水文地質(zhì)學(xué)裂隙水

1、1.分選良好，排列疏松的砂；2.分選良好，排列緊密的砂3.分選不良的，含泥、砂的礫石；4.經(jīng)過(guò)部分膠結(jié)的砂巖5.具有結(jié)構(gòu)性孔隙的粘土6.經(jīng)過(guò)壓密的粘土7.具有裂隙的巖石8.具有溶隙及溶穴的可溶巖巖石中的各種空隙1第十一章 裂隙水11.1 概述定義：儲(chǔ)存并運(yùn)移于巖層裂隙中的地下水。同一巖層中相距很近的鉆孔，水量懸殊，甚至一孔有水而鄰孔無(wú)水；在相距很近的井孔測(cè)得的地下水位差別很大，水質(zhì)與動(dòng)態(tài)也有明顯不同；在裂隙巖層中開挖礦井，通常涌水量不大的巖層中局部可能大量涌水；某一方向上離抽水井很遠(yuǎn)的觀測(cè)孔水位已明顯下降，而在另一方向上離抽水井很近的觀測(cè)孔水位卻無(wú)變化。2含水系統(tǒng)簡(jiǎn)單的流動(dòng)系統(tǒng)（A）區(qū)域流動(dòng)系

2、統(tǒng)（Br）中間流動(dòng)系統(tǒng)（Bi）局部流動(dòng)系統(tǒng)（B1）流動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜的流動(dòng)系統(tǒng)（B）級(jí)次性3第十一章 裂隙水 部分裂隙在巖層中某些局部范圍內(nèi)連通構(gòu)成若干帶狀或脈狀裂隙含水系統(tǒng)）基巖的裂隙率比較低賦存空間在巖層中分布很不均勻裂隙通道在空間上具有明顯的方向性 裂隙巖層一般并不形成具有統(tǒng)一水力聯(lián)系、水量分布均勻的含水層 【特殊】夾于厚層塑性巖層中的薄層脆性巖層、規(guī)模比較大的風(fēng)化裂隙巖層等。這些巖層中裂隙往往密集均勻，使整個(gè)含水層具有統(tǒng)一的水力聯(lián)系，在其中布井幾乎處處可取到水。各向異性不均勻性給水度低地下水含水系統(tǒng)：指由隔水或相對(duì)隔水巖層（弱透水層）圈閉的，具有統(tǒng)一水力聯(lián)系的含水巖系。4第十一章 裂隙水裂隙

3、巖層中進(jìn)行地表或地下開挖（采礦、隧道工程、基坑、地下空間）時(shí)，涌水不均勻而突然，導(dǎo)致巖體破壞。水利、交通工程設(shè)施的巖體失穩(wěn)破壞，多與裂隙水的活動(dòng)密切相關(guān)。裂隙極不發(fā)育、滲透性極低的結(jié)晶巖體，是高放射性核廢料儲(chǔ)存有限考慮的備選場(chǎng)所。地下水封石洞油庫(kù)：在穩(wěn)定地下水位以下的巖體中開挖出的用來(lái)儲(chǔ)存原油、汽油、柴油的地下空間系統(tǒng)。簡(jiǎn)稱水封洞庫(kù)。GB 50455-2088地下水封石洞油庫(kù)設(shè)計(jì)規(guī)范5第十一章 裂隙水11.2 裂隙的成因類型及其中的地下水11.2.1 成巖裂隙水 陸地噴溢的玄武巖成巖裂隙最為發(fā)育。 巖漿冷凝收縮時(shí)，由于內(nèi)部張力作用產(chǎn)生垂直于冷凝面的六方柱狀節(jié)理及層面節(jié)理，裂隙大多張開且密集均勻

4、，連通良好，常構(gòu)成貯水豐富、導(dǎo)水通暢的層狀裂隙含水系統(tǒng)。 沉積巖及深層巖漿巖的成巖裂隙通常多是閉合的，含水意義不大。 成巖裂隙是巖石在成巖過(guò)程中受內(nèi)部應(yīng)力作用而產(chǎn)生的原生裂隙：沉積巖固結(jié)脫水、巖漿巖冷凝收縮6第十一章 裂隙水 巖脈及侵入巖接觸帶，由于冷凝收縮，以及冷凝較晚的巖漿流動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)力，張開裂隙發(fā)育，常形成近乎垂直的帶狀裂隙含水系統(tǒng)。 不均勻冷凝：熔巖流冷凝時(shí)，留下噴氣孔道，或表層凝固，下部未冷凝的熔巖流走而形成熔巖孔洞或管道，這類孔道洞穴最大直徑可達(dá)數(shù)米，鉆孔遇到時(shí)會(huì)出現(xiàn)掉鉆、泥漿大量漏失等，往往可以獲得可觀的水量。7第十一章 裂隙水11.2.2 風(fēng)化裂隙水8第十一章 裂隙水 暴露于地表

