水文地质学基础第十一章课件

水文地质学基础Fundamentals of Hydrogeology第十一章第十一章 裂隙水裂隙水11.1 11.1 概述概述11.2 11.2 裂隙水的类型裂隙水的类型11.3 11.3 裂隙介质及其渗流裂隙介质及其渗流11.4 11.4 裂隙介质的研究方法裂隙介质的研究方法11.5 11.5 断裂带的水文地质意义断裂带的水文地质意义11.1 11.1 概概 述述坚硬基岩在应力作用下产生各种裂隙：成岩裂隙成岩裂隙构造裂隙构造裂隙风化裂隙风化裂隙基岩裂隙的特征：基岩裂隙的特征：裂隙率较低；裂隙率较低；分布很不均匀；分布很不均匀；在空间上的展布具有明显的方向性；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层中某些局部范围内连通构成若干带状或脉若干带状或脉状裂隙含水系统状裂隙含水系统。裂隙水的一般特征：裂隙水的一般特征：分布特征：分布特征：裂隙水分布不均；裂隙水分布不均；裂隙水的分布既有层状，又有脉状：裂隙水的分布既有层状，又有脉状：层状裂隙水层状裂隙水：裂隙水层状分布，具有良好的：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；水力联系和统一的地下水面，称为层状裂隙水；脉状裂隙水脉状裂隙水：发育不均，连通性差的脉状含：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，称脉状水系统，水力联系差，无统一的地下水面，称脉状裂隙水。裂隙水。裂隙水的分布和富集受构造控制裂隙水的分布和富集受构造控制运动特征运动特征 运动状况复杂，呈明显的各向异性；运动状况复杂，呈明显的各向异性；有局部承压现象；有局部承压现象；运动速度不大，多呈层流状态，在宽运动速度不大，多呈层流状态，在宽大的裂隙中也可呈紊流状态。大的裂隙中也可呈紊流状态。11.2 11.2 裂隙水的类型裂隙水的类型不同成因裂隙中的地下水不同成因裂隙中的地下水成岩裂隙水成岩裂隙水风化裂隙水风化裂隙水构造裂隙水构造裂隙水（一）（一）成岩裂隙水成岩裂隙水成岩裂隙的概念：成岩裂隙的概念：岩石在成岩过程中岩石在成岩过程中受内部应力作用而产受内部应力作用而产生的生的原生裂隙原生裂隙。沉积岩沉积岩固结脱水、固结脱水、岩浆岩岩浆岩冷凝收缩等均冷凝收缩等均可产生成岩裂隙。可产生成岩裂隙。成岩裂隙水的水文地质意义：成岩裂隙水的水文地质意义：沉积岩及深成岩浆岩沉积岩及深成岩浆岩的成岩裂隙通常多是闭的成岩裂隙通常多是闭合的，合的，含水意义不大含水意义不大。喷出岩、侵入岩的成岩裂隙喷出岩、侵入岩的成岩裂隙具有水文地质意具有水文地质意义义（二）（二）风化裂隙水风化裂隙水风化裂隙的概念：风化裂隙的概念：暴露于地表的岩石暴露于地表的岩石 ，在温度变化和水、空气、，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。生物等风化营力作用下形成风化裂隙。风化裂隙的特征：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，常在成岩裂隙与构造裂隙的基础上进一步发育，形成形成密集均匀密集均匀、无明显方向性无明显方向性、连通良好的裂隙网连通良好的裂隙网络络。风化裂隙的控制因素：风化裂隙的控制因素：风化裂隙的发育受风化裂隙的发育受岩性岩性、气候气候及及地形地形的控制。的控制。单一稳定的单一稳定的矿物组成矿物组成的岩层（如石英岩）风化的岩层（如石英岩）风化裂隙很难发育。裂隙很难发育。泥质岩石泥质岩石虽易风化，但虽易风化，但裂隙易被土状风化物裂隙易被土状风化物充填而不导水。充填而不导水。粗粒结晶岩粗粒结晶岩（花岗岩、片麻岩等），多种矿（花岗岩、片麻岩等），多种矿物组成，不同矿物热胀冷缩不一，物组成，不同矿物热胀冷缩不一，风化裂隙发育，风化裂隙发育，风化裂隙水主要发育于此类岩石中。风化裂隙水主要发育于此类岩石中。v风化营力风化营力决定着决定着风化裂隙层呈壳状包裹于地面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，故对隔水底板，故风化裂隙水一般为潜水风化裂隙水一般为潜水，被后期沉，被后期沉积物积物覆盖的古风化壳可赋存承压水覆盖的古风化壳可赋存承压水。风化裂隙水的特征：风化裂隙水的特征：a.a.多为潜水，埋藏浅，成层分布，水力联多为潜水，埋藏浅，成层分布，水力联系较好，具有统一的地下水面；系较好，具有统一的地下水面；b.b.分布、动态受气候、岩性、地形等因素分布、动态受气候、岩性、地形等因素的影响；的影响；c.c.