华蓥山隧道岩溶地下水特征

2013-03-01白彦波余鹏程陈孝兵闫川

地质灾害与环境保护 2013年2期

白彦波，余鹏程，陈孝兵，闫川

（四川省煤田地质工程勘察设计研究院，成都 610072）

1 引言

岩溶是可溶岩与地表水、地下水相互作用下的产物，岩溶发育强度及岩溶裂隙管道地下水均具有典型的不均一性。岩溶的发育严格受可溶岩地层岩性及岩性组合、地质构造、可溶岩与非可溶接触界面特性及地下水循环分带性等诸多因素的控制。

华蓥山隧道横向穿越华蓥山背斜，主要穿越地层有侏罗系新田沟组、自流井组、珍珠冲组以及三叠系须家河组、雷口坡组。其中雷口坡组地层为灰岩地层，为可溶岩，岩溶发育，地表落水洞、溶斗、溶沟、溶洞、地下暗河多出现在该段。由于其地下水补给条件好，地下水丰富、运动活跃，属强透水、强富水岩溶溶隙溶洞含水层，构成拟建隧道重要涌水层段，水文地质条件复杂。

因此，对华蓥山隧道进行岩溶地下水特征研究分析具有重要的科学意义和学术价值，通过对华蓥山隧道岩溶地下水特征及发育规律的分析研究，可以为华蓥山隧道的开挖提供指导性依据，对于预防隧道涌突水及防止人员伤亡事故具有重大现实意义。

2 隧道洞身段穿越的可溶岩地层

根据现场调查，华蓥山隧道洞身段穿越的可溶岩地层为三叠系中统雷口坡组（T2l）和下统嘉陵江组（T1j）。

2.1 中统雷口坡组（T 2l）

分布于背斜中部隧道洞身段，为灰色薄至中厚层状灰岩、白云质灰岩、白云岩、泥灰岩、钙质泥岩、盐溶角砾岩及膏盐组成。根据其岩性组合可分为三层段，即T2l3、T2l2、T2l1。总厚度281.96～577.35 m。

雷口坡组三段（T2l3）：厚0～275.72 m。上部为灰色薄至中厚层状隐至微晶白云质灰岩及白云岩，夹薄层钙质泥岩。下部为灰色厚层状含泥灰岩、灰岩，夹薄层白云质泥灰岩，与下伏地层过渡接触。

雷口坡组二段（T2l2）：厚153.09～282.64 m。上、下部为黄灰色、灰绿色薄层钙质泥岩、白云质泥岩，夹薄层灰岩、白云质灰岩、白云岩、泥灰岩，中部为灰色中厚层状含泥灰岩、角砾状灰岩、白云岩、泥灰岩夹薄层钙质泥岩。与下伏地层过渡接触。

雷口坡组一段（T2l1）：厚36.92～124.53 m。顶部为盐溶角砾岩，其下为白云质灰岩、白云岩，下部为盐溶角砾岩，底部为深灰色泥岩，层中偶见灰绿色水云母粘土岩（绿豆岩）。

2.2 下统嘉陵江组（T 1j）

地表未出露，深埋于洞身地段。区域上划分为4段，其中T1j1、T1j3段主要为石灰岩；T1j2、T1j4段主要为白云岩、盐溶角砾岩。厚度521.51～688 m。

嘉陵江组四段（T1j4）：厚22.31～228.93 m。顶、底部为盐溶角砾岩，盐溶角砾岩中见石膏矿层，中部为白云质灰岩、白云岩。

嘉陵江组三段（T1j3）：厚142.95～228.85 m。灰色中厚层状石灰岩、生物碎屑灰岩、含泥灰岩组成。

其余嘉陵江组未进洞身。

3 隧址区地质构造

隧址区地处川东褶皱带中之华蓥山背斜中段，主体构造为华蓥山背斜，区内断层稀少，仅在背斜西翼见一断层（F1），并形成次级摺曲。构造特征表述如下：

华蓥山背斜：为一箱状褶皱，轴部开阔平缓，两翼不对称，北西翼陡，倾角60°～80°，南东翼缓，倾角20°～40°，轴向 N10°～25°E，轴部向北倾伏，倾伏角2°～7°。出露最老地层为三叠系雷口坡组，两翼由须家河组、自流井组、新田沟组、沙溪庙组组成。

F1断层：位于背斜西翼近轴部，走向N20°E～N30°E，倾向SE，倾角约60°～80°，与背斜轴部近于平行。断层发生在雷口坡组二段地层中，上盘及下盘地层均为雷口坡组钙质泥岩夹白云岩、白云质灰岩，断层附近地层较破碎，挤压揉皱现象严重，产状变化很大，破碎带宽度2～10 m，在下盘形成一宽度300～450 m的褶皱带，带内岩石挤压强烈，次级背向斜发育。

