固結(jié)的堅(jiān)硬巖石，包括沉積巖、巖漿巖和變質(zhì)巖，一般不存在或只保留一部分顆粒之間的孔隙，而主要發(fā)育各種應(yīng)力作用下巖石破裂變形產(chǎn)生的裂隙。

按裂隙的成因可分成巖裂隙、構(gòu)造裂隙和風(fēng)化裂隙。

成巖裂隙是巖石在成巖過程中由于冷凝收縮（巖漿巖）或固結(jié)干縮（沉積巖）而產(chǎn)生的。巖漿巖中成巖裂隙比較發(fā)育，尤以玄武巖中柱狀節(jié)理最有意義。構(gòu)造裂隙是巖石在構(gòu)造變動(dòng)中受力而產(chǎn)生的。這種裂隙具有方向性，大小懸殊（由隱蔽的節(jié)理到大斷層），分布不均一。風(fēng)化裂隙是風(fēng)化營力作用下，巖石破壞產(chǎn)生的裂隙，主要分布在地表附近。有關(guān)各種成因裂隙的形成分布規(guī)律詳見第十一章。

裂隙的多少以裂隙率表示。裂隙率（Kr）是裂隙體積（Vr）與包括裂隙在內(nèi)的巖石體積（V）的比值，即Kr=Vr/V或Kr=(Vr/V)×100%。除了這種體積裂隙率，還可用面裂隙率或線裂隙率說明裂隙的多少。野外研究裂隙時(shí)，應(yīng)注意測(cè)定裂隙的方向、寬度、延伸長(zhǎng)度、充填情況等，因?yàn)檫@些都對(duì)水的運(yùn)動(dòng)具有重要影響。

2．1．3 溶穴

可溶的沉積巖，如巖鹽、石膏、石灰?guī)r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）。溶穴的體積（Vk）與包括溶穴在內(nèi)的巖石體積（V）的比值即為巖溶率（Kk），即Kk=Vk/V或Kk=(Vk/V)×100%。

溶穴的規(guī)模十分懸殊，大的溶洞可寬達(dá)數(shù)十米，高數(shù)十乃至百余米，長(zhǎng)達(dá)幾至幾十公里，而小的溶孔直徑僅幾毫米。巖溶發(fā)育帶巖溶率可達(dá)百分之幾十，而其附近巖石的巖溶率幾乎為零。

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。例如，松散巖石固然以孔隙為主，但某些粘土干縮后可產(chǎn)生裂隙，而這些裂隙的水文地質(zhì)意義，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其原有的孔隙。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。因此，在研究巖石空隙時(shí)，必須注意觀察，收集實(shí)際資料，在事實(shí)的基礎(chǔ)上分析空隙的形成原因及控制因素，查明其發(fā)育規(guī)律。

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(chǔ)容空間和運(yùn)移通道。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。 ①①②面裂隙率即單位面積巖石上裂隙面積所占的比例，即Ka=∑bigli/F或

Ka=(∑bigli/F)×100%，式中，Kα一面裂隙率；∑bili—在測(cè)量面積內(nèi)每根裂隙寬度和長(zhǎng)度乘積的總和；F—進(jìn)行裂隙測(cè)量的巖石面積。

②線裂隙率，即與裂隙走向垂直方向上單位長(zhǎng)度內(nèi)裂隙所占的比例，即K1=∑bi/l或

K=(∑bi/l)×100%，式中：K1—線裂隙率；∑bi—裂隙寬度總和；K1—測(cè)量線段的長(zhǎng)度。 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院 《水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)》課程組 18

堅(jiān)硬基巖的裂隙是寬窄不等，長(zhǎng)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)較孔隙為差。因此，賦存于裂隙基巖中的地下水相互聯(lián)系較差。分布與流動(dòng)往往是不均勻的。 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極不均勻。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)。因此，按巖層的空隙類型區(qū)分為三種類型地下水——孔隙水、裂隙水和巖溶水。

2．2 巖石中水的存在形式

地殼巖石中存水文地質(zhì)學(xué)重點(diǎn)研究的對(duì)象是巖石空隙中的水。

水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)重點(diǎn)研究的對(duì)象是巖石空隙中的水。

２．２．１ 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(chǎng)強(qiáng)度與距離平方成反比。因此，離固相表面很近的水分子受到的靜電引力很大；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。受固相表面的引力大于水分子自身貢力的邵部分水，稱為結(jié)合水。此部分水束縛于固相表面，不能在自身重力影響下運(yùn)動(dòng)。

由于固相表面對(duì)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。因此，將最接近固相表面的結(jié)合水稱為強(qiáng)結(jié)合水，其外層稱為弱結(jié)合水（圖2—6）〔羅戴，1964〕。

強(qiáng)結(jié)合水（又稱吸著水）的厚度，不同研究者說法不一，一般認(rèn)為相當(dāng)于幾個(gè)水分子

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院 《水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)》課程組 19

的厚度；也有人認(rèn)為，可達(dá)幾百個(gè)水分子厚度。它所受到的引力可相當(dāng)于101325×l04Pa，水分子排列緊密，其密度平均達(dá)2g/cm3左右。不能流動(dòng)，但可轉(zhuǎn)化為氣態(tài)水而移動(dòng)。

