水文地质学基础第十一章

水文地质学基础FundamentalsofHydrogeology第十一章裂隙水11.1概述11.2裂隙水的类型11.3裂隙介质及其渗流11.4裂隙介质的研究方法11.5断裂带的水文地质意义11.1概述坚硬基岩在应力作用下产生各种裂隙：•成岩裂隙•构造裂隙•风化裂隙基岩裂隙的特征：•裂隙率较低；•分布很不均匀；•在空间上的展布具有明显的方向性；•裂隙岩层一般不形成具有统一水力联系、水量均匀分布的含水层，而常由部分裂隙在岩层中某些局部范围内连通构成若干带状或脉状裂隙含水系统。裂隙水的一般特征：•分布特征：①裂隙水分布不均；②裂隙水的分布既有层状，又有脉状：ａ层状裂隙水：裂隙水层状分布，具有良好的水力联系和统一的地下水面，称为层状裂隙水；ｂ脉状裂隙水：发育不均，连通性差的脉状含水系统，水力联系差，无统一的地下水面，称脉状裂隙水。③裂隙水的分布和富集受构造控制•运动特征运动状况复杂，呈明显的各向异性；有局部承压现象；运动速度不大，多呈层流状态，在宽大的裂隙中也可呈紊流状态。11.2裂隙水的类型不同成因裂隙中的地下水成岩裂隙水风化裂隙水构造裂隙水（一）成岩裂隙水•成岩裂隙的概念：岩石在成岩过程中受内部应力作用而产生的原生裂隙。沉积岩固结脱水、岩浆岩冷凝收缩等均可产生成岩裂隙。•成岩裂隙水的水文地质意义：沉积岩及深成岩浆岩的成岩裂隙通常多是闭合的，含水意义不大。喷出岩、侵入岩的成岩裂隙具有水文地质意义（二）风化裂隙水•风化裂隙的概念：暴露于地表的岩石，在温度变化和水、空气、生物等风化营力作用下形成风化裂隙。•风化裂隙的特征：常在成岩裂隙与构造裂隙的基础上进一步发育，形成密集均匀、无明显方向性、连通良好的裂隙网络。风化裂隙的控制因素：风化裂隙的发育受岩性、气候及地形的控制。单一稳定的矿物组成的岩层（如石英岩）风化裂隙很难发育。泥质岩石虽易风化，但裂隙易被土状风化物充填而不导水。粗粒结晶岩（花岗岩、片麻岩等），多种矿物组成，不同矿物热胀冷缩不一，风化裂隙发育，风化裂隙水主要发育于此类岩石中。风化营力决定着风化裂隙层呈壳状包裹于地面，一般厚度数米到数十米，未风化的母岩往往构成相对隔水底板，故风化裂隙水一般为潜水，被后期沉积物覆盖的古风化壳可赋存承压水。•风化裂隙水的特征：a.多为潜水，埋藏浅，成层分布，水力联系较好，具有统一的地下水面；b.分布、动态受气候、岩性、地形等因素的影响；c.分布广泛，水质较好，易于开采，但一般水量不大。（三）构造裂隙水•构造裂隙：在地壳运动过程中，岩石在构造应力作用下产生的裂隙。最常见、分布范围最广、在一定条件下大量富集。•构造裂隙水：具有强烈的非均匀性、各向异性、随机性等特点。•构造裂隙的特征：张开宽度、延伸长度、密度以及导水性等在很大程度上受岩层性质（岩性、厚度、相邻岩层的组合等）的影响。塑性岩石中常形成闭合乃至隐蔽的裂隙。脆性岩石中构造裂隙一般比较稀疏，但张开性好、延伸远，具有较好的导水性。沉积岩的裂隙发育情况与胶结物成分及颗粒的粒度有一定的关系：钙质胶结显示脆性岩石特性；泥质及硅质胶结的与塑性岩石相近。粗颗粒的砂砾岩裂隙张开性优于细粒的粉砂岩。云南永仁三叠纪煤系地层：自南向北岩性——由砾岩、粗砂岩渐变为细砂岩；裂隙率、裂隙宽度及钻孔涌水量由大变小。•构造裂隙的特点：具有明显而又比较稳定的方向性，这种方向性主要由构造应力场控制，不同岩层在同一构造应力场下形成的裂隙通常具有相同或相近的方向。一般在一个地区岩层中主要裂隙可划分为3-5组。层面裂隙的特征：•层面裂隙比较密集的岩层中的应力分布比较均匀，当层面裂隙较稀疏时，岩层中应力往往集中释放。•层面裂隙的多少取决于岩层的单层厚度，单层越薄，层面裂隙越密集。•薄层沉积岩中的裂隙往往密集而均匀，而巨厚或块状岩层中的裂隙一般稀疏而不均匀（图）。构造裂隙的发育和分布主要受岩性和构造的控制：•从岩性上分析：塑性岩石，常形成闭合细微裂隙构成隔水层；脆性岩石，形成的裂隙张开性好，延伸远，导水性好，常形成含水层；粗粒碎屑岩，其含水性要看其粒度及胶结物。•从岩石所受的应力来看：张性裂隙——张开性好，为导水裂隙；剪性裂隙——平整闭合，一般不导水；压性裂隙——挤压强烈，一般为隔水裂隙。11.3裂隙介质及其渗流（一）裂隙及裂隙网络•一个独立的裂隙可以看作两壁之间的一个窄缝（图a），在自身所在平面的两个方向上延伸较长，而在第三个方向上延伸很短。单个裂隙•只有不同方向的裂隙相互交切构成一个导水网络时，才能在一定范围内具有传输地下水的功能。