瓦日鐵路太行山隧道嶂石巖地貌區(qū)水文地質(zhì)特征研究

胡清波

(中國鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院,北京　100844)

瓦日鐵路西起山西瓦塘，東至山東日照，是我國首條30 t軸重的大能力運(yùn)煤重載通道，全長(zhǎng)1 269 km，限制坡度：重車方向6‰，輕車方向13‰。

受限坡、林慮山風(fēng)景名勝區(qū)、紅旗渠等因素控制，太行山越嶺，需以隧道形式下穿紅旗渠、露水河，翻越西井山、林濾山(圖1)。

圖1　太行山隧道與名勝區(qū)位置平面關(guān)系示意

太行山隧道采用雙洞單線形式，受露水河高程控制，采用單面坡，左洞18.095 km，最大埋深915 m，右洞18.08 km，最大埋深920 m，露水河段(DK590+335～DK590+740)，最小埋深約14 m。

燕山、喜山運(yùn)動(dòng)，使太行山隆起并形成寬緩背斜，林州斷陷盆地下沉，形成中國地理第二階梯。

快速上升的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，干、濕交替的氣候變化，上、下兩套近水平地層，活躍的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及表生改造，在太行山中南部第二和第三階梯過渡帶盤狀寬谷兩側(cè)塑造了中國特有的嶂石巖地貌。

嶂石巖地貌為新型砂巖地貌[1-3]，1972年發(fā)現(xiàn)，1992年命名，上覆為喀斯特巖溶地貌，下部為石英砂巖地貌，組成物質(zhì)、形態(tài)、成因、演化獨(dú)成體系，水文地質(zhì)特性復(fù)雜而獨(dú)特。目前在旅游地理及古地理研究較多[3-4]，但水文地質(zhì)方面的研究尚為空白。

隨著基礎(chǔ)建設(shè)的蓬勃發(fā)展，基建標(biāo)準(zhǔn)提升，在太行山中南部，越來越多的隧道工程穿越嶂石巖地貌區(qū)。由于地下水類型并不復(fù)雜，如果忽視嶂石巖地貌水文地質(zhì)特征復(fù)雜性的一面而把問題簡(jiǎn)單化，就會(huì)導(dǎo)致線位選擇、工程設(shè)置及施工組織與實(shí)際出現(xiàn)偏差，在工程建設(shè)中遭遇長(zhǎng)期穩(wěn)定的高壓基巖裂隙涌突水問題，影響施工安全，對(duì)其進(jìn)行水文地質(zhì)研究具有重要的理論與現(xiàn)實(shí)意義。

1　嶂石巖地貌

嶂石巖地貌(Zhangshiyan landform)，1972年郭康在太行山發(fā)現(xiàn)[3-4]。在中國華北板塊新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)上升區(qū)背景和溫帶半濕潤(rùn)區(qū)內(nèi)，由巖層平緩、質(zhì)地堅(jiān)硬、顏色緋紅的震旦系石英砂巖為母巖，水流沿崖邊節(jié)理、層理侵蝕風(fēng)化作用，以楔狀側(cè)蝕和蝕空崩塌為主(圖2)，形成的以綿延大壁、嶂谷為主，以及方山、石墻、塔柱、排峰、洞穴、崖廊等地形。

圖2　嶂石巖地貌坡面發(fā)育過程示意

嶂石巖地貌分廣義和狹義兩種，狹義嶂石巖地貌指中元古生界淺海-濱海相巨厚層石英砂巖及薄層泥巖內(nèi)形成的砂巖地貌；鑒于下部砂巖地貌形成演化與上覆喀斯特巖溶地貌密切相關(guān)，同時(shí)，上覆喀斯特巖溶地貌又受控于下部砂巖地貌，二者密不可分，合為一體更為合理，故提出廣義嶂石巖地貌概念，上覆的喀斯特巖溶地貌一般發(fā)育不良，只有小型溶洞、落水洞，僅太行山南段有雛形石林地貌發(fā)育，灰?guī)r中地下水以泉形式或滲流形式在接觸帶附近排泄，形成面流或再次轉(zhuǎn)化成地下水。

