高原高寒構(gòu)造-剝蝕地區(qū)地下水賦存特征研究

趙新杰 廖先斌 謝春慶 潘 凱

Research 研究探討

高原高寒構(gòu)造-剝蝕地區(qū)地下水賦存特征研究

趙新杰 廖先斌通訊作者謝春慶 潘 凱

（廣東中煤江南工程勘測設(shè)計有限公司，廣東 廣州 510440）

隨著新基建工程在國內(nèi)的快速發(fā)展，對高原高寒地區(qū)工程地質(zhì)條件做更深入細(xì)致的調(diào)查與研究，才能提供給設(shè)計更合理可靠的基礎(chǔ)資料。本次研究通過對高原高寒場地進行地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性的調(diào)查，特別是進行專門的水文地質(zhì)專項調(diào)查，查明了典型高原高寒構(gòu)造-剝蝕場地的工程地質(zhì)條件，分析與確定了地下水基本類型、補徑排特征、水化學(xué)成分、動態(tài)變化特點、水文地質(zhì)參數(shù)，建立了地下水滲流場模型。研究總體上說明高原高寒構(gòu)造剝蝕地區(qū)地下水儲變量較穩(wěn)定，數(shù)值上無波動，地下水滲流場較為穩(wěn)定，工程建設(shè)時應(yīng)注意不良地質(zhì)作用影響。本次研究成果可作為高原高寒構(gòu)造剝蝕地區(qū)水文地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行利用，可作為相似工程地質(zhì)條件下的設(shè)計參考。

高原高寒；構(gòu)造-剝蝕；水文地質(zhì)；地下水；滲流場

0 前言

國內(nèi)大循環(huán)為主體、國內(nèi)國際雙循環(huán)相互促進的新發(fā)展格局，促進了高原高寒地區(qū)新基建工程的發(fā)展。工程地質(zhì)條件作為基建工程的基礎(chǔ)資料、設(shè)計依據(jù)，需要進行詳細(xì)調(diào)查、分析與研究[1-3]。

高原高寒構(gòu)造-剝蝕地區(qū)重要、大型工程建設(shè)偏少，深入的工程地質(zhì)勘察不足。針對上述情況，廣東中煤江南工程勘測設(shè)計有限公司在四川高原高寒構(gòu)造-剝蝕地區(qū)某機場一帶進行了巖土工程勘察工作與研究，重點進行水文地質(zhì)調(diào)查、高填方專項勘察和高填方地基穩(wěn)定性研究[4-7]。

通過資料收集和文獻(xiàn)研究，收集前人研究相關(guān)成果資料、報告、圖件、數(shù)據(jù)電子表格等；進行野外地質(zhì)調(diào)查與測繪，完成了研究區(qū)比例尺1:10000面積約138.34km2和比例尺1:2000面積約10km2的水文地質(zhì)調(diào)查、地下水利用情況調(diào)查、集中供水水源地和水源井調(diào)查及主要污染源調(diào)查；完成了水樣采集，進行了40組的水質(zhì)簡分析和12組的水質(zhì)全分析；完成了水文地質(zhì)及抽水試驗鉆孔11個。

在對場區(qū)水文地質(zhì)條件進行調(diào)研的基礎(chǔ)上，通過試驗段（物理模型）的水位監(jiān)測、盲溝流量監(jiān)測獲得了滲流模擬參數(shù)，采用基于有限元原理的FEFLOW軟件和SEEP/W軟件對全場地下水初始滲流場以及試驗段（物理模型）填挖前后滲流場的變化進行了模擬分析。

通過上述工作，詳細(xì)分析與研究了具有高原高寒地區(qū)特點的構(gòu)造-剝蝕場區(qū)地下水賦存特征，提供了具有普遍運用意義的高原高寒地區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)參考資料。

1 場區(qū)工程地質(zhì)條件

1.1 地形地貌

研究區(qū)所在區(qū)域為青藏高原東部邊緣，溝谷縱橫交錯，主要屬于中高山構(gòu)造-剝蝕地貌。研究區(qū)位于近東西向山梁之上，地勢中間高，兩側(cè)低。山體呈波狀起伏，頂面高程3966～4142m，平均高程4090m左右；山體斜坡坡度一般為10～20°，表層覆蓋物較薄，一般為0.5～1m，局部基巖出露，坡腳及沖溝部位覆蓋物較厚，覆蓋層以殘坡積粉質(zhì)粘土為主。場區(qū)地形相對高差較大，一般為15～50m。

