1、PAGE 10PAGE 16第三章 巖土中的空隙和水31 巖土中的空隙 空隙：void，interspace，space 地地殼巖石石中的空空隙為地地下水的的賦存提提供了必必要的空空間條件件。按維維爾納茨茨基的形形象說法法“地殼表表層就好好象是飽飽含著水水的海綿綿”。 巖巖石空隙隙是地下下水存儲(chǔ)儲(chǔ)空間和傳輸通道道，空隙的的特征(多少、大大小、形形狀、方方向性、連連通程度度及其空空間變化化等)決定著著巖土儲(chǔ)儲(chǔ)容、滯滯留、釋釋出以及及傳輸水水的性能能。巖石空隙可可分為三三類：a. 未固結(jié)結(jié)的松散散巖石中中的孔隙隙；b.固結(jié)的的堅(jiān)硬巖巖石中的的裂隙；c. 可溶巖巖石中的的溶穴（隙隙）。1孔隙（por

2、e）松散巖石是是由大小小不等的的顆粒組組成的，顆粒及顆粒集合體之間的空隙孔隙?？紫兜亩嗌偕伲瑳Q定定巖土儲(chǔ)儲(chǔ)容水的的能力，在在一定條條件下，還還控制巖巖土滯留留、釋出出和傳輸輸水的能能力?？卓紫扼w積積的多少少可用孔孔隙度表表示：孔隙度（pporoositty）（n）指某某一體積積巖土（包括括孔隙在在內(nèi)）中中孔隙體體積所占占的比例例。即：式中：Vnn巖石石中孔隙隙的體積積；V包括孔孔隙在內(nèi)內(nèi)的巖石石體積； nn孔隙隙度，用用小數(shù)或或百分?jǐn)?shù)數(shù)表示。 另另外一個(gè)個(gè)概念： 孔孔隙比（voidd ratiio）（）指某某一體積積巖土內(nèi)孔隙隙的體積積（Vn）與固固體顆粒粒體積（Vs）之比。即 因因?yàn)閂=Vn

3、+Vs，所以以n與關(guān)系為為：。應(yīng)用時(shí)：a. 涉及及變形時(shí)時(shí)（工程程地質(zhì)）（采用孔隙比較方便）；b. 涉及及水的儲(chǔ)儲(chǔ)容與運(yùn)運(yùn)動(dòng)時(shí)（水水文地質(zhì)質(zhì)）n（采用用孔隙度度方便）。影響因素：a. 分選選程度：分選程程度好，n大；分選程度差，n小；b. 顆粒粒的排列列情況：立方體體排列時(shí)時(shí)n=477.644%，四四面體nn=255.955% ；c. 顆粒粒的形狀狀：形狀狀愈不規(guī)規(guī)則，棱棱角愈明明顯，nn愈大；d. 膠結(jié)結(jié)充填情情況：充充填程度度高，nn小?？紫抖鹊臏y(cè)測(cè)定方法法：a. 飽和和含水率率：n=s（s飽和含含水率）；b. 抽水試試驗(yàn)；c. 形態(tài)態(tài)學(xué)方法法：成象象、掃描描借助與與計(jì)算機(jī)機(jī)處理（研研究領(lǐng)

4、域域的前沿沿課題）。表31 松散巖巖石孔隙隙度參考考數(shù)值 （單位位）巖 石 名名 稱礫 石砂粉 砂粘 土泥炭孔隙度變化化區(qū)間2535525500355004070080粘土孔隙隙度較高高的原因因：a. 顆顆粒表面面帶有電電荷，構(gòu)構(gòu)成顆粒粒集合體體，形成成較大的的結(jié)構(gòu)孔孔隙；b. 粘粘性土中中往往發(fā)發(fā)育有蟲蟲孔、根根孔、干干裂縫等等次生孔孔隙。2裂隙（裂裂隙crrackk，fisssurre，fraactuure，小小大）和溶穴穴（溶隙隙：sooluttionn fiissuure，vuggulaar pporee sppacee）（詳見12章，13章）堅(jiān)硬固結(jié)巖巖石包括括：沉積積巖、巖巖漿巖、

