隧道工程涌水對(duì)溫泉補(bǔ)給的影響分析

胡　鑫

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

1　地理位置及地形地貌

1.1　地理位置

擬建隧道工程位于阿爾山市，阿爾山市地處我國邊陲，是我國北部的一個(gè)新興旅游城市，位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東北部，地處連綿起伏的大興安嶺山脈中段，行政區(qū)劃屬于興安盟，是內(nèi)蒙古自治區(qū)的邊境城市之一，國境線全長94.434 km。位置如圖1所示。

圖1　地理位置

1.2　地形地貌

區(qū)內(nèi)海拔1 000～1 500 m，最高峰太平嶺海拔1 711.80 m，一般相對(duì)高差200～300 m。大興安嶺山脈在區(qū)內(nèi)總體走勢為北北東向，呈“之”字形延伸。區(qū)內(nèi)層巒疊嶂，溝谷縱橫，植被茂密，林海茫茫。這里山清水秀，自然風(fēng)光秀美，不僅具有得天獨(dú)厚的旅游資源，而且蘊(yùn)涵了奇特、獨(dú)有的地質(zhì)景觀，不但有非常重要的地質(zhì)保護(hù)意義和科學(xué)研究價(jià)值，而且是不可多得的旅游資源，值得重點(diǎn)保護(hù)和開發(fā)利用。

2　溫泉區(qū)域內(nèi)地質(zhì)概況

阿爾山溫泉群出露于阿爾山市區(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。破火山口周圍由環(huán)狀斷裂和環(huán)狀巖脈(閃長玢巖)所限定，并發(fā)育有放射狀巖脈、平行巖脈，其內(nèi)有數(shù)個(gè)噴發(fā)中心，即有發(fā)育在環(huán)狀斷裂上的火山頸，也有發(fā)育在破火山口內(nèi)部的圓形火山錐、熔巖鐘。阿爾山地塹由熔結(jié)凝灰?guī)r、熔結(jié)角礫巖、黑曜巖、松脂巖組成，區(qū)內(nèi)發(fā)育東西向裂隙式復(fù)活火山口和沿北北東向主壓性結(jié)構(gòu)面侵入噴發(fā)的裂隙式火山管道。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)為走向345°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。阿爾山破火山口經(jīng)歷了早期噴發(fā)、塌陷、復(fù)活，環(huán)狀斷裂的火山活動(dòng)和脈巖侵入等階段，溫泉是火山活動(dòng)安眠階段的產(chǎn)物。

3　溫泉的成因機(jī)制

阿爾山溫泉的形成，具備了如下有利地質(zhì)條件。

3.1　有容礦構(gòu)造—阿爾山地塹

在破火山口中央，發(fā)育一條寬600～700 m斷層帶，其延伸方向345°左右，為新華夏系張扭斷層帶，阿爾山高勒河谷兩側(cè)與山坡交界處，為兩條平行張扭性斷裂。其傾向均向河谷方向傾斜，傾角70°～80°，上盤下降，組成一小型地塹，阿爾山溫泉集中分布在地塹東南側(cè)斷裂帶中，并具有明顯的方向性，總趨勢按345°方向呈帶狀展布。

圖2　地質(zhì)分布

從圖2中看出，溫泉分6個(gè)帶，斜列出現(xiàn)，說明溫泉受張扭性斷裂帶中次一級(jí)羽裂(扭性或壓扭性)的控制。因此，兩條平行張扭性斷裂和次級(jí)羽裂成為溫泉的容礦構(gòu)造。

3.2　有導(dǎo)礦構(gòu)造—北北東向裂隙式火山管道

阿爾山鎮(zhèn)西南山坡下之采石場有一條NNE斷層，寬6～120 m，長10 km，總體走向20°，為區(qū)域新華夏系基地?cái)嗔褬?gòu)造，是破火山口晚期裂隙式火山通道。該斷層在阿爾山鎮(zhèn)以北被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。斷裂南段為酸性熔巖充填，其中黑曜巖呈構(gòu)造透鏡狀沿?cái)鄬臃植?，尖滅再現(xiàn)，最大者長9 m，寬3 m，黑曜巖中常有從破火山基底中攜帶上來的堿長花崗巖的角礫，可見沿?cái)嗔言?jīng)是火山噴發(fā)的通道，該斷裂在河谷之下。由于被熔巖充填，形成隔水墻。

3.3　向斜式儲(chǔ)水承壓構(gòu)造

以阿爾山鎮(zhèn)為中心是一向斜構(gòu)造(圖3A、B)。在向斜兩翼見有熔結(jié)角礫巖和熔巖角礫巖，具有孔洞和氣孔，為很好的透水層或隔水層，其頂板與底板均為流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r，酸性凝灰熔巖，為良好的隔水層，而阿爾山盆地邊緣，發(fā)育有破火山口環(huán)狀斷裂帶，在阿爾山南發(fā)育一組東西向張性斷層為地下水的良好補(bǔ)給通道。

