某高風險巖溶隧道區(qū)域巖溶水化學特征分析

董貴春

1 概述

隨著我國西部交通建設的高速發(fā)展,西部巖溶山區(qū)隧道的建設也越來越多,在隧道建設中不可避免的會遇到各種各樣的不良地質災害,對隧道的建設帶來嚴重的影響。在巖溶山區(qū)最常見的不良地質災害之一就是各種各樣的溶洞,為保證隧道施工安全,最基本的是要從宏觀上了解隧道區(qū)域巖溶發(fā)育情況,推斷隧道不同段落所處巖組及其巖溶發(fā)育程度。巖溶發(fā)育規(guī)律表明,巖石的可溶性、巖石的滲透性、水的侵蝕性及水的運動性是巖溶作用發(fā)生的四項基本條件。其中水的侵蝕性與巖溶地下水的化學特征密切相關,巖溶地下水化學含量,作為伴隨水循環(huán)過程中水巖間理化、生物作用而形成的產物,對地下水補給來源、徑流途徑、所經歷的地球化學環(huán)境條件具有一定的指示意義,同時對巖溶的發(fā)育也起著非常重要的作用[1-4]。

2 隧道區(qū)域工程地質與水文地質

隧道地處構造侵蝕溶蝕低山～丘陵地貌單元,在大地構造位置上屬揚子準地臺(上)黃陵小區(qū),位于燕山期構造運動產生的黃陵背斜南東翼,該背斜由核部晉寧花崗閃長巖～翼部震旦系、寒武系和白堊系地層組成的單斜構造,無次級褶皺發(fā)生。巖體中節(jié)理裂隙較發(fā)育,隧道依次穿越寒武系上統(tǒng)石牌組、天河板組、石龍洞及下統(tǒng)覃家廟組,巖層產狀130°∠13°。溝谷及局部緩坡地帶有零星第四系覆蓋層。區(qū)內地下水有第四系孔隙水、基巖裂隙水及巖溶水。其中巖溶水分布不均衡,局部水量較大,且具承壓性。上述幾種地下水均接受大氣降水的補給,呈季節(jié)性變化。

3 巖溶水化學特征

為計算分析巖溶水化學特征,共取得巖溶水相關的水樣15組進行了化學分析,這些樣品主要是區(qū)內巖溶水排泄點。

3.1 水化學類型

由取得的水樣分析得到該區(qū)域巖溶水的溶解性特征(見表1)。

表1 水的溶解性特征表

由表 1可知:區(qū)內水的化學類型除了 2個樣品外均為HCO3-Ca?Mg水,充分體現了區(qū)內地下水所處的以碳酸鹽巖地層為主的地質背景環(huán)境。水井窩樣品(9點)來自于由水井沱組碳質灰?guī)r排泄的表層泉水,較為復雜的水井沱組礦物構成含量決定了其在區(qū)內比較特殊的水化學類型,而11點河水樣雖然是來自三游洞組表層帶巖溶泉水的補給,但由于存在鐵路施工的污染,也使其水化學類型發(fā)生改變。

3.2 水的溶解總固體/(TDS)和總硬度/(HB)

溶解總固體/(TDS)也稱礦化度,是水中所有溶解物質含量的總和,也是水巖作用結果的總體體現。一般在水化學類型較為簡單的碳酸鹽巖地區(qū),總硬度的含量大小與溶解性總固體具有相近的變化特點。區(qū)內樣品溶解性總固體變化范圍較大,從462.68 mg/L～183.13 mg/L,相差在一倍以上。與水的化學類型變化一致,樣品9和樣品11其溶解性總固體均比較高,仙魚洞地下河的溶解性總固體也達到366.22 mg/L。分析原因主要有兩點:1)取樣時為流量較小的枯水期,水流相對緩慢,水巖作用時間充分;2)表明地下河具有較遠的補給來源。

從巖溶含水層方面看,雖然不同樣品所代表的地下河規(guī)模、補給面積等存在一定的差異,當石龍洞組巖溶水系統(tǒng)(潮水洞、響水洞、洞溝、燕子洞等)由于巖溶發(fā)育,水流相對通暢;覃家廟組巖溶水系統(tǒng)樣品泉水由于以小規(guī)模系統(tǒng)循環(huán)(小溪樣品),故水中溶解性總固體含量一般偏低。降水后巖溶地下水系統(tǒng)中快速流淡水的加入是使得水的溶解性總固體降低的直接原因。

3.3 方解石、白云石飽和指數

方解石、白云石飽和指數代表水對碳酸鹽巖的溶蝕能力。飽和指數越大說明其溶蝕能力越低,小于零時為非飽和,大于零表明過飽和。水的方解石、白云石飽和指數直接取決于水的pH值,見圖1,而在巖溶區(qū),水的pH值主要取決于水中CO2分壓,隨著CO2分壓增加,水的溶蝕能力增強,而方解石、白云石飽和指數降低,見圖2。研究表明,水中CO2除部分來源于大氣外,更主要的是來源于表層土壤微生物新陳代謝等活動(一般土壤空氣CO2是大氣CO2的數倍到數十倍)。

表1中水的PCO2計算結果顯示,PCO2變化從2 769 Pa～44 Pa,方解石、白云石飽和指數也有非飽和和過飽和兩種狀態(tài)。方解石、白云石非飽和巖溶水主要是一定長時期未降水的4月16日樣品,水的 PCO2均在1 000 Pa以上,而到4月 17日開始有斷續(xù)降水后的樣品的PCO2均在1 000 Pa以下。這種水在降水后CO2分壓出現急劇下降的情況一般出現在存在巖溶管道流的地區(qū),其原因在于降水后由于地下水中存在沒有與土壤CO2充分吸收的快速水量的補給,水中CO2稀釋,因此使得溶蝕能力降低。

潮水洞地下河在4月17日有斷續(xù)降水后有兩次取樣,其PCO2均在800 Pa左右,遠遠高出同期其他樣品的 PCO2(一般在500 Pa以下),說明其補給來源于土壤及植被較發(fā)育的漲水坪巖溶谷地及鳳凰坪一帶的補給,同時也存在枯水期高PCO2水的混合排泄,與巖溶水文地質條件分析的結果相一致。

4 結語

從水化學特征方面分析,本區(qū)與隧道相關的巖溶地下水存在以下特征:1)本區(qū)屬巖溶發(fā)育區(qū),地下水同時存在以巖溶管道快速流系統(tǒng)和裂隙介質慢速流系統(tǒng)的兩種含水介質,對隧道施工安全具有一定威脅;2)從巖溶發(fā)育程度看,石龍洞組為區(qū)內巖溶最發(fā)育的含水層,施工中需要對該隧道天河板—石龍洞組段引起足夠重視。

[1] 王能峰,漆繼紅,賈疏源,等.大崗山水電站壩區(qū)水化學特征及其在地下水系統(tǒng)研究中的應用[J].水電站設計,2007,23(1):74-79.

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[3] 朱 蓉,樓章華,云 露,等.塔河油田奧陶系油藏開發(fā)動態(tài)與地層水化學特征響應[J].地質學報,2008,82(3):397-406.

[4] 劉志峰,林洪孝,許向君,等.西龍河嶧山斷層帶水源地水化學特征及巖溶水的分析[J].環(huán)境化學,2007,26(3):8-9.

[5] 羅 翔.巖溶地區(qū)鐵路車站隧道施工技術研究[J].山西建筑,2008,34(7):328-329.