瓦納溫泉發(fā)育特征及其對(duì)隧道工程影響分析

高芳芳,鄧 睿,陳 偉,賈 杰

(1.四川大學(xué)錦城學(xué)院,成都 611731； 2.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司,成都 610031)

瓦納溫泉位于云南省元江縣瓦納村東約2.0 km，泉口最高水溫可達(dá)到92 ℃[1]。隨著社會(huì)發(fā)展溫泉附近常常伴有工程建設(shè)，從而不可避免受到高溫?zé)崴挠绊?。瓦納溫泉旁目前已經(jīng)建成紅河谷熱海，并且西南某新建鐵路于其附近以隧道形式通過。在對(duì)瓦納溫泉發(fā)育特征分析的基礎(chǔ)上，探討了其對(duì)隧道工程帶來的影響，并對(duì)高地溫段落施工提出相應(yīng)的建議。

1 瓦納溫泉發(fā)育特征分析

瓦納溫泉沿元江縣境內(nèi)清水河左岸至電站約6 km的地段內(nèi)斷續(xù)出露，主要水熱活動(dòng)區(qū)在熱水塘附近，主泉口位于清水河左岸斜坡上，水溫84 ℃(WS02)，流量約10 L/s，泉口旁側(cè)有2處冒氣孔，H2S氣味甚濃(圖1)。該點(diǎn)下游左岸邊亦有2處溫泉點(diǎn)出露，溫度為55～60 ℃。溫泉出露于元古界小羊街組(Ptx)片巖、片麻巖中，片麻理產(chǎn)狀42°∠71°，沿片麻理水熱蝕變強(qiáng)烈，泉口附近泉華沉著形成錐形。順河下游約0.6 km處出露的泉水水溫僅43 ℃(WS01)，且流量較小。

1.1 區(qū)域地?zé)岜尘?/h3>

哀牢山構(gòu)造帶是幾大構(gòu)造體系的復(fù)合部位，構(gòu)造復(fù)雜，繼承性活動(dòng)強(qiáng)烈，形成了區(qū)內(nèi)豐富的地?zé)豳Y源。根據(jù)區(qū)內(nèi)溫泉(水熱區(qū))分布規(guī)律與構(gòu)造帶的關(guān)系，瓦納溫泉出露于哀牢山中溫水熱活動(dòng)帶，該活動(dòng)帶東到紅河大斷裂為界，西至哀牢山斷裂西支，屬北西緊束向南東撒開的哀牢山變質(zhì)巖構(gòu)造帶(由片麻巖和片巖組成)，東西縱橫15～70 km，南北延伸260余km[2-3](圖2)。

圖1 瓦納溫泉

圖2 瓦納溫泉區(qū)域背景及水熱活動(dòng)分區(qū)示意

1.2 溫泉水化學(xué)特征

溫泉的化學(xué)成分主要取決于循環(huán)過程中的圍巖和構(gòu)造環(huán)境，一方面深大斷裂會(huì)帶出溫泉深部的化學(xué)成分，另一方面溫泉會(huì)不斷地溶解圍巖的礦物質(zhì)成分[4]。溫泉水在深循環(huán)和高溫環(huán)境下進(jìn)行溶濾作用、混合作用和離子交換吸附等作用，其水化學(xué)特征與普通水存在一定差異。這些特殊成分的含量多少與地下熱水的補(bǔ)給、徑流、排泄過程中的化學(xué)環(huán)境密切相關(guān)。根據(jù)收集資料[1，3]及取樣試驗(yàn)成果(表1)可知：(1)常量組分中陽離子K+、Na+含量最高，主要來源于含鉀、鈉礦物的變質(zhì)巖；主要陰離子為HCO3-，其來源于變質(zhì)巖中含鋁硅酸鹽礦物的風(fēng)化溶解；Ca2+、Mg2+和Cl-離子含量較低，表明地下水運(yùn)移過程中鈣、鎂及氯化礦物含量較少；(2)微量組分中SiO2主要來自巖石中硅鋁酸鹽與含碳酸氣體的熱水作用時(shí)的溶解；F-離子主要來源于巖漿活動(dòng)余熱中含氟氣體的溶解，或黏土質(zhì)巖石中含氟鹽類、鋁酸鹽類的溶解[5]；兩者是區(qū)分冷水和熱水的標(biāo)性元素，其含量一般與溫度具有正比關(guān)系，SiO2與F-離子含量多少亦是瓦納溫泉屬于中溫水熱活動(dòng)帶的表現(xiàn)之一；(3)泉水主要為HCO3-Na型水，其礦化度較低(≤1 000 mg/L)，顯示帶內(nèi)近代火山和淺部巖漿熱源影響較小，較高的大地?zé)崃鳛橹饕鰷責(zé)嵩础?/p>

