第十一章裂隙水

1第十一章裂隙水概念：赋存在坚硬岩石裂隙之中的水。在上一章中已经了解到，由于孔隙岩石中，孔隙的分布比较均匀、连续，决定了赋存其中的孔隙水水量分布均匀连续的特点，从而构成具有统一水力联系的层状孔隙含水系统。然而，由于坚硬岩石裂隙发育和分布的复杂性，使得裂隙水呈现出与孔隙水相差甚远的赋存特征。首先，由于坚硬岩石岩性的差异和所在构造部位的不同，使得岩石中裂隙发育和分布具有明显的不均匀性、明显的方向性以及各处裂隙连通程度的不一致性。从而决定了裂隙水水量分布的不均匀性、方向性明显以及水力联系较差的特点。坚硬岩石在多种地质营力的作用下，产生各种裂隙：①成岩裂隙；②风化裂隙；③构造裂隙。赋存并运动在这些裂隙中的水，统称为裂隙水。裂隙水的富水程度、分布特点、埋藏规律以及水动态状况，均受裂隙发育特点的控制。所以裂隙水具有与裂隙发育类似的特点，即分布不均匀、各向异性，水力联系不佳。一、构造裂隙水构造裂隙水是指赋存在由地质构造运动而产生的裂隙之中的水。裂隙的发育情况决定着裂隙水的分布。一般情况下，在构造应力集中之部位裂隙发育；坚硬的脆性岩石容易形成裂隙。所以在背斜轴部，穹窿核部，枢纽的倾伏端处裂隙发育而富水；脆性岩石易破裂也富水，断裂带也富水。2（一）构造裂隙的发育规律与岩层的透水性在地质构造运动中，当岩石所承受的应力超过其强度极限时所产生的破裂称为构造裂隙，包括节理和劈理。断层可视为一种特殊的构造裂隙。根据应力性质，构造裂隙有张性、剪性和压性之分。由于岩石的抗压强度远大于抗拉、抗剪强度，故一般主要发育张性裂隙和剪性裂隙。两种裂隙具有不同的特点：张裂隙：张开性好，裂隙宽度大，隙面粗糙，延伸方向多与褶皱平面平行（纵张裂隙）和垂直（横张裂隙），有利于贮水和导水。剪裂隙：隙面光滑平直，方向稳定，张开性较差，同一应力场中可产生两组共轭裂隙，斜交于褶皱轴，故称斜裂隙。构造裂隙的发育状况，主要与所在的构造部位和岩性有关，在应力集中部位的脆性岩石中比较发育。所以，在平行于褶皱轴和垂直于褶皱轴方向上发育两组密集的张开性较好的裂隙；在褶皱的两翼及单斜地层中裂隙发育相对较少，张开性也较差。所以，在应力集中的背斜轴部常较两翼富水；倾斜岩层比平缓岩层富水；断层带附近格外富水。上述情况表明，裂隙水的富水性受裂隙发育特点的控制，裂隙的方向性、长度、宽度、密度均受应力条件控制。但是，在相同的应力条件下，或说在同一构造部位，裂隙发育状况实际上也常常有很大差异，这主要是岩石岩性的影响。据岩石的力学性质，岩石可分为塑性岩石和脆性岩石两大类。塑性岩石以3页岩、泥岩、千枚岩、凝灰岩为代表，受力后发生塑性变形，破坏的剪断较为显明，常形成闭合乃至隐蔽的裂隙。此类裂隙密度大，张开性差，延伸不远，一般不构成对地下水储存和运移的“有效裂隙”，多成为隔水层。致密块状灰岩是脆性岩石的代表，在应力作用下呈弹性变形，破坏以拉断为主；裂隙稀疏，张开性好，延伸远，导水性强。粗粒碎屑岩的裂隙发育情况，取决于颗度和胶结物成分。钙质胶结者呈脆性岩特征；泥质胶结者呈塑性岩特征。粗粒者裂隙张开性优于细粒岩石。夹在塑性岩层中的薄层脆性岩层，往往发育密集的张开性较好的裂隙。这是由于在地层发生褶皱变形时，塑性岩沿层面方向的流展，给其中薄层脆性岩石施加一个沿层面的拉张力。由于这层薄的脆性岩石抗拉伸能力较弱，而被拉断形成比较密集的张性裂隙。所以，在这种“两软夹一硬”的地层结构中，硬脆岩层往往成为找水时的理想部位。随着岩层深度的增加，围压加大，地温上升，岩石的塑性加强，易发生流变剪断现象。因此裂隙岩层的透水性通常随深度的增加而减弱。（二）构造裂隙含水系统含水系统——是一个具有补给来源、排泄去路、隔水边界和统一水位的完整的含水整体。（由隔水层或弱透水层圈围的具有统一水力联系的含水地质体。）然而，由于岩性变化和构造应力分布的不均匀性，导致基岩裂隙发育的不均匀性及较差的连通性。所以，在坚硬的基岩中，各种裂隙常难以构成完整或完善的含水系统。