瓦日鐵路太行山越嶺段，濁漳河、濁河、露水河兩岸發(fā)育廣義嶂石巖地貌(圖3)，形成了著名的林濾山景區(qū)。

圖3　嶂石巖地貌及水系

2　嶂石巖地質(zhì)特征

嶂石巖地貌是發(fā)育在堅(jiān)硬石英砂巖上的砂巖地貌，具備特定的地層巖性及內(nèi)外營(yíng)力。

固有的原生構(gòu)造裂隙，活躍的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)單的地層結(jié)構(gòu)，在重力作用、側(cè)蝕、向源侵蝕作用下形成河谷、套谷，在太行山中南部塑造出特有的嶂石巖地貌。

太行山塊隆(山西地礦局1989年，河南河北地礦局1989年稱太行山拱斷束，中科院地質(zhì)所1959年稱太行山彎折帶)與華北斷拗過渡段，為燕山期造山運(yùn)動(dòng)中先折后斷的抬升區(qū)，表現(xiàn)為寬緩大型復(fù)式背斜，背斜核部、地形急劇變化帶原生構(gòu)造裂隙和深埋寬張裂隙發(fā)育[5]。

活躍的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，表現(xiàn)為間斷性的整體抬升和河流下切，在上部含水層形成高程950～1 100 m的溶洞系統(tǒng)，沿地貌演化起點(diǎn)1 100～1 200 m高程盤狀寬谷過渡段產(chǎn)生大量原生寬張裂隙和卸荷裂縫，在水和重力作用下，橫向楔狀侵蝕、掏蝕卸荷，形成百米左右甚至更高的筆直陡崖及Ω嶂谷，陡壁上布滿了條條垂直窄縫，縫口寬從幾十厘米到幾米，甚至幾十米以上，并向壁里逐漸尖滅，形成楔狀[6-7]。

簡(jiǎn)單的地層結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)為上部的碳酸鹽巖建造，中部的石英砂巖建造，下部的變質(zhì)片麻巖建造，中上部間夾少量黏土巖(圖4)。

圖4　嶂石巖地貌巖性特征

3　嶂石巖地貌區(qū)水文地質(zhì)特征

太行山隧道橫穿中國地理第二階梯及太行山前緣西側(cè)斷裂。斷裂以西，為寬緩背斜，核部為露水河谷，兩翼分別形成西井山和林濾山；地層巖性上部為奧陶寒武系可溶巖，中部為震旦系砂泥巖，底部為太古界片麻巖。斷裂以東，為林州斷陷盆地，表層覆蓋第四系堆積物，下伏奧陶系可溶巖。隧道圍巖為太古界片麻巖、震旦系石英砂巖、奧陶系灰?guī)r，產(chǎn)狀平緩，圍巖分級(jí)情況較好，Ⅱ、Ⅲ圍巖占69.4%。背斜核部、Ω溝口、地形急劇變化帶原生構(gòu)造裂隙、卸荷裂隙發(fā)育(圖5)。

圖5　太行山隧道地質(zhì)剖面

露水河以西，屬太行山背斜北西翼，呈單斜構(gòu)造。為漳河、濁河、露水河切割形成的河間地塊。東西兩側(cè)被芣蘭巖—奧治斷裂與王家莊—楊耳莊正斷裂所夾持，其間斷層不發(fā)育。濁漳河、濁河、露水河、芣蘭巖—奧治正斷裂及王家莊—楊耳莊正斷裂共同構(gòu)成西井山單斜蓄水構(gòu)造水文地質(zhì)單元(圖3)。

西井山單斜蓄水構(gòu)造發(fā)育奧陶系灰?guī)r、寒武系灰?guī)r、震旦系砂巖3套含水層，奧陶系白云巖、寒武系泥巖兩套隔水層，垂向上形成3套地下水系統(tǒng)，奧陶系、寒武系灰?guī)r之間的奧陶系白云巖為相對(duì)隔水層，在裂隙發(fā)育帶，形成導(dǎo)水帶，致使奧陶系含水層地下水越流補(bǔ)給寒武系含水層，使奧陶系、寒武系地下水系統(tǒng)產(chǎn)生水力聯(lián)系，形成上、下兩類地下水系統(tǒng)；上部為喀斯特巖溶地下水，下部為基巖裂隙水系統(tǒng)[8-9]。

