淺析浙西隱伏巖溶區(qū)某高速隧道巖溶水文地質(zhì)條件

龍森

摘 要：基于對(duì)浙西隱伏巖溶區(qū)某高速隧道地質(zhì)背景條件的詳細(xì)調(diào)查，文章系統(tǒng)總結(jié)了研究區(qū)內(nèi)的地形地貌、地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造特點(diǎn)；對(duì)研究區(qū)的地下水類型及賦存條件，地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件等做出了分析；總結(jié)了研究區(qū)內(nèi)的巖溶發(fā)育特點(diǎn)，計(jì)算了隧道的基本涌水量，并對(duì)隧道的巖溶問題進(jìn)行了綜合分析。從而為該高速隧道的工程建設(shè)提供了可靠的地質(zhì)依據(jù)，也進(jìn)一步保障了該公路后期的科學(xué)設(shè)計(jì)和安全施工。

關(guān)鍵詞：隱伏巖溶；隧道；水文地質(zhì)條件；巖溶

1 隧道概況

研究區(qū)隧道位于浙江省衢州市開化縣境內(nèi)，隧道區(qū)域地形地質(zhì)條件復(fù)雜，山嶺險(xiǎn)峻，峰巒疊嶂。隧道設(shè)計(jì)為雙洞分離式公路隧道，全長3060米，右線設(shè)計(jì)長度3057米，左線設(shè)計(jì)長度3102米，洞身最大標(biāo)高663m，洞口標(biāo)高在189～220m左右，高差大。

2 隧道區(qū)基本地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

隧道位于懷玉山脈芹源嶺地區(qū)，屬低山地貌，整個(gè)隧道沿N72°E方向展布。其進(jìn)口處山脊走向?yàn)镹45°E，出口處山脊走向變?yōu)镹 0°～25°E，山體最高點(diǎn)為高峰洞，標(biāo)高664.5米，山脊兩側(cè)坡度陡，溝谷深切。

2.2 地層巖性

隧道區(qū)地處楊子準(zhǔn)地臺(tái)東南部，屬江南地層區(qū)，隧道主體處出露地層為海相硅質(zhì)巖和碳酸鹽巖沉積的寒武系上統(tǒng)華嚴(yán)寺組、中統(tǒng)楊柳崗組。下統(tǒng)荷塘組出露于隧道的北西向，上統(tǒng)西陽山組出露于隧道的東南向。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)位于華夏系褶皺帶內(nèi)，隧道區(qū)在石門背斜東南翼通過，石門背斜，軸線呈北東60-70°方向展布，核部地層為震旦系燈影組，兩翼地層為寒武系地層；受斷層破壞較大，寬約10km，長約4km，總體寬大于長，為短軸背斜；樞紐產(chǎn)狀240°∠20°。

隧址斷裂構(gòu)造較發(fā)育，主要斷裂為F34，F(xiàn)35，F(xiàn)36，F(xiàn)37。其空間位置如圖1所示。其中F36、F37兩條張性斷層對(duì)隧道影響比F34、F35兩條壓性斷層大。

根據(jù)野外調(diào)查，受石門背斜及附近張性斷層影響，山頂處裂隙較發(fā)育，主要發(fā)育順層節(jié)理和傾向節(jié)理。實(shí)測一組順層節(jié)理寬10-15厘米，走向226°，約1米/條。

3 水文地質(zhì)條件

3.1 地下水類型

隧道通過區(qū)主要地下水類型為碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶水、裂隙水，富水性弱，含水層巖性為寒武系中統(tǒng)楊柳崗組（？著2y）深灰色中薄層狀泥灰?guī)r、白云質(zhì)泥灰?guī)r、條帶狀、餅狀灰?guī)r，夾含炭硅質(zhì)頁巖，上統(tǒng)華嚴(yán)寺組（？著3h）深灰色條帶狀灰?guī)r夾餅狀灰?guī)r，西陽山組（？著3x）深灰色中厚層狀泥灰?guī)r、餅狀、瘤狀、條帶狀灰?guī)r。巖溶發(fā)育一般，地下水賦存于巖溶裂隙中，富水性不均一，主要受構(gòu)造及地貌控制。

3.2 補(bǔ)給、徑流、排泄特征

綜合來看，區(qū)內(nèi)巖溶地下水主要接受大氣降雨補(bǔ)給。主要通過節(jié)理構(gòu)造、溶蝕裂隙及極少數(shù)小型溶洞下滲補(bǔ)給地下水，由于隧道沿分水嶺方向展布，兩邊坡度大，水在自身重力的作用下，易于形成地表徑流，大氣降雨很大一部分無法有效補(bǔ)給地下水。