5、變變質(zhì)巖巖石破破裂變形形產(chǎn)生裂裂隙。裂隙按成因因可分為為：a. 成巖巖裂隙巖石在在形成時(shí)時(shí)產(chǎn)生的的裂隙（如如玄武巖巖中的柱柱狀節(jié)理理）；b. 構(gòu)造造裂隙構(gòu)造運(yùn)運(yùn)動(dòng)中產(chǎn)產(chǎn)生的裂裂隙；c. 風(fēng)化化裂隙風(fēng)化作作用產(chǎn)生生的裂隙隙，主要要分布在在地殼附附近。d. 卸荷荷裂隙因天然然地質(zhì)作作用或人人為工程程活動(dòng)減減載卸荷荷形成的的裂隙。溶穴（隙）可溶的沉積巖在地下水溶蝕下會(huì)產(chǎn)生空洞，這種空隙稱為溶隙。最常見的可可溶巖石石：石灰灰?guī)r、白白云巖等等。關(guān)于溶隙：大的溶溶洞寬度度數(shù)十米米，高度度數(shù)十米米，長(zhǎng)達(dá)達(dá)幾幾幾十kmm；小的的溶洞直直徑僅幾幾毫米。大小相差懸殊。賦存于不同同巖石中中的地下下水，由由于其含含水

6、介質(zhì)質(zhì)特征不不同，具具有不同同的分布布與運(yùn)動(dòng)動(dòng)特點(diǎn)。按巖層的空隙類型區(qū)分為三種類型的地下水孔隙水、裂隙水和巖溶水（以后講）。32 巖土中的水地殼巖土中的水氣態(tài)水固態(tài)水（礦物表面結(jié)合水）強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水巖土“地殼巖土中的水氣態(tài)水固態(tài)水（礦物表面結(jié)合水）強(qiáng)結(jié)合水弱結(jié)合水巖土“骨架”中的水（礦物結(jié)合水）沸石水結(jié)晶水結(jié)構(gòu)水重力水毛細(xì)水液態(tài)水巖土空隙中的水結(jié)合水1結(jié)合水水松散巖石顆顆粒表面面、堅(jiān)硬硬巖石空空隙壁面面電荷吸附水水分子。離離固相表表面越近近，吸引引力越大大，自內(nèi)內(nèi)向外逐逐漸減弱弱：結(jié)合水受受固相表表面的引引力大于于水分子子自身重重力的那那部分水水稱為結(jié)結(jié)合水。這部分水被被束縛于于固相表表面，

7、不不能在自自身的重重力下運(yùn)運(yùn)動(dòng)。強(qiáng)結(jié)合水（吸吸著水）：不能流流動(dòng)，但但可轉(zhuǎn)化化為氣態(tài)態(tài)水而移移動(dòng)。弱結(jié)合水（薄薄膜水）：外層能能被植物物吸收利利用。結(jié)合水具具有抗剪剪強(qiáng)度。2重力水水重力水固固體表面面結(jié)合水水層以外外的水分分子，受受重力的的影響大大于固體體表面的的吸引力力，在重重力作用用下運(yùn)移移的那部部分水。巖土空隙中中的重力力水能夠夠自由流流動(dòng)。井井泉取用用的地下下水，都都屬于重重力水。3毛細(xì)水水（毛管管水）毛細(xì)力產(chǎn)產(chǎn)生毛細(xì)細(xì)現(xiàn)象的的力。將一根毛細(xì)細(xì)玻璃管管插入水水中，毛毛細(xì)管內(nèi)內(nèi)的水面面即會(huì)上上升到一一定高度度，這便便是發(fā)生生在固、液液、氣三三相界面面上的毛毛細(xì)現(xiàn)象象。松散巖石中中細(xì)小的的