被夹在塑性岩石中的薄层脆性岩石，由于变形时应力分布均匀，整个岩层4可产生密集而较均匀的张裂隙，所以，可构成具统一水力联系的层状裂隙含水系统。该系统中成井率很高，出水量相差不大，水位水质动态比较稳定。一般，同一岩层的不同部位，会由于应力的差异，造成裂隙密度与张开性的差别。在应力集中或岩性有水的部位，多级张开裂隙相互连通，可构成裂隙含水系统。一个系统内，具有统一的水力联系，具有统一的水位。多系统间则缺乏水力联系，水位多不相同。裂隙含水系统的出水量与之规模成正比。规模大者出水量大，可作为较好的水源地。但对于排水来说威胁也大。规模小的，补给能力也小，泉水的流量小而不稳。此类小规模的裂隙含水系统，一旦被捅露，开始时，水位可能很高，水量也大，但随着时间推移，水位、水量迅速下降。(P116图11-1)图11-1,我们分析①－⑧个井的情况①井，有水。长期水量不会太大，∵该裂隙网络不大。②井，无水。虽此井深较大，但没碰上裂隙。③井，有水。且自溢，水量较大，∵连⑥井处的裂隙也与之连通。④井，无水。没碰裂隙。⑤井，有水，不会太大，∵系统小。⑥井，有水。不会太大，节理与③井连通，但只有附近的裂隙水补给，且被③井和泉争夺。⑦井，无水。⑧井，有水。不太大，位置高，系统小。关键是看裂隙连通了没有。连者为一个系统，有统一的水位；不连就无统5一水位，不是一个系统。实际上，构造裂隙含水系统是由不同级次的裂隙组合而成。裂隙的大小对储水，导水影响较大。对于层状岩石的裂隙一般可分为3级：①大裂隙：主要是纵张裂隙和横张裂隙，宽由数毫米～数十毫米，间隔由数米～数百米。其密度随所处构造部位而异，在应力集中部位密度大（小褶皱轴，倾伏端，弯曲处）。在褶皱的翼部或单斜地层中密度小。大裂隙可穿过若干个岩性层，并将它们沟通。在含水系统中大裂隙往往起主干通道作用。②中裂隙：可发育在各类岩石之中。宽多为１mm以下，长1米～数米。层面裂隙在宽度上属此类中型裂隙，但延伸很远。由于岩层褶皱时的引张流展作用，使岩层沿层面脱开而形成张裂隙，因此它在褶皱的轴部比较发育。褶皱的两翼岩层滑动形成的扭裂隙亦属上种。常说的裂隙网络系指由中型裂隙相互穿插而构成的裂隙系统。裂隙系统中，裂隙的长，宽，方位，密度及连通情况，决定着网格的组合特征，从而决定着裂隙水的特征。③小裂隙：系指岩石受力时沿粒间或微层理的轻微破裂。—主要是扭裂隙和顺层裂隙。按大小又可分为显微裂隙与隐蔽裂隙。其方位及组数与中型裂隙相同，但密度很大，为中型裂隙的两个数量级。与中型裂隙不同的还有：在应力集中的部位密度变小；延伸范围主要限于某个岩性层。在含水系统中，导水能力很差，但贮6水作用明显。各级构造裂隙并不一定构成连通的网络。在构造应力集中的部位，由于大、中型裂隙均较发育，它们相互穿插构成统一的含水系统。大、中裂隙主要起主干通道与贮水作用，中小裂隙主要起贮水作用。大、中、小三种裂隙结合可形成稳定的水源。*（三）、构造裂隙水的特征（与孔隙水比较裂隙水的特征）①透水性各向异性；（受裂隙发育的方向性制约）②富水性极不均匀；（由裂隙发育不均匀所致）③多具承压性；（总体上说，裂隙水可以是潜水，但由于其整体岩块起隔水作用，岩壁承受一定的静水压力，所以裂隙水往往承压）④揭露主干裂隙通道的井，其涌水量远远大于只揭露其它裂隙的井的涌水量。*（四）、断层的水文地质意义区域断层带，一般长度大，深度大，宽度大，其水文地质意义决定于断层的力学性质及两盘的岩性。压性断层：一般情况下，断层带宽度小，其中多由磨棱岩充填，往往起隔水、阻水作用。压性断层常切断含水层间的水力联系，形成隔水边界。当然，我们认为压性断层如果发生在脆性岩石区，其凌空盘（上盘）裂隙也应是发育的。断层带上虽然可被磨棱岩充填，但其外侧岩石会受到破坏而发育裂隙。有裂隙就可能成为地下水的储存空间和运移通道。张性断层：发育在脆性岩层中的张性断层，破碎带一般较宽，其中主要由疏松的构造角砾岩组成，宽度可达数十米。两侧的岩石受断层影响而发育张裂7隙。所以断层带及其两侧发育的裂隙可成为良好的贮水空间，具有较强的导水能力。