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地质和水文地质基础知识 提纲 地层 松散沉积物和岩石构造的划分 地下水的分类 水文地质参数 抽水试验 地下水超采区 资料的收集 一 地层 松散沉积物和岩石 1 1松散沉积物和沉积岩 松散沉积物通常主要指第四纪的松散沉积物 包括黄土 淤泥 耕土 砾石层 砂层 卵石层 粘土层等 松散沉积物经过成岩作用形成沉积岩 第四纪是法国地质学家德努尼尔所创 他按当时的科学水平把地球历史分为四个时期 第四纪是地球发展最近的一个时期 Q4 全新世 Q3 晚更新世 Q2 中更新世 Q1 早更新世 1 2岩浆岩 火成岩 岩浆在上升 运移过程中 不断冷凝固结成岩浆岩 岩浆岩分为喷出岩和侵入岩 岩浆岩符号 X 等 1 3变质岩 变质岩指原已存在的各种岩石 由于受构造运动 岩浆作用及地热流变化等作用 岩石的结构 构造 成分等发生了一系列变化形成的新岩石 泥岩 页岩 板岩 千枚岩 片岩 片麻岩 混合岩断层角砾岩 碎裂岩 超碎裂岩 玻化岩 断层泥石灰岩 大理岩 汉白玉 容易被酸雨腐蚀日本地质学家认为 翡翠在低温高压环境中形成 二 构造的划分 2 1断层 断层组合 断层与地震 汶川地震位于龙门山断裂带 属于青藏地震区 龙门山地震带 而三峡工程库区属于华南地震区 长江中游地震带 龙门山断裂带和三峡工程库区两者在区域构造上并无联系 三峡工程的蓄水不具有触发汶川大地震的条件 汶川大地震也不具备水库触发地震的特征 三峡水库蓄水与汶川地震毫无关系 在原来没有或很少地震的地方 由于水库蓄水引发的地震称水库地震 水库地震大都发生在地质构造相对活动区 且均与断陷盆地及近期活动断层有关 水库蓄水是引起岩体中应力集中和能量释放而产生地震的直接原因 水体荷载产生的压应力和剪应力破坏地壳应力平衡 引起断层错动 产生地震 2 2褶皱 背斜和向斜的判别背斜 两翼新 中间老 向斜 两翼老 中间新 三 地下水的分类 3 1潜水和承压水 潜水是饱水带中第一个具有自由表面的含水层中的水 潜水没有隔水顶板 或者只有局部的隔水顶板 承压水是充满两个隔水层 弱透水层 之间的含水层的水 3 2孔隙水 冲洪积平原 由暂时性的沟谷水流搬运的大量碎屑物质在沟谷出山口后 由于坡度的变化 水流的挟沙力降低而沉积下来形成的堆积物称为洪积物 形成的地貌多呈扇型 称为洪积扇 pl 洪积 al 冲积层 al pl 冲洪积层 3 2孔隙水 冲湖积平原 云梦泽横亘于湘鄂两省间 面积曾达4万平方公里 后由于长江泥沙沉积 云梦泽分为南北两部分 长江以北成为沼泽地带 此後有的小湖逐渐淤平 有的则有扩展 洪湖就是在清中叶以後迅速扩展成的大湖 长江以南称之为洞庭湖 80年代以来 西洞庭湖和南洞庭湖北部正向沼泽化演变 江汉盆地示意图 以长江从宜昌流出为例 3 3岩溶水 溶沟和石芽是地面流水沿岩石裂隙下渗过程中 溶解地表岩石形成的沟摺和脊状突起 沟槽为溶沟脊状突起为石芽 当溶沟不断加探 石芽增长 可形成巨形石芽 称石林 落水洞是地面流水沿裂隙下渗 溶解岩石所形成的与潜水面或地下溶洞相通的陡立深洞 溶蚀漏斗是分布于地表及浅处的碟状或漏斗状的溶蚀洼地 溶蚀和重力崩塌作用形成 溶洞在潜水面附近地下水作近水平方向运动 因而溶蚀作用沿水平方向发展 形成沿水平方向延伸的洞穴 称溶洞 随着岩溶作用的发育 溶洞不断扩大 最终其上部岩石在重力作用下发生大规模崩塌 形成岩溶盆地 在岩溶盆地内常残留在孤立分布的石灰岩锥伏山峥 称孤峰 通称峰林 3 4裂隙水 风化裂隙水 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风化裂隙 风化裂隙常在成岩裂隙与构造裂隙的基础上进一步发育 形成密集均匀 无明显方向性 连通良好的裂隙网络 风化营力决定着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压水 武当山 构造裂隙水 应力集中的部位 裂隙常较发育 岩层透水性也好 同一裂隙含水层中 