基于风险区划的环境地质选线应用

谢翠明 王 泽

(中铁工程设计咨询集团有限公司, 北京 100055)

白阿铁路扩能改造工程位于内蒙古自治区兴安盟境内,线路始于锡乌线与白阿线交汇的芒罕屯站,由东南至西北,途经索伦、明水河、五岔沟、白狼等镇,终至阿尔山市伊尔施镇,线路全长212 km。白阿铁路扩能改造工程对于贯通中蒙通道，增强蒙东煤炭基地的外运能力，提升既有铁路资产运营质量与效果，增强民族团结和巩固国防均具有重要意义。

阿尔山是著名的火山温泉旅游胜地,地势陡峻,地质构造复杂,既有白阿铁路穿越阿尔山国家地质公园,且距离阿尔山地质公园温泉景区内的泉眼较近。本次扩能改造充分考虑环保要求与地质条件,分析火山温泉形成机制,应用区域水均衡理论结合大气降水入渗理论对阿尔山地区工程建设进行风险评价与区划,对阿尔山地区线路方案进行深入研究与比选,以绕避环境地质敏感区。

1 阿尔山地区自然特征

1.1 气候特征

本区地处欧亚大陆中纬度内陆,北温带中部,属大陆型寒温带半干旱季风气候,四季分明,寒暑变化剧烈,春季干旱,夏热多雨,秋季凉爽,冬季干冷。年温差达36 ℃,月温差达15 ℃。蒸发量为降雨量的3倍。冬季严寒,每年10月到翌年4月为冰冻期,无霜期95 d,年平均降水量425 mm,日照2 800～3 100 h,年平均气温-2.7 ℃,一月份平均气温-25 ℃～-33 ℃,属严寒地区,极端最高气温33 ℃,极端最低气温-44.5 ℃,最大积雪深度45 cm,最大风速25 m/s,大风日数9 d。

1.2 地形地貌

本地区处于南兴安岭地区,以低中山为主,海拔1 000～1 500 m,特点是山高谷深,山峰的绝对海拔高程多在1 300 m以上。兴安岭主脊线为东南西北方向分水岭,地面切割强烈,多呈山势陡峻、沟壑纵横的景观。一般相对高差100～300 m。该地区主要有三条较大的河谷：洮儿河河谷、阿尔善高勒河河谷以及勃尔姑高勒河河谷。河谷之间被兴安岭山脉阻断,河谷之间的高差只有60 m左右,无法通过越岭隧道更多的降低高程而减少两端引线的展线长度。

1.3 地质特征

本地区处于蒙古弧形构造的东翼与新华厦系大兴安岭第三巨型隆起带斜结部位，属大兴安岭华力西晚期褶皱带。古生代地层强烈褶皱,受到不同程度的区域变质作用。中生代已转化为准地台,火山岩遍布全区。到燕山运动期间,地壳发生了强烈的断块运动,有多期的岩浆活动,并产生一些北东向的短轴背向斜,迭加于二迭纪构造层之上,断裂多为高角度正断层。

阿尔山温泉位于阿尔山市区东南部,上侏罗系复活破火山口的中部,由上侏罗系宝石组酸性碎屑岩、熔岩、熔结凝灰岩、黑曜岩、流纹岩组成。区内发育东西向裂隙式火山管道,在破火山口中央,由于后期破火山口的塌陷,形成阿尔山地堑,两侧走向为345°的张扭性断层,阿尔山温泉正好位于张扭性断层与北北东向裂隙式火山管道交叉部位。

2 阿尔山地区铁路工程风险评价与区划

2.1 阿尔山地区火山温泉形成原理

阿尔山温泉出露于阿尔山复活破火山口的中部,位于阿尔善高勒河谷两侧与山坡交界处,受北北东向压扭性断裂及北北西向张扭性断裂的控制形成一小型地堑。大气降水及地表水沿阿尔山盆地边缘张性断裂和破火山环状断裂渗透、运移汇集于北北西向张扭性断裂,继续向北径流,在径流过程中地下水受到隐伏潜火山岩(火山管道)和边缘岩浆房的余热使水温增高。而阿尔山以北的北北东向断层为石英斑岩或花岗斑岩所填充,宽达120 m,沿走向10°～30°折线变化,该断裂在河谷之下,由于被熔岩充填,形成隔水墙。当地下水遇到北北东向压扭性断裂“隔水墙”时受阻,在净水压力作用下,迫使原北流的地下水沿该隔水墙上升,循环对流,在近地表与第四系孔隙潜水发生混合形成具有不同温度的冷、热矿泉水(如图1所示)。阿尔山温泉群总流量约500 m3/d,温泉的水温及涌水量,除34号外,均存在季节性变化。

