第二章 地下水的赋存

第一节 岩石中的孔隙与水分

本 节 内 容 岩石中的空隙 岩石中水的存在形式 水的储容及运移有关的岩石性质 有效应力原理与松散岩土压密

ξ1 岩石中的孔隙 地壳表层和深部1-2公里以内，空隙分布普遍，为地下水的富存提供了必要的空间条件。 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，对地下水的分布和运动具有重要影响。

岩土的空隙性 地壳在自然界各种地质营力的作用下，其内部存在着各种各样的空隙，而构成了地下水的储存场所和运移通道。 大小 空隙 多少 连通状况 空隙 多少 连通状况 分布规律 直接影响着地下水的分布和运动

岩土空隙分类： 孔隙 松散岩石中 裂隙 坚硬岩石中 溶隙 可溶岩石中

一、孔隙 定义： 松散岩石中大小不等的颗粒或颗粒集合体之间的空隙，称为孔隙。

孔隙体积的表征指标： 孔隙度——指某一体积岩石（包括孔隙在内）中孔隙体积所占的比例。即：

影响岩土孔隙度大小的主要因素： 颗粒的排列 分选程度 形状 胶结程度

排列方式对孔隙度的影响： 若设想构成松散岩石的颗粒均为等粒圆球： 当立方体排列时（图a），孔隙度为47.64%；

为四面体排列时（图b），孔隙度为25.95%。 六方体排列为最松散排列，四面体排列为最紧密排列，自然界中松散岩石的孔隙度大多介于此两者之间。

由上图可知：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。

分选程度对孔隙度的影响： 分选性差、颗粒大小悬殊，n越小 分选程度愈差，颗粒大小愈悬殊则孔隙度便愈小。 细小颗粒充填于粗大颗粒之间的孔隙中，自然会大大降低孔隙度。 当某种岩石由两种大小不等的颗粒组成，且粗大颗粒之间的孔隙完全为细小颗粒所填充时，则孔隙度等于由粗粒和细粒单独组成时孔隙度的乘积。

形状对孔隙度的影响： 形状愈不规则，棱角愈明显，排列就愈松散，n愈大 自然界中的岩石的颗粒形状多是不规则的。组成岩石的颗粒形状愈不规则，棱角愈明显，通常排列就愈松散，孔隙度也愈大。

胶结程度对孔隙度的影响： 孔隙被胶结物充填后，n小； 胶结方式： 充填式、基底式 表2-1自然界中主要松散岩石孔隙度的参考值。

表2-1 松散岩石孔隙度参考数值[据弗里泽等，1987] 表2-1 松散岩石孔隙度参考数值[据弗里泽等，1987]

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。 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为孔喉，最宽大的部分称为孔腹（图2-4）； 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。

二、裂隙 固结的坚硬岩石（包括沉积岩、岩浆岩和变质岩）主要发育各种应力作用下岩石破裂变形产生的裂隙。

概念：指坚硬岩石在各种应力作用下而形成的裂缝状空隙，称为裂隙。 按成因的分类： 风化裂隙 成岩裂隙 构造裂隙

裂隙多少的表征指标：裂隙率表示，即 りf = 100%

三、溶穴（溶隙） 可溶的沉积岩（如岩盐、石膏、石灰石和白云岩等），在地下水溶蚀下会产生空洞，这种空隙称为溶穴（隙）。

概念： 可溶性岩石在水的长期溶蚀下形成空洞，这种空隙称为溶隙。 溶隙多少的表征指标：岩溶率表示，即 Kk = 100%

空隙综述： 自然界岩石中空隙的发育状况远较上面所说的复杂： 固结程度不高的沉积岩，往往既有孔隙，又有裂隙。 可溶岩石由于溶蚀不均一，有的部分发育溶穴，而有的部分则为裂隙，有时还可保留原生的孔隙与裂缝。

岩石中的空隙，必须以一定方式连接起来构成空隙网络，才能成为地下水有效的储溶空间和运移管道。 松散岩石、坚硬基岩和可溶岩石中的空隙网络具有不同的特点： 松散岩石中的孔隙分布于颗粒之间，连通良好，分布均匀，在不同方向上，孔隙通道的大小和多少都很接近。赋存于其中的地下水分布与流动都比较均匀。

坚硬基岩的裂隙是宽窄不等，长度有限的线状缝隙，往往具有一定的方向性。只有当不同方向的裂隙相互穿切连通时，才在某一范围内构成彼此连通的裂隙网络。裂隙的连通性远较孔隙差。因此，赋存于裂隙基岩中地下水相互联系较差。分布于流动往往是不均匀的。

可溶岩石的溶穴是一部分原有裂隙与原生孔缝溶蚀扩大而成的，空隙大小悬殊且分布及不均匀。因此，赋存于可溶岩石中的地下水分布与流动通常极不均匀。 赋存于不同岩层中的地下水，由于其含水介质特征不同，具有不同的分布与运动特点。按岩层的空隙类型分为三种类型地下水—孔隙水、裂隙水和岩溶水。

