断层透水性工程地质评价_韩爱民

2002年

第　1　期南京建筑工程学院学报JournalofNanjingArchitecturalandCivilEngineeringInstituteSumNo.60文章编号:1003-711X(2002)01-0021-05

断层透水性工程地质评价

韩爱民,　白玉华,　孙家齐

(南京工业大学土木学院,江苏南京210009)

　　摘　要:断层涌水常给工程带来危害。文中在基岩裂隙透水性基本特征分析的基础上,

从被断岩石性质、断层力学特征、断层伴生构造等5个方面讨论其影响因素。这对工程勘察工

作中突水预报具有实际意义。

　　关　键　词:突水预报;裂隙透水性;阻水断层;导水断层

　　中图分类号:TU195　　文献标识码:A

　　基岩裂隙水是重要的淡水资源,但另一方面它又常常成为基岩山区建设的一大危害。基坑、隧道等地下开挖中遇到的涌水问题大多与基岩裂隙水,尤其是断层带涌水有关。工程地质勘察工作中,如何评价断层的透水性仍然具有实际意义。

1　断层透水性与断层涌水

岩体水文地质结构研究中一般将断层型水文地质结构按地下水流是否沿断层带流动而进一步划分为断层导水亚型与断层阻水亚型[1]。断裂带透水性好,往往断裂带本身就是地下水的储集场所,而当断层与某种含水层有水力联系时就成为地下水传输通道。断裂带透水性差成为阻水断层,而某些阻水断层十分发育的旁侧伴生构造裂隙往往成为储水场所。当工程开挖遇到上述情况就可能发生涌水。所以导水断层和阻水断层的不同部位都可能引起涌水,根据资料报导,其中导水断层特别是与某含水层有水力联系时引起的涌水量大,造成的危害严重[1]。　　断层裂隙水绝大部分以裂隙渗流的形式进行径流运动。但不少研究者[2]注意到断层带地下水也具有孔隙渗流的特点。拉姆(1932年)、马斯凯特(1937年)、休依斯(1956年)、帕森斯(1966年)等人先后进行裂隙渗透性实验[3]证实,裂隙水流量与裂隙宽度的立方以及与平行流动方向的压力梯度成正比。在孔隙渗流情况下,由泰兹定律及其扩展形式可知渗透系数与孔隙直径的平方成正比,显然孔隙的尺寸大小是重要影响因素。由上述可知断裂带透水性主要取决于构造裂隙的张开度、延伸性和贯通性等特征,而两盘岩石及断层带岩的空隙大小等也是影响断层透水性的原因。

⒇　收稿日期:2001-02-18:(,,,.

综合考虑影响断裂带透水性以及可能引起断层涌水的各种地质因素主要有以下几个方面:①断层两盘岩石性质;②断层的力学性质、时代、规模;③断层破碎带特点;④地下径流特征。

2　影响断层透水性的因素

2.1　断层围岩介质性质

在构造破坏强度相同的情况下,不同性质岩石裂隙发育特点各不相同。泥岩、页岩、凝灰岩、千枚岩等塑性岩层构造裂隙发育、密度大,但通常是闭合或隐蔽的裂隙,延伸性差,地下水难以储集和传导。石英岩、石英砂岩以及大多数侵入岩构造裂隙发育虽较页岩等稀疏,但张开度好,延伸长度大,储集和传导地下水性能好。石灰岩等易溶岩石构造裂隙张开度、延伸性好,并常有喀斯特发育。可溶性岩石中发育的溶孔、溶隙、溶洞含有丰富的地下水,当与断层裂隙组合在一起时构成复杂的含水系统,工程开挖时极易发生涌水事故。

　　中粒至粗粒碎屑沉积岩,砾岩粗砂岩的裂隙率、张开度优于细砂岩;泥质胶结砂岩裂隙发育特征与页岩相似;钙质、硅质胶结砂岩与石英砂岩类似。

2.2　断层的力学性质、时代与规模

不同应力状况下形成的断层,构造裂隙发育特点不同。从张性断层→扭性断层→压性断层,裂隙张开度由大到小直至闭合。张性断层常为导水断层,如图1所示,CK2孔打穿张性断层带出水量大;CK1孔打在断层下盘花岗岩中,出水量是CK2孔的1/65[1]。压性断层因形成于挤压应力条件,节理裂隙基本紧闭所以常为阻水断层。如图2所示,钻孔打穿压性断层,位于断层上盘的23.5m深至压性断裂带这一段伴生张性裂隙发育成为储集地下水的富水段,而位于压性断层带范围的65.5m～97.0m范围内,裂隙紧闭几乎不含水[1]。扭性断层带构造裂隙发育情况介于张性与压性之间,其中张扭性断层裂隙张开度大,压扭性断层裂隙张开度小。

断裂带裂隙张开度还受到断层面正应力大小的影响。断层面上正应力大小直接与深度有关,随着深度增加断层面所受到的静水压力增大,因而在地下一定深处因静水压力裂隙全部闭合,裂隙渗流也随之终止。此外不同方向不同序次断裂分支复合部位以及两条断层的交切带往往是地下水储集场所。在这种地段工程开挖时应特别注意断层涌水。