區(qū)域上，在高程950～1 100 m、700～800 m、630～660 m發(fā)育3層溶洞系統(tǒng)，西井山單斜蓄水構(gòu)造上部的巖溶系統(tǒng)，灰?guī)r裸露，位于高程850 m以上，高于地表徑流，接受大氣降水補(bǔ)給，地下水動(dòng)力條件較差，巖溶發(fā)育不良，寬谷底部(950～1 100 m)沿寒武系隔水層發(fā)育1層溶洞系統(tǒng)，主要為層狀溶蝕裂隙帶和小型溶洞，透水性好，沿寒武系隔水層頂板以下降泉形式排泄到棧臺(tái)的第四系堆積層內(nèi)，一般地貌條件下，形成地表徑流排向溝谷。在嶂石巖地貌套谷兩側(cè)，發(fā)育的楔狀裂縫、卸荷裂隙阻止了地表徑流形成，在棧臺(tái)邊緣沿寬張裂隙入滲，再次轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵滤诨鶞?zhǔn)面以上排泄到地表徑流，基準(zhǔn)面以下為裂隙水儲(chǔ)存。

西井山單斜蓄水構(gòu)造基巖裂隙水，含水層厚度大，伴隨嶂石巖地貌的發(fā)育，砂巖陡崖、套谷發(fā)育，沿陡崖及套谷寬張裂隙、裂縫極其發(fā)育，大氣降水垂直入滲、河道側(cè)向滲漏及棧臺(tái)巖溶泉水二次入滲，形成富水區(qū)。

嶂石巖地貌區(qū)水文地質(zhì)特征為上部巖溶水沿隔水層頂板排泄到棧臺(tái)，在套谷邊緣沿寬張裂隙入滲，再次轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵滤a(bǔ)給下部裂隙水，基準(zhǔn)面以上排泄到地表徑流或在封閉裂隙內(nèi)儲(chǔ)存，基準(zhǔn)面以下在裂隙內(nèi)儲(chǔ)存(圖6)。

圖6　嶂石巖地貌區(qū)水文地質(zhì)特征示意

受林濾山國家風(fēng)景保護(hù)區(qū)控制，太行山隧道需走行在地表徑流以下，隧道側(cè)向補(bǔ)給增加，地下水排泄困難，涌水風(fēng)險(xiǎn)顯著增大。

4　隧道富水程度分析

太行山隧道在嶂石巖地貌區(qū)圍巖為震旦系砂泥巖及太古界片麻巖地層。地下水類型為基巖裂隙水，按照大氣降水入滲法不考慮巖溶泉二次補(bǔ)給涌水量?jī)H0.6萬m3/d，隧道實(shí)際開挖揭示最大涌水量達(dá)11.6萬m3/d，水壓達(dá)0.5 MPa，且分布不均，顯現(xiàn)出嶂石巖地貌區(qū)砂巖裂隙水復(fù)雜性的一面[8-9]。

通過對(duì)涌水量與降雨量的統(tǒng)計(jì)分析表明(圖7)，大氣降水對(duì)下部裂隙水的補(bǔ)給滯后期為4～6個(gè)月。

上部巖溶泉與隧道涌水的同位素測(cè)試及示蹤試驗(yàn)表明，泉水對(duì)下部裂隙水存在二次補(bǔ)給。DK585+050～DK585+440段涌水同位素氚含量9.14 Tu，上部巖溶泉氚含量7.62 Tu，巖溶泉滲到掌子面大約需要43 d；DK580+150～DK582+600段涌水同位素氚含量10.19 Tu，上部巖溶泉氚含量10.86 Tu，巖溶泉下滲到掌子面約需要41 d。

