第十二章 裂隙水

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12.1 概 述 12.2 裂隙水成因类型及其中的地下水
12.3 裂隙介质及其渗流
12.4 裂隙及裂隙水的研究方法 12.5 断层的水文地质意义
12.1 概 述
贮存运移于裂隙基岩中的水––––裂隙水。 1.特点:不均匀性和各向异性 ① 同一岩层中,相距很近的两口井,水量相差悬殊,甚至一孔有水, 一孔无水; ② 相距很近的两孔,地下水位相差很大,水质、动态也有明显的不同; ③ 采矿中整体涌水量不大,但在局部涌水量很大;
抽水时,某一方向上的观测孔,水位下降快(甚至较远的孔),而另一 方向上甚至很近的观测孔,水位却无变化。
12.1 概 述
2.孔隙水与裂隙水的比较: (1)孔隙水:
孔隙分布连续均匀,构成具有统一水力联系、水量分布均匀的层状含水系统。
(2)裂隙水: ① 裂隙率比孔隙率低1 ~ 2数量级;
② 裂隙分布很不均匀(不连续、不均匀);
③ 其空间展布具有方向性; ④ 一般并不形成具有统一水力联系、水量分布均匀的含水层,而是形成若干 带状或脉状裂隙含水系统; ⑤ 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,其水量大小取决于自身规模的大小。 带状或脉状裂隙含水系统,一般是由一条或几条大的导水通道(如断层、大 裂隙、侵入岩与围岩接触带等)为干流,汇同周围裂隙而形成的。
12.2裂隙水成因类型及其中的地下水
哪种裂隙最常见、分布最广、与 工程关系最密切?
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。 (岩石形成过程中产生的裂隙)
含水意义大的有: ① 玄武岩:垂直节理比较发育,裂隙张开性好,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。 举例:美国夏威夷群岛:玄武岩裂隙十分丰富,檀香山城即以此为供水水 源,总涌水量7.5m3/s。我国内蒙一带。
① 岩脉及侵入岩接触带:张开裂隙发育,常形成近乎垂直的带状裂隙含 水系统。
12.2裂隙水成因类型及其中的地下水
2.风化裂隙水 风化裂隙––––暴露于地表的岩石,在温度变化和水、空气、生物等风化 营力作用下形成的裂隙。(风化作用形成的裂隙)
特点:常形成密集均匀、无明显方向性,连通良好的裂隙网络。
厚度:几米~几十米,未风化的母岩构成相对隔水底板。 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存水。
12.2裂隙水成因类型及其中的地下水
1).岩性:
a.单一稳定的矿物组成的岩石风化裂隙很难发育(如石英) b.泥质岩石容易风化,但裂隙易被土状风化物充填而不导水; c.多种矿物组成粗粒结晶岩(花岗岩、片麻岩等),不同矿 物热胀冷缩不一,风化裂隙发育→主要风化裂隙水。
2).气候: a. 干燥而温差大的地区,岩石热胀冷缩 及水的冻胀等作用强烈,有利于形成导水的风化裂隙; b. 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。偶遇强风化带导 水性较半风化带弱。 3).地形:地形比较平缓区,有利于风化壳的发育与 保存,如果地形条件有利于汇集降水,则可能形成规模 较大的风化裂隙含水层。 通常,风化壳规模相当有限,风化裂隙含水层水量不大, 就地补给就地排泄,旱季泉流量变小或干涸。 4).卸荷裂隙:形成;沟谷两侧分布;剥蚀作用影 响;相对来讲,浅部透水性要比深部好。
12.2裂隙水成因类型及其中的地下水 3.构造裂隙水 构造裂隙––––是在地壳运动过程中,岩石在构造应力作用下 产生。(构造作用形成的裂隙) 裂隙几何参数:产状、张开宽度、延伸长度、密度等。
从水文地质上看:构造裂隙是所有成因类型裂隙中最常见、 分布范围最广,与各种水文地质、工程地质问题关系最密切 的一类裂隙,是裂隙水研究的主要对象。
通常我们说裂隙水区别于孔隙水,具有强烈的非均匀性、各 向异性等特点,主要是针对构造裂隙水而言的。
