濟(jì)南千佛山斷裂地壘區(qū)域水文地質(zhì)特征探討

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(1.濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250100；2.山東省地礦工程勘察院，山東 濟(jì)南 250014)

濟(jì)南是一座因泉而聞名于世的城市，由于其獨(dú)特的區(qū)域地理?xiàng)l件、地質(zhì)構(gòu)造和水文地質(zhì)環(huán)境條件，形成了復(fù)雜的地下水系統(tǒng)，發(fā)育了獨(dú)特的群泉奇觀，馳名中外。

在泉水成因中，千佛山斷裂地壘區(qū)域的特殊地質(zhì)條件起到不可忽視的作用，劉國(guó)愛(ài)[1]通過(guò)研究斷裂兩側(cè)水位發(fā)現(xiàn)千佛山斷裂在市區(qū)段具透水性；劉莉莉[2]表明千佛山地壘是構(gòu)成四大泉群的構(gòu)造基礎(chǔ)，地壘以西有千佛山斷裂，東有文化橋斷裂，北有閃長(zhǎng)巖侵入體，組成了東西北三面阻水巖體，構(gòu)成了三面封閉的排泄單元。斷裂構(gòu)造既可成為流體的運(yùn)移通道，也可成為阻礙的屏障。本文將從千佛山斷裂到文化橋斷裂區(qū)域的水化學(xué)特征方面分析，結(jié)合地層巖性重點(diǎn)研究地壘區(qū)域的水文地質(zhì)特點(diǎn)及兩個(gè)斷裂的導(dǎo)水、透水性，并根據(jù)地鐵線路與相關(guān)水文地質(zhì)環(huán)境的影響提出工程措施建議。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

研究區(qū)域地處魯中山地的北緣，地形南高北低，東高西低，變化顯著，廣泛分布著碳酸鹽巖，上部覆蓋第四系沉積層，在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和長(zhǎng)期溶蝕作用下，巖溶發(fā)育比較均勻，形成網(wǎng)絡(luò)孔洞系統(tǒng)，尤其在火成巖接觸帶及泉水排泄區(qū)附近更為發(fā)育。在地勢(shì)最低的城區(qū)北部出露四大泉群：趵突泉、黑虎泉、珍珠泉和五龍?zhí)?，其中趵突泉和黑虎泉出露于灰?guī)r天窗，珍珠泉和五龍?zhí)冻雎队谳x長(zhǎng)巖體內(nèi)，沿裂隙上升成泉[3]。

千佛山斷裂呈北北西向斜穿研究區(qū)中部，主體傾向SW，傾角為70°～80°，是一條大型正斷裂，西盤(pán)下落，東盤(pán)抬升。本段為千佛山西埡口以北至黃河標(biāo)段，該段被第四系覆蓋，總體走向N10°～30°W，傾向南西，運(yùn)動(dòng)性質(zhì)以張性正斷為主，兼左旋走滑運(yùn)動(dòng)。文化橋斷裂位于千佛山斷裂東約3.5 km處，與其近于平行但規(guī)模較小。文化橋斷裂長(zhǎng)約3 km，走向N10°～20°W，傾向南東，傾角大于60°。據(jù)鉆探資料，西盤(pán)抬升，為寒武-奧陶系馬家溝群三山子組，東盤(pán)下落，為燕山期侵入巖體，在平面上東盤(pán)又向南推移[4]。

由于千佛山斷裂與文化橋斷裂的存在，濟(jì)南市區(qū)寒武-奧陶系馬家溝群三山子組相對(duì)抬高，形成地壘，其區(qū)域范圍如圖1所示，平面位置上兩斷裂間灰?guī)r向北突出[5]。地壘屬于控水構(gòu)造，對(duì)地下巖溶水的運(yùn)移具有顯著影響[6-7]。

