梁王山隧道巖溶發(fā)育特征與地下水評價

收稿日期：2024-01-19

作者簡介：王超（1986—），男，本科，工程師，從事工程建設工作。

摘要 巖溶隧址區(qū)的復雜巖溶特征和地下水環(huán)境成了西南地區(qū)隧道工程建設面臨的主要問題之一。文章以梁王山隧道為例，通過現場調查分析隧址區(qū)的巖溶發(fā)育特征，并對地下水資源進行了評價。結果表明：隧址區(qū)巖溶特征按巖組可分為3種類型，按地貌可分為2種類型，按形態(tài)可分為6種類型；地下水天然補給量為2 162.4萬立方米/年；天然排泄量為391萬立方米/年；地下水化學類型為HCO3-Ca·Mg型，對鋼筋混凝土結構及內部鋼筋具有微腐蝕性。

關鍵詞 隧道工程；現場調查分析；巖溶發(fā)育特征；地下水評價

中圖分類號 U453.6文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）09-0146-03

0 引言

隨著交通強國戰(zhàn)略的持續(xù)推進，西南地區(qū)的隧道工程也日益增多，巖溶隧址區(qū)的復雜巖溶特征和地下水環(huán)境成了西南地區(qū)隧道工程建設面臨的主要問題之一，對隧道建設造成了嚴重影響[1-3]。張登科等[4]以呂梁山隧道工程作為工程實例，根據勘察設計資料，對隧道涌水量進行了詳細分析。朱小兵等[5]以重慶某隧道為依托工程，研究了20～100 m水位高度、不同圍巖等級及不同截面條件下隧道支護結構的受力規(guī)律。胡顥等[6]利用數值仿真，模擬了隧道工程對地下水環(huán)境的影響，并對隧道進行最大涌水量預測。彭宇肸[7]等采取大氣降雨入滲系數法及比擬法等預測了隧道的涌水量。但由于不同區(qū)域水文地質條件相差較大，不同地質環(huán)境對隧道施工的影響也不盡相同。

該文以梁王山隧道為例，通過現場調查分析隧址區(qū)的工程概況和巖溶發(fā)育特征，并對隧址區(qū)地下水的補給量、排泄量進行計算，最后對地下水水質進行了評價，研究結果可為梁王山隧道的安全建設提供技術支撐。

1 隧址區(qū)工程概況

1.1 地形地貌

隧址區(qū)位于云貴高原東南斜坡，地勢北西高南東低。受南盤江切割，地形高差大，高原面被強烈剝蝕、分割。測區(qū)屬滇東南高原低中山地貌地勢起伏較大，高程為1 700～2 330 m，相對高差約630 m，自然坡度為15 ?～50 ?，局部較陡。根據區(qū)內地貌特征以及成因和形態(tài)的不同，將研究區(qū)劃分為構造侵蝕山地地貌、溶蝕地貌、湖泊盆地地貌、構造剝蝕溶蝕地貌等四種地貌類型。

1.2 地層巖性

隧址區(qū)內出露地層較為復雜，巖性種類較多，主要為：震旦系上統(tǒng)燈影組（Zbdn）；寒武系下統(tǒng)筇竹寺組（?1q）、滄浪鋪組（?1c）、龍王廟組（?1l）；泥盆系上-中統(tǒng)（D2-3）；石炭系下統(tǒng)大唐組（C1d）；二疊系下統(tǒng)倒石頭組（P1d）、棲霞組、茅口組（P1q+m）；二疊系上統(tǒng)峨嵋山組（P2β）；新生界第四系（Q）地層。

1.3 地質構造

隧址區(qū)地處滇東臺褶帶中部，地質構造非常復雜，尤其是斷裂構造十分復雜。按其延伸方向及各構造體系之間的相互關系，區(qū)內各構造體系有：經向構造體系、新華夏系構造體系、入字型構造體系、沾益山字型構造體系、緯向構造體系、被動向構造帶及歸屬不明的構造，其中經向構造體系中的小江斷裂帶為該區(qū)全新活動性的構造斷裂帶。

1.4 水文地質條件

根據隧址區(qū)地層巖性、含水介質類型以及賦水性等特點，可以劃分為以下四種含水層：

（1）相對隔水層：主要指下寒武下統(tǒng)筇竹寺組（?1q）和滄浪鋪組（?1c）、二疊系下統(tǒng)倒石頭組（P1d）以頁巖、砂巖、砂頁巖、粉砂巖、泥巖為主的非碳酸鹽巖地層，其裂隙不發(fā)育，含水性及透水性極差。

（2）中等裂隙含水層：主要指二疊系峨眉山組（P2β），以致密玄武巖、杏仁狀及氣孔狀玄武巖為主的非碳酸鹽巖地層，含水介質以裂隙為主，巖層淺表風化作用強烈，形成密集的裂隙網絡。