赋存于不同岩层中的地下水，由于其含水介质特征不同，具有不同的分布与运动特点。故按岩层的空隙类型区分为三种类型地下水： 孔隙水 裂隙水 岩溶水

ξ2 岩石中水的存在形式 岩 石 中 各 种 形 式 的 水

水在岩土中的赋存形式 地表以下剖面上各种状态的水在岩层中的分布图 1一湿度不足带分布有气态水、吸着水; 2一温度饱和带分布有气态水、吸着水、薄膜水; 3一上升毛细水带; 4一无压重力水带; 5一粘土层; 6一承压重力水带 地表以下剖面上各种状态的水在岩层中的分布图

按水在岩土空隙中的形态分类： 液态水 气态水 固态水

（一）液态水 结合水 重力水 毛细水 根据 水分子 受力状况

1、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，水分子又是偶极体，由于静电吸引，固相表面具有吸附水分子的能力（图2-6）。 根据库仑定律，电场强度与距离平方成反比。故离固相表面很近的水分子受到静电引力很大；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。

结合水的概念： 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。

结合水的分类： 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。 将最接近固相表面的结合水称为强结合水（吸着水），其外层称为弱结合水（薄膜水）。

结合水的特征： 结合水束缚于固相表面，不能在自身重力影响下运动。 结合水区别于普通液态水的最大特征之具有抗剪强度，即必须施一定的力方能使其发生变形。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。

2.重力水 重力水的概念： 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，因而能在自身重力影响下运动，这部分水就是重力水。

重力水的特征： 靠近固体表面的那一部分重力水：仍然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，而不作紊流运动。 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。这部分水在流速较大时容易转为紊流运动。

3、毛细水 毛细现象： 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的高度，这便是发生在固、液、气三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，故在地下水面以上的包气带中广泛存在毛细水。

毛细水的类型： 支持毛细水 悬挂毛细水 孔角毛细水

支持毛细水： 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，形成一个毛细水带，此带中的毛细水下部有地下水面支持，称为支持毛细水。

悬挂毛细水： 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。

孔角毛细水： 在包气带中颗粒接触点上悬留孔角毛细水（触点毛细水），即使是粗大的卵砾石，颗粒接触处孔隙大小总可以达到毛细管的程度而形成弯液面，将水带留在孔角上。

（二）气态水 概念： 以蒸汽状态存在于非饱和含水岩土空隙中的水。 岩石的温度低于0℃时，空隙中的液态水将转为固态水。

特征： 可随空气流动而运移； 可从水气压力大的地方向小的地方迁移； 在一定压力、温度条件下可与液态水相互转化而保持动平衡； 当空隙内水汽增多达到饱和状态时（或当周围温度降到露点时），气态水开始凝结形成液态水。

（三）固态水 概念： 当岩土温度低于0C0时，岩土空隙中的液态即凝结为固态水。 储存地下水的岩土称为冻土。 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，这就是所谓多年冻土。

（四）矿物中的水 存在于矿物洁净内部及其之间的水，即沸石水、结晶水、结构水。 这种水在加热时可以从矿物中分离出去。

ξ3 与水的储容及运移有关的岩石性质 影响水的储容及运移的因素： 岩石空隙大小、多少、连通程度及其分布均匀度。 控制水活动的因素： 岩石的容水性、含水性、给水性、持水性、透水性

岩土的水理性质 概念： 指岩土控制水活动的性质 岩土主要水理性质： 容水性 含水性 持水性 给水性 透水性

1.容水性（容水度） 定义： 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。可用小数或百分数表示。 一般来说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的粘土，充水后体积扩大，容水度可大于孔隙度。

表征指标： 容水度——指岩土完全饱水时所容纳的最大水体积与岩土总体积之比，即 θ= 100% 或θ= 100% θ= 100% 或θ= 100% 容水度数值上一般与空隙度（裂隙率、岩溶率）相等，但膨胀土的容水度大于孔隙度。

2.含水性（含水量） 概念： 重量含水量（Wg）：松散岩石孔隙中所含水的重量与干燥岩石重量的比值。 含水量——松散岩石实际保留水分的状况。 重量含水量（Wg）：松散岩石孔隙中所含水的重量与干燥岩石重量的比值。 体积含水量（Wv）：含水的体积与包括孔隙在内的岩石体积的比值。

饱和含水量Ws： 孔隙充分饱水时的含水量称作饱和含水量Ws。 饱和含水量与实际含水量之间的差值称为饱和差。 实际含水量与饱和含水量之比称为饱和度。

3.给水性（给水度） 给水度： 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，称为给水度（μ）（图3-8b）。

影响因素： 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、地下水位下降速率等因素有关。

给水性： 表征指标：给水度μ 均质松散岩石的给水度值：参见表2-2。 含水岩土在重力作用下能自由释出一定水量的性能，称为给水性。 指饱水岩土在重力作用下所释出的水体积与岩土总体积之比。 μ = （V出水/V砂样容水）100% 均质松散岩石的给水度值：参见表2-2。