1.寒武-奧陶紀(jì)三山子組灰?guī)r；2.陶奧陶紀(jì)馬家溝群灰?guī)r；3.陶奧陶紀(jì)北庵莊組灰?guī)r；4.陶白堊紀(jì)細(xì)粒輝長(zhǎng)巖

圖1研究區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造圖

2 巖溶水水化學(xué)特征

圖2是兩處斷裂帶附近的巖溶水等水位線圖，從圖中可以看出，在經(jīng)十路以北，千佛山斷裂與文化橋斷裂的斷裂兩側(cè)巖溶水等水位線并沒(méi)有明顯的突變，基本上保持了連貫性，這說(shuō)明斷裂兩側(cè)的水力聯(lián)系較好，可推斷該區(qū)域斷裂具有透水性。但經(jīng)十路以南，千佛山斷裂兩側(cè)的水位線發(fā)生了錯(cuò)斷，說(shuō)明斷裂兩側(cè)的水位差異較大，水力聯(lián)系較差，因此千佛山斷裂南部區(qū)段是阻水的。

地下水中主要由TDS、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、NO3-、Cl-及微量元素組成，地下水體中各化學(xué)組分的總體分布特征及其變化趨勢(shì)能反映出區(qū)域的水力聯(lián)系情況[9]，下面通過(guò)水化學(xué)分析，針對(duì)地壘南邊界處千佛山斷裂和文化橋斷裂的透水性做進(jìn)一步驗(yàn)證，測(cè)試點(diǎn)如圖3所示。

1.監(jiān)測(cè)井位置；2.監(jiān)測(cè)井編號(hào)；3.斷裂帶；4.地壘邊界

圖4顯示了地壘南邊界各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水化學(xué)特征，陽(yáng)離子以Ca2+為主，水化學(xué)類型主要為HCO3·SO4-Ca和HCO3·SO4·Cl-Na·Ca。結(jié)合圖3水井的平面布置圖可看出千佛山斷裂兩側(cè)的水化學(xué)特征有些許差異，JG1井與JG2井水化學(xué)特征相似，S1井與S2井幾乎相同，盡管不排除這兩組井的打井時(shí)間不同，可能受季節(jié)影響，但是其離子含量卻有近20%的差別，仍需進(jìn)一步分析研究。文化橋斷裂兩側(cè)的JG3井與JG4井陰離子濃度相似，陽(yáng)離子含量卻略有區(qū)別。下面結(jié)合圖5的地壘南邊界縱斷面圖來(lái)解釋上述現(xiàn)象。

圖4 地壘南邊界巖溶水piper三線圖

根據(jù)該段沿線的鉆孔分析，千佛山斷裂與文化橋斷裂形成的地壘中，巖溶發(fā)育一般，石灰?guī)r地層透水能力一般，且?guī)r溶基本發(fā)育于淺部的寒武奧陶系三山子組中，寒武系炒米店組只有淺部發(fā)育有少量巖溶，S1井與S2井雖然分屬兩個(gè)巖層，但兩者相似的水化學(xué)特征說(shuō)明兩巖層過(guò)渡部分連通性較好，可視為同一層含水層。而位于炒米店組深部的JG2井與S1、S2略有差異是因?yàn)樯畈繋r溶發(fā)育不良，淺層與深層含水層主要以層流的方式存在。

從圖5中可看出地壘東西兩邊界的JG1井與JG4井水化學(xué)成分非常相同，說(shuō)明這兩部分有很強(qiáng)的水力聯(lián)系。結(jié)合圖6可知，JG1井測(cè)得的巖溶水位于寒武系炒米店組淺部，JG4井測(cè)得的巖溶水位于寒武系三山子組斷層深部，該斷層通過(guò)文化橋斷裂與西面炒米店組接觸，由于炒米店組深部巖溶不發(fā)育，導(dǎo)水性太差，因此JG3井與JG4井即使處于相同深度，但由于兩種巖層水力不連通，灰?guī)r溶蝕程度不同，因此陽(yáng)離子差異較大，進(jìn)而也可推斷為文化橋斷裂東側(cè)寒武系三山子組淺部的巖溶水在斷裂處與西側(cè)三山子組深部的巖溶水進(jìn)行水量交換，如圖6所示，已知文化橋斷裂淺部地層為燕山期侵入巖，沒(méi)有導(dǎo)水、透水性，因此可推斷出文化橋斷裂在地壘南邊界處是上部阻水、深部透水?dāng)嗔选?/p>