圖2-6 結(jié)合水與重力水

〔部分參照列別捷夫〕

左圖：橢圓形小粒代表水分子，結(jié)合水部分的水分子帶正電荷一端朝向顆粒；

右圖：箭頭代表水分子所受合力方向

弱結(jié)合水（又稱薄膜水）處于強(qiáng)結(jié)合水的外層，受到固相表面的引力比強(qiáng)結(jié)合水弱，但仍存在范德華爾斯〔Van der Waals〕引力和強(qiáng)結(jié)合水最外層水分子的靜電引力的合力的影響，不同學(xué)者認(rèn)為其厚度為幾十、幾百或幾千個(gè)水分子厚度。水分子排列不如強(qiáng)結(jié)合水規(guī)則和緊密，溶解鹽類的能力較低。弱結(jié)合水的外層能被植物吸收利用。

結(jié)合水區(qū)別于普通液態(tài)水的最大特征是具有抗剪強(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

①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〔汪民，1987〕。

2．2．2 重力水

距離固體表面更遠(yuǎn)的那部分水分子，重力對(duì)它的影響大于固體表面對(duì)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。

重力水中靠近固體表面的那一部分，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)。

巖土空隙中的重力水能夠自由流動(dòng)。井泉取用的地下水，都屬重力水，是水文地質(zhì)研究的主要對(duì)象。 ①關(guān)于粘土礦物表面與結(jié)合水的連接有物理連接（此處所論述的即為物理連接）和化學(xué)連接兩種看法，主張化學(xué)連接者認(rèn)為，強(qiáng)結(jié)合水相當(dāng)雙電層中吸附層的水，弱結(jié)合水相當(dāng)雙電層中擴(kuò)散層中的水。后一觀點(diǎn)可參見土質(zhì)學(xué)教科書及地質(zhì)出版社1984出版的《土中結(jié)合水譯文集》，〔汪民，1987〕。

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院 《水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)》課程組 20

2．2．3 毛細(xì)水

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，因此在地下水面以上的包氣帶中廣泛存在毛細(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，因此稱為支持毛細(xì)水（圖2—7）。

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（圖2—7）。 在包氣帶中顆粒接觸點(diǎn)上還可以懸留孔角毛細(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也總可以達(dá)到毛細(xì)管的程度而形成彎液面，將水滯留在孔角上（圖2—

8）。

關(guān)于毛細(xì)現(xiàn)象的實(shí)質(zhì)及毛細(xì)水運(yùn)動(dòng)規(guī)律詳見第五章。

圖2—7 支持毛細(xì)水與懸掛毛細(xì)水 圖2—8 孔角毛細(xì)水

井左側(cè)表示高水位時(shí)砂層中支持毛細(xì)水；右側(cè)表示

水位降低后砂層中的懸掛毛細(xì)水；礫石層中孔隙直

徑已經(jīng)超過了毛細(xì)管，故不存在支持毛細(xì)水

2．2．4 氣態(tài)水、固態(tài)水及礦物中的水

在未飽和水的空隙中存在著氣態(tài)水。氣態(tài)水可以隨空氣流動(dòng)而流動(dòng)。另外，即使空氣不流動(dòng)，它也能從水汽壓力（絕對(duì)濕度）大的地方向小的地方遷移。氣態(tài)水在一定溫度、壓力條件下，與液態(tài)水相互轉(zhuǎn)化，兩者之間保持動(dòng)平衡。

巖石的溫度低于0℃時(shí)，空隙中的液態(tài)水轉(zhuǎn)為固態(tài)水。我國北方冬季常形成凍土。東北及青藏高原，有一部分巖石賦有其中的地下水多年中保持固態(tài)，這就是所謂多年凍土。 除了存在于巖石空隙中的水，還有存在于礦物結(jié)晶內(nèi)部及其間的水，這就是沸石水、結(jié)晶水及結(jié)構(gòu)水。如方沸石（Na2Al2Si4O12·H2O）中就含有沸石水，這種水在加熱時(shí)可以從礦物中分離出去。

中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）環(huán)境學(xué)院 《水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)》課程組 21

2．3 與水的儲(chǔ)容及運(yùn)移有關(guān)的巖石性質(zhì)

巖石空隙大小、多少、連通程度及其分布的均勻程度，都對(duì)其儲(chǔ)容、滯留、釋出以及透過水的能力有影響。

2．3．1 容水度

容水度是指巖石完全飽水時(shí)所能容納的最大的水體積與巖石總體積的比值�？捎眯�數(shù)或百分?jǐn)?shù)表示。一般說來容水度在數(shù)值上與孔隙度（裂隙率、巖溶率）相當(dāng)。但是對(duì)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。

2．3．2 含水量

含水量說明松散巖石實(shí)際保留水分的狀況。

松散巖石孔隙中所含水的重量（Gw）與干燥巖石重量（Gs）的比值，稱為重量含水量（Wg），即： Wg=Gw×100% Gs

含水的體積（Vw）與包括孔隙在內(nèi)的巖石體積（V）的比值，稱為體積含水量（Wv），即

Wv=Vw×100% V

當(dāng)水的比重為1，巖石的干容重（單位體積干土的重量）為γa時(shí)，重量含水量與體積

γa 含水量的關(guān)系為： Wv=Wgg

。飽和含水量與實(shí)際含水量之間的差值孔隙充分飽水時(shí)的含水量稱作飽和含水量（Ws）

稱為飽和差。實(shí)際含水量與飽和含水量之比稱為飽和度。

2．3．3 給水度

若使地下水面下降，則下降范圍內(nèi)飽水巖石及相應(yīng)的支持毛細(xì)水帶中的水，將因重力作用而下移并部分地從原先賦存的空隙中釋出。我們把地下水位下降一個(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）〔貝爾，1985〕、〔陳崇希，1984〕。給水度以小數(shù)或百分?jǐn)?shù)表示。例如，地下水位下降2m，1m2水平面積巖石柱體，在重力作用下釋出的水的體積為0.2m3（相當(dāng)于水柱高度0.2m），則給水度為0.1或10％。