水化學(xué)及同位素技術(shù)在某鐵路深埋巖溶隧道中的應(yīng)用

劉 昭 李 曉 龐 練

(成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院,四川成都 610059)

由于地形地貌多樣、地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜并且可溶巖分布廣泛等特色性問題,鐵路修建中深埋特長(zhǎng)巖溶隧道是一大難題。而研究天然水化學(xué)及同位素特征對(duì)地下水系統(tǒng)劃分、地表水與地下水的水力聯(lián)系、隧道涌水量計(jì)算等有重要的參考價(jià)值。

1 研究區(qū)自然地理概況

某隧道全長(zhǎng)10 534 m,進(jìn)口路肩高程837 m,出口路肩高程1 023 m,最大埋深908 m,屬特長(zhǎng)深埋巖溶隧道。隧道穿越區(qū)域東西兩側(cè)各有一條大的河流,為河間地塊地段。地勢(shì)西北高而東南低,為峰叢-洼地峽谷及變質(zhì)巖中山區(qū)。海拔高度最低730 m,最高3 047 m,一般為1200～2 000 m,坡度一般在25～55°,最高可達(dá)70°以上。氣候?qū)賮啛釒駶?rùn)季風(fēng)氣候,年降雨量1 200～1 500 mm。多年平均蒸發(fā)量1 216.7 mm,年平均相對(duì)濕度為77%,近34年來的多年平均降水量1 199.6 mm。降水呈現(xiàn)年內(nèi)、年間降水不均勻的特點(diǎn):年內(nèi)6月、7月、8月、9月四個(gè)月多年月平均降水量占多年平均降雨量的75.80%,其他月份降雨量偏少。

2 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件

2.1 地層巖性

出露地層有第四系(Q4),三疊系下統(tǒng)飛仙關(guān) +銅街子組、中統(tǒng)天井山組及嘉陵江組 +雷口坡組T2,泥盆系唐王寨群、觀霧山組,二疊系 P1、P2,石炭系總長(zhǎng)溝群,志留系茂縣群及龍馬溪群,奧陶系中統(tǒng)寶塔組,寒武系下統(tǒng)及震旦系上統(tǒng)。地層巖性主要為灰?guī)r、白云巖,以可溶巖為主。松散堆積與非可溶巖星散分布。第四系(Q4)見于研究區(qū)內(nèi)東南部,非可溶巖地層主要為三疊系飛仙關(guān) +銅街子組T1f+t,巖性為頁巖、泥巖、粉砂巖夾灰?guī)r;底部灰?guī)r夾鮞狀灰?guī)r。其余零星見有志留系絹云母千枚巖夾薄層砂巖;寒武系粉砂巖、砂巖、磷礦段;震旦系巖性為頁巖、白云巖、微晶灰?guī)r等(圖1)。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

褶皺主要有一倒轉(zhuǎn)復(fù)向斜,走向NE45°,軸面傾向NW,傾角∠30°左右。斷裂極為發(fā)育,以高角度斜沖、仰沖的走向逆斷層為主。主要斷層有F2、F4、F5、F8、F11及其分支斷裂。其中,F2斷裂是一條壓性逆沖斷裂,其傾向 NW,傾角∠60～70°。上盤寒武系砂巖逆沖于下盤志留系、泥盆系乃至石炭系地層之上。斷裂切割深度較大,垂直斷距千米以上,為一條區(qū)域大斷裂。與北東向構(gòu)造體系有成生關(guān)系的派生構(gòu)造帶F8斷裂走向NW310°,斷面近于直立。斷層破碎帶以角礫巖及片狀構(gòu)造巖為主,具張性特征。F8斷裂北端終止于F2斷裂,南端被第四系覆蓋(圖1)。

2.3 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

(1)地下水類型

地下水類型有基巖裂隙水(包括碎屑巖裂隙水及變質(zhì)巖裂隙水含水巖組)、碳酸巖鹽裂隙溶洞水及松散堆積層孔隙水。區(qū)內(nèi)碳酸鹽裂隙溶洞水對(duì)隧道涌突水的危險(xiǎn)性較大,該含水巖組二疊系、下三疊統(tǒng)下段、中三疊統(tǒng)石灰?guī)r、白云巖裂隙溶洞含水層暗河溶洞強(qiáng)烈發(fā)育;下三疊統(tǒng)飛仙關(guān)組上部為泥頁巖夾泥質(zhì)灰?guī)r,裂隙不發(fā)育,主要起隔水作用。