綜合隧道水文地質(zhì)條件及涌水量觀測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析及富水分段研究表明(表1、圖8)，Ω套谷谷口、地形陡峻段落、寬張裂隙發(fā)育段落、上部泉水發(fā)育段落富水?；鶞?zhǔn)面(區(qū)域地下水位)以下富水。

圖7　涌水量與降雨量關(guān)系

段落里程起訖富水程度地貌類型圍巖溝谷類型實(shí)測(cè)涌水量/(萬m3/d)單位長(zhǎng)度涌水量/(m3/d·m)涌水形式1DK578+875DK580+150弱河谷泥巖盤谷002DK580+150DK582+600中等河谷發(fā)育泉砂巖盤谷3.313.5隧底滲出基準(zhǔn)面3DK582+600DK585+050中等廣義嶂石巖砂巖天脊嶂溝1.45.7裂隙股狀流出4DK585+050DK585+440強(qiáng)嶂石巖發(fā)育泉砂巖套谷4.5115.40.5MPa裂隙突出5DK585+440DK588+900中等嶂石巖砂巖嶂谷2.46.9裂隙股狀流出6DK588+900DK590+300弱河谷片麻巖盤谷00

圖8　富水程度分區(qū)示意

5　隧道涌水量對(duì)比分析

隧道涌水量大小影響圍巖分級(jí)及投資，事關(guān)隧道的施工組織及施工、運(yùn)營(yíng)安全。

水文地質(zhì)條件的各向異性和邊界條件的不確定性，給隧道涌水量預(yù)測(cè)帶來極大困難，也使預(yù)測(cè)結(jié)果會(huì)與實(shí)際情況出現(xiàn)較大偏差。

為便于評(píng)價(jià)不同隧道涌水量預(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)精度，引入了可信度概念，采用大氣降水入滲法、地下徑流模數(shù)法、地下水動(dòng)力學(xué)法(佐藤邦明)、工程地質(zhì)類比法、同素法等5種方法對(duì)太行山隧道在嶂石巖地貌區(qū)的單位長(zhǎng)度涌水量進(jìn)行預(yù)測(cè)[10-12]，與施工期間及竣工后3年的實(shí)測(cè)值(2017年7月)進(jìn)行對(duì)比分析(表2)。可信度公式如下

K=min(qpr，qac)/max(qpr，qac)

式中K——可信度；

qpr——預(yù)測(cè)單位長(zhǎng)度涌水量；

qac——實(shí)測(cè)單位長(zhǎng)度涌水量。

基于嶂石巖地貌區(qū)水文地質(zhì)特征分析及隧道富水程度分析，提出補(bǔ)給區(qū)修正大氣降水入滲法，引用錢學(xué)溥補(bǔ)給模數(shù)修正地下水動(dòng)力學(xué)法對(duì)太行山隧道在嶂石巖地貌區(qū)的涌水量進(jìn)行了預(yù)測(cè)。

嶂石巖地貌，Ω套谷、寬張裂隙發(fā)育；存在上部喀斯特巖溶水系統(tǒng)、下部基巖裂隙水系統(tǒng)的二元結(jié)構(gòu)，下部基巖裂隙水在棧臺(tái)地段受到巖溶泉水二次入滲補(bǔ)給；大氣降水入滲法需考慮套谷和巖溶泉控制的補(bǔ)給區(qū)影響，故嘗試提出補(bǔ)給區(qū)修正大氣降水入滲法。

錢學(xué)溥[13-18]通過大量對(duì)比實(shí)例發(fā)現(xiàn)大井法預(yù)測(cè)礦坑涌水量與實(shí)際涌水量存在極大偏差，可信度較低。經(jīng)分析，影響半徑是產(chǎn)生可信度低的主要原因，可采用補(bǔ)給模數(shù)(M0)對(duì)影響半徑R=(Q/π·M0)0.5進(jìn)行修正，并經(jīng)迭代回歸修正，文獻(xiàn)[18]對(duì)47個(gè)煤礦進(jìn)行了驗(yàn)算，發(fā)現(xiàn)預(yù)測(cè)結(jié)果的可信度顯著提高。