分布广泛，水质较好，易于开采，但一分布广泛，水质较好，易于开采，但一般水量不大。般水量不大。（三）（三）构造裂隙水构造裂隙水构造裂隙：构造裂隙：在地壳运动过程中，岩石在地壳运动过程中，岩石在构造应力作用下在构造应力作用下产生的裂隙产生的裂隙。最常见、分布范围最广、在一定条件下大量最常见、分布范围最广、在一定条件下大量富集。富集。构造裂隙水：构造裂隙水：具有强烈的具有强烈的非均匀性非均匀性、各向异性各向异性、随机性随机性等等特点。特点。构造裂隙的特征：构造裂隙的特征：张开宽度、延伸长度、密度以及导水性张开宽度、延伸长度、密度以及导水性等在很等在很大程度上大程度上受岩层性质受岩层性质（岩性、厚度、相邻岩层的组（岩性、厚度、相邻岩层的组合等）合等）的影响的影响。塑性岩石塑性岩石中常形成中常形成闭合乃至隐蔽的裂隙闭合乃至隐蔽的裂隙。脆性岩石脆性岩石中构造裂隙一般比较中构造裂隙一般比较稀疏，但张开性稀疏，但张开性好、延伸远，具有较好的导水性好、延伸远，具有较好的导水性。沉积岩的裂隙发育情况沉积岩的裂隙发育情况与与胶结物成分胶结物成分及及颗粒的粒度颗粒的粒度有一定的关系：有一定的关系：钙质胶结钙质胶结显示脆性岩石特性；显示脆性岩石特性；泥质及硅质胶结泥质及硅质胶结的与塑性岩石相近。的与塑性岩石相近。粗颗粒的砂砾岩粗颗粒的砂砾岩裂隙张开性优于细粒的裂隙张开性优于细粒的粉砂岩。粉砂岩。云南永仁三叠纪云南永仁三叠纪煤系地层：煤系地层：自南向北岩性自南向北岩性由由砾岩砾岩、粗砂岩粗砂岩渐渐变为变为细砂岩；细砂岩；裂隙率裂隙率、裂隙宽裂隙宽度度及钻孔及钻孔涌水量涌水量由大由大变小。变小。构造裂隙的特点：构造裂隙的特点：具有具有明显而又比较稳定的方向性明显而又比较稳定的方向性，这种方向性主要由，这种方向性主要由构构造应力场造应力场控制，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。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一般在一个地区岩层中主要裂隙可划分为3-53-5组。组。层面裂隙的特征层面裂隙的特征：层面裂隙比较层面裂隙比较密集的岩层中的应力分布比较均匀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。当层面裂隙较稀疏时，岩层中应力往往集中释放。层面裂隙的多少层面裂隙的多少取决于岩层的取决于岩层的单层厚度单层厚度，单层越薄，单层越薄，层面裂隙越密集。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）。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：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：从岩性上分析：塑性岩石，常形成闭合细微裂隙构成隔水层；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；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。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：从岩石所受的应力来看：张性裂隙张性裂隙张开性好，为导水裂隙；张开性好，为导水裂隙；剪性裂隙剪性裂隙平整闭合，一般不导水；平整闭合，一般不导水；压性裂隙压性裂隙挤压强烈，一般为隔水裂隙。挤压强烈，一般为隔水裂隙。11.3 11.3 裂隙介质及其渗流裂隙介质及其渗流（一）（一）裂隙及裂隙网络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一个独立的裂隙可以看作两壁之间的一个窄缝（图图a a），在自身所在平面的两个方向上延伸较），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。长，而在第三个方向上延伸很短。单个裂隙单个裂隙只有只有不同方向的裂隙相互交切构成一个导水网不同方向的裂隙相互交切构成一个导水网络络时，才能在一定范围内具有传输地下水的功时，才能在一定范围内具有传输地下水的功能。能。裂隙网络裂隙网络 （二（二 ）裂隙水流的基本特征裂隙水流的基本特征 裂隙含水系统：裂隙含水系统：具有具有树状树状或或脉脉状结构状结构，一些大的导水通道作用突出，使裂隙水表一些大的导水通道作用突出，使裂隙水表现出明显的现出明显的不均匀性不均匀性，有时表现出，有时表现出突变突变性性。