本節(jié)內(nèi)容巖石中的空隙巖石中水的存在形式水的儲容及運(yùn)移有關(guān)的巖石性質(zhì)有效應(yīng)力原理與松散巖土壓密本節(jié)內(nèi)容巖石中的空隙一、

巖石中的孔隙

地殼表層和深部1-2公里以內(nèi)，空隙分布普遍，為地下水的富存提供了必要的空間條件。

巖石空隙是地下水儲存場所和運(yùn)動(dòng)通道。維爾納次基—地殼表層象飽含著水的海綿！一、巖石中的孔隙地殼表層和深部1-2公里巖土的空隙性地殼在自然界各種地質(zhì)營力的作用下，其內(nèi)部存在著各種各樣的空隙，而構(gòu)成了地下水的儲存場所和運(yùn)移通道。大小空隙多少連通狀況分布規(guī)律直接影響著地下水的分布和運(yùn)動(dòng)巖土的空隙性地殼在自然界各種地質(zhì)營力的作用下，其內(nèi)部存在著各巖土空隙分類：

孔隙松散巖石中裂隙堅(jiān)硬巖石中溶隙可溶巖石中巖土空隙分類：（一）孔隙定義：

松散巖石中大小不等的顆?；蝾w粒集合體之間的空隙，稱為孔隙。（一）孔隙孔隙體積的表征指標(biāo)：

孔隙度——指某一體積巖石（包括孔隙在內(nèi)）中孔隙體積所占的比例。即：孔隙體積的表征指標(biāo)：影響巖土孔隙度大小的主要因素：顆粒的排列分選程度形狀膠結(jié)程度影響巖土孔隙度大小的主要因素：排列方式對孔隙度的影響：

若設(shè)想構(gòu)成松散巖石的顆粒均為等粒圓球：當(dāng)立方體排列時(shí)（圖a），孔隙度為47.64%；排列方式對孔隙度的影響：為四面體排列時(shí)（圖b），孔隙度為25.95%。六方體排列為最松散排列，四面體排列為最緊密排列，自然界中松散巖石的孔隙度大多介于此兩者之間。為四面體排列時(shí)（圖b），孔隙度為25.95%。六方第2講巖石中的孔隙與水分課件由上圖可知：三種顆粒直徑不同的等粒巖石，排列方式相同時(shí)，孔隙度完全相同。由上圖可知：三種顆粒直徑不同的等粒巖石，排列方式相同時(shí)，孔隙分選程度對孔隙度的影響：

分選性差、顆粒大小懸殊，n越小

分選程度愈差，顆粒大小愈懸殊則孔隙度便愈小。細(xì)小顆粒充填于粗大顆粒之間的孔隙中，自然會(huì)大大降低孔隙度。當(dāng)某種巖石由兩種大小不等的顆粒組成，且粗大顆粒之間的孔隙完全為細(xì)小顆粒所填充時(shí)，則孔隙度等于由粗粒和細(xì)粒單獨(dú)組成時(shí)孔隙度的乘積。

分選程度對孔隙度的影響：形狀對孔隙度的影響：

形狀愈不規(guī)則，棱角愈明顯，排列就愈松散，n愈大自然界中的巖石的顆粒形狀多是不規(guī)則的。組成巖石的顆粒形狀愈不規(guī)則，棱角愈明顯，通常排列就愈松散，孔隙度也愈大。形狀對孔隙度的影響：膠結(jié)程度對孔隙度的影響：孔隙被膠結(jié)物充填后，n??；膠結(jié)方式：

充填式、基底式表2-1自然界中主要松散巖石孔隙度的參考值。膠結(jié)程度對孔隙度的影響：沉積物的孔隙率范圍沉積物孔隙率（%）分選好的砂或礫25-50%砂礫混合物20-35%冰漬物10-20%粉砂35-50%粉土33-60%粘土40-70%沉積物的孔隙率范圍沉積物孔隙率（%）分選好的砂或礫25-50

粘土表面常帶有電荷，顆粒接觸時(shí)便連接成顆粒集合體，形成結(jié)構(gòu)孔隙，使孔隙率超過理論最大值。粘土表面常帶有電荷，顆粒接觸時(shí)便連接成顆粒集合孔隙大小對地下水運(yùn)動(dòng)影響很大：孔隙通道最細(xì)小的部分稱為孔喉，最寬大的部分稱為孔腹（圖2-4）；

孔喉對水流動(dòng)的影響更大，討論孔隙大小時(shí)可以用孔喉直徑進(jìn)行比較。孔隙大小對地下水運(yùn)動(dòng)影響很大：第2講巖石中的孔隙與水分課件（二）裂隙

