基于風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃的環(huán)境地質(zhì)選線應(yīng)用

謝翠明 王 澤

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司, 北京 100055)

白阿鐵路擴(kuò)能改造工程位于內(nèi)蒙古自治區(qū)興安盟境內(nèi),線路始于錫烏線與白阿線交匯的芒罕屯站,由東南至西北,途經(jīng)索倫、明水河、五岔溝、白狼等鎮(zhèn),終至阿爾山市伊爾施鎮(zhèn),線路全長212 km。白阿鐵路擴(kuò)能改造工程對(duì)于貫通中蒙通道，增強(qiáng)蒙東煤炭基地的外運(yùn)能力，提升既有鐵路資產(chǎn)運(yùn)營質(zhì)量與效果，增強(qiáng)民族團(tuán)結(jié)和鞏固國防均具有重要意義。

阿爾山是著名的火山溫泉旅游勝地,地勢(shì)陡峻,地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜,既有白阿鐵路穿越阿爾山國家地質(zhì)公園,且距離阿爾山地質(zhì)公園溫泉景區(qū)內(nèi)的泉眼較近。本次擴(kuò)能改造充分考慮環(huán)保要求與地質(zhì)條件,分析火山溫泉形成機(jī)制,應(yīng)用區(qū)域水均衡理論結(jié)合大氣降水入滲理論對(duì)阿爾山地區(qū)工程建設(shè)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與區(qū)劃,對(duì)阿爾山地區(qū)線路方案進(jìn)行深入研究與比選,以繞避環(huán)境地質(zhì)敏感區(qū)。

1 阿爾山地區(qū)自然特征

1.1 氣候特征

本區(qū)地處歐亞大陸中緯度內(nèi)陸,北溫帶中部,屬大陸型寒溫帶半干旱季風(fēng)氣候,四季分明,寒暑變化劇烈,春季干旱,夏熱多雨,秋季涼爽,冬季干冷。年溫差達(dá)36 ℃,月溫差達(dá)15 ℃。蒸發(fā)量為降雨量的3倍。冬季嚴(yán)寒,每年10月到翌年4月為冰凍期,無霜期95 d,年平均降水量425 mm,日照2 800～3 100 h,年平均氣溫-2.7 ℃,一月份平均氣溫-25 ℃～-33 ℃,屬嚴(yán)寒地區(qū),極端最高氣溫33 ℃,極端最低氣溫-44.5 ℃,最大積雪深度45 cm,最大風(fēng)速25 m/s,大風(fēng)日數(shù)9 d。

1.2 地形地貌

本地區(qū)處于南興安嶺地區(qū),以低中山為主,海拔1 000～1 500 m,特點(diǎn)是山高谷深,山峰的絕對(duì)海拔高程多在1 300 m以上。興安嶺主脊線為東南西北方向分水嶺,地面切割強(qiáng)烈,多呈山勢(shì)陡峻、溝壑縱橫的景觀。一般相對(duì)高差100～300 m。該地區(qū)主要有三條較大的河谷：洮兒河河谷、阿爾善高勒河河谷以及勃爾姑高勒河河谷。河谷之間被興安嶺山脈阻斷,河谷之間的高差只有60 m左右,無法通過越嶺隧道更多的降低高程而減少兩端引線的展線長度。

1.3 地質(zhì)特征

本地區(qū)處于蒙古弧形構(gòu)造的東翼與新華廈系大興安嶺第三巨型隆起帶斜結(jié)部位，屬大興安嶺華力西晚期褶皺帶。古生代地層強(qiáng)烈褶皺,受到不同程度的區(qū)域變質(zhì)作用。中生代已轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)地臺(tái),火山巖遍布全區(qū)。到燕山運(yùn)動(dòng)期間,地殼發(fā)生了強(qiáng)烈的斷塊運(yùn)動(dòng),有多期的巖漿活動(dòng),并產(chǎn)生一些北東向的短軸背向斜,迭加于二迭紀(jì)構(gòu)造層之上,斷裂多為高角度正斷層。