圖5 地壘南邊界縱斷面[1]

圖6 文化橋斷裂兩側(cè)水力聯(lián)系示意圖[1]

水對(duì)可溶巖的溶解是巖溶作用發(fā)育的基礎(chǔ)，濟(jì)南巖溶含水層含有方解石(CaCO3)、白云石(CaMg(CO3)2)和石膏(CaSO4)三種主要礦物，其飽和指數(shù)也常作為巖溶水水力聯(lián)系與否的佐證之一[10-11]，已知方解石、白云石、石膏三種礦物的溶解反應(yīng)平衡方程式分別如下：

CaCO3+CO2+H2OCa2++2HCO3-

(1)

CaMg(CO3)2+2CO2+2H2OCa2++Mg2++4HCO3-

(2)

CaSO4Ca2++SO42-

(3)

方解石、白云石、石膏的飽和指數(shù)SIc、SId、SIg計(jì)算公式如下：

(4)

(5)

(6)

式(4)～(6)中[12]，Kc為方解石平衡常數(shù)，取值為Kc=10-8.48；K2為重碳酸平衡常數(shù)，取值為K2=4.7×10-11，Kd為白云巖平衡常數(shù)，取值為Kd=10-17.09；Kg為石膏平衡常數(shù)，取值為Kg=10-4.58。

公式(4)～(6)中的離子符號(hào)都表示離子的活度而不是濃度，因此要用迪拜-休克爾(Debye-Huckel)方程進(jìn)行修正[13]，如公式(7)、(8)所示：

(7)

(8)

式中：r為活度系數(shù)；Z、Zi為離子的電荷數(shù)；I為離子強(qiáng)度(mol/L)；A和B取決于水的介電常數(shù)、密度和溫度的常數(shù)；a是與離子水化半徑有關(guān)的常數(shù)，mi為i離子的濃度(mol/L)。

圖7 M3線地壘南邊界處站點(diǎn)圖

根據(jù)上述水化學(xué)測(cè)試點(diǎn)得到的陰陽(yáng)離子濃度與TDS，查表迭代計(jì)算三種礦物的飽和指數(shù)，結(jié)果如表1所示。在六個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)石膏都處與欠飽和狀態(tài)，其飽和指數(shù)最大差值僅為0.53，而方解石和白云石的飽和指數(shù)變化特征基本相似，除了S1井與S2井欠飽和，其他區(qū)域都到了超飽和的狀態(tài)，這進(jìn)一步說(shuō)明S1、S2井所處的炒米店組與三山子組過(guò)渡部分巖層巖溶極其發(fā)育，水量充足，水力流通性好，使具有侵蝕能力的“新水”源源不斷的補(bǔ)充進(jìn)來(lái)，而其他幾處監(jiān)測(cè)井，孔深在地下150 m左右，這反映了深部的含水層水體流動(dòng)性沒(méi)有淺部含水層好，由此也可推斷出地壘處主要巖溶水含水層位于地下70～100 m范圍內(nèi)。JG1、JG4兩井的飽和指數(shù)十分相似，與圖4中piper三線圖表現(xiàn)的特征一致。淺部含水層與深部含水層的礦化度分別為847.31～949.75 mg/L和542.16～560.29 mg/L，兩層含水層不發(fā)生水力聯(lián)系主要原因是巖溶水在垂向上水力聯(lián)系的不連續(xù)性，主要的水力交換也多是在斷裂處進(jìn)行。因此表1中數(shù)據(jù)也說(shuō)明千佛山斷裂兩側(cè)與文化橋斷裂兩側(cè)各自的水力聯(lián)系較好，可作為兩斷裂在該段具有透水性的佐證之一。

