濟棗高鐵濟泰段對濟南泉群的影響及防治對策分析

邱曉東 宋章 陳興海 李傳生

【摘要】濟棗高鐵濟泰段通過濟南南部的千佛山、慧佛山，其為濟南泉群的重要補給區(qū)，鐵路建設(shè)對濟南泉群或多或少產(chǎn)生一定影響。文章基于研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)及地下水的補給、徑流和排泄、測區(qū)地下水動態(tài)變化特征等研究，分析評價擬建濟棗高鐵濟泰段對濟南泉群的影響，并探討其防治對策。主要結(jié)論有：（1）擬建濟棗高鐵濟泰段主要處于濟南單斜地質(zhì)單元，地層巖性以寒武系-奧陶系的碎屑巖和碳酸鹽巖為主，中強富水性;（2）濟南泉群主要以其南部的千佛山、慧佛山降水補給為主，其次為河床滲落、孔隙水補給;（3）擬建鐵路推薦線位對濟南四大泉群的補給、徑流影響較小;比選線位對趵突泉和涌泉泉域影響較小，對白泉泉域無影響;（4）工程防治對策首先應(yīng)遵循鐵路軌面標(biāo)高處于泉群補給區(qū)垂直滲流帶的地質(zhì)選線原則，其次隧道設(shè)計施工中堅持以堵為主、疏排為輔的綜合治理措施。研究成果可為測區(qū)類似工程提供借鑒指導(dǎo)。

【關(guān)鍵詞】濟棗高鐵; 濟南泉群; 巖溶; 選線; 防治對策

【中國分類號】P641.1【文獻標(biāo)志碼】A

濟棗高鐵濟泰段東線方案自在建濟萊高鐵港溝站引出，向南跨濟南南繞城高速后進入南部山區(qū)，經(jīng)西營鎮(zhèn)、柳埠鎮(zhèn)東側(cè)后沿濟泰高速公路走廊前行，于泰安市東側(cè)設(shè)泰安東站;濟棗高鐵濟泰段西線方案自在建濟萊高鐵平安店鎮(zhèn)引出，向西繞經(jīng)長清區(qū)、歸德鎮(zhèn)后沿泰山山麓西北側(cè)走行，進入泰安市區(qū)跨京滬鐵路后沿京滬高鐵引入既有京滬高鐵泰安站。濟棗高鐵濟泰段由北向南行進于泰安過程中穿越了千佛山、慧佛山一帶，而千佛山、慧佛山為濟南泉群的重要補給區(qū)，鐵路的修建對濟南泉群補給區(qū)或多或少產(chǎn)生一定影響。

濟南泉群的形成受測區(qū)特定的地形地貌、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、氣象水文等多因素的影響 [1-7]。鄒連文等[1]通過對濟南泉群涌水量與區(qū)域降水的回歸分析，說明濟南泉群的主要補給區(qū)為東南部巖溶漏水山區(qū);邢立亭等[3]基于調(diào)查、示蹤試驗、水質(zhì)指標(biāo)測試、巖溶分析和數(shù)理統(tǒng)計等方法，認(rèn)為濟南泉群水位動態(tài)變化反映出濟南北部巖溶管道流與裂隙流并存，豐水期以東南方向巖溶管道流補給為主，而枯水期以西南方向裂隙流補給為主;孫斌等[3]利用Mapgis對濟南市區(qū)新生界地層厚度圖和灰?guī)r頂板埋置深度圖進行了分區(qū)研究，揭示了濟南市區(qū)其侵入巖分布和變化特征，并說明了趵突泉、黑虎泉是由于侵入巖在此缺失形成“天窗”地下水出漏排泄而形成的機理;韓連山等[5]研究認(rèn)為燕山運動奠定了濟南地區(qū)南部依泰山隆起、背部臨濟陽斷陷的構(gòu)造格局和地貌特征，碳酸鹽巖隱伏于市區(qū)，在侵入巖缺失形成“天窗”的趵突泉、黑虎泉等地形低洼、構(gòu)造有利部位泉水騰空而起形成泉群;此外，濟南泉群的形成與測區(qū)千佛山斷裂、文化橋斷裂的分布、導(dǎo)水性和透水性息息相關(guān)[5-7]。

本文基于區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)及泉水補給、徑流和排泄、測區(qū)地下水動態(tài)變化特征等研究，分析評價擬建濟棗高鐵濟泰段對濟南泉群的影響，并探討其防治對策。

1 區(qū)域地質(zhì)單元劃分

研究區(qū)地處魯南中部隆起區(qū)，總體以新太古代泰山巖群為基底、以古生代地層為主體的向北傾斜的單斜構(gòu)造，且受測區(qū)NW向和NE向斷裂相互切割的影響，將研究區(qū)分割成多塊相對獨立的單斜斷塊。因此依據(jù)研究區(qū)的總體沉積環(huán)境，并結(jié)合區(qū)內(nèi)地層的巖性組合特征和空間展布規(guī)律，及地質(zhì)構(gòu)造因素，地層與構(gòu)造相互關(guān)系等，可將研究區(qū)劃分為郭店單斜地質(zhì)單元、濟南單斜、泰萊盆地三個地質(zhì)單元（圖1）。