(2)地下水補(bǔ)、徑、排特征

主要接受大氣降水補(bǔ)給,由于坡陡谷深,地表巖溶較發(fā)育,河間地塊的地表徑流迅速轉(zhuǎn)化為地下徑流,向當(dāng)?shù)厍治g基準(zhǔn)面排泄。區(qū)內(nèi)北東向構(gòu)造體系往往控制巖溶水、基巖裂隙水的展布。與北東向構(gòu)造體系有成生關(guān)系的派生構(gòu)造帶(如北西向F8張性平錯(cuò)斷裂帶),是地下水富集的場(chǎng)所。

3 研究區(qū)天然水水化學(xué)及氫氧同位素特征

研究區(qū)內(nèi),樣品采集工作分別于2009年7月及10月完成,共采集水樣21件,其中泉水9件,溝水3件,河水6件,民井水2件,雨水1件(圖1)。采樣現(xiàn)場(chǎng)用意大利哈納水質(zhì)分析儀器、HI98311型筆式電導(dǎo)率儀對(duì)水樣進(jìn)行了電導(dǎo)率和水溫的測(cè)定,測(cè)侵蝕性CO2水樣在野外加大理石粉。水樣簡(jiǎn)分析在西南冶金地質(zhì)測(cè)試所測(cè)試,氫氧穩(wěn)定同位素送中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院巖溶地質(zhì)所國(guó)土資源部巖溶動(dòng)力學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試。氫同位素測(cè)定采用鋅反應(yīng)法,氧同位素測(cè)定采用CO2-H2O平衡法,測(cè)定儀器為MAT253同位素質(zhì)譜儀,測(cè)定結(jié)果以相對(duì)于VSMOW標(biāo)準(zhǔn)的千分差表示,測(cè)定精度分別為 ±2.0‰和 ±0.2‰。

3.1 研究區(qū)天然水電導(dǎo)率變化特征

電導(dǎo)率(EC)是水體中總?cè)芙怆x子濃度的總體反映,在一定程度上反映了水分在流域水循環(huán)過程中徑流路徑和滯留時(shí)間的長(zhǎng)短。水在運(yùn)移過程中,隨著運(yùn)移路徑和滯留時(shí)間的延長(zhǎng),不斷溶解圍巖和土壤中的溶解性鹽類并發(fā)生離子交換,在沒有與電導(dǎo)率較小的水體混合、氣體析出和溶解性固體沉淀的情況下,水體的電導(dǎo)率是逐漸升高的。因此,根據(jù)研究區(qū)內(nèi)不同水體的電導(dǎo)率在空間上的分布趨勢(shì),可以大致推斷水的運(yùn)移路徑,推斷研究區(qū)內(nèi)地表水和地下水的水力聯(lián)系[1]。

沿著流向河水電導(dǎo)率逐漸增加。而東側(cè)流域上游河水電導(dǎo)率值較高,高于泉水電導(dǎo)率平均值,并且沿水流方向逐漸降低,到區(qū)內(nèi)中下游段明顯降低;東側(cè)流域泉水電導(dǎo)率普遍較低,而位于左側(cè)的泉水RQ05出現(xiàn)異常,現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試為1 172μs,可能由于地質(zhì)環(huán)境差異電導(dǎo)率較高。

東西兩側(cè)流域沿水流方向表現(xiàn)出的電導(dǎo)率變化的差異,而在兩流域的中下游,即泉水集中出露區(qū)河水電導(dǎo)率發(fā)生明顯的變化,即西側(cè)河水電導(dǎo)率明顯升高,東側(cè)電導(dǎo)率明顯降低。反映了區(qū)河水徑流過程中不斷有溝水、泉水及地下泄流的補(bǔ)給,并且泉水補(bǔ)給占相當(dāng)大的部分。