固結(jié)的堅(jiān)硬巖石（包括沉積巖、巖漿巖和變質(zhì)巖）主要發(fā)育各種應(yīng)力作用下巖石破裂變形產(chǎn)生的裂隙。（二）裂隙概念：指堅(jiān)硬巖石在各種應(yīng)力作用下而形成的裂縫狀空隙，稱為裂隙。按成因的分類：風(fēng)化裂隙成巖裂隙構(gòu)造裂隙概念：指堅(jiān)硬巖石在各種應(yīng)力作用下而形成的裂縫狀空隙，稱為裂隙裂隙多少的表征指標(biāo)：裂隙率表示，即

りf=100%裂隙多少的表征指標(biāo)：裂隙率表示，即裂隙的測定多在巖石出露處或坑道中進(jìn)行，量得巖石露頭的面積F，逐一測量該面積上裂隙長度L與平均寬度b，便可按下式計(jì)算。即

りf=100%裂隙的測定多在巖石出露處或坑道中進(jìn)行，量得巖石露頭的面積F，（三）溶穴（溶隙）

可溶的沉積巖（如巖鹽、石膏、石灰石和白云巖等），在地下水溶蝕下會(huì)產(chǎn)生空洞，這種空隙稱為溶穴（隙）。（三）溶穴（溶隙）概念：可溶性巖石在水的長期溶蝕下形成空洞，這種空隙稱為溶隙。溶隙多少的表征指標(biāo)：巖溶率表示，即Kk=100%概念：溶隙可發(fā)展為溶洞、暗河、天然井、落水洞等多種形態(tài)巖溶洞穴中的邊石壩（蓮花池）溶隙可發(fā)展為溶洞、暗河、天然井、落水洞等多種形態(tài)巖溶洞穴中的

灰?guī)r溶洞

灰?guī)r溶洞地下暗河渦流在溶洞頂板形成的窩穴地下暗河渦流在溶洞頂板形成的窩穴綜述：自然界巖石中空隙的發(fā)育狀況遠(yuǎn)較上面所說的復(fù)雜：固結(jié)程度不高的沉積巖，往往既有孔隙，又有裂隙?？扇軒r石由于溶蝕不均一，有的部分發(fā)育溶穴，而有的部分則為裂隙，有時(shí)還可保留原生的孔隙與裂縫。綜述：巖石中的空隙，必須以一定方式連接起來構(gòu)成空隙網(wǎng)絡(luò)，才能成為地下水有效的儲溶空間和運(yùn)移管道。松散巖石、堅(jiān)硬基巖和可溶巖石中的空隙網(wǎng)絡(luò)具有不同的特點(diǎn)：

松散巖石中的孔隙分布于顆粒之間，連通良好，分布均勻，在不同方向上，孔隙通道的大小和多少都很接近。賦存于其中的地下水分布與流動(dòng)都比較均勻。巖石中的空隙，必須以一定方式連接起來構(gòu)成空隙網(wǎng)絡(luò)，才能成為地

堅(jiān)硬基巖的裂隙是寬窄不等，長度有限的線狀縫隙，往往具有一定的方向性。只有當(dāng)不同方向的裂隙相互穿切連通時(shí)，才在某一范圍內(nèi)構(gòu)成彼此連通的裂隙網(wǎng)絡(luò)。裂隙的連通性遠(yuǎn)較孔隙差。因此，賦存于裂隙基巖中地下水相互聯(lián)系較差。分布與流動(dòng)往往是不均勻的。堅(jiān)硬基巖的裂隙是寬窄不等，長度有限的線狀縫隙，往

可溶巖石的溶穴是一部分原有裂隙與原生孔縫溶蝕擴(kuò)大而成的，空隙大小懸殊且分布及不均勻。因此，賦存于可溶巖石中的地下水分布與流動(dòng)通常極不均勻。賦存于不同巖層中的地下水，由于其含水介質(zhì)特征不同，具有不同的分布與運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。按巖層的空隙類型分為三種類型地下水—孔隙水、裂隙水和巖溶水?？扇軒r石的溶穴是一部分原有裂隙與原生孔縫溶蝕擴(kuò)大賦存于不同巖層中的地下水，由于其含水介質(zhì)特征不同，具有不同的分布與運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)。故按巖層的空隙類型區(qū)分為三種類型地下水：

孔隙水裂隙水巖溶水賦存于不同巖層中的地下水，由于其含水介質(zhì)特征不同，二、巖石中水的存在形式巖石中各種形式的水二、巖石中水的存在形式巖（一）液態(tài)水