阿爾山溫泉位于阿爾山市區(qū)東南部,上侏羅系復(fù)活破火山口的中部,由上侏羅系寶石組酸性碎屑巖、熔巖、熔結(jié)凝灰?guī)r、黑曜巖、流紋巖組成。區(qū)內(nèi)發(fā)育東西向裂隙式火山管道,在破火山口中央,由于后期破火山口的塌陷,形成阿爾山地塹,兩側(cè)走向?yàn)?45°的張扭性斷層,阿爾山溫泉正好位于張扭性斷層與北北東向裂隙式火山管道交叉部位。

2 阿爾山地區(qū)鐵路工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與區(qū)劃

2.1 阿爾山地區(qū)火山溫泉形成原理

阿爾山溫泉出露于阿爾山復(fù)活破火山口的中部,位于阿爾善高勒河谷兩側(cè)與山坡交界處,受北北東向壓扭性斷裂及北北西向張扭性斷裂的控制形成一小型地塹。大氣降水及地表水沿阿爾山盆地邊緣張性斷裂和破火山環(huán)狀斷裂滲透、運(yùn)移匯集于北北西向張扭性斷裂,繼續(xù)向北徑流,在徑流過程中地下水受到隱伏潛火山巖(火山管道)和邊緣巖漿房的余熱使水溫增高。而阿爾山以北的北北東向斷層為石英斑巖或花崗斑巖所填充,寬達(dá)120 m,沿走向10°～30°折線變化,該斷裂在河谷之下,由于被熔巖充填,形成隔水墻。當(dāng)?shù)叵滤龅奖北睎|向壓扭性斷裂“隔水墻”時(shí)受阻,在凈水壓力作用下,迫使原北流的地下水沿該隔水墻上升,循環(huán)對(duì)流,在近地表與第四系孔隙潛水發(fā)生混合形成具有不同溫度的冷、熱礦泉水(如圖1所示)。阿爾山溫泉群總流量約500 m3/d,溫泉的水溫及涌水量,除34號(hào)外,均存在季節(jié)性變化。

圖1 阿爾山溫泉形成原理

2.2 區(qū)域地下水均衡原理

阿爾山地區(qū)大氣降水量是阿爾善高勒流域內(nèi)地表水、地下水、蒸發(fā)蒸散和地面滯水總的來源。地下水主要排泄方式為泉流排泄,地表水主要為河流,可利用水均衡法大致估算區(qū)域內(nèi)地下水的補(bǔ)給量Q地

Q地=Q降水-Q河流-Q泉-Q蒸發(fā)

(1)

式中Q降水——大氣降水量/(m3/年)；

Q河流——河流年均流量/(m3/年)；

Q地——地下補(bǔ)給量/(m3/年)；

Q泉——泉流量/(m3/年)；

Q蒸發(fā)——年蒸發(fā)蒸散量/(m3/年)；

W——年均降水量/m；

S——流域面積/m。

根據(jù)水循環(huán)原理,阿爾山地塹的水補(bǔ)給主要是四周山脈地表水、地下水匯集而成的,因此圈定大興安嶺嶺北至阿爾山溫泉群流域面積作為主要研究區(qū)域。通過量測嶺北至溫泉群流域面積(S=97 827 551 m2),計(jì)算地下水年補(bǔ)給量(見表1)。

表1 地下水年補(bǔ)給量計(jì)算結(jié)果 (m3/年)

2.3 隧道涌水量預(yù)測

阿爾山地區(qū)地勢(shì)陡峻,為了繞避阿爾山市火山溫泉國家地質(zhì)公園,采用隧道形式穿過阿爾山市南側(cè)山體。鐵路建設(shè)過程中,隧道的施工排水會(huì)造成地下水流失,對(duì)位于阿爾山市西南部的水源地水源補(bǔ)給和溫泉的補(bǔ)給有影響。用大氣降水入滲法預(yù)測隧道涌水量

Q涌=2.74λ·W·A

(2)

式中Q涌——平水期隧道正常涌水量/(m3/年)；

λ——降水入滲系數(shù)；

W——年均降水量/m；

A——隧道通過地段的集水面積/km2。

2.4 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)與區(qū)劃

根據(jù)區(qū)域地下水均衡原理與隧道涌水量預(yù)測,隧道施工涌水量越大,對(duì)溫泉群地下水補(bǔ)給的影響越大,風(fēng)險(xiǎn)越高。施工建設(shè)距溫泉群越近,噪聲、鐵路污水、電磁輻射等對(duì)阿爾山生態(tài)環(huán)境的影響越大。另外，地下水入滲深度不同,對(duì)溫泉的影響也不同。綜合以上因素,用風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)α反映工程建設(shè)對(duì)溫泉的影響程度。