區(qū)內(nèi)地下水徑流主要受地勢影響，總體上應(yīng)為上圖所示四個(gè)方向，向山下徑流。又由于山頂處及山體北坡多出露巖層且順層節(jié)理及切層節(jié)理發(fā)育，在局部形成優(yōu)勢通道，切層節(jié)理溝通多個(gè)層面，使得地下水滲流方向改變，在節(jié)理交匯處，運(yùn)動(dòng)更為頻繁。

本區(qū)地下水在山腳下以泉的形式轉(zhuǎn)化為地表水或是以潛流形式側(cè)向補(bǔ)給其他含水層，最終匯入池淮溪、龍山溪。

3.3 隧道區(qū)巖溶發(fā)育狀況

隧道區(qū)碳酸巖分布廣泛，寒武系除大陳嶺組外均可見露頭，隧道區(qū)主要穿過中統(tǒng)楊柳崗組和上統(tǒng)華嚴(yán)寺組。從地表調(diào)查來看，巖溶主要形式有溶紋、溶溝、溶槽等，在上寒武統(tǒng)含泥質(zhì)條帶的泥晶灰?guī)r中，由于差異性溶蝕作用，在斷面上見到魚鱗狀或波紋狀溶蝕溝紋。區(qū)內(nèi)溶溝、溶槽等發(fā)育較淺。

溶蝕裂隙主要沿層面及一組與層面正交的節(jié)理面發(fā)育，外部寬度可達(dá)15cm，但溶隙規(guī)模受構(gòu)造面控制，延展性有限，發(fā)育深度較淺，對(duì)大氣降雨的導(dǎo)入作用不甚明顯。

總體來說，野外調(diào)查表明芹源嶺地區(qū)地表溶蝕現(xiàn)象并不明顯，多為溶隙和順構(gòu)造面方向的小溶洞，規(guī)模和深度都十分有限，唯一發(fā)現(xiàn)的一處大規(guī)模溶洞并不能說明該區(qū)域具備發(fā)育群發(fā)性大規(guī)模溶洞的條件。

3.4 涌水量計(jì)算

3.4.1 涌水量預(yù)測分段確定

根據(jù)隧道區(qū)段地下水補(bǔ)、徑、排特點(diǎn)及含水巖組富水性、巖溶發(fā)育特征，對(duì)隧道區(qū)進(jìn)行分區(qū)段涌水量預(yù)測，各分段控制面積確定以1∶1萬地形圖為基礎(chǔ)，結(jié)合野外調(diào)查并考慮隧道區(qū)高程的影響程度而圈定。

3.4.2 涌水量預(yù)測方法選擇及參數(shù)選取

隧道涌水具有季節(jié)性變化，預(yù)測隧道涌水量時(shí)應(yīng)分別計(jì)算正常涌水量與雨季最大涌水量值。涌水量預(yù)測正確性，主要取決對(duì)隧道充水條件的正確分析及計(jì)算參數(shù)和計(jì)算方法的合理選用。由于目前所獲取的本區(qū)水文地質(zhì)資料有限，擬采取降水入滲系數(shù)法整體上預(yù)測涌水量。

降水入滲系數(shù)法：

Qy=ηQa=1000ηαAF/365

式中：a-入滲系數(shù)；η-涌水系數(shù)；A-年均降水量（mm）；F-各區(qū)段匯水面積（km2）；Qa-采用大氣降水滲入法計(jì)算的滲入補(bǔ)給量（m3/d）；Qy-采用大氣降水滲入法計(jì)算的涌水量（m3/d）。

區(qū)內(nèi)降水量數(shù)據(jù)通過開化縣氣象資料獲取。對(duì)涌水系數(shù)來說，本區(qū)內(nèi)含水巖層均為弱富水性，且?guī)r溶水主要運(yùn)移于巖溶裂隙中，η取值空間應(yīng)在0.1到0.4之間。對(duì)入滲系數(shù)來說，以區(qū)域水文地質(zhì)報(bào)告已有參數(shù)為基礎(chǔ)，同時(shí)參考各分區(qū)段入滲特征，確定最終參數(shù)取值。

3.4.3 涌水量計(jì)算

根據(jù)涌水量計(jì)算結(jié)果，隧道區(qū)年最大涌水量444.8573m3/d，年最小涌水量202.6685m3/d，年正常涌水量304.8472m3/d。按開化縣歷年監(jiān)測的日最大降雨量預(yù)測，可能產(chǎn)生的最大涌水量為13007.1m3/d。endprint