背斜轴部常较两翼富水 倾斜岩层较平缓岩层富水 断层带附近往往格外富水 3 5地下水分类表 3 6泉水 根据补给泉的含水层的性质 可将泉分为上升泉及下降泉两大类 上升泉由承压含水层补给 下降泉由潜水或上层滞水补给 根据出露原因 下降泉可分为侵蚀泉 接触泉与溢流泉 沟谷切割揭露潜水含水层时 形成侵蚀 下降 泉 图a b 地形切割达到含水层隔水底板时 地下水被迫从两层触处出露成泉 这便是接触泉 图c 潜水流前方透水性急剧变弱 或隔水底板隆起 潜水流动受阻而涌溢于地表成F L这便是溢流泉 图d e f g 上升泉按其出露原因可分为侵蚀 上升 泉 断层泉及接触带泉 当河流 冲沟等切穿承压含水层的隔水顶板时 形成侵蚀泉 图h 地下水沿导水断层上升 在地面高程低于测压水位处涌溢地表 便成为断层泉 图i 岩脉或侵入体与围岩的接触带 常因冷凝收缩而产生隙缝 地下水沿此类接触带上升成泉 就叫作接触带泉 图j 四 水文地质参数 4 1渗透系数和达西公式 4 2给水度和贮水系数 承压含水层的贮水系数一般小潜水含水层1 3个数量级 五 抽水试验 5 1抽水孔和观测孔的布置 5 2地下水降落漏斗 5 3抽水试验注意事项 场地条件 保证供电等 抽水孔附近应有较好的排水条件 即抽出的水能无渗漏地排到抽水孔影响半径区以外 最好是分层抽水 并且是完整井抽水 这样可以准确得出不同层位的水文地质参数 勘探阶段多用多孔抽水试验 即带观测孔的单孔抽水试验 该种试验能完成抽水试验的各项任务 所得成果精度也较高 但成本一般较高 在布置带观测孔的抽水井时 要考虑尽量利用已有水井作为抽水时的水位观测孔 抽水试验前保证抽水孔水位处于天然状态 抽水孔附近不应有其他正在使用的生产水井或地下排水工程 抽水试验期间必须严格按照规则读数 尤其在抽水初期 水位下降很快 一人应当不停放线读水位 另一人不停读时间并记录 此外 还要有一人现场描点计算 一人读流量和观测孔的水位 六 地下水超采区 6 1监测和调查内容 地下水超采判定依据 地下水开采量超过可开采量 造成地下水水位持续下降 或因开发利用地下水引发了环境地质灾害或生态环境恶化现象 地下水超采区动态监测和调查内容 地下水水位监测 地下水开采量监测 人工回灌水量 水质调查 地下水水质监测 地面沉降量监测 地面塌陷调查 地裂缝调查 土地沙化调查 需要保护的名泉泉水流量监测 6 2各级浅层地下水 裂隙水和岩溶水超采区严重超采区的划分 年均地下水超采系数大于0 3 孔隙水年均地下水水位持续下降速率大于1 0m 裂隙水或岩溶水年均地下水水位持续下降速率大于1 5m 发生了地面塌陷 且100km2面积上的年均地面塌陷点多于2个 或坍塌岩土的体积大于2m3的地面塌陷点年均多于1个 发生了地裂缝 且100km2面积上年均地裂缝多于2条 或同时达到长度大于l0m 地表面撕裂宽度大于5cm 深度大于0 5m的地裂缝年均多于1条 发生了地下水水质污染 且污染后的地下水水质劣于污染前1个类级以上 或污染后的地下水已不能满足生活饮用水的水质要求 需要保护的名泉年均泉水流量衰减率大于0 1 济南的趵突泉 敦煌的月牙泉 荆门的龙泉 因地下水开发利用引发了海水入侵 咸水入侵和土地沙化现象 6 3各级深层承压水超采区严重超采区的划分 年均地下水水位持续下降速率大于2m 年均地面沉降速率大于l0mm 发生了地下水水质污染 且污染后的地下水水质劣于污染前1个类级以上 或污染后的地下水已不能满足生活饮用水的水质要求 6 4世界最大的超采区 在上世纪70年代 华北平原农村取水人工挖到地下十米八米 水就出来了 现在基本上到了40 50米 有的甚至超过100米才能见水 在过去50年中 华北平原大量开采地下水已经使地下水储存量减少约1300亿立方米 相当于200个白洋淀的水量 华北平原在14万多平方公里的区域上 形成了7万平方公里的大漏斗 这在已有的人类经验中是前所未有的 在水资源矛盾如此集中的条件下居然经济快速发展 农业生产活跃 养活了1亿多人口也是前所未有的 因此 出现在华北平原上水资源供需的严重势态 