新建的濟棗高鐵線路主要穿越了濟南單斜地質(zhì)單元（濟南泉域），其次為郭店單斜地質(zhì)單元（白泉泉域），兩地質(zhì)單元中地層巖性主要為寒武系和奧陶系的灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r為主，富水性中強;以弱富水性的泥巖、頁巖主要分布于寒武系的饅頭組。而線路穿越的泰萊盆地，其巖溶及巖溶塌陷等地質(zhì)災(zāi)害發(fā)育，但已處于濟南泉群影響區(qū)之外。

2 研究區(qū)水文地質(zhì)條件

2.1 研究區(qū)地下水的補給、徑流、排泄特征

2.1.1 地下水的補給特征

濟南泉群主要受南部海拔500～700 m的千佛山、慧佛山的降水補給，大致以大澗溝為界，可分布長城嶺至大澗溝間接補給區(qū)和大澗溝至濟南山前的直接補給區(qū)（圖2）。

補給區(qū)內(nèi)地層巖性主要為寒武系-奧陶系厚層狀灰?guī)r，受構(gòu)造的切割影響巖體中裂隙、巖溶等地下水通道相互溝通，形成了有統(tǒng)一水位的地下水力聯(lián)系通道。濟南泉群的補給大致分為大氣降水入滲補給和河流滲漏集中補給兩種方式。

2.1.1.1 大氣降水入滲補給

濟南泉群主要為南部山區(qū)的巖溶水補給，而巖溶地下水主要接受大氣降水的入滲補給。根據(jù)測區(qū)由南向北傾斜便于地下水運移的單斜構(gòu)造特征、厚度達1 000 m的灰?guī)r利于地下水存儲地層巖性特征及測區(qū)水文觀測孔長期動態(tài)觀測地下水位變化的分析等，濟南泉群流量和測區(qū)地下水水位變化均與大氣降水息息相關(guān)。測區(qū)豐水期集中于每年的6～9月，占全年降水量77 %以上，每年雨季測區(qū)地下水位快速上升，濟南泉群流量普遍增大;枯水期為每年的4～6月，測區(qū)降水較少，地下水位變低，濟南泉群流量隨之普遍減少。

2.1.1.2 河床滲漏集中補給

測區(qū)河床滲漏集中補給為濟南泉群的第二大補給源。主要表現(xiàn)在兩個方面，一是濟南泉群南部的河流在上游其河床與測區(qū)下伏的灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r等強富水地層水力聯(lián)系緊密，豐水期巖層地下水接受河流反補、而枯水期河流接受巖層地下水補給，而河流在下游局部地段強烈滲漏，補給濟南泉群地下水;二是測區(qū)水庫豐水期接受蓄水，枯水期放水補給河流，河流補給濟南泉群地下水。

2.1.2 地下水的徑流特征

測區(qū)地下水的徑流受南高北低的地形因素、厚層狀中強富水的灰?guī)r地層巖性因素、千佛山斷裂和文化橋斷裂控制的由南向北傾斜的單斜構(gòu)造因素等控制。千佛山斷裂以東地區(qū)山區(qū)地下水主要呈NNW流向、以西地區(qū)呈NW流向，地下水在由南向北徑流的過程中受濟南盆地隔水的侵入巖、泥頁巖的阻隔，在其接觸帶形成地下水富集區(qū)。

2.1.3 地下水的排泄特征

測區(qū)地下水的排泄主要表現(xiàn)為泉水的集中排泄和人工開采排泄。地下水在由南向北徑流的過程中，受北部濟南盆地分布的侵入巖、泥頁巖阻隔，在與灰?guī)r的接觸帶附近形成了地下水的富集區(qū)，在濟南盆地低洼地帶以上升泉的形式集中排泄，濟南泉群就是由此形成。此外，由于城市和工農(nóng)業(yè)發(fā)展的需要，濟南盆地地下水的大量開采亦為排泄方式之一，由此還造成了濟南泉群1972～2003年的季節(jié)性斷流。

2.2 地下水的動態(tài)變化特征及主要影響因素

大氣降水為測區(qū)地下水的主要補給來源（圖2），測區(qū)的南部山區(qū)主要為裸露的灰?guī)r地層，受構(gòu)造影響巖體節(jié)理裂隙較發(fā)育，大氣降水及表水易于下滲，快速補給地下水。每年的豐水季節(jié)測區(qū)地下水補給量大于排泄流量，7～9月為測區(qū)的最高地下水位;枯水季節(jié)由于受泉流和翌年3～4月人工開采地下水的影響，測區(qū)地下水排泄量大于補給量，翌年的5～6月出現(xiàn)最低地下水位;年度變幅處于10～80 m。