裂隙网络（二）裂隙水流的基本特征裂隙含水系统：具有树状或脉状结构，一些大的导水通道作用突出，使裂隙水表现出明显的不均匀性，有时表现出突变性。•裂隙水流只发生在组成导水网络的各裂隙通道内，通常以外没有水流，裂隙水的流场实际上是不连续的，渗流场的势除了裂隙中的若干点外都是虚拟的；裂隙水运动平面图裂隙水运动剖面图•水流被限制在曲折的网络中运动，其局部流向与整体流向往往不一致，甚至与整体流向正好相反。孔隙水运动平面图孔隙水运动剖面图11.4裂隙介质的研究方法•裂隙介质渗流研究方法的分类：等效多孔介质方法双重介质方法非连续介质方法（一）等效多孔介质方法•等效多孔介质方法——用连续的多孔介质的理论来研究非连续裂隙介质中的问题。非连续的裂隙含水系统：裂隙水流运移于曲折的裂隙网络中，研究困难很大。虚拟一个等效的多孔介质场来近似代替复杂的裂隙介质场。•真实的裂隙介质场与虚拟的孔隙介质场所控制下的两个地下水流场在整体上明显不同，如水头、流向、流速、孔隙水压力等均存在明显的差别。•但仍可用虚拟的介质来近似代替真实的裂隙介质，不要求两个水动力场完全相似，只要求某些方面相近。例如，可通过调整多孔介质的渗透系数K，使两个系统的泉流量相等。这时称这个孔隙介质为裂隙介质的等效多孔介质。•等效多孔介质方法具有比较严格的应用条件。等效时含水系统的补、径、排条件不能改变，如这些条件变化，等效便不再成立；•等效是两种介质在特定功能上的等效，像上面要求泉流量相等，实际上是要求介质系统总体导水能力等效，其它方面未必等效。（二）双重介质法•有些介质（如未充分胶结的中粗粒砂岩、经过溶蚀的灰岩、白云岩等），存在两种导水能力相差悬殊的空隙空间。其中的大空隙（如裂隙、溶蚀裂隙、溶蚀孔隙等）导水能力较强；小空隙（如原生孔隙、微小裂隙、溶蚀小孔等）导水能力很低，但为数众多，贮存能力不可忽略。•为了比较准确地刻画这一类介质，可以分别用两种等效的多孔介质近似代替大小两种空隙，这种方法称为双重介质方法。•在双重介质法中，两种空隙空间是分别刻画的，各有自己独立的参数(如渗透系数K、孔隙度n、给水度等)，但两种空隙存在水力联系，可以进行水量交换（如抽水引起地下水位下降，大空隙导水能力强而优先释水，在大空隙中形成低水头，小空隙中的水流向大空隙）。•双重介质法仍属于连续介质方法的范畴，它的基本原理是等效多孔介质法，区别仅在于对大小空隙进行了分别的描述。（三）非连续的介质法•等效多孔介质法和双重介质法都是宏观、粗略地处理裂隙介质的方法，没有详细刻画裂隙介质的内部结构。•而有些水文地质参数（如水头、孔隙水压力、流速等）与介质的结构细节存在密切的关系。•为准确计算这些参数，需要详细地刻画裂隙通道及其构成的网络，则用非连续的介质方法。•非连续的介质法对裂隙网络中每条具有实际导水意义的裂隙进行精确地描述，包括每条裂隙的张开宽度、延伸长度、产状、中点坐标，并要求作出实测的裂隙网络图。非连续介质方法的优缺点及其适用范围：•优点：可准确计算出裂隙网络内任意一点的水头、孔隙水压力、渗透速度、流量等，是研究裂隙渗流的一种比较理想的方法。•缺点：对实际资料要求很高，计算复杂，要求用电网络模拟或计算机模拟。•常用于：针对裂隙渗流本质的理论研究，实际工作中主要用于需要确定孔隙水压力与流速的情况。•适用于：研究区域较小、工作程度较高的问题(如岩体高边坡稳定性、地下硐室围岩稳定性等)研究。实际工作中三种方法的选用：•大范围的流量问题可采用等效多孔介质方法。•若介质中存在两种导水能力相差悬殊的空隙，可采用双重介质方法。•小范围的以求解孔隙水压力、流速为主的问题可采用非连续介质方法11.5断裂带的水文地质意义•断裂带是应力集中释放造成的破裂形变，大的断层延伸数十至数百公里，断层带宽达数百米，穿切若干岩层，构成具有特殊意义的水文地质体。•断层两盘的岩性及断层力学性质，控制着断层的导水—贮水特征；•同一条断层，由于两盘岩性、力学性质的变化，不同部位的导水性很不相同；•导水断层带是有特殊水文地质意义的水文地质体，可以起到贮水空间、集水廊道、导水通道的作用；•发育于透水围岩中的导水断层，既是贮水空间，还具集水廊道的功能；•导水断层沟通若干含水层或地表水体时，断层带具贮水空间、集水廊道、导水通道的功能；•当存在厚层隔水层且断层断距较大的，原来连通的含水层可被切割成为相对独立的块段。由于这种含水块断与外界的水力联系减弱或断绝，故不利于供水。由于这种阻隔作用，大的断层往往构成地下含水系统的边界。