12.2裂隙水成因类型及其中的地下水 (1)岩性不同,构造裂隙的水文地质意义也不同: ① 塑性岩石:如页岩、泥岩、凝灰岩、千枚岩等常形成闭 合及至隐蔽的裂隙,这些岩石的构造裂隙往往密度很大, 但张开性差,延伸不远,缺少对地下水贮存特别是传导 有意义的“有效裂隙”,多构成相对隔水层。
② 脆性岩石:如石灰岩、岩浆岩、钙质胶结的砂岩等,其 构造裂隙一般比较疏松,但张开性好,延伸远,具有较 好的导水性。 ③ 沉积岩的裂隙发育与其胶结物成分及颗粒的粒度有一定 关系。a.钙质胶结 —脆性岩石;b.泥质及硅质胶结—塑性 岩石; 粗颗粒的砂砾岩裂隙张开性优于细粒的粉砂岩。
12.2裂隙水成因类型及其中的地下水 (2)裂隙分类: 构造裂隙的特点:具有明显而又比较稳定的方向性,方向 性是由构造应力场控制,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。 裂隙具有方向性,按其与地层走向的关系(或褶皱轴线的 关系)可分为: ① 纵裂隙:与岩层走向大体平行(或与构造线平行) (图示3); ② 横裂隙:与岩层走向垂直(图示1); ③ 斜裂隙:与岩层走向斜交(图示2); ④ 层面裂隙:发育于沉积层面之间(图示4); ⑤ 顺层裂隙:顺层发育于层中间的裂隙(图示5)。
11.2 裂隙水的类型
12.2裂隙水成因类型及其中的地下水 各类裂隙的特点: ① 纵裂隙:延伸方向往往就是岩层导水能力最大的方向;纵 裂隙延伸较远,在背斜的核部为张性;
② 横裂隙:一般是张性的,张开宽度最大,但一般延伸不远;
③ 斜裂隙:是剪应力形成的,延伸长度及张开性都相对差一 些; ④层面裂隙:构成沉积岩的主要裂隙组,裂隙的多少取决于 岩层的单层厚度:单层薄,裂隙密集而均匀;单层厚,裂 隙稀疏而不均匀。
12.2裂隙水成因类型及其中的地下水 (3)富水部位(构造裂隙赋水性的一般特点): ① 应力集中部位,裂隙常较发育,岩层透水性也较好; ② 背斜轴部常较两翼富水; ③ 倾斜岩层较平缓岩层富水; ④ 断层附近往往格外富水;
⑤ 夹于塑性岩层中的薄层脆性岩层,富水性好。山区找水 找水的理想布井层位。
随深度的增加,裂隙的张开性变差,其透水性随深度 的增加而减弱。
12.2裂隙水成因类型及其中的地下水
12.3 裂隙介质及其渗流
1.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,在自身所在平面的两个 方向延伸较远,而在第三个方向上延伸较短。单个裂隙在其自身所在平 面上延伸是有限的,不能构成连续的导水空间。 只有在不同方向的裂隙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:
① 夹于塑性岩层中的薄层脆性岩石→裂隙网络→裂隙含水系统;
② 风化裂隙→裂隙网络→裂隙含水系统; ③ 玄武岩中的裂隙→裂隙网络→裂隙含水系统;
④ 构造裂隙→裂隙网络→构造裂隙含水系统(在空间上呈脉分布)。
12.3 裂隙介质及其渗流 裂隙按其规模可划分为三个级别: (1)微小裂隙:在岩石中非常密集,延伸和张开性都很差, 在新鲜完整的岩石上用肉眼不易发现,导水能力很差,但由 于数量众多,是主要的贮水空间。 (2)中裂隙:岩层中数米1条至1米数条,长度延伸几米至十 几米,是野外肉眼观察所能见到的最普遍的裂隙。兼具贮水导水功能。 (3)大裂隙(包括断层):在岩层中数量很少,但张开宽度 大,延伸远,在裂隙网络传输地下水的功能上起主要控制作 用。在裂隙网络中起导水作用。
12.3 裂隙介质及其渗流 常常大的裂隙构成导水通道,汇同周围较小的裂隙,形成具 有树状结构(或脉状结构)的网络。大裂隙起传导地下水 (导水)的作用,小裂隙起贮存地下水的作用,以及时间上 的调节作用。
12.3 裂隙介质及其渗流 2.裂隙水流的基本特征 ① 不均匀性:大的导水通道上水量大(主干裂隙),钻孔 或坑道揭露时涌水量大,并汇集小裂隙中的水;离开主 干裂隙,在小裂隙上,水量很小; ② 在整个岩体中,裂隙通道所占空间比例很小,一般为: 几% ~ 十几%; ③ 水流只存在于裂隙通道内,通道之外没有水流,其渗流 场是不连续的;(图12-8) ④水的流向:局部流向与整体流向往往不一致,有时甚至 与整体流向相反。
12.4 裂隙及裂隙水的研究方法
岩层(岩体)裂隙野外调查统计!