3 濟棗鐵路建設(shè)對濟南泉群的影響評價及防治對策

3.1 對濟南趵突泉泉域的影響

濟南泉域范圍內(nèi)，擬建的濟棗高鐵線路以隧道形式穿越，大部分位于地下水（巖溶水）的垂直滲流帶，局部位于季節(jié)交替帶內(nèi)，隧道建設(shè)僅對大氣降水的滲流補給有影響，使?jié)B流補給途徑產(chǎn)生變化。

橋梁及路基建設(shè)引起的局部地段地表硬化面積占泉域補給區(qū)的面積的比例較小，且降水可通過附近地段地表入滲進入巖溶含水層，因此橋梁、路基建設(shè)對泉域降水補給量影響較小。隧道工程位于南部丘陵山區(qū)，隧道穿越部位為地下水（巖溶水）的垂直滲流帶或季節(jié)交替帶。隧道建設(shè)對局部地下水垂直滲流路徑產(chǎn)生一定的影響，對濟南四大泉群水源深部徑流影響較小。

3.2 對涌泉泉群的影響

涌泉泉群位于濟南區(qū)域的補給區(qū)，泉群泉點眾多，屬于玉符河流域，存在眾多獨立小泉域。其中泉點主要含水層為張夏組灰?guī)r，部分泉點主要出露地層為三山子組（主要出露原冶里組與亮甲山組分界線）、炒米店組、崮山組，均屬于濟南泉域的間接補給區(qū)。

區(qū)內(nèi)巖溶地下水流域由南向北徑流，擬建新建泰安東站方案線路走向與地下水流向近相同，僅局部會影響部分泉點的補給，距離線路較近的分泉點較多，泉點大部分出露于張夏組和饅頭組交接處。

3.3 對白泉泉域泉群的影響

本次推薦線路通過白泉泉群補給區(qū)僅約4 km。橋梁及路基建設(shè)引起的局部地段地表硬化面積占泉域補給區(qū)的面積的比例較小，且降水可通過附近地段地表入滲進入巖溶含水層，該段橋梁、路基建設(shè)對泉域降水補給量影響較小。因此本次鐵路建設(shè)不會切斷巖溶水的地下循環(huán)途徑，不會導(dǎo)致巖溶水的流失，線路建設(shè)對白泉泉群的水量影響較小。

在裸露巖溶區(qū)，巖溶水直接接受大氣降水補給，鐵路施工產(chǎn)生的污染物及運營期產(chǎn)生的跑冒滴漏的污染物，將隨大氣降水下滲至巖溶含水層，會對區(qū)內(nèi)巖溶水水質(zhì)產(chǎn)生一定的影響。因此，推薦線路建設(shè)對白泉泉群的水質(zhì)有一定影響。

3.4 綜合影響評價

研究區(qū)內(nèi)主要的泉群有濟南市區(qū)四大泉群、涌泉泉群、白泉泉群。鐵路建設(shè)對泉群的影響分析結(jié)果如表2所示。

本次推薦線路建設(shè)對濟南四大泉群的補給、徑流影響較小;對白泉泉群水量的影響小;對涌泉泉群內(nèi)錫杖泉泉點有影響，但影響較小。

比選線路對趵突泉泉域影響較小;對白泉泉域無影響;對涌泉泉群內(nèi)泉點影響較小。

3.5 防治對策分析

擬建濟棗高鐵濟泰段主要以橋隧工程穿越濟南泉群補給區(qū)，工程防治對策主要從以下兩方面加以考慮：

（1）工程地質(zhì)選線原則：基于研究區(qū)巖溶水的補、徑、排及動態(tài)特征分析，查明地下水徑流水位深度（圖3），遵循鐵路軌面標(biāo)高處于濟南泉群補給區(qū)垂直滲流帶內(nèi)的選線原則，確保鐵路隧道不會截斷泉群的地下水流。

（2）隧道內(nèi)防治措施：堅持設(shè)計施工過程中隧道內(nèi)以堵水為主、疏排為輔的綜合防治措施，最大限度減少對測區(qū)地表井泉點的影響。

4 結(jié)論

（1）擬建濟棗高鐵濟泰段主要處于濟南單斜地質(zhì)單元，地層巖性主要為寒武系-奧陶系中強富水的碎屑巖和碳酸鹽巖為主。

（2）濟南泉群主要以南部的千佛山、慧佛山降水補給為主，以河床滲落、孔隙水補給為輔。

（3）擬建鐵路推薦線位對濟南四大泉群的補給、徑流影響較小;比選線路對趵突泉和涌泉泉域影響較小;對白泉泉域無影響。

（4）工程防治對策遵循鐵路軌面標(biāo)高處于泉群補給區(qū)垂直滲流帶的地質(zhì)選線原則，隧道設(shè)計施工中堅持以堵為主、疏排為輔的綜合治理措施。

參考文獻

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