地形地貌三維效果圖如圖1所示。

圖1 場區(qū)三維地貌模型

1.2 地層巖性

場區(qū)地層巖性比較復(fù)雜，主要有三套地層，分別為第四系（Q4）松散堆積層、二疊系（P）-三疊系（T）上統(tǒng)圖姆溝組二段（Tt2）以及二疊系（P）-三疊系（T）中三疊統(tǒng)-上二疊統(tǒng)卡爾蛇綠巖組仁則赫型（PTkr）。其中，第四系由植物土（Q4pd）、泥炭（Q4h）、粉質(zhì)粘土（Q4el+dl）、粉質(zhì)粘土（Q4dl+pl）、碎石（Q4dl+pl）、細(xì)砂（Q4dl+pl）、中粗砂（Q4dl+pl）、中粗砂，（Q3fl+gl）冰磧塊碎石、中粗砂等土層組成；二疊系（P）-三疊系（T）主要為上三疊統(tǒng)圖姆溝組二段（Tt2）、中三疊統(tǒng)-上二疊統(tǒng)卡爾蛇綠巖組仁則赫型（PTkr），其巖性分別表現(xiàn)為結(jié)晶灰?guī)r，變質(zhì)砂巖和角礫巖（如圖2所示）。

圖2 代表性地質(zhì)剖面圖

1.3 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)在大地構(gòu)造單元上地處松潘-甘孜造山帶，從大地構(gòu)造區(qū)域上來看，它是由西部青藏高原的羌塘-昌都陸塊，北部勞亞板塊，東部揚子陸塊三個板塊匯聚擠壓形成的一個特殊的倒三角形態(tài)。該區(qū)處于鮮水河斷裂中段的西側(cè)，甘孜-理塘斷裂帶北側(cè)，其主體構(gòu)造呈NW向。

2 地下水賦存特征

2.1 地下水基本類型

場區(qū)內(nèi)的地下水按含水介質(zhì)類型劃分主要為松散層孔隙水、基巖裂隙水兩種類型，部分地段可能含有巖溶裂隙水。

（1）松散層孔隙水

含水層主要為第四系全新統(tǒng)沖積及洪積砂卵礫石層和更新統(tǒng)冰川堆積層。這類水多賦存于河谷沖溝及臺地、緩坡等地帶，根據(jù)地下水埋藏條件，分為上層滯水和孔隙潛水兩類。

上層滯水：分布于第四系松散層。一般賦存于粉質(zhì)粘土、粉土、中細(xì)砂、角礫、碎石較多的部位。粘土與粉質(zhì)粘土層形成一層相對隔水層，在此層隔水層上部分布有植物土及泥炭層，當(dāng)下滲的水體遇到相對隔水層時形成上層滯水；另外，粘土和粉質(zhì)粘土層中含有角礫、碎石等透鏡體，也賦存有上層滯水。由于第四系松散層空間分布變化較大，因此此類地下水分布變化明顯。

孔隙潛水：溝谷、緩坡上的植被根系、腐殖物、泥炭土，孔隙度大，滲透性較好，含水性強，賦存孔隙潛水；溝谷、斜坡上的含有碎石及角礫粘性土層、成層分布的中細(xì)砂、角礫、碎石層，滲透性一般弱-中等，賦含孔隙潛水，局部為承壓水。

（2）基巖裂隙水

分布于調(diào)查區(qū)內(nèi)裂隙發(fā)育的變質(zhì)砂巖中，一般多賦存于構(gòu)造轉(zhuǎn)折、斷裂構(gòu)造線及地層接觸面等部位。以潛水為主，局部具弱承壓性。受地形、地層、裂隙及構(gòu)造控制，基巖裂隙水一般沒有統(tǒng)一的水位面，一般在以溝谷和斷層帶為界的各分水嶺地帶地下水位較為統(tǒng)一。地下徑流途徑短，多近源排泄。

（3）巖溶裂隙水

主要分布于圖姆溝組（T3t）地層灰?guī)r中，巖溶微弱發(fā)育，賦存少量巖溶裂隙水以潛水為主，局部地段可具弱承壓性，地下水性質(zhì)及特征與基巖裂隙水相似。

2.2 地下水補徑排特征

場區(qū)內(nèi)第四系松散層孔隙水主要接受大氣降水及冰雪融水、坡面流水、地表流水、基巖裂隙水的補給，向臺地前緣和下伏基巖裂隙帶徑流、排泄?；鶐r裂隙水主要是接受大氣降水及冰雪融水、地表水和上覆第四系松散層孔隙水的補給。因構(gòu)造剝蝕作用強烈，調(diào)查區(qū)內(nèi)各溝谷切割較深，各臺地之間往往缺乏水力聯(lián)系，淺層地下水多在臺地前緣以下降泉的形式排泄，或者地下水遇變質(zhì)砂巖等相對隔水巖組阻隔在地表出露，形成下降泉。出露的下降泉往往又補給溝谷中的地表、地下水（圖3）。

