地质结构对地下水流动特性的影响研究

地质结构对地下水流动特性的影响研究

朱敏

江苏省地质工程有限公司 江苏 南京 210000

摘要：本文综述了地质结构对地下水流动特性的影响，探讨了不同地质条件下地下水流动的差异性及其原因。文章分析了地层岩性、断裂带和裂隙、以及层理和褶皱等地质结构对地下水流动特性的影响机制。通过对案例研究，进一步揭示了地下结构物对地下水流动特性的影响及其对城市地下水资源管理的重要意义。

关键词：地质结构；地下水流动；渗透性

引言：

研究地质结构对地下水流动影响的必要性源于地下水作为重要的水资源，在全球范围内受到日益严重的威胁。城市化进程中地下结构物的增多对地下水流场产生显著影响，导致水资源分布和流动特性发生变化。因此，深入研究地质结构对地下水流动特性的影响，不仅能够促进地下水资源的合理利用，还能够为城市规划和建设提供科学依据。

一、不同地质条件下的地下水流动特性

地下水流动特性在不同地质条件下呈现显著差异，这些差异由地下水的运动方式和分布特征体现。在多孔介质地质结构中，如砂、砂岩等，地下水主要通过孔隙间的连通路径流动，这类结构的渗透性较好，使得地下水可以较为自由地在地层中移动。渗透性高意味着地下水的补给和排泄过程较为顺畅，有利于地表水向地下水的转换以及地下水的垂直流动。相对而言，粘土、页岩等低渗透性地质条件下的地下水流动特性则大相径庭。在这些地质条件下，地下水的流动速度明显降低，因为水分子在通过微小孔隙和裂缝时受到更多的阻力。低渗透性材料不仅限制了水的流动速度，而且影响地下水的分布和存储。在这种条件下，地下水往往以薄层或孤立的水体形式存在，与周围的水体难以形成有效的连通。岩溶地质条件提供了一个截然不同的地下水流动环境。在这种地质结构中，地下水通过溶洞、裂缝等大型开放空间流动。岩溶区的渗透性由于这些较大的开放通道而显著提高，使得地下水能够快速移动，并且在地表与地下之间形成复杂的交换路径。然而，这种类型的地质结构也使得地下水系统对污染更加敏感，因为污染物可以通过大型开放通道迅速传播。

二、地质结构对地下水流动的影响机制

（一）地层岩性对渗透性的影响

地层岩性在决定渗透性方面扮演着关键角色，渗透性是指水分通过岩石的能力，直接影响地下水的流动特性。不同类型的岩石由于其矿物成分、结构和孔隙度的差异，展现出不同的渗透性能。在多孔介质岩石中，如砂岩、砾石层等，孔隙之间相互连通，提供了地下水流动的通道。这些岩石具有较高的孔隙度和渗透性，使得水分能够较为自由地在其中移动。岩土层的渗透系数是岩土勘察中一个非常重要的内容，也是分析不同降水方法的重要指标，其取值会在一定程度上影响岩土工程的整体规划设计。例如，在岩土工程建设中，通常都需要进行基坑的开挖，而为了保证基坑施工的顺利进行，在许多时候都需要进行降水工作，消除地下水对于基坑工程的影响，在这种情况下，岩土层渗透系数的作用就越发凸显。

岩石中孔隙的大小和形状决定了渗透率的高低，孔隙越大且越连通，岩石的渗透性越好。相比之下，密实的岩石如花岗岩和大理石等，其内部孔隙少且不连通，导致渗透性较低。这类岩石的孔隙主要由微裂缝构成，仅允许有限量的水分通过，从而大幅限制了地下水的流动。泥岩和粘土层等细粒沉积岩石具有极低的渗透性，这是因为它们的孔隙极其微小且几乎不连通。粘土颗粒的层状结构使得水分难以穿过，导致这些岩层对地下水的运动形成了强大的阻碍。地层岩性还影响地下水流动的各向异性，即在不同方向上渗透性的差异。例如，层状沉积岩石，如页岩，可能在平行于层面的方向上展现出较高的渗透性，而在垂直于层面的方向上渗透性则极低，这是因为水分更容易沿着岩石层面移动，而难以穿过岩石层。