图1 阿尔山温泉形成原理

2.2 区域地下水均衡原理

阿尔山地区大气降水量是阿尔善高勒流域内地表水、地下水、蒸发蒸散和地面滞水总的来源。地下水主要排泄方式为泉流排泄,地表水主要为河流,可利用水均衡法大致估算区域内地下水的补给量Q地

Q地=Q降水-Q河流-Q泉-Q蒸发

(1)

式中Q降水——大气降水量/(m3/年)；

Q河流——河流年均流量/(m3/年)；

Q地——地下补给量/(m3/年)；

Q泉——泉流量/(m3/年)；

Q蒸发——年蒸发蒸散量/(m3/年)；

W——年均降水量/m；

S——流域面积/m。

根据水循环原理,阿尔山地堑的水补给主要是四周山脉地表水、地下水汇集而成的,因此圈定大兴安岭岭北至阿尔山温泉群流域面积作为主要研究区域。通过量测岭北至温泉群流域面积(S=97 827 551 m2),计算地下水年补给量(见表1)。

表1 地下水年补给量计算结果 (m3/年)

2.3 隧道涌水量预测

阿尔山地区地势陡峻,为了绕避阿尔山市火山温泉国家地质公园,采用隧道形式穿过阿尔山市南侧山体。铁路建设过程中,隧道的施工排水会造成地下水流失,对位于阿尔山市西南部的水源地水源补给和温泉的补给有影响。用大气降水入渗法预测隧道涌水量

Q涌=2.74λ·W·A

(2)

式中Q涌——平水期隧道正常涌水量/(m3/年)；

λ——降水入渗系数；

W——年均降水量/m；

A——隧道通过地段的集水面积/km2。

2.4 风险评价与区划

根据区域地下水均衡原理与隧道涌水量预测,隧道施工涌水量越大,对温泉群地下水补给的影响越大,风险越高。施工建设距温泉群越近,噪声、铁路污水、电磁辐射等对阿尔山生态环境的影响越大。另外，地下水入渗深度不同,对温泉的影响也不同。综合以上因素,用风险系数α反映工程建设对温泉的影响程度。

α=Q涌/Q地+(L-l)/L+λ2

(3)

式中α——风险系数；

l——工程建设距温泉的距离/m；

L——安全距离/m。

将阿尔山地区按照对温泉的影响大小划分为三个风险区(如图1所示)。

(1)高风险区：α>0.6,距温泉近,施工建设对岩层断裂带的冲击以及对地下水循环的破坏将对该区域内的温泉造成不可逆转的影响,禁止新建隧道工程。

(2)中风险区：0.2<α≤0.6,距温泉较远,隧道施工建设将影响附近区域地下水渗透循环,造成地下水的流失和温泉水补给的减少,对温泉影响较大。

(3)低风险区：α<0.2,施工建设离火山温泉区远,对温泉影响较小。

3 方案研究与比选

3.1 限制坡度选择

白阿铁路扩能改造工程采用6‰/13‰限制坡度,针对阿尔山地区特殊的地形地貌、环境地质等因素,对6‰/13‰、13‰/13‰限制坡度进行比较研究。13‰/13‰方案的线路长度较短,桥隧比较小,工程投资较省,但能源消耗大,运营成本高,运输组织不灵活。尽管6‰13‰方案有工程投资大、越岭隧道长等缺点,但是从运营条件看,本线是以煤炭运输为主的货线,6‰坡度能够避免在白狼至阿尔山段采用补机,并且与其他路段的限制坡度一致,具有提高输送能力,改善运营条件,节省运营成本，降低能源消耗等优点。从区域路网分析,相邻的两伊铁路与在建锡乌铁路限制坡度6‰,使用6‰/13‰坡度能和相邻铁路相互匹配,适应远期发展需求。因此,该段采用6‰/13‰限坡方案。

3.2 方案说明

(1)阿尔山南取直方案(方案Ⅰ)