4 隧道巖溶問題綜合分析

4.1 地層巖性對(duì)巖溶發(fā)育的控制

碳酸鹽巖是巖溶發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，碳酸鹽巖中的CaO含量越高時(shí)，則其可溶性就越強(qiáng)，反之，則越弱，即白云巖類、泥灰?guī)r類、硅質(zhì)泥質(zhì)炭質(zhì)石灰?guī)r類巖溶發(fā)育較弱，純灰?guī)r類則巖溶發(fā)育最強(qiáng)。從巖性角度來看，工作區(qū)上覆地層為寒武系華嚴(yán)寺組、楊柳崗組，本地區(qū)寒武系巖層總體特點(diǎn)是泥質(zhì)含量較高，且碳酸鹽巖常與非碳酸鹽巖互層發(fā)育，因此從巖性基礎(chǔ)上分析，本區(qū)巖溶并不發(fā)育。從實(shí)際野外調(diào)查來看，除高峰洞附近出現(xiàn)一較大溶洞外，也未見有其他群發(fā)性大型溶洞或地下暗河存在。

4.2 地形地貌對(duì)匯水條件的控制

在不同地貌條件下，巖溶發(fā)育過程是不同的。因?yàn)閹r溶發(fā)育在很大程度上受地表水和滲透條件的影響，而這兩者又常受地貌條件的影響，如地面坡度、切割密度和深度、水系分布等。因此，巖溶發(fā)育過程常和地貌發(fā)育過程聯(lián)系在一起。地面坡度的大小直接影響滲透量的大小。在比較平緩的地方，地面徑流流速緩慢，滲透量就較大，巖滾較發(fā)育。反之，地面坡度愈大，徑流流速愈快，滲透量就愈小，巖溶發(fā)育就較差。

從地形地貌來看，由于隧道穿過兩大流域分水嶺，地形坡度陡，使得補(bǔ)給區(qū)面積較小，徑流速度較快，不利于地下水補(bǔ)給。

4.3 地質(zhì)構(gòu)造與巖溶發(fā)育關(guān)系

從構(gòu)造角度來看，主要影響在于張性節(jié)理發(fā)育且張開度較好，主要分為順層節(jié)理和傾向節(jié)理，其中順層節(jié)理發(fā)育占主導(dǎo)，為入滲提供了良好的通道，而傾向節(jié)理溝通了多個(gè)層面的順層節(jié)理，在其交匯地帶，地下水循環(huán)活躍，往往為巖溶較發(fā)育提供了有利條件，調(diào)查中高峰洞附近的溶洞就是地下水順著傾向節(jié)理垂直下滲，在順層節(jié)理面處發(fā)育的一個(gè)較大的溶洞，其規(guī)模大小與此處節(jié)理大小密切相關(guān)。

5 結(jié)束語

通過本次調(diào)查，基本查明了隧道區(qū)段的水文工程地質(zhì)條件與巖溶發(fā)育特征，對(duì)隧道區(qū)巖溶水文地質(zhì)條件有了如下基本結(jié)論：（1）受地層巖性及匯水條件影響，本區(qū)巖溶地貌不發(fā)育，主要以表面的溶痕為主。（2）本區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)模主要受構(gòu)造影響，特別是張性裂隙，區(qū)內(nèi)唯一較大溶洞就是在構(gòu)造影響下發(fā)育而成的。（3）通過初步估算計(jì)算，區(qū)內(nèi)涌水量并不大，正常降雨條件下，豐水年也僅為445m3/d，按歷史最大日降雨量來算，則為13007m3/d，對(duì)隧道整體工程影響不大。

參考文獻(xiàn)

[1]徐曉青.浙西北高速公路隱伏巖溶區(qū)巖溶發(fā)育特征及巖溶塌陷易發(fā)性指標(biāo)體系研究[D].中國地質(zhì)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.

[2]袁道先.中國巖溶學(xué)[M]. 北京：地質(zhì)出版社，1993.

[3]中國科學(xué)院地質(zhì)研究所巖溶研究組.中國巖溶研究[M].北京：科學(xué)山版社，1979.

[4]羅明明.浙西北巖溶發(fā)育及分布特征探討[D].中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文，2012.

[5]張人權(quán)，梁杏，靳孟貴，等.水文地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)（第六版）[M]. 北京：地質(zhì)出版社，2011.