此外，場區(qū)地面蒸發(fā)也是地下水重要的排泄途徑。

圖3 地下水補、徑、排剖面示意圖

2.3 水化學(xué)成分及類型

研究區(qū)共有水化學(xué)類型計12類，以HCO3-Ca型為主。在水化學(xué)分析的48個樣品中，水化學(xué)類型統(tǒng)計分別為HCO3-Ca型，計23個；HCO3-Na?Ca型，計6個；HCO3?SO4-Na?Ca型，計3個；HCO3?SO4-Ca型，計4個；HCO3-Ca?Mg型，計3個；HCO3?SO4-Ca?Mg型，計3個；同時還發(fā)現(xiàn)SO4-Na?Ca型、HCO3-Na型、SO4?Cl-Ca?Mg型、HCO3?SO4-Na?Ca?Mg型、Cl-Na?Ca型、HCO3?Cl-Ca型，各1個。

2.4 地下水動態(tài)特征

（1）地下水動態(tài)變化

不同類型地下水特征隨不同季節(jié)補給強度不同存在一定差異。松散巖類孔隙水與大氣降水、融雪水及地表水關(guān)系密切，具有明顯的季節(jié)性變化特征；淺部風(fēng)化帶裂隙水動態(tài)隨季節(jié)性、地層巖性、地形地貌特征變化而變化，深部層間裂隙水較穩(wěn)定，水位、水溫隨降雨、季節(jié)變化相對滯后；區(qū)內(nèi)變質(zhì)砂巖滲透性較弱，地下水動態(tài)變化相對較為滯后。

（2）滲透指標(biāo)

在現(xiàn)場進行了巖土層的抽水試驗（圖4），結(jié)果詳見表1所示。

圖4 抽水試驗曲線

表1 現(xiàn)場抽水試驗數(shù)據(jù)表

（3）地下水長期監(jiān)測

地下水長期監(jiān)測孔主要布置在試驗段1區(qū)、試驗段2區(qū)和東端沃日柯高填方區(qū)，地下水位長期監(jiān)測區(qū)位置分布見圖5。地下水位監(jiān)測時段主要為2016年5月至2016年12月。

圖5 研究區(qū)地下水長期監(jiān)測區(qū)位置分布

試驗段期間進行了試驗段1區(qū)和2區(qū)監(jiān)測管水位，沃日柯進行了鉆孔水位觀測，結(jié)果如下。

（1）沃日柯高填方區(qū)水位觀測鉆孔121個，2016年6月至2016年10月監(jiān)測14期次，共監(jiān)測1694點次，水位降幅較明顯的監(jiān)測點有20個，水位變幅為0.04～3.21m（bk84）。

（2）試驗段1區(qū)地下水位的變化幅度較小，雨季，坡腳（cx01）地下水位低于原地面1.1m；中部（cx02）地下水位高出原地面0.46m；后方地下水位高出原地面1.4m。

（3）試驗2區(qū)地下水位監(jiān)測孔cx05、cx06、cx07和cx08，自2016年5月3日至2016年12月8日，孔底（原地面以下3m）均未發(fā)現(xiàn)有地下水。

沃日柯高填方區(qū)的地下水位監(jiān)測結(jié)果如表2所示。

表2 沃日柯鉆孔水位觀測結(jié)果

注：觀測日期為2016/6/3～2016/10/13

（4）盲溝流量監(jiān)測

試驗段期間進行了試驗段1區(qū)和2區(qū)肓溝出水量觀測。

試驗段1區(qū)肓溝，從2016年4月至2016年6月，肓溝出水量為1.0～1.73L/s；2016年7月至2019年10月，肓溝出水量為3.0～3.4L/s；2019年11月，肓溝出水量為2.35L/s。

試驗段2區(qū)24#肓溝，2016年6月肓溝出水量為0.06L/s；2016年7至2019年10月，肓溝出水量為0.07～0.08L/s；2019年11月肓溝出水量為0.063L/s。