圖1 研究區(qū)天然水采樣點(diǎn)分布及水文地質(zhì)簡(jiǎn)圖

3.2 研究區(qū)天然水水化學(xué)特征

依據(jù)舒卡列夫分類,區(qū)內(nèi)地下水水化學(xué)類型以HCO3—Ca·Mg、HCO3·SO4—Ca·Mg、HCO3·SO4—Ca水為主,部分為 HCO3—Ca、SO4—Ca·Mg水。區(qū)內(nèi)天然水化學(xué)類型表現(xiàn)出一定的差異,除個(gè)別與所處地質(zhì)環(huán)境有關(guān)外,其余多與地下水的滯留時(shí)間及循環(huán)途徑有關(guān),而多數(shù)為低礦化度水,也從側(cè)面說明了區(qū)內(nèi)天然水主要來源為大氣降水,進(jìn)而揭示了接受補(bǔ)給后徑流條件及循環(huán)途徑的差異。

利用水化學(xué)軟件AquaChem,制作了天然水Durov圖。由圖2看出,天然水中地下水主要為溶濾水,水化學(xué)作用以溶濾作用為主;天然水化學(xué)組分中陰離子以為主 ,陽離子以為主;地表水水化學(xué)類型以HCO3·SO4水為主,泉水水化學(xué)類型表現(xiàn)為 HCO3、HCO3·SO4、SO4水逐漸過渡。由于自然界中純硫酸水不多見,僅僅是局部地方地下水特征。因此,根據(jù)這一規(guī)律,凡是出現(xiàn)純硫酸水的地方,說明可能與石膏、硫化物礦床或污染有關(guān)[2]。區(qū)域人類活動(dòng)影響較小,東側(cè)流域泉水為SO水,出露于Tj+l42地層,可能與地層中的石膏層有關(guān)。

對(duì)區(qū)內(nèi)地表水及泉水的硫酸根及陽離子總量[3]、二氧化硅及礦化度進(jìn)行研究,分別做了二者的關(guān)系圖(如圖3所示)。從圖3看出,硫酸根與陽離子總量有明顯的正相關(guān)關(guān)系,可更加直觀地看出該區(qū)域地表水與泉水的水化學(xué)類型分帶性,即重碳酸水帶(Ⅰ),混合水帶HCO3—SO4(Ⅱ1)、SO4-HCO3(Ⅱ2),SO4水帶(Ⅲ),且地下水與地表水水化學(xué)類型多分布于混合水帶。由圖4可分析區(qū)內(nèi)二氧化硅含量隨礦化度升高變化不明顯,二氧化硅含量多在5～12 mg/L,普遍較低同研究區(qū)內(nèi)硅酸鹽礦物含量較少的石灰?guī)r、白云巖等可溶巖廣泛分布有關(guān),而東側(cè)河流上游處含量達(dá)到20 mg/L,可能與上游分布有千枚巖及砂巖,其硅酸鹽含量較高所致。

圖2 研究區(qū)天然水水化學(xué)Durov

圖3 研究區(qū)天然水硫酸根與陽離子總量關(guān)系

3.3 研究區(qū)天然水氫氧穩(wěn)定同位素特征

研究區(qū)大氣降水線采用西南地區(qū)大氣降水線 δD=7.96δ18O+9.52[4],通過水樣中的 δD 和 δ18O 組成同大氣降水線進(jìn)行對(duì)比,來研究地下水和地表水的來源及相互關(guān)系。從圖5看出區(qū)內(nèi)天然水樣點(diǎn)大多落在西南地區(qū)大氣降水線的左上方,表現(xiàn)為氘盈余值較大,可能是雨滴的蒸發(fā)作用及降雨量效應(yīng)造成的,顯示天然水仍為大氣降水補(bǔ)給;地下水 δD和 δ18O組成大致位于一條直線上,而 δD和 δ18O組分差異較大,地下水的來源和經(jīng)歷的循環(huán)過程有一定的差異;地表水的氫氧穩(wěn)定同位素成分布較為集中,在圖上呈橢圓形分布,該分布區(qū)內(nèi)地表水與部分地下水的氫氧同位素組成有著一定的聯(lián)系,在一定程度上反映地表水和地下水之間存在著相互聯(lián)系。