α=Q涌/Q地+(L-l)/L+λ2

(3)

式中α——風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)；

l——工程建設(shè)距溫泉的距離/m；

L——安全距離/m。

將阿爾山地區(qū)按照對(duì)溫泉的影響大小劃分為三個(gè)風(fēng)險(xiǎn)區(qū)(如圖1所示)。

(1)高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)：α>0.6,距溫泉近,施工建設(shè)對(duì)巖層斷裂帶的沖擊以及對(duì)地下水循環(huán)的破壞將對(duì)該區(qū)域內(nèi)的溫泉造成不可逆轉(zhuǎn)的影響,禁止新建隧道工程。

(2)中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)：0.2<α≤0.6,距溫泉較遠(yuǎn),隧道施工建設(shè)將影響附近區(qū)域地下水滲透循環(huán),造成地下水的流失和溫泉水補(bǔ)給的減少,對(duì)溫泉影響較大。

(3)低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)：α<0.2,施工建設(shè)離火山溫泉區(qū)遠(yuǎn),對(duì)溫泉影響較小。

3 方案研究與比選

3.1 限制坡度選擇

白阿鐵路擴(kuò)能改造工程采用6‰/13‰限制坡度,針對(duì)阿爾山地區(qū)特殊的地形地貌、環(huán)境地質(zhì)等因素,對(duì)6‰/13‰、13‰/13‰限制坡度進(jìn)行比較研究。13‰/13‰方案的線路長度較短,橋隧比較小,工程投資較省,但能源消耗大,運(yùn)營成本高,運(yùn)輸組織不靈活。盡管6‰13‰方案有工程投資大、越嶺隧道長等缺點(diǎn),但是從運(yùn)營條件看,本線是以煤炭運(yùn)輸為主的貨線,6‰坡度能夠避免在白狼至阿爾山段采用補(bǔ)機(jī),并且與其他路段的限制坡度一致,具有提高輸送能力,改善運(yùn)營條件,節(jié)省運(yùn)營成本，降低能源消耗等優(yōu)點(diǎn)。從區(qū)域路網(wǎng)分析,相鄰的兩伊鐵路與在建錫烏鐵路限制坡度6‰,使用6‰/13‰坡度能和相鄰鐵路相互匹配,適應(yīng)遠(yuǎn)期發(fā)展需求。因此,該段采用6‰/13‰限坡方案。

3.2 方案說明

(1)阿爾山南取直方案(方案Ⅰ)

該方案自比較起點(diǎn)CK302+800引出后繞避白狼望遠(yuǎn)山礦泉水廠,于既有白狼站南側(cè)新設(shè)白狼站。出站后以23 750 m隧道翻越大興安嶺,同時(shí)繞避白狼洮兒河國家濕地公園和阿爾山火山地質(zhì)公園及阿爾山市區(qū)。出隧道后連續(xù)以隧道展線至伊爾施行政規(guī)劃區(qū)東北側(cè)設(shè)新伊爾施站,出站后引入兩伊線阿爾山北站。該方案線路長度57.404 km,橋梁長3.782 km,隧道長41.295 km,橋隧比78.53%,工程投資38.03億元。

(2)沿勃爾姑高勒河谷方案(方案Ⅱ)

該方案自比較起點(diǎn)CK302+800引出,于白狼鎮(zhèn)西側(cè)設(shè)白狼站。出站后沿既有線東側(cè)走行,以9 695 m隧道穿越大興安嶺,出隧道后沿阿爾善高勒河谷西南側(cè)走行至距阿爾山市區(qū)約1.6 km處折向西以9 515 m隧道繞行至勃爾姑高勒河谷,之后連續(xù)以隧道展線至伊爾施行政規(guī)劃區(qū)東北側(cè)設(shè)新伊爾施站,出站后引入兩伊線阿爾山北站。該方案線路長度63.779 km,橋梁長3.738 km,隧道長36.755 km,橋隧比63.49%,工程投資33.19億元。

(3)阿爾山南繞行方案(方案Ⅲ)

