基岩裂隙水

定义

基岩裂隙水指埋藏、赋存于坚硬基岩裂隙中的地下水,是地下水按含水介质空隙性质分类时与孔隙水、岩溶水并列的一类^[4]。这类水以岩石中的节理、断裂破碎带、风化网状裂隙为储存空间和流动通道,与松散沉积物中的孔隙水相比,赋存空间不连续、不匀质^[1]。

按埋藏条件,基岩裂隙水可以是潜水,也可以是承压水,山区多为无压潜水,断裂破碎带深部或柔性岩层覆盖下的脆性岩层中则可呈承压状态^[2]。在中国的水文地质实践中,基岩裂隙水常与松散岩类孔隙水、碳酸盐岩类裂隙溶洞水并列,作为区域含水岩组划分的基本单元^[5]。

原理

基岩裂隙水的补给主要来自大气降水的垂直入渗,部分地段接受上覆第四系孔隙水的下渗补给,补给区与径流区往往重合^[6]。由于裂隙通道延伸方向受构造制约,径流路径一般较短,常就地补给、就地排泄,以泉、分散渗流的形式进入沟谷,动态随降雨呈明显季节变化^[7]。

在单条裂隙内部,层流条件下水流运动可由立方定律描述,单宽流量与裂隙开度的立方成正比:$q=\frac{gb^{3}}{12\nu}J$,其中 $b$ 为隙宽,$\nu$ 为水的运动黏滞系数,$J$ 为水力坡降^[8]。天然裂隙面粗糙、隙宽不等且多被充填,计算时需作粗糙度与连通率修正,或取等效水力隙宽^[9]。

把裂隙网络按方向分组统计后,岩体的透水性可用渗透系数张量表示,方向不同则渗透能力不同,这是裂隙水显示出显著各向异性的数学表达^[8]。据此发展出裂隙网络模型、等效连续介质模型和双重介质模型三类分析途径,分别适用于裂隙稀疏、网络密集以及岩块孔隙调蓄作用明显的情形^[10]。

发展历程

对裂隙水流规律的定量研究以单个裂隙的平行板模型为起点,此后苏联学者洛米捷、法国学者路易斯等通过室内试验验证了立方定律在层流条件下的适用性,并提出了紊流条件下的经验公式^[11]。20 世纪 60 年代以后,斯诺等人把单条裂隙的成果推广到裂隙组,提出用压水试验求取各向异性渗透系数张量的方法,裂隙岩体渗流逐步形成独立的理论分支^[8]。

中国学者在这一方向上开展了大量工作,田开铭通过非等宽、交叉裂隙的水力学试验提出交叉裂隙的偏流效应,并与万力合作系统总结了裂隙介质渗透性的评价方法;王恩志则提出了似双重介质渗流模型^[12]。在概念层面,廖资生 1998 年对地下水介质分类和基岩裂隙水概念作了系统梳理,指出按空隙类型划分的方案在地质实践中被中国、俄罗斯等国广泛采用^[13]。

应用

基岩裂隙水是基岩山区农村供水和分散式供水的主要对象。在缺水地区,勘查通常按水文地质调查、物探圈定断裂或蓄水构造、钻探验证、抽水试验的次序推进^[14]。例如太行山区 1∶5 万水文地质调查项目在河北阜平布置的探采结合井深 100 m,穿过第四系覆盖层后获取深层基岩裂隙水,涌水量达每天 1440 m³^[15];鲁中南基岩地区依据调查总结的找水模型施工供水钻孔 10 眼,总涌水量 7017.84 m³/d^[16]。

在矿山与工程建设中,基岩裂隙水既是供水水源,也是需要防治的对象。矿床充水通道多为构造裂隙与节理,富水断裂带附近的井巷可能出现涌水,风化裂隙带则常有滴水、渗水现象^[17]。工程上正是通过压水试验、抽水试验等手段测定渗透系数与单位涌水量,为矿井排水、隧道防渗和边坡稳定设计提供参数^[9]。

局限

基岩裂隙水的首要局限是分布极不均匀。裂隙发育程度、张开性与连通性在空间上变化很大,同一岩性在不同部位可分别赋存层状水与脉状水,富水地段与贫水地段往往相邻出现^[1]。脉状裂隙水各系统之间水力联系差,缺乏统一水位,水量小且水位、水量随季节变化大,难以支撑稳定的大规模供水^[2]。

其次是参数获取困难。裂隙开度和间距往往难以直接量测,渗透系数只能靠原位水力试验反求,而裂隙网络模型自由度过多、计算量大,在工程中较少直接采用;等效连续介质模型则在裂隙稀疏、代表性单元体积不存在时失效^[8]。

第三是流动规律本身的复杂性。裂隙水流并不总是服从达西定律,中宽裂隙在多数条件下偏离达西流,并存在饱和与非饱和交替;隙宽很小时,固壁吸附作用还会使水流呈现类似非牛顿流体的性质,立方定律随之失效^[11]。此外,风化裂隙带的厚度有限,一般为数米至数十米,其下未风化基岩构成隔水底板,含水系统的调蓄能力因此受限^[1]。

参见

• 裂隙水 —— 基岩裂隙水的上位概念,泛指赋存于各类岩石裂隙中的地下水

• 孔隙水 —— 与裂隙水并列的地下水类型,赋存于松散沉积物孔隙中

• 岩溶水 —— 赋存于可溶岩溶隙、溶洞中的地下水,常与裂隙水存在水力联系

• 渗透系数张量 —— 描述裂隙岩体各向异性透水能力的参数

• 蓄水构造 —— 基岩山区找水中控制地下水富集的构造单元

• 抽水试验 —— 测定裂隙含水层富水性与渗透性的主要现场试验