第十一章-裂隙水

主要内容：了解裂隙水的分类，掌握构造裂隙水的分布特点和影响因素，初步了解裂隙介质的研究方法，学习分析断裂带的水文地质意义。重难点：掌握构造裂隙水的分布特点和影响因素；断裂带的水文地质意义。第十一章裂隙水第十一章裂隙水—11.1概述裂隙水:贮存并运移于基岩裂隙系统中的地下水。图11—1裂隙含水系统1—不含水张开裂隙；2—含水张开裂隙；3—包气带水流向；4—饱水带流向；5—地下水位；6—水井；7—自流井；8—无水干井；9—季节性泉；10—常年性泉一、裂隙含水系统的现象在基岩裂隙系统中，打井取水、开挖或观测地下水会有许多与孔隙水完全不同的现象：水量悬殊：某些情况下，打在同一岩层中相距很近的钻孔，出水量差异大，甚至一孔有水而邻孔无水；水位差异：在相距很近的井孔测得的地下水位差别很大，包括水质与动态也有明显不同；局部出现涌水：在裂隙岩层中开挖矿井，通常涌水量不大的岩层中局部可能大量涌水；不同方向变化差异：在裂隙岩层中抽取地下水，某一方向上离抽水井很远的观测孔水位已明显下降，而在另一方向上离抽水井很近的观测孔水位却无变化。上述现象说明，与孔隙水相比，裂隙水表现出更强烈的不均匀性和各向异性。裂隙水的特点（与孔隙相比）①、裂隙水空间分布不均匀：局部发育，呈脉状分布，导致同一岩层中相距很近的钻孔，水量悬殊；（如图11-1中自喷井，其两侧的井都是干井）②渗透的各向异性：一般第三方向不发育，空间展布具有方向性（不同方向发育差异）；（图11-1中裂隙水沿2组方向分布）③、水力联系不统一：裂隙连通性较差，很难形成统一的含水层。当不同方向相连通时—裂隙网络。（如图11-1中有四个独立的裂隙含水系统）④、坚硬基岩的裂隙率，要比松散岩石的孔隙度小一到两个数量级。二、裂隙水的特征裂隙含水系统的特点：裂隙岩层一般并不形成具有统一水力联系、水量分布均匀的含水层，而通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（图11—1）。岩层中各裂隙含水系统内部具有统一的水力联系，水位受该系统最低出露点控制。各个系统与系统之间没有或仅有微弱的水力联系，各有自己的补给范围、排泄点及动态特征，其水量的大小取决于自身的规模。规模大的系统贮容能力大，补给范围广，水量丰富，动态比较稳定。一、成岩裂隙水岩石在成岩过程中受内部应力作用而产生的原生裂隙。成岩裂隙的基本特征1、陆地喷溢的玄武岩成岩裂隙最为发育。岩浆冷凝收缩时，由于内部张力作用产生垂直于冷凝面的六方柱状节理及层面节理。裂隙张开且密集均匀，连通良好，构成储水丰富、导水通畅的层状裂隙含水层。当玄武岩为致密块状时构成隔水层。第十一章裂隙水——11.2裂隙水的类型2、侵入岩接触带等处形成裂隙含水层。冷凝收缩，以及岩浆运动产生应力，常形成近乎垂直的带状裂隙含水层。熔岩冷凝时留下喷气孔道，或表层凝固下部熔岩流逝而形成熔岩孔洞或管道。孔道洞穴最大直径可达数米，会出现掉钻，可获可观水量。3、孤立的成岩气孔经过后期改造后可以成为统一的含水层。4、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。第十一章裂隙水——11.2裂隙水的类型二、风化裂隙水地表的岩石，温差和水、空气、生物等风化营力作用下，形成的裂隙。风化裂隙带：在水流切割或人工开挖的影响下，形成减压（卸荷）裂隙，通常沟谷两侧常见到与边岸平行的减压裂隙；在剥蚀作用下，浅部裂隙扩张，张开性及裂隙率随深度递减，浅部透水性也比深部好的多。地壳表层在减压、剥蚀和风化作用下形成裂隙密集、张开性好的透水带——风化裂隙带。风化裂隙带呈壳状分布，一般厚数米到数十米。第十一章裂隙水——11.2裂隙水的类型风化裂隙网络：是在成岩裂隙与构造裂隙的基础上发育的，通常密集均匀、无明显方向性，是连通良好的裂隙网络。风化裂隙的发育受岩性、气候及地形的控制。风化裂隙水：暴露地表的风化壳（裂隙带）其母岩往往构成隔水底板，风化裂隙水为潜水，图11-2中的泉；被后期沉积物履盖的古风化壳，可以形成承压水，图11-2中的井。