[6]Andreas M， Franko JM.Identification of a karst system's intrinsic hydrodynamic parameters： upscaling from single springs to the whole aquifer， Environ Earth Sci（2012） 65：2377-2389

[7]Geyer T， Birk S， Liedl R， Sauter M （2008） Quantification of temporal distribution of recharge in karst systems from spring hydrographs. J Hydrol 348：452-463.endprint

4 隧道巖溶問題綜合分析

4.1 地層巖性對(duì)巖溶發(fā)育的控制

碳酸鹽巖是巖溶發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，碳酸鹽巖中的CaO含量越高時(shí)，則其可溶性就越強(qiáng)，反之，則越弱，即白云巖類、泥灰?guī)r類、硅質(zhì)泥質(zhì)炭質(zhì)石灰?guī)r類巖溶發(fā)育較弱，純灰?guī)r類則巖溶發(fā)育最強(qiáng)。從巖性角度來看，工作區(qū)上覆地層為寒武系華嚴(yán)寺組、楊柳崗組，本地區(qū)寒武系巖層總體特點(diǎn)是泥質(zhì)含量較高，且碳酸鹽巖常與非碳酸鹽巖互層發(fā)育，因此從巖性基礎(chǔ)上分析，本區(qū)巖溶并不發(fā)育。從實(shí)際野外調(diào)查來看，除高峰洞附近出現(xiàn)一較大溶洞外，也未見有其他群發(fā)性大型溶洞或地下暗河存在。

4.2 地形地貌對(duì)匯水條件的控制

在不同地貌條件下，巖溶發(fā)育過程是不同的。因?yàn)閹r溶發(fā)育在很大程度上受地表水和滲透條件的影響，而這兩者又常受地貌條件的影響，如地面坡度、切割密度和深度、水系分布等。因此，巖溶發(fā)育過程常和地貌發(fā)育過程聯(lián)系在一起。地面坡度的大小直接影響滲透量的大小。在比較平緩的地方，地面徑流流速緩慢，滲透量就較大，巖滾較發(fā)育。反之，地面坡度愈大，徑流流速愈快，滲透量就愈小，巖溶發(fā)育就較差。

從地形地貌來看，由于隧道穿過兩大流域分水嶺，地形坡度陡，使得補(bǔ)給區(qū)面積較小，徑流速度較快，不利于地下水補(bǔ)給。

4.3 地質(zhì)構(gòu)造與巖溶發(fā)育關(guān)系

從構(gòu)造角度來看，主要影響在于張性節(jié)理發(fā)育且張開度較好，主要分為順層節(jié)理和傾向節(jié)理，其中順層節(jié)理發(fā)育占主導(dǎo)，為入滲提供了良好的通道，而傾向節(jié)理溝通了多個(gè)層面的順層節(jié)理，在其交匯地帶，地下水循環(huán)活躍，往往為巖溶較發(fā)育提供了有利條件，調(diào)查中高峰洞附近的溶洞就是地下水順著傾向節(jié)理垂直下滲，在順層節(jié)理面處發(fā)育的一個(gè)較大的溶洞，其規(guī)模大小與此處節(jié)理大小密切相關(guān)。

5 結(jié)束語

通過本次調(diào)查，基本查明了隧道區(qū)段的水文工程地質(zhì)條件與巖溶發(fā)育特征，對(duì)隧道區(qū)巖溶水文地質(zhì)條件有了如下基本結(jié)論：（1）受地層巖性及匯水條件影響，本區(qū)巖溶地貌不發(fā)育，主要以表面的溶痕為主。（2）本區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)模主要受構(gòu)造影響，特別是張性裂隙，區(qū)內(nèi)唯一較大溶洞就是在構(gòu)造影響下發(fā)育而成的。（3）通過初步估算計(jì)算，區(qū)內(nèi)涌水量并不大，正常降雨條件下，豐水年也僅為445m3/d，按歷史最大日降雨量來算，則為13007m3/d，對(duì)隧道整體工程影響不大。

參考文獻(xiàn)

[1]徐曉青.浙西北高速公路隱伏巖溶區(qū)巖溶發(fā)育特征及巖溶塌陷易發(fā)性指標(biāo)體系研究[D].中國地質(zhì)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2012.

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[3]中國科學(xué)院地質(zhì)研究所巖溶研究組.中國巖溶研究[M].北京：科學(xué)山版社，1979.

[4]羅明明.浙西北巖溶發(fā)育及分布特征探討[D].中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文，2012.