表1 瓦納溫泉水化學(xué)類型統(tǒng)計(jì)

1.3 同位素特征分析

氫和氧的同位素組成是尋找地?zé)崴a(bǔ)給源的天然示蹤劑，將地?zé)崴案鞣N可能的補(bǔ)給源的氫和氧的穩(wěn)定同位素組成進(jìn)行比較分析，可研究地?zé)崴难a(bǔ)給來源[6]。

研究區(qū)地?zé)崴畞碓从诖髿饨邓a(bǔ)給，而大氣降水的氫氧同位素組成一般具有高程效應(yīng)。根據(jù)該效應(yīng)理論，熱水中的δD和δ18O在地下水的補(bǔ)給高程的減小時(shí)增大，因此可利用水體同位素值計(jì)算溫泉補(bǔ)給高程[7]。我國西南地區(qū)gradD的平均梯度值為-2.5‰/100 m。計(jì)算公式如下

H=H0+(D-D0)/gradD

(1)

式中，H為地下熱水補(bǔ)給高程，m；H0為參考點(diǎn)高程，m；D為地?zé)崴摩腄值；D0為參考點(diǎn)的δD值；gradD為高程遞減梯度(采用-2.5‰/100 m)。

結(jié)合陳偉等的研究[2]，瓦納溫泉補(bǔ)給高程及地區(qū)特征如表2所示：溫泉補(bǔ)給高度在海拔1 800 m左右，補(bǔ)給區(qū)位于北西方向地理位置較高的山區(qū)；補(bǔ)給高程高于溫泉出露高程900 m左右，說明溫泉循環(huán)深度相對(duì)較大，循環(huán)過程中發(fā)生了充分的水巖相互作用；泉點(diǎn)出露于哀牢山斷裂帶內(nèi)，補(bǔ)給區(qū)大氣降水順基巖裂隙下滲后沿?cái)嗔褟搅?，在徑流過程中吸取圍巖中的熱量形成熱水，最終在山間河谷排泄。

表2 瓦納溫泉補(bǔ)給高程及地區(qū)簡(jiǎn)表

1.4 熱儲(chǔ)溫度及埋藏深度特征

熱儲(chǔ)溫度是地?zé)嵯到y(tǒng)成因類型和地?zé)豳Y源評(píng)價(jià)的重要參數(shù)，目前常用SiO2溫標(biāo)(石英)及K-Mg溫標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。瓦納溫泉熱儲(chǔ)層巖石為變質(zhì)巖，利用既有資料進(jìn)行計(jì)算[3]，熱儲(chǔ)層溫度主要在100～120 ℃(表3)，屬中溫地?zé)嵯到y(tǒng)。

(2)

(3)

式(2)、式(3)中：T為計(jì)算的熱儲(chǔ)溫度，℃；mSiO2、mK、mMg離子含量單位為mg/L。

在熱儲(chǔ)溫度的基礎(chǔ)上，可采用公式(4)對(duì)熱儲(chǔ)埋藏深度(熱水循環(huán)深度)進(jìn)行估算，瓦納溫泉熱儲(chǔ)埋藏深度在3.9～4.6 km(表3)。其中地溫梯度根據(jù)鉆孔測(cè)溫資料計(jì)算，取值3.10 ℃/100 m。

S=T×G0

(4)

式中，S為熱儲(chǔ)埋藏深度，m；T為熱儲(chǔ)溫度，℃；G0為地溫陡度即地溫梯度的倒數(shù)，m/℃。

表3 瓦納溫泉熱儲(chǔ)溫度及埋藏深度計(jì)算

1.5 地?zé)崴梢蚣邦愋?/h3>

地下熱水的補(bǔ)給、徑流、排泄嚴(yán)格受構(gòu)造和地形條件的控制：(1)瓦納溫泉地?zé)崴a(bǔ)給區(qū)為北西側(cè)的哀牢山脈大氣降水，地下水主要順垂向的裂隙、斷裂下滲至巖體深部；(2)哀牢山深大斷裂及裂隙為徑流區(qū)運(yùn)移通道及儲(chǔ)存空間，地下水主要沿?cái)嗔严驏|南方做水平滲流，在巖體深部通過長距離運(yùn)移后充分吸收周圍熱量加熱；(3)加熱后的地下水在地勢(shì)低洼的清水河邊受斷層相阻后，沿陡傾斜的裂隙通道在地表有利部位涌出形成瓦納溫泉(圖3)。

圖3 瓦納溫泉成因示意

溫泉的成因及類型一般可分為斷裂深循環(huán)型溫泉、巖漿余熱型溫泉及放射性元素衰變型溫泉[7]。根據(jù)上述瓦納溫泉的發(fā)育特征及補(bǔ)徑排關(guān)系可知：瓦納溫泉屬斷裂深循環(huán)型，哀牢山深大活動(dòng)斷裂帶(Q1-2)是地?zé)崴闹魍ǖ?，是溫泉出露的重要條件，熱源為大地?zé)崃鳌?/p>