圖4 研究區(qū)天然水二氧化硅與礦化度關(guān)系

圖5 研究區(qū)天然水 δD與 δ18 O關(guān)系

圖6 研究區(qū)天然水δ18 O與高程關(guān)系

由于區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造較復(fù)雜,樣點(diǎn)分布高程也較集中。圖6看出水樣點(diǎn)的 δ18O高程效應(yīng)不明顯,故本次δ18O高程梯度值采用前人的研究成果,張洪平等統(tǒng)計(jì)得出該區(qū)高程效應(yīng)為:δ18O=-0.0018H-6.86,r=0.698[4]。運(yùn)用 δ18O的高程效應(yīng)可以計(jì)算地下水的補(bǔ)給高程,進(jìn)而可以確定地下水的主要補(bǔ)給面積和地下水流途徑[5]。本次研究采用 LQ02泉水樣作為背景值,取其高程為1 408 m,對(duì)研究區(qū)泉水同位素與高程的關(guān)系校正為 δ18O=-0.001 8H-6.05。按照修正后的泉水同位素與高程關(guān)系,可計(jì)算研究區(qū)其他泉水的補(bǔ)給高程,計(jì)算結(jié)果見表1。

研究區(qū)內(nèi)地下水主要接受大氣降雨補(bǔ)給,補(bǔ)給高程為(1364～1 980 m),多集中在1 300～1 500 m,1 700～2 000 m兩個(gè)高程。較低高程大氣降水補(bǔ)給的地下水中重同位素較富集,補(bǔ)給強(qiáng)度遠(yuǎn)大于蒸發(fā)排泄強(qiáng)度,推測(cè)地下水經(jīng)近距離徑流后,以泄流和泉的方式或沿?cái)嗔严虻屯輩R水區(qū)發(fā)生排泄,即地下水處于淺部循環(huán)的過程;較高高程大氣降水補(bǔ)給的地下水中重同位素較貧乏,同地表水氫氧同位素組成較為相似,顯示該部分地下水同地表水可能存在水力聯(lián)系,部分較地表水富集重同位素,顯示其經(jīng)歷了較長(zhǎng)的運(yùn)移途徑及不同水體混入的原因。

區(qū)內(nèi)沿F8斷裂出露泉水點(diǎn)LQ02、RQ07為HCO3水,重同位素較富集,氘盈余值較大落在區(qū)域降水線上方,可能受高程較低的大氣降水沿?cái)嗔芽焖偃霛B補(bǔ)給地下水,隨著地下水運(yùn)移途徑較長(zhǎng),泉水出現(xiàn)18O的富集;區(qū)內(nèi)其他泉水點(diǎn)同地表水水化學(xué)及同位素相近,尤其東側(cè)流域河床的泉點(diǎn)RQ02、RQ04、RQ05、RQ06同西側(cè)流域地表水水化學(xué)同位素極為相似,顯示出為較高高程的降水補(bǔ)給,并且較地表水富集重同位素,可能與接受河水、較低高程大氣降水的混合補(bǔ)給及循環(huán)途徑長(zhǎng)有一定關(guān)系。通過水化學(xué)及同位素?cái)?shù)據(jù)印證了區(qū)域上F8斷裂為導(dǎo)水?dāng)嗔?沿該斷裂出露的泉水水化學(xué)類型以HCO3水為主,大氣降水補(bǔ)給高程較低;受到F8斷裂及區(qū)域北東向構(gòu)造的控制,東側(cè)流域河床出露的巖溶大泉同西側(cè)流域地表水可能存在一定的水力聯(lián)系,即兩流域并非封閉流域,二者之間可能存在著水力聯(lián)系。

表1 研究區(qū)天然水水化學(xué)及同位素?cái)?shù)據(jù)

3.4 運(yùn)用氯離子估算降水對(duì)地下水的補(bǔ)給

運(yùn)用水體中氯離子質(zhì)量平衡法可以估計(jì)流域內(nèi)地下水補(bǔ)給率[6],這個(gè)方法假設(shè):(1)氯是保守性的,在流域水循環(huán)過程中不與圍巖和土壤發(fā)生反應(yīng)或氯離子交換;(2)地表徑流比例較小,蒸散發(fā)是流域內(nèi)水分損失的主要方式;(3)蒸散發(fā)是引起降水和地下水之間氯離子濃度差別的主要原因;(4)降水是地下水中氯離子的唯一來源[1]。計(jì)算公式如下