（3）中等巖溶含水層：主要為泥盆系上-中統(tǒng)（D2-3）組和寒武系龍王廟組（?1l）地層，泥盆系上統(tǒng)組為不純的白云巖，且出露面積較廣，巖石中的裂隙普遍受到一定程度的溶蝕，形成了以裂隙-溶隙為主的含水介質，泉水流量一般小于1 L/s。寒武系龍王廟組的不純碳酸鹽巖夾非碳酸鹽巖地層，含水介質以裂隙為主，形成整體的“弱～中”等透水、局部富水的中等巖溶含水層。

（4）強巖溶含水層：主要指震旦系燈影組（Zbdn）不純碳酸鹽巖地層和二疊系棲霞組、茅口組（P1q+m）碳酸鹽巖地層。震旦系燈影組地層雖為不純的白云巖，含水性及透水性較強，為強巖溶含水層，泉水流量一般在1～10 L/s；二疊系棲霞、茅口組裂隙溶隙眾多，含水介質以溶隙—管道為主，含水性及透水性極強，為極強巖溶含水層，泉水流量一般大于10 L/s。

2 隧址區(qū)巖溶發(fā)育特征

2.1 巖溶巖組類型

隧址區(qū)出露的地層為震旦系～二疊系地層。根據各地層的物質成分、厚度和組合關系，可以將該區(qū)震旦系～二疊系地層劃分為：非碳酸鹽巖巖組、不純碳酸鹽巖夾非碳酸鹽巖巖組、純碳酸鹽巖巖組三種類型。

純碳酸鹽巖巖組巖溶極為發(fā)育，多見大型溶蝕洼地、落水洞、石芽等，局部可能形成巖溶管道，如二疊系棲霞茅口組（P1q+m）、震旦系燈影組（Zbdn），其連續(xù)厚度大，出露范圍廣，具有較好的降雨入滲條件；不純碳酸鹽巖夾非碳酸鹽巖巖組的巖溶一般發(fā)育較弱，多以溶蝕裂隙為主，如寒武系龍王廟組（?1l）、泥盆系上—中統(tǒng)（D2-3）；非碳酸鹽巖巖組以裂隙為主，如寒武系筇竹寺組（?1q）、滄浪鋪組（?1c）、二疊系上統(tǒng)峨嵋山組（P2β）等，以砂巖、頁巖為主的非碳酸鹽巖巖組，裂隙多呈閉合狀態(tài)，含水性及透水性較差，可視為相對隔水層。

2.2 巖溶地貌類型

巖溶地貌的發(fā)育受控于地層巖性、地質構造、氣候和水動力條件，隧址區(qū)巖溶地貌類型又可以劃分為巖溶臺地、巖溶斜坡兩大類。

（1）巖溶臺地：在區(qū)內分布較少，主要在高程2 240 m以上的分水嶺地帶，主要位于老石山背斜東南翼以及石寨河附近斷裂帶左側。臺面上主要發(fā)育小型淺碟狀溶丘洼地，洼地面積一般小于0.02 km2，地形相對高差一般小于100 m。大氣降水多以分散的形式在洼地匯集，經洼地底部的隙縫狀落水洞或溶蝕裂隙入滲補給地下水。

（2）巖溶斜坡：在區(qū)內位于老黑山、中大山、豬頭山以及三岔箐水庫一帶，平面上呈帶狀分布，范圍有限，高程在1 800～2 200 m之間，地形上呈30 °～50 °。地勢相對較陡，受縱張和橫張巨型裂隙控制，西北和東南向的小型地表溪溝較發(fā)育，有利于大氣降水的匯集和排泄，地表和地下巖溶發(fā)育中等。

2.3 巖溶形態(tài)特征

隧址區(qū)巖溶形態(tài)主要有溶蝕裂隙、溶溝溶槽、落水洞、溶洞、巖溶洼地、巖溶泉等。

（1）溶蝕裂隙、溶溝溶槽：在原構造裂隙基礎上，經地表水、地下水的溶蝕作用而成，溶蝕裂隙和溶溝溶槽的走向主要受構造裂隙和層面裂隙的控制。

（2）落水洞：主要發(fā)育于巖溶洼地，洞口多呈不規(guī)則的三角形狀，多呈現底部2～5 m，高度小于3 m，主要受構造裂隙控制多呈縫隙狀，規(guī)模不大。

（3）溶洞：一般為地下河遺棄管道或正在發(fā)育的地下河管道，在垂直方向上具有多層性，平剖面形態(tài)主要受構造裂隙、斷層和層面控制，多呈現底部3～6 m，高度小于5 m的不規(guī)則狀，規(guī)模不大。