8、孔隙通通道構(gòu)成成毛細(xì)帶帶，在地地下水面面以上的的包氣帶帶中廣泛泛存在毛毛細(xì)水。毛細(xì)水：a. 支持持毛細(xì)水水：與地地下水面面相連；b. 懸掛掛毛細(xì)水水：與地地下水面面不相連連（地下下水面下下降時(shí)）；c. 觸點(diǎn)點(diǎn)毛細(xì)水水：在顆顆粒接觸觸點(diǎn)上。4氣態(tài)水水、固態(tài)態(tài)水及礦礦物中的的水在未飽和水水的空隙隙中存在在著氣態(tài)態(tài)水，氣氣態(tài)水液液態(tài)水。巖石溫度0，空隙中中液態(tài)水水固態(tài)水水。我國(guó)北方冬冬季凍土。青藏高原部部分巖石石中的地地下水多多年保持持固體多年凍凍土。存在于礦物物結(jié)晶內(nèi)內(nèi)部及其其間的水水沸石石水、結(jié)結(jié)晶水、結(jié)結(jié)構(gòu)水加熱時(shí)時(shí)可從礦礦物中分分離出去去。33 與水有有關(guān)的巖巖土性質(zhì)巖石空隙的的大小、多多少

9、、連連通程度度及其分分布的均均勻程度度，對(duì)水水的儲(chǔ)容容、運(yùn)移移有明顯顯的影響響。1容水度度容水度是是指巖土土完全飽飽水時(shí)所所容納的的水的體體積與巖巖土體積積的比值值。一般在數(shù)值值上容水水度n。2含水量量（或含含水率）（water content）對(duì)松散巖石石而言，如Q4、土壤等。1）重量含含水量(Wg)巖土土孔隙含含水重量量(Gw)與干燥燥巖土重重量(GN)的比值值，為重重量含水水量(Wg)。即：（小數(shù)或或%表示）國(guó)外文文獻(xiàn)上常常用表示示。測(cè)定：a烘干稱稱重法；b中子儀儀。2）體積含含水量(Wv)巖土土孔隙含含水體積積(Vw)與包含含孔隙在在內(nèi)的巖巖土體積積(V)的比值值，為體體積含水水量(W

10、v）。即：（小數(shù)或或%表示）國(guó)外文文獻(xiàn)上常常用或表示。兩者之間的的關(guān)系：（當(dāng)水的容容重為1時(shí)）。其中：為為巖石干干容重（密密度）。對(duì)于土壤來來說，含含水量也也稱為含含水率，國(guó)國(guó)際上一一般用表表示含水水率（wwateer cconttentt），兩者之之間的關(guān)關(guān)系為：3給水度度（yiieldd off waaterr；speeciffic yieeld）給水度（）給水水度是指指地下水水位下降降單位深深度時(shí)，因重重力作用用從單位位水平面面積巖土土柱體（從從地面到到潛水面面）釋出出水的體體積。表示：小數(shù)數(shù)或%表示。speciificc yiieldd（給水水度）：watter draaineed f

11、fromm sooil undderggravvityy fllow。測(cè)定：a實(shí)驗(yàn)室室土柱排排水法（高高柱儀法法）；b野外外抽水試試驗(yàn)法。給水度的計(jì)計(jì)算：（水位下降降時(shí)，單單位體積積土體給給出的水水的體積積）實(shí)際情況下下，當(dāng)?shù)氐叵滤晃幌陆禃r(shí)時(shí)，原先先飽水帶帶巖土空空隙中的的水，只只能釋出出一部分分。一系系列復(fù)雜雜因素影影響水分分的釋出出：首先先，結(jié)合合水不釋釋出；其其次，孔孔角毛細(xì)細(xì)水也不不會(huì)釋出出；第三三，地下下水位快快速下降降時(shí)，一一部分水水以懸掛掛毛細(xì)水水形式滯滯留于非非飽和帶帶給水度是潛潛水含水水層的主主要參數(shù)數(shù)之一。釋水系數(shù)又又稱貯水水系數(shù)(stoorattiviity)或 HYP