裂隙水流裂隙水流只只发生在发生在组成导水网络的各组成导水网络的各裂隙通道内裂隙通道内，通常，通常以外没有水流，以外没有水流，裂裂隙水的流场隙水的流场实际上实际上是是不连续的不连续的，渗流，渗流场的势除了裂隙中场的势除了裂隙中的若干点外都是虚的若干点外都是虚拟的；拟的；裂隙水运动平面图裂隙水运动平面图裂隙水运动剖面图裂隙水运动剖面图水流被限制在曲水流被限制在曲折的网络中运动折的网络中运动，其其局部流向与整局部流向与整体流向往往不一体流向往往不一致致，甚至与整体，甚至与整体流向正好相反。流向正好相反。孔隙水运动平面图孔隙水运动平面图孔隙水运动剖面图孔隙水运动剖面图11.4 11.4 裂隙介质的研究方法裂隙介质的研究方法裂隙介质渗流研究方法的分类：裂隙介质渗流研究方法的分类：等效多孔等效多孔介质方法介质方法 双重双重介质方法介质方法 非连续非连续介质方法介质方法（一）（一）等效多孔介质方法等效多孔介质方法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。续裂隙介质中的问题。v非连续的裂隙含水系统：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。裂隙水流运移于曲折的裂隙网络中，研究困难很大。虚拟虚拟一个等效的多孔介质场一个等效的多孔介质场来来近似代替近似代替复杂的裂隙介质复杂的裂隙介质场。场。真真实实的的裂裂隙隙介介质质场场与与虚虚拟拟的的孔孔隙隙介介质质场场所所控控制制下下的的两两个个地地下下水水流流场场在在整整体体上上明明显显不不同同，如如水水头头、流流向向、流速、孔隙水压力等均存在明显的差别。流速、孔隙水压力等均存在明显的差别。但但仍仍可可用用虚虚拟拟的的介介质质来来近近似似代代替替真真实实的的裂裂隙隙介介质质，不不要要求求两两个个水水动动力力场场完完全全相相似似，只只要要求求某某些些方方面面相相近近。例例如如，可可通通过过调调整整多多孔孔介介质质的的渗渗透透系系数数K K，使使两两个个系系统统的的泉泉流流量量相相等等。这这时时称称这这个个孔孔隙隙介介质质为为裂裂隙隙介质的等效多孔介质。介质的等效多孔介质。等等效效多多孔孔介介质质方方法法具具有有比比较较严严格格的的应应用用条条件件。等等效效时时含含水水系系统统的的补补、径径、排排条条件件不不能能改改变变，如这些条件变化，等效便不再成立；如这些条件变化，等效便不再成立；等等效效是是两两种种介介质质在在特特定定功功能能上上的的等等效效，像像上上面面要要求求泉泉流流量量相相等等，实实际际上上是是要要求求介介质质系系统统总体导水能力等效总体导水能力等效，其它方面未必等效。，其它方面未必等效。（二）（二）双重介质法双重介质法有些介质有些介质（如未充分胶结的中粗粒砂岩、经过溶（如未充分胶结的中粗粒砂岩、经过溶蚀的灰岩、白云岩等），蚀的灰岩、白云岩等），存在两种导水能力相差存在两种导水能力相差悬殊的空隙空间悬殊的空隙空间。其中的其中的大空隙大空隙（如裂隙、溶蚀（如裂隙、溶蚀裂隙、溶蚀孔隙等）裂隙、溶蚀孔隙等）导水能力较强导水能力较强；小空隙小空隙（如（如原生孔隙、微小裂隙、溶蚀小孔等）原生孔隙、微小裂隙、溶蚀小孔等）导水能力很导水能力很低低，但为数众多，贮存能力不可忽略。，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，可以分别为了比较准确地刻画这一类介质，可以分别用用两两种等效的多孔介质近似代替大小两种空隙种等效的多孔介质近似代替大小两种空隙，这种，这种方法称为双重介质方法方法称为双重介质方法。在双重介质法中，在双重介质法中，两种空隙空间是分别刻画的两种空隙空间是分别刻画的，各，各有自己独立的参数有自己独立的参数(如渗透系数如渗透系数K K、孔隙度、孔隙度n n、给水度、给水度等等)，但两种空隙存在水力联系，可以进行水量交换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（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）。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。行了分别的描述。（三）（三）非连续的介质法非连续的介质法等效多孔介质法等效多孔介质法和和双重介质法双重介质法都是都是宏观、宏观、粗略粗略地处理裂隙介质的方法，地处理裂隙介质的方法，没有详细刻没有详细刻画裂隙介质的内部结构画裂隙介质的内部结构。而有些而有些水文地质参数水文地质参数（如水头、孔隙水压（如水头、孔隙水压力、流速等）力、流速等）与介质的结构细节存在密切与介质的结构细节存在密切的关系。的关系。