如果这种张性断层切穿几个含水层时，会沟通各个含水层之间的水力联系，形成一个大的含水系统。对于某个对象层来说，该张性断层可视为稳定的水力边界，起补给或排泄地下水的作用。断层可以将不同的含水层连接起来，构成一个大的含水系统；也会将一个完整的含水系统分成两个以上的块段。二、成岩裂隙水—岩石在形成过程中受内部应力作用而产生的原生裂隙中赋存的地下水称为成岩裂隙水。沉积岩和深成岩浆岩的成岩裂隙通常是闭合的，含水意义不大。最有意义是玄武岩成岩裂隙。陆地喷发的玄武岩岩浆，在冷凝收缩过程中产生的六方柱状节理属于成岩裂隙（还有气孔）。此类裂隙张开性一般较好，且分布均匀、密集，连通性好，常构成贮水丰富、导水通畅的层状裂隙含水系统。如：河北北部坝上地区，第四纪时期有多次玄武岩喷发，形成玄武岩与粘土互层结构。玄武岩裸露形成潜水；分布在粘土层之下形成承压水。岩浆侵入到某个地质体中，形成岩脉。岩脉在冷凝收缩时产生垂直于岩脉的拉张裂隙，张开性好。并在拉力的作用下产生剪切斜裂隙，二者相互连通可构成近直立的带状含水系统。在岩浆侵入接触带上，也可形成拉张裂隙而构成裂隙含水系统。三、风化裂隙水—在风化营力作用下形成的裂隙中的水。风化裂隙多分布于地表附近，它是暴露于大气的岩石，在湿度、水、空气、生物等风化营力的共同作用下形成的裂隙。由于风化作用首先在地表岩石的薄弱部位进行，所以风化裂隙常在成岩裂隙和构造裂隙的基础上进一步发展。8由于风化作用的普遍性，决定了风化裂隙在地表呈壳状包裹于地面，形成密集、均匀、相互连通的层状裂隙系统。风化裂隙的发育厚度，决定于风化作用的强度，一般数米—数十米。这些风化裂隙可以贮水、导水，而构成风化裂隙含水系统。风化裂隙多分布在地表，故常为潜水。如果风化裂隙被后期细粒物质覆盖，成为埋藏的古风化壳，亦可贮存承压水。（Ｐ１１８）风化裂隙的发育程度及特点，受岩性、气候和地形条件控制。构造裂隙和成岩裂隙对风化裂隙的影响，主要表现在风化作用首先在这些薄弱的地方显示出来。岩性影响：①单一矿物构成的岩石，如石英石，风化裂隙不发育；②泥质岩易风化，但裂隙易被土状风化物充填而不导水。③多种矿物粗粒组成的结晶岩石，如花岗岩片麻岩，由于不同的矿物颗粒间本身就有一个接触薄弱面，加之不同矿物的热胀冷缩性质不一样，故而易于风化破裂。风化裂隙在此类粗颗粒岩石中比较发育。气候和地形的影响，主要是控制风化类型，风化速度和强度。*四、裂隙水流的基本特征①裂隙必须相互穿插切割构成网络才具水文地质意义。②大，中，小三种类型的裂隙相互配制才能构成地下水有效的通道和赋存空间；③具有明显的不均匀性和突变特点；④具有空间上的不连续性；（只裂隙中含水，隙外无水，渗流场势不连续）9⑤局部流向与整体流向不一致。五、裂隙介质的研究方法⒈等效多孔介质法简言之：就是用多孔介质的理论来研究连续介质的。（用研究孔隙水的方法来研究裂隙水）如Ｐ１２３图１１—８（a）与１１—８（b），分别为裂隙含水系统和孔隙水含水系统，二者边界条件相似，泉流量相近，故可用等效法研究。泉流量相等，表明二者总体导水能力相等，其它未必等效。（实际流网是不同的，所以在同一个部位上打井，一个有水，一个干井）。就是说二者对激励的响应最终效果相同，但其内部结构是不同的，所以地下水参数——水头、孔隙水压力、流速、流向等难以等效。但大区域上研究裂隙水系统导水能力常用等效多孔介质方法。２、双重介质方法当含水系统中存在两种导水能力相差悬殊的空隙时，两种空隙的参数如：渗透系数Ｋ、孔隙度n、给水度n等相差较大，但二者有水力联系，可以进行水交换活动。此时，可分别用等效介质的研究方法来研究两种介质的水流情况。如：在双重介质含水系统中抽水引起地下水位下降，大孔隙由于导水能力强而首先释水。释水后在大孔隙中形成水头低势，小孔隙中的水流便向大孔隙流动。３、非连续介质方法：上述的多孔介质方法和双重介质方法都是宏观地、粗略地处理裂隙介质的10方法，没有详细地刻画裂隙介质内部结构。而有些水文地质参数，如水头、孔隙