根據(jù)肓溝出水量變化情況和地下水位監(jiān)測情況分析，肓溝出水清澈，肓溝下方溝邊無砂粒堆積，排水通暢。

3 地下水滲流場特征

3.1 水文地質(zhì)概化模型

把含水層實際的邊界性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、滲透性能、水力特征和補給排泄等條件概化為便于進行數(shù)學(xué)與物理模擬的基本模式，反映了區(qū)域地下水系統(tǒng)的整體特點，是建立地下水各種特性數(shù)值模擬模型的重要基礎(chǔ)。機場場區(qū)水文地質(zhì)概念模型為：非均質(zhì)、水平方向各向同性、垂直方向存在變異、空間三維、非穩(wěn)定地下水系統(tǒng)。表層泥炭和灰?guī)r含水層統(tǒng)稱為“上部含水層”，將粉質(zhì)粘土層及變質(zhì)砂巖統(tǒng)稱為“下部弱透水層”，地下水流存在水平運動和垂向運動，以水平運動為主。

3.2 地下水滲流場分析

在對地下水補給、徑流、排泄條件進行調(diào)研的基礎(chǔ)上，采用FEFLOW和SEEP/W軟件對全場地下水滲流場進行模擬分析。首先，對模型定解條件和源匯項的各參數(shù)率定后，在已建立的地下水流模型的基礎(chǔ)上，結(jié)合研究區(qū)內(nèi)2013年1月~2016年期間降水監(jiān)測資料進行現(xiàn)狀條件下的數(shù)值模擬，進而預(yù)測研究區(qū)內(nèi)地下水水位及流場演化的趨勢性。其次，選取模擬期內(nèi)模型運行1d、8d、35d、68d、137d、365d、720d后的滲流場計算結(jié)果進行對比分析，模型初始滲流場及運行720d滲流場模擬結(jié)果見圖6。

a．模型運行720d滲流場平面地下水位等值線圖

b．模型運行720d滲流場三維地下水位等值線圖

圖6 模型運行720d地下水滲流場模擬結(jié)果

將模型運行1d、8d、35d、68d、137d、365d、720d七個時期的滲流場模擬結(jié)果與研究區(qū)初始滲流場特征進行對比分析可知：在兩個完整水文年模擬期內(nèi)，研究區(qū)地下水在不同時期滲流場均較穩(wěn)定，整體上反映為區(qū)內(nèi)地下水以近東西向的地表分水嶺為界，分別沿兩側(cè)坡向徑流，在地形及地質(zhì)構(gòu)造有利部位天然出露或運移至排泄邊界處排泄；區(qū)內(nèi)花菁坡一帶灰?guī)r地層中的地下水存在向區(qū)內(nèi)濕地面積分布最廣的沃日柯流域徑流排泄，轉(zhuǎn)化為地表水匯聚到沃日柯濕地中最終排入沃日柯匯入胭脂羅曲；研究區(qū)內(nèi)近東西向地下分水嶺基本與地表分水嶺吻合，僅位于研究區(qū)西側(cè)的羅躍曲流域與胭脂羅曲流域分水嶺存在差異，本次模擬將潛水表面設(shè)置為自由和可移動表面以便識別地下分水嶺，經(jīng)模型計算識別該區(qū)域地下分水嶺可能分布在從大包梁開始沿與14#溝近平行的各山脊沿線至14#溝溝口結(jié)束。

研究區(qū)地下水均衡數(shù)據(jù)表明：模型初始運行期模型內(nèi)第一類邊界地下水流出、流入量波動較大，模型運行穩(wěn)定后第一類邊界主要體現(xiàn)為排泄邊界的特征，地下水流出、流入量較為穩(wěn)定；模型內(nèi)第二類邊界地下水流入流與流出量之間差值較小，不同運行時段地下水流出、流入量波動較大，可能主要受到區(qū)內(nèi)大氣降水影響，即降水量大對應(yīng)同時期第二類邊界地下水流出、流入量亦較大，反之則?。荒Ｐ蛢?nèi)地下水儲變量穩(wěn)定，模擬計算期內(nèi)無波動，亦可反映出研究區(qū)內(nèi)地下水滲流場較為穩(wěn)定，區(qū)內(nèi)濕地可常年處于飽水狀態(tài)。綜上，均衡分析的結(jié)果表明：研究區(qū)所建模型邊界條件的識別準(zhǔn)確，模型內(nèi)源匯項計算合理，均衡分析所反映出的水文地質(zhì)特征符合研究區(qū)實際的水文地質(zhì)特征。