对其他国家来说是一种借鉴 世行 以及美德日意荷等国的科学家都曾先后到华北平原开展相关研究 6 5地面沉降的危害 我国70余城市地面沉降 上海发生最早危害最重 长三角地区因地面沉降所造成的直接和间接损失已经达到3150亿元 地面沉降造成的损失包括对建筑楼房 道路桥梁 地下管线等造成的损失 例如 上海过江隧道里的灯需要一两年换一次 即是由于地面下沉而造成的 2008年5月 鄂州市汀祖镇出现突发性地面沉降 总面积为1 5平方公里 原因主要是抽汲地下水引起 据勘查统计 受灾的居民有118户 其中53户人家房屋严重开裂 粘性土的释水会造成永久性沉降 砂砾石的释水可以部分恢复 6 5地面沉降的危害 6 7高铁对地下水的影响 中科院西安地球环境研究所的张拾迈教授得出 中国的地质不适合建高铁 的结论 认为在中国的地质条件下 高铁产生的夏尔谢夫力将导致严重的斯蒂芬金效应 引起群发性的地质灾害 夏尔谢夫力 是科里奥利力的一种特殊存在形式 由俄国铁路工程师夏尔谢夫于1903年发现并引起重视 由于地球的自转 任何移动中的物体都受到一个侧向的作用力 在北半球向右 在南半球向左 火车当然也不例外 在北半球会受到向右的力 对钢轨产生挤压 钢轨又将这种作用力传给地面 从而对地面产生一个向右的切向力 这个力就是夏尔谢夫力 车速越快 夏尔谢夫力就越大 早期火车速度慢 夏尔谢夫力并未严重到需要人们加以警惕的地步 然后随着火车速度越来越快 加之建铁路的地区地质条件千差万别 在特定条件下夏尔谢夫力终于量变产生质变 并引发斯蒂芬金效应 斯蒂芬金效应 系詹天佑的同门 耶鲁大学土木工程系毕业的年轻工程师斯蒂芬金发现的 1926年 斯蒂芬金考察落基山区的铁路线时 发现翻过山顶后高速冲下的火车 使得行车方向右侧的岩层 山崖发生断裂甚至小规模滑坡 这种地质破坏 正是因重力加速的火车产生的夏尔谢夫力引起的 而且这种破坏可以是 隔山打牛 型的 斯蒂芬金亲眼观察到与铁路线隔着数条河谷的山崖 在火车通过时产生了裂纹 因为地表岩土的刚性可以使夏尔谢夫力持续传递 远至数百公里以外 就像一粒高速运动的台球击中一列紧挨着排放的台球左侧 最右边的球却会被弹开一样 坚硬的地表岩土起到了那一列台球的作用 传递着夏尔谢夫力 直到遇到特定的地质结构使力无法继续传递 便在此时释放能量 造成地质破坏 夏尔谢夫力在一定条件下可以被山脉 峡谷等复杂地貌反射 折射而改变行进方向 使得追踪和研究它变得尤为复杂 斯蒂芬金效应并不总是造成严重的破坏后果 它的作用效果与当地的地貌 地质有着密切的关系 遍观全世界 建有高铁的大多数国家分布在西欧和日本 它们的地质和气候条件能让斯蒂芬金效应降到最低 从而适合高铁的建设 中国地质和气候条件决定了不宜照搬欧洲和日本的高铁方案 中国气候相对干燥少雨 夏季受副热带高压作用气温往往高于32度 微生物矿化速度快 加上近半个世纪来水土保持不佳 土壤沙化 板结 更是不利于土壤有机质的形成和积累 土质弹性低 无法起到降低夏尔谢夫力的作用 地球是个扁球体 纬度越低的地点地球半径越大 受到的夏尔谢夫力也就越大 日本和西欧建有高铁的地区比中国绝大多数地区的纬度高 如日本东京的纬度接近于中国济南 法国巴黎的纬度比满洲里还要北 而德国柏林的纬度 则相当于中国最北端的漠河 中国大部分地区地处低纬度 遇到的夏尔谢夫力之强是西方的高铁建设者们不曾遇到过的 2004年 当中国政府的代表与参加竞标的西门子集团洽谈高铁和动车技术引进时 德国人以近乎傻气的严谨和善意提醒到 贵国是否论证过高铁项目在地质灾害方面可能带来的风险 这种宁可自砸饭碗也要为客户的安全负责的态度 却被中国代表当作了耳边风 七资料的收集 7 1前人资料的收集 前人的地下水成果主要是报告和图件 报告包括 1 综合性水文地质调查成果主要包括区域性 综合目的的水文地质普查报告和具专门目的 如供水 矿床疏干等 的前期区域水文地质调查报告 2 专门性水文地质调查成果 主要是单项调查成果 如专门的水文地质测绘报告 大型抽水试验报告 地下水动态与均衡研究报告等 和某个勘探阶段的报告 如初勘