图11—2风化裂隙水示意图1—母岩；2—风化带；3—粘土；4—季节性泉；5—常年性泉；6—井及地下水位三、构造裂隙水1.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。最常见、分布范围最广、与水文地质工程地质关系最密切，是裂隙水主要研究对象。第十一章裂隙水——11.2裂隙水的类型2.构造裂隙的分类岩石受力后，表现出来的破坏特点分为脆性和塑性两种。1、塑性岩石：以页岩、泥岩、凝灰岩、千枚岩等为代表，受力后发生塑性形变，常形成闭合的乃至隐蔽的裂隙。这类岩石构成相对隔水层。2、脆性岩石：以块状致密石灰岩、非泥质胶结的砂岩为脆性岩石的代表。岩石主要呈现弹性形变，破坏时以拉断为主；裂隙稀疏，但张开性好，延伸远，导水能力好。这类岩石多构成含水（或透水）层。3.裂隙岩层的透水性构造裂隙的渗透性与岩相和应力分布特征有关。①与碎屑岩的岩相（粒度）和胶结物有关：岩石颗粒越粗，裂隙越容易发育，渗透性越大（如图11-3）。粗颗粒的砂砾岩，裂隙张开性优于细粒的粉砂岩。钙质胶结者显示脆性岩石特征。泥质及硅质胶结的与塑性岩石相近。图11-3岩性变化与裂隙率及涌水量的关系②与应力分布的关系：应力集中，裂隙发育，岩层透水性好的部位层状岩石裂隙的发育方向、张开度和密集程度，与构造部位密切相关（图11-4）。纵裂隙、横裂隙、斜裂隙、层面裂隙和顺层裂隙应力集中的部位，裂隙常较发育，岩层透水性也好。同一裂隙含水层中，背斜轴部常较两翼富水，倾斜岩层较平缓岩层富水，断层带附近往往格外富水。夹于塑性岩层中的薄层脆性岩层，往往发育密集而均匀的张开裂隙。褶皱时被拉断形成张裂隙（如图11-5）。透水性通常随深度增大而减弱。深度大，围压增大，地温上升，岩石的塑性加强，裂隙张开性较差图11—4层状岩石构造裂隙示意图1—横裂隙；2—斜裂隙；3—纵裂隙；4—层面裂隙；5—顺层裂隙图11—4层状岩石构造裂隙示意图1—横裂隙；2—斜裂隙；3—纵裂隙；4—层面裂隙；5—顺层裂隙图11—5夹于塑性岩层中的脆性岩层裂隙发育受层厚的控制1—脆性岩层；2—塑性岩层；3—张开裂隙；4—井及地下水位；5—无水干井；A—脉状裂隙水；B—层状裂隙水AABB11.3裂隙介质及其渗流一、裂隙及裂隙网络①裂隙的级次性微小裂隙（由原生和次生构成），密度几十～十几条/m，长度小于1米，隙宽小中裂隙（多由顺层和层面构成），密度几条/m，延伸长，隙宽达可达几mm大裂隙～巨裂隙（主要断裂、断层），密度条/几m，延伸长，宽度大，附近往往次级小裂隙密集②裂隙网络由于主干裂隙延伸广阔，可连通其范围内不同级次、不同成因的次级裂隙，在一定范围内形成相互连通的裂隙网，所构成的空隙网络称为裂隙含水系统。如果存在更高级次的导水断裂，将若干主干裂隙网串通，就可形成更大规模的含水裂隙网络。不同级次裂隙在裂隙含水系统中的作用微裂隙→储水，裂隙率较大中裂隙→连通作用，储水导水作用大裂隙→传输地下水中起控制作用二、裂隙水流的基本特征前述裂隙水的基本特征，在构造裂隙中表现的更为突出。裂隙含水系统通常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。钻孔或坑道如未揭露系统中的主干裂隙，由于次一级裂隙的集水能力有限，水量不大，只揭露微小裂隙时便基本无水。但一旦钻孔或坑道揭露含水裂隙网的主干裂隙，就如在干渠中取水一般，广大范围内裂隙网络中的水便逐级汇于主干通道，出现相当大的水量。由于一个裂隙含水系统是不同级次裂隙的集合体，而同一岩层中又可能包含着若干个规模不同的裂隙含水系统。在同一裂隙岩层中打井或开挖坑道时，水量相差悬殊。（1）裂隙率极低：在整个岩体中，裂隙通道所占的空间的比例很低，一般为千分之几至千分之十几。（2）裂隙水流只在各裂隙通道内流动：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（图11—7a，b）；（3）局部与整体流向不同：水流被限制在迂回曲折的网络中运动，局部流向与整体流向往往不一致，有时甚至与整体流向正好相反（图11—7b）。