5、的巖石，在溫度變化和水、空氣、生物等風(fēng)化營(yíng)力作用下形成風(fēng)化裂隙。 風(fēng)化裂隙常在成巖裂隙與構(gòu)造裂隙的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)育，形成密集均勻、無(wú)明顯方向性、連通良好的裂隙網(wǎng)絡(luò)。 風(fēng)化營(yíng)力決定著風(fēng)化裂隙層呈殼狀包裹于地面，一般厚度數(shù)米到數(shù)十米，未風(fēng)化的母巖往往構(gòu)成相對(duì)隔水底板，故風(fēng)化裂隙水一般為潛水，被后期沉積物覆蓋的古風(fēng)化殼可賦存承壓水。9第十一章 裂隙水巖性 單一穩(wěn)定的礦物組成的巖層（如石英巖）風(fēng)化裂隙很難發(fā)育。 泥質(zhì)巖石雖易風(fēng)化，但裂隙易被土狀風(fēng)化物充填而不導(dǎo)水。 由多種礦物組成的粗粒結(jié)晶巖（花崗巖、片麻巖等），不同礦物熱脹冷縮不一，風(fēng)化裂隙發(fā)育，風(fēng)化裂隙水主要發(fā)育于此類巖石中。10第十一章 裂隙水氣

6、候 氣候干燥而溫差大的地區(qū)，巖石熱脹冷縮及水的凍脹等物理風(fēng)化作用強(qiáng)烈，有利于形成導(dǎo)水的風(fēng)化裂隙。 濕熱氣候區(qū)以化學(xué)風(fēng)化為主，泥質(zhì)次生礦物及化學(xué)沉淀常充填裂隙而降低其導(dǎo)水性。 這類地區(qū)上部強(qiáng)風(fēng)化帶的導(dǎo)水性有時(shí)反而不如下部半風(fēng)化帶。如福建漳州花崗巖中一個(gè)鉆孔資料，地面以下25m內(nèi)強(qiáng)風(fēng)化帶的涌水量?jī)H為0.0125L/s，而2545m半風(fēng)化帶涌水量增到0.45L/s。11第十一章 裂隙水地形 地形比較平緩，剝蝕及堆積作用微弱的地區(qū)，有利于風(fēng)化殼的發(fā)育與保存；如果地形條件也利于匯集降水，則可能形成規(guī)模稍大，常年能提供一定水量的風(fēng)化裂隙含水層。 在水流切割或人工開挖的影響下，巖體側(cè)向壓力減小，原有閉合及隱

7、蔽的成巖裂隙與構(gòu)造裂隙因減壓而擴(kuò)張，形成所謂減壓（卸荷）裂隙。 在溝谷兩側(cè)?？梢姷脚c邊岸平行的減壓裂隙，有時(shí)可寬達(dá)數(shù)厘米至十?dāng)?shù)厘米。剝蝕作用使原來(lái)處于深部的巖層卸去上覆地層的荷載，因而淺部的裂隙擴(kuò)張，張開性及裂隙率均較深部大，透水性也比深部好。11.2.3減壓（卸荷）裂隙12第十一章 裂隙水 塑性巖石（頁(yè)巖、泥巖等）中常形成閉合乃至隱蔽的裂隙。 裂隙往往密度很大，但張開性差，延伸不遠(yuǎn)，缺少對(duì)地下水貯存特別是傳導(dǎo)有意義的“有效裂隙”，多構(gòu)成相對(duì)隔水層；只有在暴露于地表之后經(jīng)過(guò)卸荷及風(fēng)化才具有一定的貯水及導(dǎo)水能力。11.2.4 構(gòu)造裂隙水 脆性巖石（致密石灰?guī)r、巖漿巖等），裂隙一般比較稀疏，但張開

8、性好、延伸遠(yuǎn)，具有較好的導(dǎo)水性。 沉積巖的裂隙發(fā)育情況與其膠結(jié)物成分及顆粒的粒度有一定的關(guān)系。鈣質(zhì)膠結(jié)者顯示脆性巖石特性，泥質(zhì)及硅質(zhì)膠結(jié)的與塑性巖石相近。粗顆粒的砂礫巖裂隙張開性優(yōu)于細(xì)粒的粉砂巖。13第十一章 裂隙水3 1橫裂隙；2斜裂隙；3縱裂隙；4層面裂隙；5順層裂隙 應(yīng)力集中的部位，裂隙常較發(fā)育，巖層透水性也好。同一裂隙含水層中，背斜軸部常較兩翼富水，傾斜巖層較平緩巖層富水，斷層帶附近往往格外富水。14第十一章 裂隙水 夾于塑性巖層中的薄層脆性巖層，往往發(fā)育密集而均勻的張開裂隙。 褶皺時(shí)，塑性巖層沿層面方向流展，對(duì)夾于其間的脆性巖層施加一個(gè)順層的拉張力，脆性巖層被拉斷而形成張裂隙。 脆性