4 地下水產(chǎn)生的不良工程地質(zhì)影響

高原高寒構(gòu)造-剝蝕地區(qū)為凍土區(qū)，地下水埋藏淺，水位變幅小，地下徑流途徑短，多近源排泄，易產(chǎn)生以下的不良地質(zhì)作用：

（1）浸泡和軟化土體，降低原地面第四系土層物理力學(xué)性能。

（2）崩解軟化全強變質(zhì)砂巖，使之物理力學(xué)性能迅速降低，尤其是抗剪性能降低，影響工程穩(wěn)定性。

（3）易形成沖刷和潛蝕，降低工程穩(wěn)定性。

（4）高原高寒隨季節(jié)造成土體凍結(jié)、凍融，對地層及排水系統(tǒng)形成破壞。

（5）當(dāng)排水不暢時，地下水高，地下水壓力大，影響邊坡穩(wěn)定性。

（6）溝谷中地下水富集區(qū)往往土層較厚，在施工條件下，泥濘不堪，影響施工速度與安全。

5 結(jié)論

本次在具有高原高寒構(gòu)造-剝蝕地區(qū)典型特征的某機場進行專門的水文地質(zhì)調(diào)查工作和地基穩(wěn)定性研究，初步分析地下水賦存特征，結(jié)論如下：

（1）高原高寒構(gòu)造-剝蝕地區(qū)大部分地區(qū)覆蓋層淺，地質(zhì)構(gòu)造形跡主要以NW向為主。

（2）高原高寒構(gòu)造-剝蝕地區(qū)主要發(fā)育松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，局部發(fā)育巖溶裂隙水；地下水主要以潛水為主，局部具有承壓性；水化學(xué)類型以HCO3-Ca型為主。

（3）松散巖類孔隙水與大氣降水、融雪水及地表水關(guān)系密切，具有明顯的季節(jié)性變化特征；基巖裂隙水主要是接受大氣降水及融雪水、地表水和上覆第四系松散層孔隙水的補給。

（4）研究區(qū)地下水在不同時期滲流場均較穩(wěn)定，整體上反映為區(qū)內(nèi)地下水以區(qū)內(nèi)近東西向的地表分水嶺為界，分別沿兩側(cè)坡向徑流；水均衡項中地下水儲變量較穩(wěn)定，數(shù)值上無波動，反映出兩個完整水文年模擬期內(nèi)研究區(qū)地下水滲流場較為穩(wěn)定。

（5）高原高寒構(gòu)造-剝蝕地區(qū)地下水埋藏淺，水位變幅小，地下徑流途徑短，多近源排泄，易軟化、崩解巖土體，形成沖刷和潛蝕，造成土體凍結(jié)、凍融，影響工程的穩(wěn)定性。

（6）本次研究成果可做為高原高寒構(gòu)造-剝蝕地區(qū)水文地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進行利用，可作為相似工程地質(zhì)條件下的設(shè)計參考。

[1] 中華人民共和國建設(shè)部. GB/T50123-2019土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2019: 85-95.

[2] 《工程地質(zhì)手冊》編委會. 工程地質(zhì)手冊(第五版)[M]. 北京: 中國建筑工業(yè)出版社, 2018: 156-163.

[3] 龔曉南. 土力學(xué)[M]. 杭州: 中國建筑工業(yè)出版社, 2002: 77-98.

[4] 謝春慶, 潘凱, 程瑞馭等. 四川甘孜格薩爾機場水文地質(zhì)調(diào)查報告[R]. 廣州: 廣東中煤江南工程勘測設(shè)計有限公司, 2017.

[5] 謝春慶, 潘凱, 程瑞馭等. 四川甘孜格薩爾機場高填方專項勘察報告[R]. 廣州: 廣東中煤江南工程勘測設(shè)計有限公司, 2016..

[6] 謝春慶, 趙新杰, 潘凱等. 四川甘孜格薩爾機場巖土工程詳細(xì)勘察報告[R]. 廣州: 廣東中煤江南工程勘測設(shè)計有限公司, 2018..

[7] 謝春慶, 趙新杰, 潘凱等. 高原高寒高地震烈度場地高填方地基穩(wěn)定性研究—以甘孜機場為例[R]. 廣州: 廣東中煤江南工程勘測設(shè)計有限公司, 2019.

趙新杰（1966- ），男，漢族，陜西省洋縣人，畢業(yè)于西安礦業(yè)學(xué)院，水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè)，本科，高級工程師，研究方向：地下工程（巖土工程勘察、地基與基礎(chǔ)工程）。

廖先斌（1971.11- ），男，漢族，福建，本科，教授級高級工程師，注冊巖土工程師。

G322

A

1007-6344（2021）01-0346-03