表2-2 常见松散岩石的给水度[Fetter,1980]

4、持水性（持水度） 持水度： 给水度、持水度与孔隙度的关系： 地下水位下降一个单位深度，单位水平面积岩石柱体中反抗重力而保持于岩石空隙中的水量，称作为持水度。 给水度、持水度与孔隙度的关系： μ+ Sr = n

残留含水量（W0）： 包气带充分重力释水而又未受到蒸发、蒸腾消耗时的含水量称作残留含水量（W0），数值上相当于最大的持水度。

5、透水性（渗透系数） 岩石的透水性： 指岩石允许水透过的能力。 表征指标： 表征岩石透水性的定量指标——渗透系数。

实例分析——以松散岩石为例，分析一个理想孔隙通道中水的运动情况。

图2-9表示圆管状孔隙通道的纵断面，孔隙的边缘上分布着在寻常条件下不运动的结合水，其余部分是重力水。 由于附着于隙壁的结合水层对于重力水，以及重力水质点之间存在着摩擦阻力，最近边缘的重力水流速趋于零，中心部分流速最大。 分析可见：孔隙直径愈小，结合水所占据的无效空间愈大，实际渗流断面就愈小；孔隙直径越小，透水性越差。

若把松散岩石中的全部孔隙通道概化为一束相互平行的等径圆管（图2-10），可知：当孔隙度一定而孔隙直径愈大，则圆管通道的数量愈少，但有效渗流断面愈大，透水能力就愈强。

分析可见： 决定透水性好坏的主要因素是孔隙大小；只有在孔隙大小达到一定程度，孔隙度才对岩石的透水性起作用，孔隙度愈大，透水性愈好。

实际的孔隙通道并不是直径均一的圆管，而是直径变化、断面形状复杂的管道系统（图a）

地下水流通道示意图

岩石的透水能力并不决定于平均孔隙直径（图b），而在很大程度上取决于最小的孔隙直径（图c）。

ξ4 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松散岩土压密

1、有效应力原理 太沙基（Terzaghi，1925）提出的有效应力原理； 可以用有效应力原理来分析地下水位变动情况下岩石有效应力的变化以及由此引起的松散岩石压密问题。

如图一松散沉积物质构成的饱水砂层，任取一水平单元面积AB。 作用在所研究的单元面积AB上的总应力P为该单元上松散岩石骨架与水的重量之和。

总应力P由砂层骨架（固体颗粒）与水共同承受。其中： 水所承受的应力相当于孔隙水压力u： 式中： ：孔隙水压力 ：水的容重； ：AB平面上水的测压管高度。

孔隙水压力u可以理解为AB平面处水对上复地层的浮托力。 由于浮托力的存在，使实际作用于砂层骨架上的应力小于总应力。 实际作用与砂层骨架上的应力，称为有效应力PZ。

有效应力等于总应力减去孔隙水压力——太沙基有效应力原理。 由于AB平面处应力处于平衡状态，总应力等于孔隙水压力及有效应力之和，故： 有效应力等于总应力减去孔隙水压力——太沙基有效应力原理。

2.地下水位变动引起松散岩压密 假设整个含水砂层充满水，且水位下降后其测压管高度仍高出饱水砂层顶面。

这种情况下，当由于抽水而引起测压管高度降低时，可近似的认为总应力P不变，孔隙水压力降低△u，相应地有效应力增加△Pz。

即原先由水承受的应力由于水头降低，浮托力减少而部分地转由砂层骨架（颗粒本身）承担： 砂层是通过颗粒的接触点承受应力的。 孔隙水压力降低,有效应力增加,颗粒发生位移,排列更为紧密,颗粒的接触面积增加,孔隙度降低,砂层受到压密。此时,砂层中的水因减压而有少量膨胀。

砂层因孔隙水压力下降而压密,待孔隙水压力恢复后,砂层大体上仍能恢复原状。砂砾类岩土基本上呈弹性变形。 若压密发生于粘性土中,由于粘性土释水压密时结构发生了不可逆转的变化,即使孔隙水压力复原,粘性土基本上仍保持其压密状态。粘性土以塑性变形为主。 抽水引起地下水位下降,松散岩石将被压密,从而其孔隙度、给水度、渗透系数等参数均将变小。对于粘性土来说,这种参数值的降低是不可逆的。

复习思考题： 各种状态水在岩层中的储存分布及其特点。 什么岩石的空隙性？它们在数量上是如何表示的？ 松散岩石孔隙率的大小与哪些因素有关？ 岩石中有哪些形式的水，各有哪些特点？ 持水性愈强的岩石，其给水性与透水性愈强吗？为什么？ 岩石有哪些水理性质？试一一解释之。 粘土的孔隙度为40-60%，而磨圆度好的粗砂的孔隙度只有30-35%，但粘土却是不透水层而粗砂确实很好的透水层，为什么？ 为什么说岩石颗粒越大、越均匀，其透水性越强？ 解释有效应力原理，并用该原理阐述地面沉降现象。