結(jié)合水重力水毛細(xì)水根據(jù)水分子受力狀況（一）液態(tài)水根據(jù)1、結(jié)合水松散巖石的顆粒表面及堅(jiān)硬巖石空隙壁面均帶有電荷，水分子又是偶極體，由于靜電吸引，固相表面具有吸附水分子的能力（圖2-6）。根據(jù)庫侖定律，電場強(qiáng)度與距離平方成反比。故離固相表面很近的水分子受到靜電引力很大；隨著距離增大，吸引力減弱，而水分子受自身重力的影響就愈顯著。1、結(jié)合水第2講巖石中的孔隙與水分課件結(jié)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，稱為結(jié)合水。結(jié)合水的概念：結(jié)合水的分類：由于固相表面對水分子的吸引力自內(nèi)向外逐漸減弱，結(jié)合水的物理性質(zhì)也隨之發(fā)生變化。將最接近固相表面的結(jié)合水稱為強(qiáng)結(jié)合水（吸著水），其外層稱為弱結(jié)合水（薄膜水）。結(jié)合水的分類：結(jié)合水的特征：結(jié)合水束縛于固相表面，不能在自身重力影響下運(yùn)動(dòng)。結(jié)合水區(qū)別于普通液態(tài)水的最大特征之具有抗剪強(qiáng)度，即必須施一定的力方能使其發(fā)生變形。結(jié)合水的抗剪強(qiáng)度由內(nèi)層向外層減弱。當(dāng)施加的外力超過其抗剪強(qiáng)度時(shí)，外層結(jié)合水發(fā)生流動(dòng)，施加的外力愈大，發(fā)生流動(dòng)的水層厚度也加大。結(jié)合水的特征：2.重力水重力水的概念：距離固體表面更遠(yuǎn)的那部分水分子，重力對它的影響大于固體表面對它的吸引力，因而能在自身重力影響下運(yùn)動(dòng)，這部分水就是重力水。2.重力水重力水的特征：

靠近固體表面的那一部分重力水：仍然受到固體引力的影響，水分子的排列較為整齊。這部分水在流動(dòng)時(shí)呈層流狀態(tài)，而不作紊流運(yùn)動(dòng)。

遠(yuǎn)離固體表面的重力水：不受固體引力的影響，只受重力控制。這部分水在流速較大時(shí)容易轉(zhuǎn)為紊流運(yùn)動(dòng)。重力水的特征：3、毛細(xì)水毛細(xì)現(xiàn)象：將一根玻璃毛細(xì)管插入水中，毛細(xì)管內(nèi)的水面即會(huì)上升到一定的高度，這便是發(fā)生在固、液、氣三相界面上的毛細(xì)現(xiàn)象。松散巖石中細(xì)小的孔隙通道構(gòu)成毛細(xì)管，故在地下水面以上的包氣帶中廣泛存在毛細(xì)水。3、毛細(xì)水

毛細(xì)水的類型：

支持毛細(xì)水懸掛毛細(xì)水孔角毛細(xì)水毛細(xì)水的類型：支持毛細(xì)水：由于毛細(xì)力的作用，水從地下水面沿著小孔隙上升到一定高度，形成一個(gè)毛細(xì)水帶，此帶中的毛細(xì)水下部有地下水面支持，稱為支持毛細(xì)水。支持毛細(xì)水：

懸掛毛細(xì)水：

細(xì)粒層次與粗粒層次交互成層時(shí)，在一定條件下，由于上下彎液面毛細(xì)力的作用，在細(xì)土層中會(huì)保留與地下水面不相連接的毛細(xì)水，這種毛細(xì)水稱為懸掛毛細(xì)水。懸掛毛細(xì)水：