该方案自比较起点CK302+800引出后绕避白狼望远山矿泉水厂,于既有白狼站南侧新设白狼站。出站后以23 750 m隧道翻越大兴安岭,同时绕避白狼洮儿河国家湿地公园和阿尔山火山地质公园及阿尔山市区。出隧道后连续以隧道展线至伊尔施行政规划区东北侧设新伊尔施站,出站后引入两伊线阿尔山北站。该方案线路长度57.404 km,桥梁长3.782 km,隧道长41.295 km,桥隧比78.53%,工程投资38.03亿元。

(2)沿勃尔姑高勒河谷方案(方案Ⅱ)

该方案自比较起点CK302+800引出,于白狼镇西侧设白狼站。出站后沿既有线东侧走行,以9 695 m隧道穿越大兴安岭,出隧道后沿阿尔善高勒河谷西南侧走行至距阿尔山市区约1.6 km处折向西以9 515 m隧道绕行至勃尔姑高勒河谷,之后连续以隧道展线至伊尔施行政规划区东北侧设新伊尔施站,出站后引入两伊线阿尔山北站。该方案线路长度63.779 km,桥梁长3.738 km,隧道长36.755 km,桥隧比63.49%,工程投资33.19亿元。

(3)阿尔山南绕行方案(方案Ⅲ)

该方案自比较起点CK302+800引出后绕避白狼望远山矿泉水厂,于既有白狼站南侧新设白狼站。出站后分别以9 960 m、5 300 m和12 265 m隧道翻越大兴安岭,同时绕避白狼洮儿河国家湿地公园及阿尔山火山地质公园及阿尔山市区。出隧道后连续以隧道展线至伊尔施行政规划区东北侧设新伊尔施站,出站后引入两伊线阿尔山北站。该方案线路长度71.173 km,桥梁长3.558 km,隧道长53.35 km,桥隧比79.96%,工程投资43.86亿元。

图2 阿尔山地区方案比较示意

3.3 工程地质与环境敏感性评价

方案Ⅰ：隧道进口段主要为侏罗系上统凝灰岩,块状构造,节理裂隙发育,岩体较破碎,地质构造不发育。隧道洞深围岩主要为燕山期花岗岩,块状构造,节理裂隙发育,岩体较破碎,地质构造较发育,围岩等级以Ⅲ、Ⅳ级为主。该方案走行于低风险区以外,对温泉基本没有影响,工程风险较小,且符合地方政府绕避阿尔山市区要求,但是该方案存在23.75 km的超长双洞隧道,工程投资较大,施工工期长,工程难度大。

方案Ⅱ：隧道洞深围岩主要为侏罗系上统凝灰岩,凝灰质结构,层状构造,节理裂隙发育。根据区域地质资料、地质调绘分析以及钻孔揭露,隧道通过地段区域地质构造较发育,主要为华力西期和燕山期岩浆的侵入活动,与侏罗系上统地层形成断层,围岩等级以Ⅲ级为主。该方案穿越了温泉中风险区域,对温泉影响较大。

方案Ⅲ：隧道洞深围岩主要为燕山期花岗岩,岩质坚硬,块状构造,节理裂隙发育,岩体较破碎,地质构造不发育,围岩等级以Ⅲ、Ⅳ级为主。该方案彻底绕避阿尔山火山温泉国家地质公园和阿尔山市温泉街饮用水水源地保护区,对温泉和水源地保护区基本没有影响,工程风险最小。

3.4 方案优缺点分析与比选

阿尔山地区方案优缺点综合对比分析见表2。

表2 阿尔山地区方案优缺点分析

综上所述,阿尔山南取直方案(方案Ⅰ)虽然工程投资贵4.84亿元,并且存在23.75 km的超长双洞隧道,工程难度大,但是线形较为顺直,线路长度最短,比方案Ⅱ和方案Ⅲ分别短6.375 km与13.769 km,线位走行于低风险区以外,对温泉基本没有影响,工程风险较小,且符合地方政府绕避阿尔山市区要求,隧道洞深围岩主要为燕山期花岗岩,岩质坚硬,地质条件较好,隧道施工风险较小。因此,本次研究推荐阿尔山南取直方案。

4 结束语

本文根据阿尔山地区火山温泉形成原理,应用区域水均衡理论结合大气降水入渗理论对阿尔山地区工程建设进行风险分析与评价,提出用风险系数这个概念对环境影响的程度进行量化与分级,应用风险区划结合其他控制因素进行方案研究与比选,推荐走行于低风险区以外、地质条件较好、工程风险较小且符合地方政府绕避阿尔山市区要求的阿尔山南取直方案,对环境地质选线具有重要的参考价值与借鉴意义。

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