12.4 裂隙及裂隙水的研究方法
1.等效多孔介质方法 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的 裂隙介质,用虚拟的一个等效多孔介质场来近似代替复杂的裂隙介 质场。 不要求两个水动力场完全相似,只要求某些方面相近,如两个系统的泉 流量要相等,这时称这个孔隙介质为裂隙介质的等效多孔介质。 应用条件: a. 等效时,含水系统的补、径、排条件不能改变; b. 要求介质总体导水能力等效,如泉流量相等; c. 边界条件相同。
12.4 裂隙及裂隙水的研究方法
12.4 裂隙及裂隙水的研究方法
2.双重介质方法 裂隙介质存在两种导水性能相差悬殊的空隙空间,其中大的裂隙导水能 力比较强,小的裂隙,导水能力弱,但为数众多,贮水能力不可忽略。
对介质中大、小两种裂隙分别用两种等效的多孔介质去近似代替大小两 种空隙,称为––––双重介质方法。
在双重介质方法中,大小两种空隙空间分别刻画,有各自的参数(如K, n,μ等),但两种空隙存在水力联系,可以进行水量交换。
双重介质方法仍属于连续介质范畴,它的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分别描述。
12.4 裂隙及裂隙水的研究方法 3.非连续介质方法 对裂隙网络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、产状等,要求做出 实际的裂隙网络图,然后分别建立裂隙水流方程进行研究 ––––非连续介质方法。 优点:比较精确。
缺点:对实际资料要求高,计算比较复杂。
适用于:研究区域比较小,工作程度比较高的地区(如岩体 高边坡的稳定性、地下硐室围岩的稳定性等)。
12.4 裂隙及裂隙水的研究方法 实际工作中: ① 大范围的流量问题可采用等效多孔介质方法; ② 若介质中存在两种导水能力相差悬殊(大、小)的空隙, 可采用双重介质方法;
③小范围的以求解孔隙水压力、流速为主的问题可采用非 连续介质的方法。
例如:岩体高边坡稳性、地下硐室围岩稳定性等问题。
12.5 断层的水文地质意义
对于供水: (1)隔水断层:断裂带本身不含水,但上盘或下盘岩层如果裂隙发育 (脆性岩石),具有较好的汇水条件,可成为富水地段→打断层两侧的 岩层。 (2)透水断层:断裂带本身富水,若断层勾通上、下含水层,则使富 水性增强→打断层。 对于矿山排水: (1)隔水断层:若断层一侧岩层富水,则开采矿床时,不能打穿断层, 以防地下水涌入矿坑→保护断层。
(2)透水断层:为防止地下水涌入矿坑→留设防水矿柱。如开采C–P 系煤层时,C系薄层灰岩水量并不大,若开采时打穿了透水断层,而断 层又和O系灰岩导通,则可造成突水淹井事故,华北地区的大多数突水 事故均属于此种类型。
12.5 断层的水文地质意义
断层两盘的岩性及断层的力学性质,控制着断层的导水—贮水特征。 1.张性断层 ① 脆性岩层中的张性断裂→常具有良好的导水能力; ② 含泥质较多的塑性岩层中的张性断裂→往往导水不良,甚至隔水。 2.压性断层 ① 塑性岩中→通常是隔水的; ② 脆性岩中→断层两侧多发育张开性较好的扭张裂隙,为导水带。 3.扭性断裂的导水性介于张性断裂与压性断裂之间 4.同一条断层,其导水性能可能发生变化[1] 5.导水断层可以起到贮水空间、集水廊道与导水通道的作用
12.5 断层的水文地质意义 断裂带的其它功能: (1)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。 (2)导水断层沟通若干个含水层或地表水体时,断层兼具贮 水空、集水廊道与导水通道的功能。钻孔或坑道揭露可获 得稳定水源。 (3)如有厚层隔水层且断层断距较大的,可被切割成相对独 立的块段。与外界水力联系变弱;正是由于这种阴隔作用, 大的断层往往构成地下含水系统的边界。
12.5 断层的水文地质意义
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