.
固结的坚硬岩石中的裂隙；
c.
可溶岩石中的溶穴（隙）
。
1
．孔隙（
pore
）
松散岩石
是由大小不等的颗粒组成的
，
颗粒
及颗粒集合体
之间的空隙
––––
孔隙
。
孔隙的多少，决定岩土储容水的能力，在一定条件下，还控制岩土滞留、释出和传输水
的能力。孔隙体积的多少可用孔隙度表示：
孔隙度（
porosity
）
（
n
）
––––
指某一
体积岩土（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的比例。
即：
n
?
V
n
V
式中：
V
n
––––
岩石中孔隙的体积；
V
––––
包括孔隙在内的岩石体积；
n
––––
孔隙度，用小数或百分数表示。
另外一个概念：
孔隙比
（
void ratio
）
（
ε
）
––––
指某一体积岩土内孔隙的体积
（
V
n
）
与固体颗粒体积
（
V
s
）
之比。
即
?
?
V
n
V
s
n
。
1
?
n
因为<
/p>
V=V
n
+V
s
，所以
n
与
ε
关系为：
?
?
应用时：
a.
涉及变形时（工程地
质）
→
ε
（采用孔隙比较方便）
；
b.
涉及水的
储容与运动时（水文地质）
→
n
（采用
孔隙度方便）
。
影响因素：
a.
< br>分选程度：分选程度好，
n
大；分选程度差，
n
小；
b.
颗粒的排列情况：立方体排列时
n
=47.64
%
，四面体
n
=25.95%
；
c.
颗
粒的形状：形状愈不规则，棱角愈明显，
n
愈大；
d.
胶结充填情况：充填程度高，
n
小。
孔隙度的测定方法：
1
a.
饱和含水率：
n
=
θ
s
< br>（
θ
s
饱和含水率）
；
b.
抽水试验；
c.
形态学方法：成象、扫描
→
借助与计算机处理（研究领域的前沿课题）
。
表
3
–
1
松散岩石孔隙度参考数值
（单位％）
岩
石
名
称
砾
石
砂
粉
砂
粘
土
泥炭
孔隙度变化区间
25~35
25~50
35~50
40~70
80
粘土孔隙度较高的原因：
a.
颗粒表面带有电荷，构成颗粒集合体，形成较大的结构孔隙；
b.
粘性土中往往发育有虫孔、根孔、干裂缝等次生孔隙。
2
．
裂隙
（裂隙
crack
，
fissure
，
fracture
，
小<
/p>
→
大）
和溶穴
（
溶隙：
solution
fissure
，
vugular
pore space
）
（详见
12
章，
13
章）<
/p>
坚硬固结岩石包括：沉积岩、岩浆岩、变质岩
→
岩石破裂变形产生裂隙
。
裂隙按成因可分为：
a.
成岩裂隙
––––
岩石在形成时产生的裂隙（如
玄武岩中的柱状节理）
；
b.
构造裂隙
––––
构造运动中产生的裂隙；
c.
风化裂隙
––––
风化作用产生的裂隙，主要分布在地壳附近。
d.
卸荷裂隙
––––
因天然地质作用或人为工程活动减载卸荷形成的裂隙。
溶穴（隙）
––––
可溶的沉积岩在地下水溶蚀下会产生空
洞
，这种空隙称为溶隙。
最常见的可溶岩石：石灰岩、白云岩等。
关于溶隙：大的溶洞宽度数十米，高度数十米，长达几－几十
km
< br>；小的溶洞直径仅几
毫米。
大小相差悬殊
。
赋存于不同岩石中的地下水，由于其含水介质特征
不同，具有不同的分布与运动特点。
按岩层的空隙类型
区分为三
种类型的地下水
––––
孔隙水、裂隙水和岩溶水
（以后讲）
。
3
．
2
岩土中的水
地壳岩石中水的存在形式：
岩土“骨架”中的水
（矿物结合水）
地壳岩土中的水
沸石水
结晶水
结构水
结合水
（矿物表面结合水）
弱结合水
岩土空隙中的水
液态水
固态水
气态水
1
．结合水
重力水
毛细水
强结合水
2
松散岩石颗粒表面、
坚硬岩石空隙
壁面
→
电荷
→
吸附水分子。
离固相表面越近，
吸
引力
越大，自内向外逐渐减弱：
结合水
––––
受固相表面的引力大于水分子自身重力的那部分水称为
结合水。
这部分水被束缚于固相表面，
不能在自身的重力下运动
。
强结合
水（吸着水）
：不能流动，但可转化为气态水而移动。
弱结合水（薄膜水）
：外层能被植物吸收利用。
结合水
→
具有抗剪强度。
2
．重力水
重力水
––––
固体表面结合水层以外的水分
子，
受重力的影响大于固体表面的吸引力，
在
< br>重力作用下运移的那部分水。
岩土空隙中的重力水能够
自由流动。井泉取用的地下水，都属于重力水。
3
．毛细水（毛管水）
毛细力
––––
产生毛细现象的力。
将一根毛细玻璃管插入水中，
毛细管内的水面即会上
升到一定高度，
这便是发生在固、
液、气三相界面上的毛细现象
。
毛细玻璃管
毛细现象
3
松散岩石中细小的
孔隙通道
构成
毛细带
，在地下水面以上的包气带中广泛
存在毛细水。
毛细水：
a.
支持毛细水：与地下水面相连；
b.
悬挂毛细水：与地下水面不相
连（地下水面下降时）
；
c.
触点毛细水：在颗粒接触点上。
4
．气态水、固态水及矿物中的水
<
/p>
在未饱和水的空隙中存在着气态水，气态水
??
< br>液态水。
岩石温度
<0
℃，空隙中液态水
→
固态水。
我国北方冬季
→
冻土。
青藏高原部分岩石中的地下水多年保持固体
→
多年冻土
。
存在于矿物结晶内部及其间的水
––––
沸石水、
结晶水、
结构水
→
加热
时可从矿物中分
离出去。
3
．
3
与水有关的岩土性质
岩石空隙的大小
、
多少、
连通程度及其分布的均匀程度，对水的储容、
运移有明显的影
响。
1
．容水度
容水度
––––
是指岩土完全饱水时所容纳的水的体积与岩土体
积的比值。
一般在数值上容水度≈
n
。
2
．含水
量（或含水率）
（
water
content
）
对松散岩石而言，
如
Q
4
、土壤等。
1
）重量含水量
(W
g
)
––––
岩土孔隙含
水重量
(Gw)
与干燥岩土重量
(GN
)
的比值，为重量含水量
(Wg)
。<
/p>
即：
W
g
?
G
w
（小数或
%
表示）
→<
/p>
国外文献上常用
?
g
表示。
G
s
测定：
a
．烘干称重法；
b
．中子仪。
4