工程地质第2版：地下水垂向结构解析

1.地下水垂向层次结构的基本模式（图 3.13）

如前所述，地下水流系统空间上的立体性，是地下水与地表水之间存在的主要差异之一。而地下水垂向的层次结构，则是地下水空间立体性的具体表征。在典型水文地质条件下，地下水垂向层次结构的基本模式自地表面起至地下某一深度出现不透水基岩为止，可区分为包气带和饱和水带两大部分。其中，包气带又可进一步区分为土壤水带、中间过渡带及毛细水带等3 个亚带；饱和水带则可区分为潜水带和承压水带两个亚带。从储水形式来看，与包气带相对应的是存在结合水（包括吸湿水和薄膜水）和毛管水；与饱和水带相对应的是重力水（包括潜水和承压水）。

以上是地下水层次结构的基本模式，在具体的水文地质条件下，各地区地下水的实际层次结构不尽一致。有的层次可能充分发展，有的则不发育。例如：在严重干旱的沙漠地区，包气带很厚，饱和水带深埋在地下，甚至基本不存在；反之，在多雨的湿润地区，尤其是在地下水排泄不畅的低洼易涝地带，包气带往往很薄，地下潜水面甚至出露地表，所以地下水层次结构也不明显。至于像承压水带的存在，要求有特定的储水构造和承压条件，而这种构造和承压条件并非处处都具备，所以承压水的分布受到很大的限制。但是，上述地下水层次结构在地区上的差异性，并不否定地下水垂向层次结构的总体规律性。这一层次结构对于人们认识和把握地下水性质具有重要意义，并成为按埋藏条件进行地下水分类的基本依据。

2.地下水不同层次的力学结构

地下水在垂向上的层次结构，还表现为在不同层次上的地下水所受到的作用力也存在明显的差别，形成不同的力学性质，如包气带中的吸湿水和薄膜水，均受分子吸力的作用而结合在岩土颗粒的表面。通常，岩土颗粒越细小，其颗粒的比表面积越大，分子吸附力也越大，吸湿水和薄膜水的含量便越多。其中，吸湿水又称强结合水，水分子与岩土颗粒表面之间的分子吸引力可达几千甚至上万个大气压，因此它不受重力的影响，不能自由移动，密度大于1 g/cm3，不溶解盐类，无导电性，也不能被植物根系所吸收。

（1）薄膜水。

图3.13　地下水垂向层次结构的基本模式示意图(www.xing528.com)

薄膜水又称弱结合水，它们受分子力的作用，但薄膜水与岩土颗粒之间的吸附力要比吸湿水弱得多，并随着薄膜的加厚，分子力的作用不断减弱，直至向自由水过渡。所以薄膜水的性质也介于自由水和吸湿水之间，能溶解盐类，但溶解力低。薄膜水还可以由薄膜厚的颗粒表面向薄膜水层薄的颗粒表面移动，直到两者薄膜厚度相当时为止，而且其外层的水可被植物根系所吸收。当外力大于结合水本身的抗剪强度（指能抵抗剪应力破坏的极限能力）时，薄膜水不仅能运动，还可传递静水压力。

（2）毛管水。

当岩土中的空隙小于 1 mm 时，空隙之间彼此连通，就像毛细管一样，当这些细小空隙储存液态水时，就形成了毛管水。如果毛管水是从地下水面上升上来的，称为毛管上升水；如果与地下水面没有关系，水源来自地面渗入而形成的毛管水，则称为悬着毛管水。毛管水受重力和负的静水压力作用，其水分是连续的，并可以把饱和水带与包气带连起来。毛管水可以传递静水压力，并能被植物根系所吸收。

（3）重力水。

当含水层中空隙被水充满时，地下水分将在重力作用下在岩土孔隙中发生渗透移动，形成渗透重力水。饱和水带中的地下水正是在重力作用下由高处向低处运动，并传递静水压力。

综上所述，地下水在垂向上不仅形成结合水、毛细水与重力水等不同的层次结构，而且各层次上所受到的作用力也存在差异，形成垂向力学结构。