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）裂隙水
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：
式中：Vn––––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（Vn）与固体颗粒体积（Vs）之比。即
因为V=Vn+Vs，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. 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：
a. 饱和含水率：n=θs（θs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→大）和溶穴（溶隙：solution fissure，vugular pore space）（详见12章，13章）
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；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：
1．结合水
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。
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
在未饱和水的空隙中存在着气态水，气态水液态水。
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Q4、土壤等。
1）重量含水量(Wg)––––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)。即：
（小数或%表示）→国外文献上常用表示。
测定：a．烘干称重法；b．中子仪。
2）体积含水量(Wv)––––岩土孔隙含水体积(Vw)与包含孔隙在内的岩土体积(V)的比值，为体积含水量(Wv）。即：
（小数或%表示）→国外文献上常用或表示。
两者之间的关系：
（当水的容重为1时）。
其中：––––为岩石干容重（密度）。
对于土壤来说，含水量也称为含水率，国际上一般用表示含水率（water content），两者之间的关系为：
3．给水度（yield of water；specific yield）
给水度（）––––给水度是指地下水位下降单位深度时，因重力作用从单位水平面积岩土柱体（从地面到潜水面）释出水的体积。
表示：小数或%表示。
specific yield（给水度）：water drained from soil under gravity flow。
测定：a．实验室土柱排水法（高柱仪法）；b．野外抽水试验法。
给水度的计算：
（水位下降时，单位体积土体给出的水的体积）
实际情况下，当地下水位下降时，原先饱水带岩土空隙中的水，只能释出一部分。一系列复杂因素影响水分的释出：首先，结合水不释出；其次，孔角毛细水也不会释出；第三，地下水位快速下降时，一部分水以悬挂毛细水形式滞留于非饱和带
给水度是潜水含水层的主要参数之一。
释水系数又称贮水系数(storativity)或弹性给水度（承压水）。
水头下降一个单位时，从单位面积含水层全部厚度的柱体中，由于水的膨胀和岩层的压缩而释放出的水量；或者水头上升一个单位时，其所贮入的水量。它是表征含水层(或弱透水层)全部厚度释水(贮水)能力的参数。
影响给水度的因素：
a. 岩性：粗颗粒，孔隙大，大，≈n；细颗粒，孔隙小，小；
b. 初始地下水位埋藏较浅时：当s0<hc时，水位下降时，一部分重力水将转化为毛细水，从而偏小；
c. 当地下水位下降速率大时，偏小；
d. 重力释水滞后于水位下降，随时间的延续缓慢增大，释水比较充分时→理论最大值。
均质松散岩石给水度参考值（P22，表2–2）。
表3–2 常见松散岩石的给水度（Fetter，1980）
岩 土 给水度 | 岩土 给水度 |
粗砂 0.20～0.35 中砂 0.15～0.30 细砂 0.10～0.20 | 粉 砂 0.10～0.15 亚粘土 0.07～0.10 亚砂土 0.04～0.07 |
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