　　断层活动时代及活动性与断层裂隙水

的关系很早就引起地质学家的关注[5,6,7],我

国著名水文工程地质专家罗国煜教授提出

的老、新、活三类断裂及优势面找寻地下水

理论[8,9],尤具重要意义。新构造断裂由于活

动时代新,活动性强,断裂裂隙胶结封闭程

度差,有利于地下水的储集与传导。工程勘

察工作中断层活动年代可以通过热释光法、

碳-14法直接测出或根据被切断最新地层年图1　导水断层(福建)[2][2,4]

代进行间接推断。根据地质力学研究,新构①花岗岩;②石英正长斑岩;③断层角砾岩;④第四系;

[10]造断裂有明显的方向性。中国东部(东经⑤全风化带界线

105°～145°)新华夏构造体系主干构造为NNE向压扭性构

造(逆时针水平扭动),配套构造为NWW向张性构造,

NNW向张扭性和NEE向压扭性构造。图3表示肖楠森、罗

国煜、张文佑对中国大陆内部新第三纪以来主要活动性新

构造断裂的方向及组合特征的认识[5]。由上述可知,尽管各

家对新构造断裂配套组合形式有不同认识,但却一致认为

新构造断裂的走向是:NNE、NWW、NNW、NEE四组。这有

助于在实际工作中判断确定新构造断裂进而密切注意其涌

水的可能性。

断层规模一般指断裂带的宽度与断层延伸长度。规模

大的张性断层导水性能好,规模大的阻水断层阻水性能强,

因而断层规模与其导水性或是阻水性皆呈正相关。

2.3　断层破碎带特点

2.3.1　断层岩图2　阻水断层(福建)[2]

①第四系;②花岗岩;③岩脉;④压性断层岩的特点首先与断层性质有关。一般张性断层岩断层疏松裂隙张开,压性断层变形强烈挤压紧闭,扭性断裂介于

二者之间。这些特点都影响断层透水性。

断层岩的性质还取决于断层两盘岩石性质。一般脆性岩层断层岩碎粒空隙大,透水性好。而塑性岩层如页岩等因断层两盘相对位移而拖曳挤入充填于断层带,使其具有阻水性能。一般阻水性与塑性岩层的厚度成正比,而与塑性岩层的距离成反比,即随远离塑性岩层,断层带中塑性物质减少,阻水性能也减少

。

图3　中国大陆主要新构造断裂方向及组合特征[1]

2.3.2　断层伴生构造

主要包括旁侧裂隙、变形条带与拖曳褶皱等。一般压性断层伴生裂隙构造最为发育并往往成为地下水储集场所。对于同一条断层而言,上盘较下盘旁侧裂隙发育、岩层破碎程度高。硬脆岩石和层理发育岩石所在断层盘裂隙也相对发育。这些都可以作为断层涌水判断标志。

某些断层,特别是形成时代较老的断层,常发育有变形条带[4],它是由微裂隙两侧岩石位移变形、重结晶细粒化胶结而成。一般距断层距离越近,变形条带越密集。虽然每条变形条带宽仅几毫米,但它们所形成的密集带却对地下水裂隙渗流起到屏蔽作用。据油气运移方面研

24南京建筑工程学院学报　　　　　　　　　　　　　2002年究,变形条带内孔隙度要降低1个数量

级,而石油与水混合流体的渗透率要降

低1～2个数量级[11](见图4)。因此断层

旁侧密集分布的变形条带,特别是当密

集带发育的宽度较大时往往可以作为阻

水断层的标志。

2.4　地下水径流特点

在缺乏有关地下水径流研究资料

时,可通过地貌标志(地形及分水岭和河

流、湖泊、水塘等相对分布位置)对地下

水径流方向进行粗略判断。地下水径流

特点的影响主要表现在:当断层走向与

地下水流向垂直时,阻水断层上游侧断

层伴生裂隙内往往有地下水储集,而以图4　垂直变形条带的孔隙度和渗透率阻水断层倾向上游时地下水最为富集;

当断层走向与地下水流向平行时在其下游段有利部位储集。

3　总　结

在分析各项影响因素后,可以认为在工程开挖过程中易于发生涌水的断层一般有以下特征:

1)张性、张扭性断层易于发生涌水,压性断层倾向地下水径流方向上游时,其上盘旁侧裂隙亦易于发生涌水;

2)发生在脆性岩石中的断层比发育在塑性岩石中的易于发生涌水。而对于岩溶区(段)的断层或可能与岩溶地下水有水力联系的导水断层尤其应予密切注意;

3)新构造断裂由于活动性强、闭合程度差易于发生涌水,老断层特别是当发育有密集变形条带时则不易涌水。

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EngineeringGeologicalEvaluationforFaultPermeability

HANAi-min,　BAIYu-hua,　SUNJia-qi

(CollegeofCivilEngineering,NanjingUniversityofTechnology,Nanjing210009,China)

　　Abstract:Watergushingalongfaultisahazardtosomeundergroundengineeringexca-vations.Basedontheanalysisoffracturepermeability,thispaperdiscusestheaspectseffect-edbysuchfivefactortofaultpormeabilityas:propertiesoffracturedrocks,faultmechanicalcharacteristics,accompanimentsofthefault,andsoon.Itisofpracticalsignificancetofore-castthewatergushinginengineeringgeologyinvestigation.

Keywords:forecastofwatergushing;fracturepermeability;waterresistantfault;water-

conductivefault