12、ERLINK /view/615405.htm彈性給給水度（承承壓水）。 HYPERLINK /view/122681.htm水頭下降一一個(gè)單位位時(shí)，從從單位面面積 HYPERLINK /view/548166.htm含水水層全部部厚度的的柱體中中，由于于水的膨膨脹和 HYPERLINK /view/2298718.htm巖巖層的壓壓縮而釋釋放出的的 HYPERLINK /view/9014284.htm水量；或或者水頭頭上升一一個(gè)單位位時(shí)，其其所貯入入的水量量。它是是表征含含水層(或 HYPERLINK /view/7882840.htm弱透水水層)全部厚厚度釋水水(貯水)能力的的 HYPE

13、RLINK /view/327406.htm參數(shù)。影響給水度度的因素素：a. 巖性性：粗顆顆粒，孔孔隙大，大，n；細(xì)顆粒，孔隙小，?。籦. 初始始地下水水位埋藏藏較淺時(shí)時(shí)：當(dāng)ss0hc時(shí)，水水位下降降時(shí)，一一部分重重力水將將轉(zhuǎn)化為為毛細(xì)水水，從而而偏?。籧. 當(dāng)?shù)氐叵滤晃幌陆邓偎俾蚀髸r(shí)時(shí)，偏小小；d. 重力力釋水滯滯后于水水位下降降，隨時(shí)時(shí)間的延延續(xù)緩慢慢增大，釋釋水比較較充分時(shí)時(shí)理論最最大值。均質(zhì)松散巖巖石給水水度參考考值（PP22，表22）。表32 常見松松散巖石石的給水水度（FFettter，19880）巖土 給水度度巖土 給水度度 粗砂 00.2000.335 中砂 00.1550.

14、330 細(xì)砂 00.1000.220粉 砂 0.100.115 亞粘土土 00.0770.110 亞砂土土 00.0440.0074持水度度地下水位下下降時(shí)，巖巖石中的的水：a. 一部部分在重重力的作作用下排排出，數(shù)數(shù)量指標(biāo)標(biāo)給水度度；b. 另一一部分在在重力的的作用下下仍保持持在巖石石中，數(shù)數(shù)量指標(biāo)標(biāo)持水度度。持水度（SSr）是地地下水位位下降時(shí)時(shí)，滯留留于非飽飽和帶中中而不釋釋出的水水的體積積與單位位疏干體體積比值值。、Sr、nn三者之之間的關(guān)關(guān)系：Srnn5滲透性性巖土的滲透透性指指巖體傳傳輸水或或其他流流體(如油氣氣)的性能能。定量指標(biāo)滲透系系數(shù)（KK）。影響透水性性的因素素，主要要是

15、孔隙隙的大小?。篴. 孔隙隙愈大，透透水性愈愈強(qiáng)，K大；b. 孔隙隙愈小，透透水性愈愈差，K小。34有效效應(yīng)力原原理與巖巖土體變變形破壞壞有效應(yīng)力原原理太沙基（TTerzzaghhi,119255）所提提出的有有效應(yīng)力力原理可可以幫助助我們分分析地下下水位的的變動(dòng)引引起的松松散巖石石壓密問問題。1）水能承承受的應(yīng)應(yīng)力相當(dāng)當(dāng)于孔隙隙水壓力力u：式中：u為孔隙隙水壓力力；h為AB平面面上水的的測(cè)壓高高度；為為水的容容重。2）有效應(yīng)應(yīng)力實(shí)際作用于于沙層骨骨架上的的應(yīng)力稱稱為有有效應(yīng)力力。有效應(yīng)力是是巖土骨骨架所承承受的應(yīng)應(yīng)力。在在封閉(或相對(duì)對(duì)封閉)條件下下，上覆覆載荷的的總應(yīng)力力（），由由飽水巖巖