圖3　阿爾山溫泉水向斜儲(chǔ)水構(gòu)造

3.4　溫泉的成因機(jī)制探討

阿爾山溫泉具備有以上有利的水文地質(zhì)條件，即阿爾山溫泉出露于阿爾山復(fù)活破火山口的中部，北北東向壓扭性斷裂及北北西向張扭性斷裂的交匯處，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，當(dāng)遇到北北東向壓扭性斷裂“隔水墻”時(shí)，地下水受阻，在凈水壓力作用下，迫使原北流之地下水，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4、圖5所示)。

圖4　溫泉形成機(jī)制理剖面

圖5　地下水的補(bǔ)給來源和地?zé)岱植?/p>

4　阿爾山地?zé)釁^(qū)的圈定

阿爾山地?zé)岵煌耆窒抻谝阎獪厝雎斗秶?，西?cè)可能存在地?zé)帷?/p>

4.1　不同泉眼的溫度變化

阿爾山溫泉群受走向?yàn)?45°的張扭性斷裂及其低次序的扭-壓扭性羽裂(A—A＇、B—B＇、C—C＇、D—D＇、E—E＇、F—F＇)的控制，這些羽裂上的溫泉呈線形展布，斜裂出現(xiàn)。其水溫變化：F—F＇斷裂水溫3 ℃～15 ℃(7個(gè)溫泉)；E—E＇水溫10 ℃～25 ℃(7個(gè)溫泉)；C—C＇水溫21.9 ℃～41 ℃(5個(gè)溫泉)；B—B＇水溫20 ℃～40 ℃(14個(gè)溫泉)；說明溫泉由南往北，離潛火山巖愈近水溫愈高。

4.2　溫泉熱源

據(jù)34號(hào)井鉆探資料記錄：井深13.5 m水溫44 ℃，井深23 m水溫44.5 ℃，井深33.5 m水溫49 ℃，說明由地表往下水溫逐漸增高，而且從23 m以下每深2 m水溫遞升1 ℃。表明離潛火山巖愈近，水溫愈高。推測熱源可能來自潛火山巖的近期巖漿活動(dòng)，也不排除地下有干熱巖層。

4.3　溫泉的分布范圍

溫泉群僅僅分布于裂隙式火山管道以南，說明往北流動(dòng)的地?zé)崴芷渥韪羯仙雎队诘乇?見圖4)。

A—A＇—D＇—D溫泉密集區(qū)水溫較高，E—E＇—F＇—F溫泉區(qū)水溫較低，兩區(qū)之間出現(xiàn)100 m的空間區(qū)，很可能為另一條潛火山巖所占據(jù)。阿爾山溫泉出露于東西向裂隙式復(fù)活火山口與北北東向裂隙式火山管道交叉復(fù)合位，多次的火山活動(dòng)為溫泉提供源源不斷的熱能，說明地下巖漿房仍在活動(dòng)，并還在不斷地散發(fā)熱量，使地表水在深部循環(huán)，得以加熱受阻，承壓上升于地表。阿爾山溫泉群帶長320 m、寬68 m，而被裂隙式火山管道阻隔產(chǎn)生循環(huán)范圍是A—A＇—F＇—F區(qū)，長約180 m，A—A＇以北是熱水循環(huán)對(duì)流以外的死角區(qū)。

4.4　溫泉地?zé)嵬茰y范圍

目前，已知的阿爾山溫泉群出露于阿爾山地塹的東側(cè)斷裂帶中，而西側(cè)斷裂帶未見地?zé)崴额^，但水文地質(zhì)條件與東側(cè)斷裂相同。因此，推測西側(cè)斷裂很可能有地?zé)崴癫?。只因斷裂寬帶，容水量較大，地?zé)崴灰茁队诘乇怼?/p>

綜合以上分析，地?zé)釁^(qū)界圈定為東西兩側(cè)以斷裂為界， 北部以裂隙式火山管道為界，南部邊界推測道最南邊一條隱伏潛火山巖以南50 m左右。即地?zé)釁^(qū)東西寬500 m，南北長320～800 m。

5　地下水補(bǔ)給徑流排泄條件

阿爾山市地處大興安嶺山脈，屬河谷、低中山地貌。阿爾山位于破火山口中央，由于后期破火山口的塌陷，形成阿爾山地塹，破火山口中部被阿爾山地塹分割成兩部分，外形好似蝴蝶的兩翼。

阿爾山地塹與阿爾山河谷走向一致，河谷兩側(cè)為高山地形，大氣降水直接補(bǔ)給地下水及地表水，地表水直接匯集于阿爾善河，寬緩河谷為一良好的積水廊道。熔結(jié)角礫巖和熔巖角礫巖，具有孔洞和氣孔為很好的透水層或隔水層，其頂板與底板均為流紋質(zhì)熔結(jié)凝灰?guī)r、酸性凝灰熔巖，為良好的隔水層。

