某實(shí)驗(yàn)站深埋施工地下水涌水來源分析

孫 璐，張海豐，曾 峰，牛香玉

（黃河勘測規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，鄭州 450003）

某實(shí)驗(yàn)站地下洞室在掘進(jìn)過程中多次出現(xiàn)涌水現(xiàn)象，且隨著開挖深度的增加，涌水量不斷增大趨勢，局部發(fā)生沿節(jié)理裂隙和斷層的集中涌水，高滲透壓力、大流量突發(fā)涌水給施工帶來極大困擾，導(dǎo)致工程施工進(jìn)度滯后、投資增大，而涌水來源一直未查明，因此準(zhǔn)確判斷涌水成因，查找涌水來源對涌水治理具有重要的指導(dǎo)意義。

地下水的水化學(xué)、氫氧同位素組成作為天然標(biāo)記，攜帶著地下水自補(bǔ)給、流動至排泄過程的信息，在涌水來源識別中被廣泛應(yīng)用［1-4］。在分析實(shí)驗(yàn)站地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，利用水化學(xué)和氫氧同位素等技術(shù)手段，綜合判別實(shí)驗(yàn)站的涌水來源和滲流路徑，為工程采取止水措施和運(yùn)行管理提供技術(shù)支撐。

1 研究區(qū)概況

1.1 工程概況

某實(shí)驗(yàn)站所處地貌類型屬低山丘陵區(qū)，區(qū)內(nèi)地勢總體南高北低，地面高程為20～500m。實(shí)驗(yàn)站由地下建筑和地上建筑組成，地上建筑主要布置于斜井入口，地下建筑主要為試驗(yàn)大廳、斜井、豎井及附屬洞室，實(shí)驗(yàn)大廳埋深763m，為大型深埋地下洞室。

1.2 地質(zhì)與水文地質(zhì)概況

研究區(qū)地層區(qū)劃屬華南地層區(qū)東江分區(qū)，出露地層主要有寒武系石英砂巖夾泥質(zhì)頁巖，奧陶系頁巖、粉砂巖夾泥巖，第四系殘坡積和沖洪積物及燕山期侵入巖。實(shí)驗(yàn)站地下建筑大多分布于燕山期花崗巖中，豎井全段為花崗巖，斜井洞身前段為粉砂巖、長石石英砂巖局部夾泥質(zhì)頁巖、角巖，后段為花崗巖。

研究區(qū)地下水以潛水為主，地下水類型包括松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，松散巖類孔隙水賦存于溝谷局部地段和山前第四系沖洪積地層中，基巖裂隙水賦存于花崗巖和砂泥巖中。根據(jù)地面瞬變電磁、大地電磁資料并結(jié)合目前施工涌水情況，花崗巖層富水性相對較強(qiáng)，主要沿近東西向節(jié)理及構(gòu)造密集帶分布。地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給，以泉水形式和滲流形式向溝谷排泄或下滲補(bǔ)給深層地下水。

1.3 涌水特征

實(shí)驗(yàn)站自2015年開工建設(shè)以來，前期的掘進(jìn)工作進(jìn)展順利，粉砂巖、泥巖及頁巖段掘進(jìn)過程中滲水量小，水量基本可控。2015年9月底斜井開挖到樁號0+590m進(jìn)入花崗巖段，滲水量逐漸增大，最大涌水量23m3/h，2016年3月在斜井樁號0+851m最大涌水量達(dá)400m3/h。豎井全段在花崗巖體內(nèi)掘進(jìn)，井口高程127.5m，掘進(jìn)到43.5m高程井底開始有涌水現(xiàn)象，先后在-301，-337.5，-403m發(fā)生較大突水事件，涌水量在200～437m3/h。目前工程區(qū)日均排水量約490m3/h，且未見衰減趨勢。根據(jù)涌水情況分析，主要涌水點(diǎn)為花崗巖地層近東西向張開節(jié)理裂隙或斷層構(gòu)造帶。

2 樣品采集與測試

為研究不同含水層的水力聯(lián)系特征，判別實(shí)驗(yàn)站工作面涌水水源及徑流途徑，于2019年在研究區(qū)內(nèi)對多處水點(diǎn)進(jìn)行了取樣分析，共收集水樣21組，包括大氣降水2組、地表水8組、淺層第四系松散巖類孔隙水3組、深層花崗巖裂隙水7組、花崗巖與角巖接觸帶混合水1組。水樣經(jīng)過濾保存后送中國地質(zhì)大學(xué)（武漢）分析測試中心測定常規(guī)離子濃度，測定結(jié)果如表1。

表1 水化學(xué)常規(guī)組分測試結(jié)果

3 水化學(xué)及氫氧同位素特征分析

3.1 宏量組分特征分析

圖1 研究區(qū)水化學(xué)組成Piper三線圖

圖2 研究區(qū)各種水體常規(guī)離子含量變化

3.2 微量組分特征分析

除了宏量組分外，地下水中還有一些微量組分，如F，I，Sr，As等。微量元素含量雖小卻十分靈敏，地下水中的微量元素是地下水在儲存、運(yùn)移過程中與巖體相互作用的結(jié)果，一定程度上反映地下水的水質(zhì)特征和形成環(huán)境，可以作為良好的水化學(xué)示蹤劑來分辨水中物質(zhì)來源和成因［6］。