孔角毛細(xì)水：在包氣帶中顆粒接觸點(diǎn)上懸留孔角毛細(xì)水（觸點(diǎn)毛細(xì)水），即使是粗大的卵礫石，顆粒接觸處孔隙大小總可以達(dá)到毛細(xì)管的程度而形成彎液面，將水帶留在孔角上。孔角毛細(xì)水：（二）氣態(tài)水概念：以蒸汽狀態(tài)存在于非飽和含水巖土空隙中的水。巖石的溫度低于0℃時(shí)，空隙中的液態(tài)水將轉(zhuǎn)為固態(tài)水。（二）氣態(tài)水概念：特征：可隨空氣流動(dòng)而運(yùn)移；可從水氣壓力大的地方向小的地方遷移；在一定壓力、溫度條件下可與液態(tài)水相互轉(zhuǎn)化而保持動(dòng)平衡；當(dāng)空隙內(nèi)水汽增多達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)（或當(dāng)周圍溫度降到露點(diǎn)時(shí)），氣態(tài)水開始凝結(jié)形成液態(tài)水。特征：（三）固態(tài)水概念：當(dāng)巖土溫度低于0C0時(shí)，巖土空隙中的液態(tài)即凝結(jié)為固態(tài)水。儲存地下水的巖土稱為凍土。我國北方冬季常形成凍土。東北及青藏高原，有一部分巖石賦存其中的地下水多年中保持固態(tài)，這就是所謂多年凍土。（三）固態(tài)水概念：三、與水的儲容及運(yùn)移有關(guān)的巖石性質(zhì)影響水的儲容及運(yùn)移的因素：巖石空隙大小、多少、連通程度及其分布均勻度。控制水活動(dòng)的因素：巖石的容水性、含水性、給水性、持水性、透水性三、與水的儲容及運(yùn)移有關(guān)的巖石性質(zhì)影響水的儲容及運(yùn)移的因素：水在巖土中的賦存形式地表以下剖面上各種狀態(tài)的水在巖層中的分布圖1一濕度不足帶分布有氣態(tài)水、吸著水;2一溫度飽和帶分布有氣態(tài)水、吸著水、薄膜水;3一上升毛細(xì)水帶;4一無壓重力水帶;5一粘土層;6一承壓重力水帶水在巖土中的賦存形式地表以下剖面上各種狀態(tài)的水在巖層中的分布巖土的水理性質(zhì)概念：指巖土控制水活動(dòng)的性質(zhì)

巖土主要水理性質(zhì)：容水性持水性給水性透水性含水性巖土的水理性質(zhì)概念：容水性持水性給水性透水性含水性1.容水性（容水度）定義：

指巖石完全飽水時(shí)所能容納的最大的水體積與巖石總體積的比值。可用小數(shù)或百分?jǐn)?shù)表示。一般來說容水度在數(shù)值上與孔隙度（裂隙率、巖溶率）相當(dāng)。但是對于具有膨脹性的粘土，充水后體積擴(kuò)大，容水度可大于孔隙度。1.容水性（容水度）表征指標(biāo)：

容水度——指巖土完全飽水時(shí)所容納的最大水體積與巖土總體積之比，即θ=100%或θ=100%容水度數(shù)值上一般與空隙度（裂隙率、巖溶率）相等，但膨脹土的容水度大于孔隙度。表征指標(biāo)：2.含水性（含水量）概念：含水量——松散巖石實(shí)際保留水分的狀況。重量含水量（Wg）：松散巖石孔隙中所含水的重量與干燥巖石重量的比值。體積含水量（Wv）：含水的體積與包括孔隙在內(nèi)的巖石體積的比值。2.含水性（含水量）飽和含水量Ws：

孔隙充分飽水時(shí)的含水量稱作飽和含水量Ws。飽和含水量與實(shí)際含水量之間的差值稱為飽和差。實(shí)際含水量與飽和含水量之比稱為飽和度。飽和含水量Ws：3.給水性（給水度）給水度：地下水位下降一個(gè)單位深度，從地下水位延伸到地表面的單位水平面積巖石柱體，在重力作用下釋出的水的體積，稱為給水度（μ）（圖3-8b）。3.給水性（給水度）第2講巖石中的孔隙與水分課件影響因素：對于均質(zhì)的松散巖石，給水度的大小與巖性、初始地下水位埋藏深度、地下水位下降速率等因素有關(guān)。影響因素：給水性：含水巖土在重力作用下能自由釋出一定水量的性能，稱為給水性。表征指標(biāo)：給水度μ指飽水巖土在重力作用下所釋出的水體積與巖土總體積之比。μ=（V出水/V砂樣容水）100%均質(zhì)松散巖石的給水度值：參見表2-2。給水性：表2-2常見松散巖石的給水度[Fetter,1980]表2-2常見松散巖石的給水度[Fetter,1980]4、持水性（持水度）持水度：