3 對(duì)地鐵M3線的影響

M3線為濟(jì)南市東西向骨干線，貫穿整個(gè)經(jīng)十路段，泉城公園站到山大路南站這區(qū)間段位于四大泉群的正上游，如圖7所示。該區(qū)間段地層結(jié)構(gòu)為第四系加灰?guī)r，灰?guī)r埋藏深度較淺，一般小于20 m。該段擬采用地下敷設(shè)方式，車站及區(qū)間底部均位于中風(fēng)化(強(qiáng)分化)石灰?guī)r，通過(guò)控制車站主體結(jié)構(gòu)及區(qū)間埋深，保證車站及區(qū)間基底標(biāo)高均高于水位變幅帶2 m以上，采取有針對(duì)性的工程措施后，對(duì)泉水環(huán)境基本無(wú)影響，適宜軌道交通建設(shè)。

針對(duì)距離泉水較近、穿越構(gòu)造帶等情況需采用有針對(duì)性的工程措施，施工中應(yīng)密切監(jiān)測(cè)泉水及周邊的地質(zhì)環(huán)境變化；施工時(shí)，應(yīng)適當(dāng)放緩施工速率，支護(hù)結(jié)構(gòu)施工中，在泉群上游施工不宜對(duì)巖石層進(jìn)行壓力注漿，預(yù)防堵塞巖土體結(jié)構(gòu)裂隙，從而對(duì)泉造成不利影響；在維護(hù)結(jié)構(gòu)中預(yù)留透水通道，采用疏通導(dǎo)水的方式將豐水期影響建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的地下水由上游疏導(dǎo)至下游，降低地下水與軌道交通相互間的影響。兩個(gè)斷裂帶附近，巖體相對(duì)較破碎，巖溶發(fā)育，具有導(dǎo)水、透水特征，是補(bǔ)給泉水的重要徑流通道，因此在斷裂帶施工時(shí)，盡量采取不降水的盾構(gòu)法施工，避免因降水對(duì)泉水的出流造成影響。

表1 各監(jiān)測(cè)井巖溶水離子濃度及礦物飽和指數(shù)計(jì)算結(jié)果表

4 結(jié)語(yǔ)

本文主要通過(guò)巖溶水水化學(xué)特征及地層巖性等重點(diǎn)研究千佛山斷裂與文化橋斷裂的導(dǎo)水、透水性以及地壘區(qū)域的水文地質(zhì)特點(diǎn)，并針對(duì)地鐵M3線工程措施提出意見(jiàn)與建議，主要得到以下幾條結(jié)論：

(1)地壘南邊界處，文化橋斷裂為上部阻水，深部透水?dāng)嗔?，斷裂處垂向水力?lián)系密切，導(dǎo)水性較好，該段千佛山斷裂具有透水性，但經(jīng)十路以南區(qū)段為不透水?dāng)嗔选?/p>

(2)地壘南邊界的巖溶水水化學(xué)類型主要為HCO3·SO4-Ca和HCO3·SO4·Cl-Na·Ca型。飽和指數(shù)與礦化度數(shù)據(jù)顯示地壘處主要巖溶水含水層位于地下70～100 m范圍的寒武系三山子組，與寒武系炒米店組深部巖溶水含水層分屬兩個(gè)獨(dú)立的含水層系統(tǒng)，在垂向上水力聯(lián)系不連續(xù)，主要的水力交換多在斷裂處進(jìn)行。

(3)地鐵M3線施工時(shí)，地壘南邊界地帶可為地下敷設(shè)方式，采用不降水的盾構(gòu)施工方法，采取有針對(duì)性的施工措施后，對(duì)泉水環(huán)境基本無(wú)影響，適宜軌道交通建設(shè)。

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