9、巖層夾層越薄，抗拉能力越小，張開裂隙就越密集。這樣的夾層常是山區(qū)找水的理想布井層位。深度圍巖地溫巖石塑性裂隙張開性15第十一章 裂隙水 裂隙含水系統(tǒng)通常具有樹狀或脈狀結(jié)構(gòu)，一些大的導(dǎo)水通道作用突出，使裂隙水表現(xiàn)出明顯的不均勻性，有時(shí)表現(xiàn)出突變性。11.3 裂隙水流的基本特征 鉆孔或坑道如未揭露系統(tǒng)中的主干裂隙，由于次一級(jí)裂隙的集水能力有限，水量不大，只揭露微小裂隙時(shí)便基本無(wú)水。但一旦鉆孔或坑道揭露含水裂隙網(wǎng)的主干裂隙，就如在干渠中取水一般，廣大范圍內(nèi)裂隙網(wǎng)絡(luò)中的水便逐級(jí)匯于主干通道，出現(xiàn)相當(dāng)大的水量。 在同一裂隙巖層中打井或開挖坑道時(shí)，水量之所以相差懸殊，正是由于一個(gè)裂隙含水系統(tǒng)是不同級(jí)次裂隙

10、的集合體，而同一巖層中又可能包含著若干個(gè)規(guī)模不同互不聯(lián)系的裂隙含水系統(tǒng)的緣故。16第十一章 裂隙水例如: 北京西山侏羅紀(jì)變玄武巖是門頭溝煤系的底板。多年來(lái)在該層中掘進(jìn)時(shí)僅出現(xiàn)少量涌水，一直被看作相對(duì)隔水層或弱含水層。 1978年5月，城子煤礦開拓-250m水平南石門時(shí)，揭露了8條不大的破碎帶，涌水量出入意料地高達(dá)0.64m3/s。 經(jīng)地面及井下調(diào)查確定，涌水點(diǎn)位于本區(qū)次一級(jí)倒轉(zhuǎn)向斜軸部。此處應(yīng)力集中，裂隙普遍擴(kuò)容；坑道揭露的破碎帶依次貫通層面裂隙、其它組裂隙及細(xì)小的成巖裂隙，廣大范圍內(nèi)裂隙含水系統(tǒng)中的水逐級(jí)匯流，故而造成水量相當(dāng)大的坑道涌水。17第十一章 裂隙水a(chǎn)）裂隙水運(yùn)動(dòng)平面圖b）裂隙水運(yùn)

11、動(dòng)剖面圖c）孔隙水運(yùn)動(dòng)平面圖d）孔隙水運(yùn)動(dòng)剖面圖1-裂隙水2-砂3-地下水等水頭線（m）4-剖面中的地下水位5-包氣帶水流向6-飽水帶流向7-泉18第十一章 裂隙水 在整個(gè)巖體中，裂隙通道所占的空間的比例很低，一般為千分之幾至千分之十幾。 裂隙水流只發(fā)生在組成導(dǎo)水網(wǎng)絡(luò)的各裂隙通道內(nèi)，通道以外沒(méi)有水流，裂隙水的流場(chǎng)實(shí)際上是不連續(xù)的，滲流場(chǎng)的勢(shì)除了裂隙中的若干點(diǎn)外都是虛擬的； 水流被限制在迂回曲折的網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)動(dòng)，其局部流向與整體流向往往不一致，有時(shí)甚至與整體流向正好相反。 理解上述兩個(gè)特征在實(shí)際中具有很大意義，例如，在裂隙巖層中打兩個(gè)相距很近的鉆孔用來(lái)確定地下水的水力梯度、流向、流速等是非常不可靠的