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[6]Andreas M， Franko JM.Identification of a karst system's intrinsic hydrodynamic parameters： upscaling from single springs to the whole aquifer， Environ Earth Sci（2012） 65：2377-2389

[7]Geyer T， Birk S， Liedl R， Sauter M （2008） Quantification of temporal distribution of recharge in karst systems from spring hydrographs. J Hydrol 348：452-463.endprint

4 隧道巖溶問題綜合分析

4.1 地層巖性對(duì)巖溶發(fā)育的控制

碳酸鹽巖是巖溶發(fā)育的物質(zhì)基礎(chǔ)，碳酸鹽巖中的CaO含量越高時(shí)，則其可溶性就越強(qiáng)，反之，則越弱，即白云巖類、泥灰?guī)r類、硅質(zhì)泥質(zhì)炭質(zhì)石灰?guī)r類巖溶發(fā)育較弱，純灰?guī)r類則巖溶發(fā)育最強(qiáng)。從巖性角度來看，工作區(qū)上覆地層為寒武系華嚴(yán)寺組、楊柳崗組，本地區(qū)寒武系巖層總體特點(diǎn)是泥質(zhì)含量較高，且碳酸鹽巖常與非碳酸鹽巖互層發(fā)育，因此從巖性基礎(chǔ)上分析，本區(qū)巖溶并不發(fā)育。從實(shí)際野外調(diào)查來看，除高峰洞附近出現(xiàn)一較大溶洞外，也未見有其他群發(fā)性大型溶洞或地下暗河存在。

4.2 地形地貌對(duì)匯水條件的控制

在不同地貌條件下，巖溶發(fā)育過程是不同的。因?yàn)閹r溶發(fā)育在很大程度上受地表水和滲透條件的影響，而這兩者又常受地貌條件的影響，如地面坡度、切割密度和深度、水系分布等。因此，巖溶發(fā)育過程常和地貌發(fā)育過程聯(lián)系在一起。地面坡度的大小直接影響滲透量的大小。在比較平緩的地方，地面徑流流速緩慢，滲透量就較大，巖滾較發(fā)育。反之，地面坡度愈大，徑流流速愈快，滲透量就愈小，巖溶發(fā)育就較差。

從地形地貌來看，由于隧道穿過兩大流域分水嶺，地形坡度陡，使得補(bǔ)給區(qū)面積較小，徑流速度較快，不利于地下水補(bǔ)給。

4.3 地質(zhì)構(gòu)造與巖溶發(fā)育關(guān)系

從構(gòu)造角度來看，主要影響在于張性節(jié)理發(fā)育且張開度較好，主要分為順層節(jié)理和傾向節(jié)理，其中順層節(jié)理發(fā)育占主導(dǎo)，為入滲提供了良好的通道，而傾向節(jié)理溝通了多個(gè)層面的順層節(jié)理，在其交匯地帶，地下水循環(huán)活躍，往往為巖溶較發(fā)育提供了有利條件，調(diào)查中高峰洞附近的溶洞就是地下水順著傾向節(jié)理垂直下滲，在順層節(jié)理面處發(fā)育的一個(gè)較大的溶洞，其規(guī)模大小與此處節(jié)理大小密切相關(guān)。

5 結(jié)束語

通過本次調(diào)查，基本查明了隧道區(qū)段的水文工程地質(zhì)條件與巖溶發(fā)育特征，對(duì)隧道區(qū)巖溶水文地質(zhì)條件有了如下基本結(jié)論：（1）受地層巖性及匯水條件影響，本區(qū)巖溶地貌不發(fā)育，主要以表面的溶痕為主。（2）本區(qū)巖溶發(fā)育規(guī)模主要受構(gòu)造影響，特別是張性裂隙，區(qū)內(nèi)唯一較大溶洞就是在構(gòu)造影響下發(fā)育而成的。（3）通過初步估算計(jì)算，區(qū)內(nèi)涌水量并不大，正常降雨條件下，豐水年也僅為445m3/d，按歷史最大日降雨量來算，則為13007m3/d，對(duì)隧道整體工程影響不大。

參考文獻(xiàn)

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[3]中國科學(xué)院地質(zhì)研究所巖溶研究組.中國巖溶研究[M].北京：科學(xué)山版社，1979.

[4]羅明明.浙西北巖溶發(fā)育及分布特征探討[D].中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文，2012.

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[6]Andreas M， Franko JM.Identification of a karst system's intrinsic hydrodynamic parameters： upscaling from single springs to the whole aquifer， Environ Earth Sci（2012） 65：2377-2389

[7]Geyer T， Birk S， Liedl R， Sauter M （2008） Quantification of temporal distribution of recharge in karst systems from spring hydrographs. J Hydrol 348：452-463.endprint