（4）巖溶泉：主要分布在巖溶斜坡與盆地或溝谷交接的地形轉折部位，含水介質以巖溶裂隙或小型溶蝕裂隙為主。地下水徑流較通暢，受降雨影響流量變化大，雨后流量呈陡漲陡落的特征，滯后時間一般在3～5 d。

（5）巖溶洼地：發(fā)育程度一般，規(guī)模上以小于0.05 km2的小型巖溶洼地為主，個別達1～2 km2；從發(fā)育規(guī)模上看，二疊系下統(tǒng)棲霞組、茅口組的厚層灰?guī)r地區(qū)發(fā)育的洼地面積最大，溶蝕現象最強烈。

3 隧址區(qū)地下水資源評價

3.1 水資源計算

3.1.1 天然補給量

地下水系統(tǒng)的天然補給量是指天然條件下大氣降水滲入補給地下水系統(tǒng)的水量，可采用降雨入滲系數法計算：

Q=αFX （1）

式中，Q——降雨入滲補給量（萬立方米/年）；α——降雨入滲系數；F——地下水系統(tǒng)面積（萬平方米）；X——降雨量（mm/a）。

根據現場水文地質調查，綜合該研究區(qū)的地層巖性、裂隙巖溶發(fā)育情況、地形地貌以及包氣帶巖性特征等，將該研究區(qū)不同地層分布區(qū)的地下水降雨入滲系數取值如表1所示。根據當地多年降雨量平均值，取降雨量為1 035 mm。據此計算得到研究區(qū)內各地下水系統(tǒng)的補給資源量（見表2所示），全區(qū)地下水總的天然補給資源量為2 162.4萬立方米/年。

3.1.2 天然排泄量

隧址區(qū)地下水的排泄主要有泉水集中排泄、地表溪溝線狀泄流排泄以及向下游的側向徑流排泄。由于該區(qū)總體處于梁王山地下水的補給區(qū)，地下水水位埋深較大，地下水排泄以向下游（陽宗海、滇池）的側向徑流排泄為主，泉水集中排泄和地表溪溝線狀排泄較少，該次天然排泄量計算主要是根據枯水期對泉水以及溪溝的測流數據，具體計算結果如表3所示。該區(qū)天然條件下，以泉水和地表溪溝線狀泄流形式排泄的地下水資源量為124 L/s，合計391萬立方米/年。

表3 隧址區(qū)泉點、溪流統(tǒng)計表

編號 位置 地層時代 流量/（L/s）

Q-1 小屯村巖溶泉 D2-3 15

Q-2 澄江三中巖溶泉 P1q+m 10

P-1 新蓮隧道泄水洞 P1q+m 30

L-1 老溝溪流 P1q+m 20

L-2 大箐溝溪流 ?1l 10

L-3 蘭花溝溪流 ?1l 18

L-4 驢子箐溪流 ?1qc 5

L-5 栗樹溝溪流 ?1qc 6

L-6 石寨河溪流 P1q+m 5

L-7 老李箐溪流 Zbdn 5

合計 — — 124

3.2 水質評價

通過對隧址區(qū)內具有代表性的地下水區(qū)域進行取樣分析，地下水為無色、無味、無嗅、透明，化學類型為HCO3-Ca·Mg型。根據水對鋼筋混凝土腐蝕性評價指標的分析，隧址區(qū)水質指標均對鋼筋混凝土結構及鋼筋混凝土結構中的鋼筋具有微腐蝕性。根據《地下水質量標準》（GB/T14848—93）分析，隧址區(qū)地下水水質為Ⅲ類水體。

4 結論

該文通過現場調查，對梁王山隧道的巖溶發(fā)育特征和地下水進行了調查評價，主要得到以下結論：

（1）隧址區(qū)巖溶特征可劃分為非碳酸鹽巖巖組、不純碳酸鹽巖夾非碳酸鹽巖巖組和純碳酸鹽巖巖組3種巖組類型；巖溶臺地和巖溶斜坡2種地貌類型；溶蝕裂隙、溶溝溶槽、落水洞、溶洞、巖溶洼地和巖溶泉等6種巖溶形態(tài)。

（2）隧址區(qū)可劃分為相對隔水層、中等裂隙含水層、中等巖溶含水層和強巖溶含水層等4種含水層。地下水總的天然補給資源量為2 162.4萬立方米/年；以泉水和地表溪溝線狀泄流形式，排泄的地下水資源量為391萬立方米/年。

（3）隧址區(qū)地下水化學類型為HCO3-Ca·Mg型，對鋼筋混凝土結構及鋼筋混凝土結構中的鋼筋具有微腐蝕性，水質為Ⅲ類水體。

參考文獻

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