三、裂隙水与孔隙水的比较图11—7裂隙渗透场与孔隙渗流场的比较〔a，b根据Tolman。1937〕（a）裂隙水运动平面图；（b）裂隙水运动剖面图。（c）孔隙水运动平面图；（d）孔隙水运动剖面图1—裂隙水；2—砂；3—地下水等水头线（m）；4—剖面中的地下水位；5—包气带水流向；6—饱水带流向；7—泉11.4裂隙水的研究方法一、等效多孔介质方法把非连续的裂隙系统假设为连续的孔隙系统。严格运用条件：等效时含水系统的补、径、排条件不变；最常用原则，大范围内导水能力等效；大范围内的水量问题图11-8裂隙介质及其等效多孔介质11-4裂隙水的研究方法二、双重介质方法强渗透性裂隙系统----连续介质1微裂隙和基岩孔隙----连续介质2双重介质=连续介质1+连续介质2两者存在水力联系，水量交换双重介质方法仍属于连续介质方法的范畴，基本原理是等效多孔介质方法，区别仅在于对大小空隙进行了分别描述。11.4裂隙水的研究方法三、非连续介质方法建立裂隙网络模型，计算每条裂隙的水流状态。水头、孔隙水压力、渗透速度、流量等，研究裂隙渗流的较理想方法。11.5断裂带的水文地质意义一、断裂带的导水性的影响因素断裂带是应力集中释放造成的破裂变形，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。（1）断层两盘的岩性断层两盘均为脆性岩的导水；断层一盘为脆性岩，一盘为塑性岩的部分导水；断层两盘均为塑性岩的一般不导水。（2）断层的力学性质张性断裂带通常导水；压性断裂带通常不导水，有时与两盘岩性有关；扭性断裂的导水性介乎张性断裂与压性断裂之间。张性断裂：发育于脆性岩层中的张性断裂，中心部分多为疏松多孔的构造角砾岩，两侧为张开度及裂隙率都增大的裂隙增强带，具良好的导水能力。发育于塑性岩层中的张性断裂，构造岩夹有大量泥质，两侧的裂隙增强不明显，往往导水不良甚至隔水。压性断裂：在塑性岩层中，中心部分为致密不透水的糜棱岩、断层泥等，两侧多发育张开性差的扭节理，通常是隔水的。在脆性岩层中，压性断裂中心部分的构造岩细碎紧密，透水性很差；但断层面两侧多发育开张性较好的扭张裂隙，成为导水带。扭性断裂的导水性介乎张性断裂与压性断裂之间。1．贮水空间作用当围岩裂隙不发育，断层带破碎时，断层角砾岩及裂隙增强带构成局部的带状贮水空间。钻孔或坑道揭露此类断层时，初期涌水量及水压可能较大，但迅即衰减，以至干涸。2．集水廊道作用发育于透水围岩中的导水断层，不仅是贮水空间，还兼具集水廊道的功能。钻孔或坑道揭露断层带的某一部位时，水位下降迅速波及导水畅通的整个断层带，形成延展相当长的水位低槽，断层带就像集水廊道似的，汇集广大范围围岩裂隙中的水，因此，涌水量较大且稳定。二、断裂带的水文地质意义3．导水通道作用导水断层沟通若干个含水层或（及）地表水体时，断层带兼具贮水空间、集水廊道与导水通道的功能。钻孔或坑道揭露此类断层时断层带将各个水源的巨大贮存水量，源源不断地导入，涌水量极大且长期保持稳定。4．隔水屏障作用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。由于这种含水块段与外界的水力联系减弱，甚至断绝，故有利于排水疏干而不利于供水。（图11—9）图11—9断层的阻水作用1—含水层；2—隔水层；3—断层；4—地下水位；5—泉广东凡口矿区F4断裂带为例来进行分析凡口矿区F4断裂带是一条规模较大的压性断层，已控制的长度为2200米，断距176—340米，并经后期多次构造运动的影响。为了准确评价F4断裂带的透水性，该矿区在勘探阶段曾进行大量的水文地质工作（图l—6），证实F4断裂带的透水性，沿走向和倾向均有变化。在走向上通过不同岩性地段时透水性不同。北部B24孔抽水延续43小时，水位降深达18．24米，相距164米的301观测孔水位却毫无变化，且二者静止水位高差达54．65米，说明F4断层通过上泥盆帽子峰组砂页岩相对隔水地层段是不透水的。B19号双主孔抽水时，断层