（二）断裂带和裂隙对地下水流动路径的控制作用

断裂带和裂隙在控制地下水流动路径方面起着决定性作用。地质结构中的这些不连续性特征为地下水提供了新的流动通道，极大地影响了水的运动方式和分布范围。在密实或低渗透性的岩石中，断裂带和裂隙成为地下水流动的主要通道，有时甚至是唯一的通道。断裂带通常形成于岩石受到地质力作用，如构造运动或应力集中导致的岩石断裂，生成的空间可以大幅提高局部区域的渗透性。断裂带内部的裂缝和空隙构成了复杂的网络，使得地下水能够沿着这些预先设定的路径快速移动。相较于周围未受影响的岩石，断裂带中的渗透性通常要高得多，因此，在地下水流动和资源评估中，识别和理解这些断裂带的分布与特性变得至关重要。裂隙的存在同样对地下水流动有着显著影响。裂隙可以是自然形成的，如由岩石内部应力差异导致的裂纹，也可以是由于人类活动引起的，如采矿和地下工程作业。这些裂隙不仅提供了地下水流动的通道，还影响了水在地下的分布。裂隙的大小、形状、分布和连通性决定了其对地下水流动的影响程度。宽广且互相连接的裂隙系统可以形成高效的地下水输导系统，而细小且分散的裂隙可能对地下水流动的影响较小。在某些情况下，断裂带和裂隙还可以形成地下水的储存区域，这些区域通常被称为岩溶水或裂隙水体。地下水在这些特定的地质环境中可以积聚，形成重要的水资源。

（三）层理、褶皱等地质结构特征对地下水流动的影响

层理和褶皱等地质结构特征对地下水流动产生了显著影响，通过改变岩石的物理属性和空间布局，间接控制了水的运动路径和速率。层理，指的是岩石沉积时形成的层状结构，这种结构在沉积岩中尤为常见。层理不仅反映了沉积环境的变化，也决定了岩石的渗透性特点。水通常沿着层理较为容易移动，因为沉积层间可能存在微小空隙或不连续面，这些都为地下水提供了流动的通道。然而，层理的连续性和均匀性不同，会导致渗透性在不同层间变化，形成地下水流动的优势通道或屏障。褶皱是地层在地质力作用下发生弯曲的结构，常见于变质岩和沉积岩中。褶皱的形成增加了岩石的结构复杂性，对地下水流动的影响表现在两个方面：一方面，褶皱结构可以创造新的裂缝和空隙，为地下水流动提供路径；另一方面，褶皱也可能导致岩石密实，减少孔隙空间，从而抑制地下水的流动。特别是在褶皱的核心区域，岩石受压紧密，渗透性可能显著降低。层理和褶皱的组合作用进一步增加了地下水流动模式的复杂性。层理的倾斜和褶皱的形态可以引导地下水沿特定方向流动，形成复杂的地下水流系统。例如，褶皱的顶部和翼部可能因为裂缝发育而成为地下水流动的优势区，而褶皱核心则可能形成相对封闭的水体。

三、案例研究

以某地质工程公司为例，他们采用数值方法基于单元中心有限差分法软件Visual MODFLOW进行了研究。这项研究主要关注单层土层中地下结构物对地下水流场的影响。研究发现，地下结构物，如地铁车站，不仅能够影响地下水流场的稳定时间，还会导致迎水面水位上升和背水面水位下降，其中对背水面的影响程度大于迎水面。此外，地下结构物左右侧上下游之间的水位差也是影响地下水流动的一个重要因素。这一发现对于理解和预测城市地下建设对地下水资源的潜在影响具有重要意义。它不仅揭示了地下结构物如何改变地下水流动特性，还提供了一个评估和管理地下水资源的有效工具，特别是在城市化进程中。这种研究对于保护地下水资源、规划城市建设和预防地下水相关问题具有重要的实际应用价值。通过这个案例，我们可以看到地质结构特征，特别是地质结构对地下水流动特性的影响是显著的。它强调了在进行城市规划和建设时，需要考虑地下水资源的保护和合理利用。因此，对于勘察人员而言，应该结合地下水对工程的影响，切实做好地质工程中地下水的勘察工作，明确现场勘察要点，保证勘察结果的完整性、准确性和可靠性，为工程的规划和建设提供良好的参考依据。

四、结语

通过对不同地质结构对地下水流动特性影响的研究，我们认识到地质结构的复杂性及其对地下水运动的重要作用。地层岩性、断裂带和裂隙、层理和褶皱等因素共同决定了地下水流动的模式和特性。特别是在城市化进程中，人类活动对地下水流动特性的影响日益显著，地下结构物的存在改变了自然地质环境，对地下水流场产生了重要影响。因此，科学理解和评估这些影响，对于保护地下水资源、合理规划城市建设至关重要。

参考文献：

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[2]李文龙.水文地质勘查在地下水环境影响评价中的应用研究[J].中文科技期刊数据库(全文版)工程技术,2022(3):4.