單位長(zhǎng)度涌水量對(duì)比分析表明，大氣降水入滲法對(duì)涌水量預(yù)測(cè)可信度不高，地下徑流模數(shù)法、地下水動(dòng)力學(xué)法、工程地質(zhì)類比法、同素法對(duì)單位長(zhǎng)度涌水量預(yù)測(cè)可信度有所提高，但處于較低水平。嶂石巖地貌區(qū)寬張裂隙不發(fā)育區(qū)，補(bǔ)給區(qū)修正降水入滲法對(duì)單位長(zhǎng)度涌水量預(yù)測(cè)可信度較高；嶂石巖地貌區(qū)Ω套谷、寬張裂隙發(fā)育區(qū)，二元結(jié)構(gòu)區(qū)，地下水位以下，補(bǔ)給模數(shù)修正地下水動(dòng)力學(xué)法對(duì)單位長(zhǎng)度涌水量預(yù)測(cè)可信度較高。

表2　單位長(zhǎng)度涌水量對(duì)比分析

注：1.1段DK578+875～DK580+150；2段DK580+150～DK582+600；3段DK582+600～DK585+050；4段DK585+050～DK585+440；5段DK585+440～DK588+900；6段DK588+900～DK590+300

2.I—單位長(zhǎng)度涌水量(m3/d·m)；II—可信度(施工期間)；III—可信度(2017年7月，竣工3年)

6　結(jié)論和建議

(1)受限坡、林慮山風(fēng)景名勝區(qū)、紅旗渠等因素控制，太行山越嶺段需在地表徑流以下以隧道形式下穿紅旗渠、露水河，翻越西井山、林濾山，其中露水河以西發(fā)育典型的嶂石巖地貌，具二元結(jié)構(gòu)(上部碳酸鹽巖建造，下部石英砂巖建造)，Ω套谷、寬張裂隙發(fā)育等特征。

(2)太行山隧道嶂石巖地貌區(qū)，位于西井山單斜蓄水構(gòu)造水文地質(zhì)單元內(nèi)，背斜核部、Ω溝口、地形急劇變化帶原生構(gòu)造裂隙、卸荷裂隙發(fā)育，Ω套谷頂部棧臺(tái)巖溶泉發(fā)育。

(3)嶂石巖地貌區(qū)特殊的水文地質(zhì)特征表現(xiàn)為：上部巖溶水沿隔水層頂板排泄到棧臺(tái)，在套谷邊緣沿寬張裂隙入滲，再次轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵滤a(bǔ)給下部裂隙水，基準(zhǔn)面以上排泄到地表徑流或在封閉裂隙內(nèi)儲(chǔ)存，基準(zhǔn)面以下在裂隙內(nèi)儲(chǔ)存。

(4)太行山隧道受林濾山國家風(fēng)景保護(hù)區(qū)控制，隧道走行在地表徑流以下，地下水排泄困難，突涌水風(fēng)險(xiǎn)大。Ω套谷谷口、地形陡峻段落、寬張裂隙發(fā)育段落、上部泉水發(fā)育段落富水，區(qū)域地下水位以下強(qiáng)富水。

(5)嶂石巖地貌區(qū)存在二元結(jié)構(gòu)、溶泉水二次入滲補(bǔ)給，砂巖裂隙水復(fù)雜，涌水量預(yù)測(cè)困難。多種涌水量預(yù)測(cè)方法和實(shí)測(cè)對(duì)比結(jié)果表明，寬張裂隙不發(fā)育區(qū)，采用補(bǔ)給區(qū)修正降水入滲法進(jìn)行單位長(zhǎng)度涌水量預(yù)測(cè)的可信度較高；在Ω套谷、寬張裂隙發(fā)育區(qū)，二元結(jié)構(gòu)區(qū)，地下水位以下，則采用補(bǔ)給模數(shù)修正地下水動(dòng)力學(xué)法預(yù)測(cè)的可信度較高。

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