12、。19第十一章 裂隙水1）裂隙水埋藏、分布不均勻。 由裂隙的不均勻造成。2）裂隙含水形態(tài)多重多樣。 層狀、帶狀、脈狀，網(wǎng)脈狀。3）地質(zhì)構(gòu)造對(duì)裂隙水的控制作用非常明顯。 即使是外力（風(fēng)化）作用下產(chǎn)生的裂隙，也多是沿著已有的構(gòu)造裂隙發(fā)展。4）基巖地下水的動(dòng)力性質(zhì)比較復(fù)雜。 裂隙的發(fā)育程度、大小、形態(tài)、充填情況不同，裂隙水的運(yùn)動(dòng)性質(zhì)（水壓力、流速等）均不同。裂隙水特征20第十一章 裂隙水11.4 裂隙介質(zhì)的研究方法11.4.1 等效多孔介質(zhì)方法定義：等效多孔介質(zhì)方法就是用連續(xù)的多孔介質(zhì)的理論來(lái)研究非連續(xù)裂隙介質(zhì)中的問(wèn)題。 不同之處：水頭分布、地下水流向、流速、孔隙水壓力等等效的前提：不要求兩個(gè)水動(dòng)力

13、場(chǎng)完全相似，只要求某些方面相近。例如，可通過(guò)調(diào)整多孔介質(zhì)的滲透系數(shù)K，使兩個(gè)系統(tǒng)的泉流量相等。黑箱系統(tǒng)結(jié)構(gòu)21第十一章 裂隙水 應(yīng)用條件：等效時(shí)含水系統(tǒng)的補(bǔ)、徑、排條件不能改變 等效是兩種介質(zhì)在特定功能上的等效，如上訴要求泉流量相等，實(shí)際上是要求介質(zhì)系統(tǒng)總體導(dǎo)水能力等效，其它方面未必等效。 圖a、b中，在兩個(gè)介質(zhì)系統(tǒng)相對(duì)應(yīng)的位置上打兩個(gè)取水井，按多孔介質(zhì)場(chǎng)分析可以取到一定數(shù)量的地下水，而在裂隙介質(zhì)場(chǎng)中的井則完全可能是一個(gè)干井。 裂隙介質(zhì)與多孔介質(zhì)本質(zhì)上存在差別，一些與介質(zhì)結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)存在密切關(guān)系的地下水參數(shù)（地下水水頭、孔隙水壓力、流速等）是難以等效的，大范圍內(nèi)導(dǎo)水能力等效是等效多孔介質(zhì)方法的最常

14、用原則。 適用范圍：求解大范圍的水量問(wèn)題22第十一章 裂隙水11.4.2 雙重介質(zhì)方法 未充分膠結(jié)的中粗粒砂巖、經(jīng)過(guò)溶蝕的灰?guī)r、白云巖等，存在兩種導(dǎo)水能力相差懸殊的空隙空間： 大空隙如裂隙、溶蝕裂隙、溶蝕孔隙等，導(dǎo)水能力比較強(qiáng)； 小空隙如原生孔隙、微小裂隙、溶蝕小孔等，導(dǎo)水能力很低，但為數(shù)眾多，貯存能力不可忽略。23第十一章 裂隙水11.4.2 雙重介質(zhì)方法 為了比較準(zhǔn)確地刻畫這一類介質(zhì)，可以分別用兩種等效的多孔介質(zhì)去近似代替大小兩種空隙，這種方法稱為雙重介質(zhì)方法。 在雙重介質(zhì)方法中，兩種空隙空間是分別刻畫的，各有自己獨(dú)立的參數(shù)（如滲透系數(shù)K、孔隙度n、給水度等），但兩種空隙存在水力聯(lián)系，可以

15、進(jìn)行水量交換。 如抽水引起地下水位下降，大空隙導(dǎo)水能力強(qiáng)而優(yōu)先釋水，在大空隙中形成低水頭，小空隙中的水流向大空隙。24第十一章 裂隙水11.4.3 非連續(xù)介質(zhì)方法 等效多孔介質(zhì)方法和雙重介質(zhì)方法都是宏觀地、粗略地處理裂隙介質(zhì)的方法，沒(méi)有詳細(xì)刻畫裂隙介質(zhì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。而有些水文地質(zhì)參數(shù)如地下水水頭、孔隙水壓力、流速等與介質(zhì)的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)存在密切關(guān)系。 為了準(zhǔn)確地計(jì)算這些參數(shù)，需要詳細(xì)地刻畫裂隙通道及其構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，只有非連續(xù)介質(zhì)方法才能夠滿足這一要求。它對(duì)裂隙網(wǎng)絡(luò)中每條具有實(shí)際導(dǎo)水意義的裂隙進(jìn)行精確地描述，包括每條裂隙的張開寬度、延伸長(zhǎng)度、產(chǎn)狀、中點(diǎn)坐標(biāo)，要求做出實(shí)測(cè)的裂隙網(wǎng)絡(luò)圖。25第十一章 裂隙水 目前常用于針對(duì)裂隙滲流本質(zhì)的理論研究，實(shí)際工作中主要用于需要確定孔隙水壓力與流速的情況。 適用：研究區(qū)域比較小、工作程度比較高的水文地質(zhì)