該方案自比較起點(diǎn)CK302+800引出后繞避白狼望遠(yuǎn)山礦泉水廠,于既有白狼站南側(cè)新設(shè)白狼站。出站后分別以9 960 m、5 300 m和12 265 m隧道翻越大興安嶺,同時(shí)繞避白狼洮兒河國家濕地公園及阿爾山火山地質(zhì)公園及阿爾山市區(qū)。出隧道后連續(xù)以隧道展線至伊爾施行政規(guī)劃區(qū)東北側(cè)設(shè)新伊爾施站,出站后引入兩伊線阿爾山北站。該方案線路長度71.173 km,橋梁長3.558 km,隧道長53.35 km,橋隧比79.96%,工程投資43.86億元。

圖2 阿爾山地區(qū)方案比較示意

3.3 工程地質(zhì)與環(huán)境敏感性評(píng)價(jià)

方案Ⅰ：隧道進(jìn)口段主要為侏羅系上統(tǒng)凝灰?guī)r,塊狀構(gòu)造,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體較破碎,地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育。隧道洞深圍巖主要為燕山期花崗巖,塊狀構(gòu)造,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體較破碎,地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育,圍巖等級(jí)以Ⅲ、Ⅳ級(jí)為主。該方案走行于低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)以外,對(duì)溫泉基本沒有影響,工程風(fēng)險(xiǎn)較小,且符合地方政府繞避阿爾山市區(qū)要求,但是該方案存在23.75 km的超長雙洞隧道,工程投資較大,施工工期長,工程難度大。

方案Ⅱ：隧道洞深圍巖主要為侏羅系上統(tǒng)凝灰?guī)r,凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu),層狀構(gòu)造,節(jié)理裂隙發(fā)育。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料、地質(zhì)調(diào)繪分析以及鉆孔揭露,隧道通過地段區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造較發(fā)育,主要為華力西期和燕山期巖漿的侵入活動(dòng),與侏羅系上統(tǒng)地層形成斷層,圍巖等級(jí)以Ⅲ級(jí)為主。該方案穿越了溫泉中風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域,對(duì)溫泉影響較大。

方案Ⅲ：隧道洞深圍巖主要為燕山期花崗巖,巖質(zhì)堅(jiān)硬,塊狀構(gòu)造,節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體較破碎,地質(zhì)構(gòu)造不發(fā)育,圍巖等級(jí)以Ⅲ、Ⅳ級(jí)為主。該方案徹底繞避阿爾山火山溫泉國家地質(zhì)公園和阿爾山市溫泉街飲用水水源地保護(hù)區(qū),對(duì)溫泉和水源地保護(hù)區(qū)基本沒有影響,工程風(fēng)險(xiǎn)最小。

3.4 方案優(yōu)缺點(diǎn)分析與比選

阿爾山地區(qū)方案優(yōu)缺點(diǎn)綜合對(duì)比分析見表2。

表2 阿爾山地區(qū)方案優(yōu)缺點(diǎn)分析

綜上所述,阿爾山南取直方案(方案Ⅰ)雖然工程投資貴4.84億元,并且存在23.75 km的超長雙洞隧道,工程難度大,但是線形較為順直,線路長度最短,比方案Ⅱ和方案Ⅲ分別短6.375 km與13.769 km,線位走行于低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)以外,對(duì)溫泉基本沒有影響,工程風(fēng)險(xiǎn)較小,且符合地方政府繞避阿爾山市區(qū)要求,隧道洞深圍巖主要為燕山期花崗巖,巖質(zhì)堅(jiān)硬,地質(zhì)條件較好,隧道施工風(fēng)險(xiǎn)較小。因此,本次研究推薦阿爾山南取直方案。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)阿爾山地區(qū)火山溫泉形成原理,應(yīng)用區(qū)域水均衡理論結(jié)合大氣降水入滲理論對(duì)阿爾山地區(qū)工程建設(shè)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)價(jià),提出用風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)這個(gè)概念對(duì)環(huán)境影響的程度進(jìn)行量化與分級(jí),應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)區(qū)劃結(jié)合其他控制因素進(jìn)行方案研究與比選,推薦走行于低風(fēng)險(xiǎn)區(qū)以外、地質(zhì)條件較好、工程風(fēng)險(xiǎn)較小且符合地方政府繞避阿爾山市區(qū)要求的阿爾山南取直方案,對(duì)環(huán)境地質(zhì)選線具有重要的參考價(jià)值與借鑒意義。

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