2 隧道工程高地溫預(yù)測(cè)分析

西南某新建鐵路隧道位于瓦納溫泉東南方向約1.5 km，全長約3.5 km，最大埋深約630 m，為單面上坡，軌面高程為900～980 m。根據(jù)《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》、《鐵路隧道工程施工技術(shù)指南》等規(guī)范規(guī)程規(guī)定[8-9]，隧道洞室內(nèi)氣溫不得高于28 ℃，當(dāng)洞內(nèi)氣溫超過28 ℃時(shí)，需要采取降溫或者其他防護(hù)措施。目前國內(nèi)高溫地?zé)崴淼乐饕杏衩设F路、向莆鐵路、拉日鐵路、大瑞鐵路、玉磨鐵路、青藏鐵路、川藏鐵路等工程[10-15]。鑒于高溫?zé)岷?duì)隧道工程帶來的危害，有必要對(duì)隧道高地溫進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。

2.1 隧道地質(zhì)概況

2.1.1 地層巖性

隧道通過地層巖性主要為三疊系(T2)花崗斑巖及板巖、變質(zhì)砂巖，元古界小羊街組(Ptx)混合巖、糜棱巖、千糜巖等。巖體以硬質(zhì)巖為主，節(jié)理較發(fā)育～發(fā)育，多形成陡峭地形，表層機(jī)械風(fēng)化嚴(yán)重。構(gòu)造影響帶內(nèi)巖體較破碎，表層多呈碎石角礫狀。

2.1.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)構(gòu)造以北西向?yàn)橹?，發(fā)育哀牢山深大斷裂F1及哀牢山擠壓帶次級(jí)斷裂F2～F5共5條斷層(圖4)。各斷層特征描述如下。

(1)哀牢山深大斷裂F1：該斷裂與紅河深大斷裂大致平行，規(guī)模僅次于紅河斷裂，是“哀牢山群”與古一中生界分界斷裂，延綿數(shù)百千米。斷裂線波狀彎曲，斷面主要傾向北東，局部扭轉(zhuǎn)傾向南西。斷裂與隧道交角89°，斷裂傾向NE，傾角60°～70°，為壓扭性斷層，具糜棱巖和千糜巖等高級(jí)壓性構(gòu)造巖。巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，斷層上盤發(fā)育哀牢山構(gòu)造擠壓帶F2～F5。

(2)F2斷層：與隧道交角約24°，走向N35°～55°W，傾向NE，傾角71°，局部變緩或變陡，為逆斷層。斷層破碎帶寬10～25 m，呈中密～密實(shí)狀碎石、角礫土狀，局部夾糜棱巖、混合巖透鏡體。

(3)F3斷層：與隧道交角約54°，走向N45°～60°W，傾向NE，傾角75°～85°，局部變緩或變陡，為走滑斷層。斷層破碎帶寬10～20 m，呈中密～密實(shí)狀碎石、角礫土狀，局部夾糜棱巖、千糜巖透鏡體。

(4)F4斷層：與隧道交角約63°，走向N40°～65°W，傾向NE，傾角70°，為逆斷層。地表未見明顯破碎帶痕跡。

(5)F5斷層：與隧道交角約76°，走向N45°～65°W，傾向NE，傾角50°，為逆斷層。斷層破碎帶寬10～20 m，呈中密～密實(shí)狀碎石、角礫土狀。

圖4 瓦納溫泉及隧道平面示意

2.2 高地溫預(yù)測(cè)分析

2.2.1 高地溫風(fēng)險(xiǎn)初判

在查明瓦納溫泉的補(bǔ)給、徑流及排泄條件后，結(jié)合隧址區(qū)復(fù)雜的構(gòu)造條件，可從以下幾方面對(duì)隧道高地溫風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行初步判斷：(1)隧道于溫泉東南側(cè)繞行避讓，位于徑流區(qū)及排泄區(qū)外，且洞身附近未見溫泉出露，總體上高地溫風(fēng)險(xiǎn)較低，溫泉地下熱水的補(bǔ)、徑、排區(qū)域與隧道關(guān)系如圖3所示；(2)隧道高程高于溫泉的段落，高地溫風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)該相對(duì)較低；(3)隧址區(qū)構(gòu)造十分發(fā)育，北西向構(gòu)造帶聯(lián)通溫泉及隧道，高溫?zé)崴赡芡ㄟ^斷裂帶(導(dǎo)熱斷裂)運(yùn)移至隧道，部分段落有高地溫風(fēng)險(xiǎn)。

2.2.2 地溫值預(yù)測(cè)