阿爾山市為一向斜儲(chǔ)水構(gòu)造。阿爾山盆地邊緣發(fā)育有破火山口環(huán)狀斷裂帶，在阿爾山南發(fā)育一組東西向張性斷層，為地下水的良好補(bǔ)給通道。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，受北北東向壓扭性斷裂阻隔，在近地表與第四系孔隙潛水混合，以溫泉、冷泉方式排泄。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。

6　地下水的水化學(xué)特征

阿爾山溫泉水化學(xué)類型主要為Na-CO3型水，pH值一般在7.4～8.5，為堿性水。阿爾山礦泉氟的含量較高，均大于2 mg/L，最大可達(dá)18 mg/L。礦泉所處阿爾山盆地由火山碎屑巖、流紋巖類組成，盆地周圍為花崗巖，均為酸性巖，含氟量較高。由于長期受地下熱水的溶濾作用，加劇了化學(xué)反應(yīng)速度，產(chǎn)生了有利于氟遷移和聚集的水文地球化學(xué)環(huán)境。

7　阿爾山溫泉區(qū)域地下水的均衡

流域內(nèi)大氣降水量是地表水、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降水-Q河流-Q泉-Q蒸發(fā)

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——地下水補(bǔ)給量/(m3/年)；

Q泉——泉流量/(m3/年)；

Q蒸發(fā)——年均蒸發(fā)蒸散量/(m3/年)；

W——年均降水量/m；

S——嶺北至溫泉群流域集水面積/m2。

通過圈定大興安嶺嶺北至阿爾山溫泉群(興安1號(hào)隧道越嶺段-阿爾山溫泉群)流域面積S，計(jì)算其范圍內(nèi)大氣降水量及損失量，從而推斷該流域范圍內(nèi)地下水的補(bǔ)給量。

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(如表1所示)。

表1　地下水年補(bǔ)給量

利用水均衡法，大致估算地下水年補(bǔ)給量為7 499 349 m3。

8　隧道施工期地下水涌水量對(duì)溫泉影響分析

隧道主要通過地層為花崗巖。隧道的施工排水對(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)給有一定的影響，施工排水造成地下水流失，減少的補(bǔ)給水量。按照《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》TB 10049—2004中附錄B進(jìn)行預(yù)測。

大氣降水入滲法

Q=2.74α·W·A

式中Q——平水期隧道正常涌水量/(m3/d)；

α——降水入滲系數(shù)；

W——年均降水量/mm；

A——隧道通過地段的集水面積/km2。

興安一號(hào)隧道穿越大興安嶺，嶺南屬于洮兒河流域，嶺北屬于哈拉河上游阿爾善河流域，嶺北隧道長度3 346 m，該段施工排水影響阿爾善河流域補(bǔ)給；興安二號(hào)隧道通過阿爾善河流域和勃爾姑高勒流域，影響阿爾善河流域段補(bǔ)給段，隧道長5 415 m。影響阿爾善河流域地下水補(bǔ)給段隧道涌水量預(yù)測值如表2所示。

表2　涌水量預(yù)測

根據(jù)水均衡法預(yù)測，嶺北至阿爾山溫泉群流域內(nèi)，年天然補(bǔ)給量7 499 349 m3，隧道年涌水量為704 815 m3，占年天然補(bǔ)給量7 499 349 m3的9.39%。

同理：9‰沿勃爾谷高勒方案和13‰沿既有線方案穿越溫泉補(bǔ)給區(qū)，隧道施工涌水都會(huì)對(duì)溫泉補(bǔ)給造成一定的影響。

9　結(jié)論

阿爾山溫泉群受走向?yàn)?45°的張扭性斷裂及其低次序的扭-壓扭性羽裂的控制，這些羽裂上的溫泉呈線形展布，斜裂出現(xiàn)。泉群流量較小，不同溫泉水溫不同，水化學(xué)成分不同，說明地下水入滲深度不同，對(duì)溫泉的影響不同，溫泉對(duì)地下水的補(bǔ)給有比較強(qiáng)的敏感性。

三種方案的隧道工程僅是通過溫泉補(bǔ)給區(qū)的長度不同，隧道工程距破火山環(huán)狀斷裂及東西向張性斷層較近，其為地下水的良好補(bǔ)給通道；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，東西向張性斷層及北北西向張扭性斷裂可能延伸到擬建隧道洞身。隧道涌水損失造成溫泉群地下水補(bǔ)給量減少，對(duì)泉流流量存在潛在影響，不同方案影響程度略有差異。

[1]中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司.改建白阿線鐵路可行性研究:興安嶺隧道工程地質(zhì)勘察報(bào)告[R].北京：中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司，2010

[2]鐵道第一勘察設(shè)計(jì)院.鐵路工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國鐵道出版社，2004

[3]TB10012—2007鐵路工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S]

[4]TB10049—2004鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程[S]

[5]TB10027—2012鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程[S]

[6]《工程地質(zhì)手冊(cè)》編輯委員會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007：525-528