水文地质学课件 11裂隙水

岩石中的各种空隙1.分选良好，排列疏松的砂；2.分选良好，排列紧密的砂
3.分选不良的，含泥、砂的砾石；
4.经过部分胶结的砂岩
5.具有结构性孔隙的粘土
6.经过压密的粘土
7.具有裂隙的岩石
8.具有溶隙及溶穴的可溶岩
第十一章裂隙水
11.1 概述
定义：储存并运移于岩层裂隙中的地下水。

同一岩层中相距很近的钻孔，水量悬殊，甚至一孔有水而邻孔无水；
在相距很近的井孔测得的地下水位差别很大，水质与动态也有明显不同；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；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。

含水系统
简单的流动系统（A ）区域流动系统（B r ）
中间流动系统（B i ）
局部流动系统（B 1）
流动系统ⅠⅡ复杂的流动系统（B ）级
次
性
1
B i
B 1B r B A
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）
基岩的裂隙率比较低
赋存空间在岩层中分布很不均匀
裂隙通道在空间上具有明显的方向性 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
【特殊】夹于厚层塑性岩层中的薄层脆性岩层、规模比较大的风化裂隙岩层等。

这些岩层中裂隙往往密集均匀，使整个含水层具有统一的水力联系，在其中布井几乎处处可取到水。

各向异性不均匀性给水度低地下水含水系统：指由隔水或相对隔水岩层（弱透水层）圈闭的，具有统一水力联系的含水岩系。

裂隙岩层中进行地表或地下开挖（采矿、隧道工程、基坑、地下空间）时，涌水不均匀而突然，导致岩体破坏。

水利、交通工程设施的岩体失稳破坏，多与裂隙水的活动密切相关。

裂隙极不发育、渗透性极低的结晶岩体，是高放射性核废料储存有限考虑的备选场所。

地下水封石洞油库：在稳定地下水位以下的岩体中开挖出的用来储存原油、汽油、柴油的地下空间系统。

简称水封洞库。

GB 50455-2088《地下水封石洞油库设计规范》
一、地下水封油库储油的基本原理
原理：
•油水不相容；
•水的密度大于油，同一高度静水压力大于油
的静压力。

怎么建地下水封油库？
在有稳定地下水的地方开挖石洞，用水冲洗洞穴后直接在洞内储油，不用混凝土覆盖，不做衬里。

罐体开挖后，缝隙水流向罐内，罐体附近地下水位下降，出现
降落曲线，形成水漏斗。

由于罐体距稳定地下水位有一定深度，水漏斗的上边界永远高于油位，管壁附近各点的地下水静压力大于罐内油压，将油封在罐内。

✓地下100m；
✓水漏斗---渗流力学原理；
✓目前，最大500万吨库
11.2 裂隙的成因类型及其中的地下水
11.2.1 成岩裂隙水
成岩裂隙是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
沉积岩及深层岩浆岩的成岩裂隙通常多是闭合的，含水意义不大。

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，裂隙大多张开且密集均匀，连通良好，常构成贮水丰富、导水通畅的层状裂隙含水系统。

岩脉及侵入岩接触带，由于冷凝收缩，以及冷凝较晚的岩浆流动产生应力，张开裂隙发育，常形成近乎垂直的带状裂隙含水系统。

不均匀冷凝：熔岩流冷凝时，留下喷气孔道，或表层凝固，下部未冷凝的熔岩流走而形成熔岩孔洞或管道，这类孔道洞穴最大直径可达数米，钻孔遇到时会出现掉钻、泥浆大量漏失等，往往可以获得可观的水量。

11.2.2 风化裂隙水
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。

岩性
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。

由多种矿物组成的粗粒结晶岩（花岗岩、片麻岩等），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。

气候
气候干燥而温差大的地区，岩石热胀冷缩及水的冻胀等物理风化作用强烈，有利于形成导水的风化裂隙。

湿热气候区以化学风化为主，泥质次生矿物及化学沉淀常充填裂隙而降低其导水性。

这类地区上部强风化带的导水性有时反而不如下部半风化带。

如福建漳州花岗岩中一个钻孔资料，地面以下25m内强风化带的涌水量仅为0.0125L/s，而25～45m半风化带涌水量增到0.45L/s。

3 1—横裂隙；2—斜裂隙；3—纵裂隙；4—层面裂隙；5—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，塑性岩层沿层面方向流展，对夹于其间的脆性岩层施加一个顺层的拉张力，脆性岩层被拉断而形成张裂隙。

脆性岩层夹层越薄，抗拉能力越小，张开裂隙就越密集。

这样的夹层常是山区找水的理想布井层位。

深度围岩地温岩石塑性裂隙张开性
11.3 裂隙水流的基本特征
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。

在同一裂隙岩层中打井或开挖坑道时，水量之所以相差悬殊，正是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互不联系的裂隙含水系统的缘故。

例如:
北京西山侏罗纪变玄武岩是门头沟煤系的底板。

多年来在该层中掘进时仅出现少量涌水，一直被看作相对隔水层或弱含水层。

1978年5月，城子煤矿开拓-250m水平南石门时，揭露了8条不大的破碎带，涌水量出入意料地高达0.64m3/s。

经地面及井下调查确定，涌水点位于本区次一级倒转向斜轴部。

此处应力集中，裂隙普遍扩容；坑道揭露的破碎带依次贯通层面裂隙、其它组裂隙及细小的成岩裂隙，广大范围内裂隙含水系统中的水逐级汇流，故而造成水量相当大的坑道涌水。

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
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。

①裂隙水流只发生在组成导水网络的各裂隙通道内，通道以外没有水流，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；
②水流被限制在迂回曲折的网络中运动，其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。

理解上述两个特征在实际中具有很大意义，例如，在裂隙岩层中打两个相距很近的钻孔用来确定地下水的水力梯度、流向、流速等是非常不可靠的。

裂隙水特征
1）裂隙水埋藏、分布不均匀。

由裂隙的不均匀造成。

2）裂隙含水形态多重多样。

层状、带状、脉状，网脉状。

3）地质构造对裂隙水的控制作用非常明显。

即使是外力（风化）作用下产生的裂隙，也多是沿着已有的构造裂隙发展。

4）基岩地下水的动力性质比较复杂。

裂隙的发育程度、大小、形态、充填情况不同，裂隙水的运动性质（水压力、流速等）均不同。

5）裂隙水流动的各向异性
11.4 裂隙介质的研究方法
11.4.1 等效多孔介质方法
黑箱系统结构
定义：等效多孔介质方法就是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。

不同之处：水头分布、地下水流向、流速、孔隙水压力等 等效的前提：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。

第四章地下水运动的基本规律2）地下水运动研究——宏观与微观
11.4.2 双重介质方法
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：
大空隙如裂隙、溶蚀裂隙、溶蚀孔隙等，导水能力比较强；
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。

11.4.3 非连续介质方法
等效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地下水水头、孔隙水压力、流速等与介质的结构细节存在密切关系。

为了准确地计算这些参数，需要详细地刻画裂隙通道及其构成的网络，只有非连续介质方法才能够满足这一要求。

它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，要求做出实测的裂隙网络图。

非连续介质方法可以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：对实际资料的要求很高，计算复杂，要求用计算机模拟。

目前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：研究区域比较小、工作程度比较高的水文地质工程地质问题（如岩体高边坡稳定性、地下硐室围岩稳定性等）。

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。

第十一章裂隙水11.5 断裂带的水文地质意义。