鉆孔地溫測(cè)試是隧道高地溫分析最常用的方法。隧道附近鉆孔地溫測(cè)試情況如表4所示。鉆孔ZK2孔底溫度為34.4 ℃，埋深約260 m處溫度達(dá)到28 ℃；鉆孔ZK3在埋深360 m處溫度達(dá)到28 ℃。根據(jù)鉆孔測(cè)溫資料進(jìn)行計(jì)算，地溫梯度取值3.10 ℃/100 m。根據(jù)地溫等溫線理論，結(jié)合鉆孔實(shí)際地溫，可初步推測(cè)隧道埋深大于260 m的段落可能會(huì)有高地溫(圖5)。由于高地溫溫度為28～34.4 ℃<37 ℃，屬低高溫帶，該隧道熱害等級(jí)輕微[8]。

表4 鉆孔地溫測(cè)試

圖5 隧道高地溫預(yù)測(cè)分析斷面示意

2.2.3 隧道高地溫分布規(guī)律

上述兩地溫異常鉆孔均位于哀牢山深大斷裂及其擠壓帶內(nèi)，說明瓦納溫泉熱水在導(dǎo)熱構(gòu)造的影響下確實(shí)向隧道方向運(yùn)移傳遞。其中ZK2位于F5、F1上盤且距離深大斷裂較近，沿主斷裂帶地下熱水運(yùn)動(dòng)較強(qiáng)，從而該鉆孔揭示溫度最高；ZK3雖然揭穿F1，但是主要位于斷層下盤，受斷層阻水影響地下熱水運(yùn)動(dòng)較弱，從而孔底揭示地溫低于ZK2；ZK1位于構(gòu)造擠壓帶內(nèi)，但距離F1較遠(yuǎn)，F(xiàn)4可能為阻水?dāng)鄬?，故地下熱水運(yùn)動(dòng)弱，未揭示高地溫；ZK4位于F1下盤且距離較遠(yuǎn)，基本無熱水活動(dòng)。由此分析可知，該隧道高地溫應(yīng)主要分布于哀牢山斷裂上盤至F4斷層之間，往兩側(cè)地下熱水活動(dòng)減弱，地溫逐漸趨于正常。

2.3 施工建議

由于高地溫對(duì)隧道的施工、結(jié)構(gòu)及運(yùn)營安全影響較大，建議設(shè)計(jì)及施工中采取以下防治措施[16-18]。

(1)因哀牢山斷裂帶對(duì)地?zé)岬目刂谱饔妹黠@，設(shè)計(jì)及施工中應(yīng)重視斷層破碎帶(特別是斷層上盤)處的高地溫風(fēng)險(xiǎn)。

(2)加強(qiáng)隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)。預(yù)測(cè)前方是否有高溫?zé)岷?，以確保施工安全。

(3)采取通風(fēng)降溫及其他降溫措施相結(jié)合的綜合降溫措施，以改善隧道內(nèi)的作業(yè)環(huán)境。

(4)確定“以排為主，以堵為輔”的治水原則減少熱源：對(duì)分散出水點(diǎn)采用徑向或局部注漿封堵，對(duì)集中出水點(diǎn)設(shè)管引排。

(5)采取相應(yīng)的施工材料、混凝土施工工藝。

3 結(jié)語

高地溫對(duì)地下工程建設(shè)危害較大，隧道工程在難以避繞時(shí)，應(yīng)針對(duì)地?zé)岬奶卣鏖_展詳細(xì)的地質(zhì)勘察，查明其地?zé)崽卣鲄?shù)，并進(jìn)行地溫分級(jí)，制定施工預(yù)案[19]。通過對(duì)瓦納溫泉發(fā)育特征以及隧道高地溫的分析預(yù)測(cè)，得出以下結(jié)論：(1)瓦納溫泉主要受哀牢山深大斷裂影響控制，屬斷裂深循環(huán)型溫泉，熱源是大地?zé)崃鳎?2)溫泉補(bǔ)給源為西北方向位置較高之哀牢山區(qū)，補(bǔ)給高程為1 806～1 842 m；(3)溫泉熱儲(chǔ)層溫度為100～120 ℃，熱儲(chǔ)埋藏深度3.9～4.6 km，屬于中溫地?zé)嵯到y(tǒng)；(4)隧道總體避繞瓦納溫泉徑流排泄區(qū)，高地溫風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較低，埋深大于260 m的段落可能有高地溫，且主要分布于F1上盤至F4之間，往兩側(cè)地下熱水活動(dòng)減弱，無高溫?zé)岷Γ?6)隧道高地溫溫度小于37 ℃，屬低高溫帶，熱害等級(jí)輕微；(7)隧道高地溫段落施工中應(yīng)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，采取相應(yīng)的防治措施，以確保施工安全。