地下水位下降一個(gè)單位深度，單位水平面積巖石柱體中反抗重力而保持于巖石空隙中的水量，稱作為持水度。給水度、持水度與孔隙度的關(guān)系：

μ+Sr=n4、持水性（持水度）殘留含水量（W0）：包氣帶充分重力釋水而又未受到蒸發(fā)、蒸騰消耗時(shí)的含水量稱作殘留含水量（W0），數(shù)值上相當(dāng)于最大的持水度。殘留含水量（W0）：5、透水性（滲透系數(shù)）巖石的透水性：指巖石允許水透過的能力。表征指標(biāo)：表征巖石透水性的定量指標(biāo)——滲透系數(shù)。5、透水性（滲透系數(shù)）實(shí)例分析——以松散巖石為例，分析一個(gè)理想孔隙通道中水的運(yùn)動(dòng)情況。實(shí)例分析——以松散巖石為例，分析一個(gè)理想孔隙通道中水的運(yùn)動(dòng)情圖2-9表示圓管狀孔隙通道的縱斷面，孔隙的邊緣上分布著在尋常條件下不運(yùn)動(dòng)的結(jié)合水，其余部分是重力水。由于附著于隙壁的結(jié)合水層對于重力水，以及重力水質(zhì)點(diǎn)之間存在著摩擦阻力，最近邊緣的重力水流速趨于零，中心部分流速最大。分析可見：孔隙直徑愈小，結(jié)合水所占據(jù)的無效空間愈大，實(shí)際滲流斷面就愈??；孔隙直徑越小，透水性越差。圖2-9表示圓管狀孔隙通道的縱斷面，孔隙的邊緣上分布著在尋常若把松散巖石中的全部孔隙通道概化為一束相互平行的等徑圓管（圖2-10），可知：當(dāng)孔隙度一定而孔隙直徑愈大，則圓管通道的數(shù)量愈少，但有效滲流斷面愈大，透水能力就愈強(qiáng)。若把松散巖石中的全部孔隙通道概化為一束相互平行的等徑圓管（圖分析可見：

決定透水性好壞的主要因素是孔隙大??；只有在孔隙大小達(dá)到一定程度，孔隙度才對巖石的透水性起作用，孔隙度愈大，透水性愈好。分析可見：實(shí)際的孔隙通道并不是直徑均一的圓管，而是直徑變化、斷面形狀復(fù)雜的管道系統(tǒng)（圖a）實(shí)際的孔隙通道不是直線的，而是曲直的（圖a）。顆粒分選性，既影響孔隙大小，還決定著孔隙通道沿程直徑的變化和曲折性（圖a），實(shí)際的孔隙通道并不是直徑均一的圓管，而是直徑變化、斷面形狀復(fù)地下水流通道示意圖地下水流通道示意圖巖石的透水能力并不決定于平均孔隙直徑（圖b），而在很大程度上取決于最小的孔隙直徑（圖c）。巖石的透水能力并不決定于平均孔隙直徑（圖b），而在很大程度上四、有效應(yīng)力原理與松散巖土壓密有效應(yīng)力原理地下水位變動(dòng)引起的松散巖土壓密四、有效應(yīng)力原理與松散巖土壓密有效應(yīng)力原理1、有效應(yīng)力原理太沙基（Terzaghi，1925）提出的有效應(yīng)力原理；可以用有效應(yīng)力原理來分析地下水位變動(dòng)情況下巖石有效應(yīng)力的變化以及由此引起的松散巖石壓密問題。1、有效應(yīng)力原理

如圖一松散沉積物質(zhì)構(gòu)成的飽水砂層，任取一水平單元面積AB。作用在所研究的單元面積AB上的總應(yīng)力P為該單元上松散巖石骨架與水的重量之和。如圖一松散沉積物質(zhì)構(gòu)成的飽水砂層，任取一水平單元總應(yīng)力P由砂層骨架（固體顆粒）與水共同承受。其中：

水所承受的應(yīng)力相當(dāng)于孔隙水壓力u：式中：：孔隙水壓力：水的容重；：AB平面上水的測壓管高度?？倯?yīng)力P由砂層骨架（固體顆粒）與水共同承受。其中：孔隙水壓力u可以理解為AB平面處水對上復(fù)地層的浮托力。由于浮托力的存在，使實(shí)際作用于砂層骨架上的應(yīng)力小于總應(yīng)力。實(shí)際作用與砂層骨架上的應(yīng)力，稱為有效應(yīng)力PZ?？紫端畨毫可以理解為AB平面處水對上復(fù)地層的浮托力。由于AB平面處應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，總應(yīng)力等于孔隙水壓力及有效應(yīng)力之和，故：有效應(yīng)力等于總應(yīng)力減去孔隙水壓力——太沙基有效應(yīng)力原理。由于AB平面處應(yīng)力處于平衡狀態(tài)，總應(yīng)力等于孔隙水2.地下水位變動(dòng)引起松散巖壓密

假設(shè)整個(gè)含水砂層充滿水，且水位