为准确计算这些参数，需要详细地刻画裂隙通道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。及其构成的网络，则用非连续的介质方法。非连续的介质法非连续的介质法对裂隙网络中每条具有实际导水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意义的裂隙进行精确地描述，包括每条裂隙的，包括每条裂隙的张张开宽度开宽度、延伸长度延伸长度、产状产状、中点坐标中点坐标，并要求作，并要求作出实测的裂隙网络图。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：非连续介质方法的优缺点及其适用范围：优点：优点：可可准确计算出裂隙网络内任意一点准确计算出裂隙网络内任意一点的的水头水头、孔隙水压力孔隙水压力、渗透速度渗透速度、流量等流量等，是研究裂隙渗流，是研究裂隙渗流的一种比较理想的方法。的一种比较理想的方法。缺点：缺点：对实际资料要求很高，计算复杂，要求用电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。网络模拟或计算机模拟。常用于：常用于：针对裂隙渗流本质的理论研究，实际工作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。中主要用于需要确定孔隙水压力与流速的情况。适用于：适用于：研究区域较小、工作程度较高的问题研究区域较小、工作程度较高的问题(如岩如岩体高边坡稳定性、地下硐室围岩稳定性等体高边坡稳定性、地下硐室围岩稳定性等)研究。研究。实际工作中三种方法的选用：实际工作中三种方法的选用：大范围的流量问题大范围的流量问题可可采用等效多孔介质方法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若介质中存在两种导水能力相差悬殊的空隙，可，可采用双重介质方法采用双重介质方法。小范围的以求解孔隙水压力、流速为主的问题小范围的以求解孔隙水压力、流速为主的问题可可采用非连续介质方法采用非连续介质方法 11.5 11.5 断裂带的水文地质意义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，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，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。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，控制着断层的导断层两盘的岩性及断层力学性质，控制着断层的导水水贮水特征；贮水特征；同一条断层，由于两盘岩性、力学性质的变化，不同一条断层，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；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，导水断层带是有特殊水文地质意义的水文地质体，可以起到可以起到贮水空间、集水廊道、导水通道贮水空间、集水廊道、导水通道的作用；的作用；发育于透水围岩中的导水断层，既是贮水空间，还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；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；贮水空间、集水廊道、导水通道的功能；42写在最后写在最后成功的基础在于好的学习习惯成功的基础在于好的学习习惯The foundation of success lies in good habitsThe foundation of success lies in good habits谢谢聆听谢谢聆听 学习学习就是就是为了达到一定目的而努力去干为了达到一定目的而努力去干,是是为一个目标为一个目标去战胜各种困难的过程去战胜各种困难的过程,这个过程会充满压力、痛苦和这个过程会充满压力、痛苦和挫折挫折Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard,Is A Process To Overcome Various Learning Is To Achieve A Certain Goal And Work Hard,Is A Process To Overcome Various Difficulties For A GoalDifficulties For A Goal