式中:R為年平均地下水補(bǔ)給率;CCl降為降水中氯離子的雨量加權(quán)平均值;CCl地為地下水中氯離子平均濃度。

研究區(qū)內(nèi)采集雨水樣一件,未獲得降水中氯離子的雨量加權(quán)平均濃度,本文嘗試用此法初步計(jì)算區(qū)內(nèi)地下水的補(bǔ)給率。區(qū)內(nèi)巖性主要為碳酸鹽巖,天然水中的氯離子主要來源于大氣降水。區(qū)內(nèi)部分泉水地質(zhì)環(huán)境存在特殊性及受人類活動(dòng)影響較大,將 RQ05、RQ07剔除掉。研究區(qū)雨水中氯離子濃度為0.53 mg/L,地下水平均氯離子濃度為2.46 mg/L,計(jì)算得到研究區(qū)內(nèi)平均地下水補(bǔ)給率為21.58%。隧道主要穿越研究區(qū)的西側(cè)流域,由于斷裂構(gòu)造極為發(fā)育,且分布有可溶巖地層,研究區(qū)西側(cè)平均地下水補(bǔ)給率變化較大,從11.50%～50.00%。

4 隧道涌水量計(jì)算

在隧道涌水量計(jì)算方法中,唯經(jīng)驗(yàn)方法較為簡(jiǎn)單,不僅可以用于可行性研究,亦可用于初步勘察的概略評(píng)估[7]。入滲系數(shù)取氯離子質(zhì)量平衡法估算值,隧道高程與左側(cè)河水位基本持平,影響寬度考慮以地表分水嶺及河流為界限,并結(jié)合區(qū)內(nèi)斷裂構(gòu)造的發(fā)育及可溶巖分布情況來分段進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果見表2。

表2 研究區(qū)隧道分段涌水量計(jì)算

隧道涌水量計(jì)算公式為

式中 Qs——隧道通過含水體地段的正常涌水量/(m3/d);

2.74——換算系數(shù);

α——降水入滲系數(shù);

W——年降水量/mm;

A——隧道集水面積/km2。

用降水入滲系數(shù)法對(duì)該隧道分段進(jìn)行涌水量計(jì)算,預(yù)測(cè)該隧道正常涌水量為29377.40 m3/d,見表2。

5 結(jié)論

(1)區(qū)域天然水的水化學(xué)類型主要為HCO3、混合水帶(HCO3—SO4、SO4—HCO3)水為主,礦化度較低 ,現(xiàn)場(chǎng)電導(dǎo)率測(cè)試也較低,顯示區(qū)域天然水來源于大氣降水補(bǔ)給。

(2)受到地理特征、氣象及區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造等因素的綜合影響,區(qū)內(nèi)同位素較多的出現(xiàn)氘盈余值較大,可能受雨滴的再次蒸發(fā)、降雨量效應(yīng)及大氣降水的快速入滲等因素的影響[8],[9]。

(3)地表水主要接受大氣降水、地下水的泄流及泉水補(bǔ)給,區(qū)域內(nèi)泉水出露受到北西向斷裂及北東向斷裂的控制,使東側(cè)部分泉水與西側(cè)流域地表水發(fā)生水力聯(lián)系。

(4)利用氯離子質(zhì)量計(jì)算得到研究區(qū)內(nèi)平均地下水補(bǔ)給率為21.58%。隧道主要穿越區(qū)平均地下水補(bǔ)給率變化較大,從11.50%～50.00%。

(5)在可行性研究階段或勘察階段,由于缺乏鉆探、水文地質(zhì)試驗(yàn)等數(shù)據(jù),利用水化學(xué)及同位素技術(shù)對(duì)一些水文地質(zhì)問題進(jìn)行了研究,并簡(jiǎn)單的進(jìn)行了隧道涌水量評(píng)價(jià),計(jì)算隧道正常涌水量為29 377.40 m3/d,在構(gòu)造復(fù)雜段涌水貢獻(xiàn)量較大。

利用水化學(xué)及同位素技術(shù),研究隧址區(qū)水文地質(zhì)條件,在鐵路選線及勘察階段有很好的工程指導(dǎo)意義,在鉆探、水文地質(zhì)試驗(yàn)等數(shù)據(jù)較完善后,對(duì)進(jìn)一步的地下水與地表水可能存在的水力聯(lián)系對(duì)隧道涌水量的貢獻(xiàn);進(jìn)行涌水最大水頭壓力預(yù)測(cè)等工作也具有重要的實(shí)際意義。

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