16、土骨架架應(yīng)力(即有效效應(yīng)力)與孔隙隙水壓力力（u）共同同承受=+uu=- uu有效應(yīng)力等等于總應(yīng)應(yīng)力減去去孔隙水水壓力稱稱為太太沙基有有效應(yīng)力力原理。2地下水水位變動(dòng)動(dòng)引起的的巖土壓壓密1）水頭下下降（孔孔隙水壓壓力降低低）巖土壓壓密。a. 水頭頭降低時(shí)時(shí)，總應(yīng)應(yīng)力不變變；b. 孔隙隙水壓力力降低u；c. 有效效應(yīng)力增增加；d. 原先先由水承承受的應(yīng)應(yīng)力，部部分地轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)移到砂砂層骨架架上。這樣：(uu)()2）水頭上上升（孔孔隙水壓壓力恢復(fù)復(fù)）砂層基本本上恢復(fù)復(fù)原狀。開采承壓水水或半承承壓水導(dǎo)導(dǎo)致測(cè)壓壓水位下下降，孔孔隙水壓壓力降低低，有效效應(yīng)力增增大，砂砂層骨架架將發(fā)生生壓縮。表表現(xiàn)為輕輕微的

17、地地面沉降降。當(dāng)測(cè)測(cè)壓水位位恢復(fù)到到原來高高度時(shí)，孔孔隙水壓壓力恢復(fù)復(fù)，砂層層和地面面都將回回彈；由由于砂粒粒排列不不可能完完全回到到原狀，因因此，砂砂層和地地面不會(huì)會(huì)完全回回彈。砂礫類巖土土基本上上呈彈彈性變形形。粘性土由于于釋水壓壓密時(shí)結(jié)結(jié)構(gòu)發(fā)生生了不可可逆轉(zhuǎn)的的變化，即即使孔隙隙水壓力力復(fù)原，粘粘性土基基本上仍仍保持其其壓密狀狀態(tài)。粘性土以以塑性變變形為主主。水位降低巖土壓壓密孔隙度度、給水水度、滲滲透系數(shù)數(shù)等參數(shù)數(shù)變小。地下水位變變化引起起巖土體體位移破破壞巖土體存在在不連續(xù)續(xù)面(裂隙、斷斷裂、潛潛在滑動(dòng)動(dòng)面等)時(shí)，當(dāng)孔孔(空)隙水壓壓力增加加，有效效應(yīng)力降降低時(shí)，不連連續(xù)面的的抗剪(

18、抗滑)力降低低，巖土土體可能能因重力力作用，發(fā)發(fā)生滑坡坡或崩塌塌等。思考題為什么圖33.2b不能能代表粗粗粒土最最小孔隙隙度?顆粒大大小對(duì)于于孔隙度度有無(wú)影影響?為什么么?自然界中接接近等粒粒、分選選良好的的砂，孔孔隙度大大致范圍圍如何?為什么么?假定圖3.2a的孔孔隙中充充滿立方方體排列列的等粒粒圓球狀狀小顆粒粒，其孔孔隙度是是多少?為什么孔喉喉對(duì)水的的滯留、釋釋出及傳傳輸，影影響更大大?試分析松散散沉積物物顆粒大大小及分分選程度度對(duì)其滲滲透性的的影響。圖3.5bb為什么么會(huì)形成成懸掛毛毛細(xì)水?為什么給水水度不是是一個(gè)確確定值?什么情況下下，給水水度才基基本上等等于空隙隙度?孔隙？孔隙度?孔隙比？成巖裂隙？構(gòu)造裂隙？風(fēng)化裂隙？卸荷裂隙結(jié)合水？重力水？毛細(xì)水？容水度？重量含水量量？體積含水量量？給水度？持水度？巖土的滲透透性？有效應(yīng)力？巖石空隙可可分為非非固結(jié)巖巖石中的的、堅(jiān)硬硬固結(jié)巖石石中的 和可溶溶巖石中中的?？紫抖鹊拇蟠笮≈饕Q于于及情況況，另外外顆粒形形狀及膠