通過微量元素分析可以發(fā)現(xiàn)，研究區(qū)不同類型地下水中，部分微量元素含量存在明顯差異。由表2可以看出，深層花崗巖水和淺層混合水中的微量元素含量明顯高于地表水和第四系淺層地下水，差異比較明顯的有Sr，Ba，Li，As等元素。初步分析是由于深層花崗巖水的水溫較高（實(shí)測31℃），地下熱水在水熱作用下提高了與含水介質(zhì)間的水巖反應(yīng)能力，巖體中的部分組分不斷被溶濾、溶解到水體中，使微量元素得以在水中富集。

表2 不同類型水特征微量元素對比

由于微量元素Sr廣泛存在于花崗巖的造巖礦物長石中，通過礦物溶解進(jìn)入地下水中［7］，Sr元素是花崗巖水中主要的微量元素。通常富鍶礦物溶解度較低，且Sr元素化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，不參與離子交換反應(yīng)，但隨著徑流途徑的延長，水巖相互作用時間增長，地下水中Sr2+濃度逐漸增高，在地下水滯留區(qū)達(dá)到最大，因此地下水中Sr2+濃度是地下水滯留時間的函數(shù)［8，9］，可以用來示蹤水循環(huán)［10］?；◢弾r水和混合水的Sr2+濃度最高可達(dá)0.49mg/L，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于淺層地下水背景值，這是由于淺層地下水主要接受大氣降雨補(bǔ)給，水巖相互作用時間較短，水中Sr2+含量較低，花崗巖水和混合水中的Sr2+是含有游離CO2的地下水與富含鍶的花崗巖相互作用的結(jié)果，隨著徑流途徑的增加和徑流時間的延長，水中Sr2+含量增加，說明其為區(qū)域地下水流。

3.3 氫氧穩(wěn)定同位素特征分析

根據(jù)本次氫氧同位素測試結(jié)果，結(jié)合前人在本地區(qū)的研究成果［11］（大氣降水線參考廣東廣州的大氣降水線方程δD=8.46δ18O+15），繪制地下水和地表水的δ18O-δD關(guān)系圖（圖3）。研究區(qū)內(nèi)淺層地下水、深層地下水和地表水的氫氧同位素變化范圍較大，但均位于全球大氣降水線與當(dāng)?shù)卮髿饨邓€附近，表明研究區(qū)地下水均起源于大氣降水。

圖3 研究區(qū)地下水δ18O-δD關(guān)系

不同水體在δ18O-δD關(guān)系圖中具有不同的氫氧同位素組成特征，顯示出一定的分層現(xiàn)象，說明不同水體接受補(bǔ)給的時期及水體的流動系統(tǒng)不同，淺層地下水基本介于地表水和深層地下水之間，說明淺層地下水與地表水和深層地下水之間存在著水力聯(lián)系，或受到混合，或作為補(bǔ)給源［12，13］。地表水及淺層地下水樣位于大氣降水線右下方，主要是受蒸發(fā)作用影響導(dǎo)致氫氧同位素重同位素的富集。

深層花崗巖水的同位素組成相似，表明其補(bǔ)給高程及范圍較為一致，相對于當(dāng)?shù)卮髿饨邓蜏\層地下水表現(xiàn)出貧化重同位素的特征，表明深層地下水不是直接來源于當(dāng)?shù)卮髿饨邓蜏\層地下水的入滲補(bǔ)給。通常，深層地下水氫氧同位素組成偏負(fù)是由于高程效應(yīng)或古環(huán)境時期降水補(bǔ)給。以實(shí)驗(yàn)大廳層涌水點(diǎn)為參照點(diǎn)，其δD、δ18O分別為-4.471%、-0.704%，排泄高程為-430m，按照δ18O大氣降水高度梯度值?。?.31%/100m［14］，則深層地下水計算補(bǔ)給高程為845m，大于當(dāng)?shù)刈罡吆０巍?jù)此分析，深層花崗巖水可能來源于研究區(qū)外海拔更高的山地大氣降水入滲補(bǔ)給，也可能來源于古環(huán)境時期降水補(bǔ)給。

4 結(jié)語

通過對實(shí)驗(yàn)站基礎(chǔ)水文地質(zhì)條件及涌水現(xiàn)狀分析，結(jié)合水化學(xué)主組分、微量組分、氫氧同位素等水文地球化學(xué)特征，綜合分析研究區(qū)涌水來源，得出主要結(jié)論如下：

（1）研究區(qū)內(nèi)涌水來源主要為深層花崗巖水，不同涌水點(diǎn)水化學(xué)特征相似，表明其補(bǔ)給來源基本一致。

（2）深層花崗巖水表現(xiàn)為水溫高、TDS高、Sr2+高的HCO3-Na·Ca類型，表明其為區(qū)域地下水流，且地下水的徑流速度較為緩慢。

（3）研究區(qū)地下水主要為大氣降水成因，深層花崗巖水的δD和δ18O值較大氣降水和淺層地下水偏低，表明其不是直接來源于當(dāng)?shù)卮髿饨邓偷谒南邓木徒霛B補(bǔ)給，而是大氣降水經(jīng)過較長距離的徑流以垂向下滲和側(cè)向徑流的方式間接補(bǔ)給深層花崗巖水。