4 隧址区含水层特征

根据本次野外调查情况，隧址区内主要岩溶发育段的含水层为三叠系中统雷口坡组（T2l）灰岩地层。

雷口坡组三段为灰岩、白云质灰岩，厚度最厚可达276 m，岩石的可溶性好，岩溶发育，地表落水洞、溶斗、溶沟、溶洞、地下暗河多出现在该段。由于其地下水补给条件好，地下水丰富、运动活跃，属强透水、强富水岩溶溶隙溶洞含水层，构成拟建隧道重要涌水层段，水文地质条件复杂。

雷口坡组二段以钙质泥岩、白云质泥灰岩为主，夹白云岩、白云质灰岩组成，地表岩溶以溶隙为主，溶洞不发育，地下水补给条件较差，地下水受其阻隔作用，在顶部和底部泉水出露，为较弱透水、富水性较弱的溶孔、溶隙裂隙含水层。由于出露面积大，受大气降雨补给范围宽，对隧道充水影响较大。

5 隧址区岩溶地下水特征

5.1 地下水赋存特征

槽谷区地表岩溶由轴部向两翼发育程度减小，地形坡度增大，补给条件减弱，大气降水沿地表溶隙、溶缝、落水洞、溶斗渗入地下，大气降水为地下水主要补给来源。浅部地下水接受补给后，以垂直运动为主，沿岩溶裂隙、溶缝、溶洞向深部迳流，水力梯度大，迳流速度快。由于可溶岩可溶性、排列组合及岩溶发育特征的差异，地下水迳流、排泄状况存在一定的差异。

在背斜两翼T2l为石灰岩、钙质泥岩、白云质灰岩、盐溶角砾岩，其灰岩地下水补给条件、迳流条件好，泉水在岩溶发育带出露，流量较大；钙质泥岩可溶性差，以溶隙为主，地下水受其阻隔作用，在顶部和底部泉水出露，但流量小；白云质灰岩溶隙、溶缝发育，地下水补给条件、迳流条件较好，泉水主要在溶隙发育带出露，数量较少，但流量较大。由于不同可溶性可溶岩相间排列，地下水在不同岩性接触带沿溶隙以泉的形式排泄出地表，但总体受溪谷地形的控制，随标高的降低，泉水流量逐渐增大。地表泉水特征见表1。

5.2 地下水运动特征

由以上资料结合岩溶发育特征分析，大气降水为浅部岩溶地下水的主要补给水源。根据可溶岩立面投影示意图见图1和图2。

表1 泉点、溪沟、老窑水统计表Table 1 Statistics of springs，creeks and goafs

图1 华蓥山西翼岩溶立面投影示意图Fig.1 Facade projection of the karst at Western Huaying

图2 华蓥山东翼岩溶立面投影示意图Fig.2 Facade projection of the karst at Eastern Huaying

西翼最低岩溶地下水水位标高一般430～490 m，430～800 m为地下水垂直循环带，380～430 m为地下水季节变动带，380 m以下为地下水水平循环带，330 m以下为地下水深部滞流带。

东翼最低岩溶地下水水位标高一般500～650 m，500～1 000 m为地下水垂直循环带，450～500 m为地下水季节变动带，450 m以下为地下水水平循环带，400 m以下为地下水深部滞流带。西翼设计隧道标高366～389 m，处于地下水水平循环带；东翼设计隧道标高388～397 m，位于地下水深部滞流带。设计隧道标高地区地下水流平缓，岩溶发育受到限制，地下水渗透性中等－弱，富水性中等－强。为地下水静储量带，岩溶地下水具承压性，一旦揭穿该带岩溶管道地下水，将会瞬间形成极大的涌水突泥现象，由于岩溶管道的连通性，当静储量排泄后上方的地表动储量会长期沿该通道排水。目前在建的华蓥山隧道就是因为揭穿地下水迳流带岩溶管道而形成超过100×104m3涌水量的突水事故，其管道正是位于地下水迳流带的静储水带，并且每年的暴雨季节都有（30～40）×104m3／d的水量排出。故本隧道开挖过程中也可能遇到超过100×104m3的突水事故。

隧道洞身段岩层产状平缓，地下水流动缓慢，封闭性好，水中的CO2含量会增高，形成对混凝土无腐蚀性，因此在隧道施工期间，应对该段地下水水质进行监测，并采取防护措施。

地表泉水受岩性组合的控制，多出露于不同岩性接触带，背斜东翼卢家坝的泉群正位于T2l3的灰岩与T2l2钙质泥岩接触带附近，隧道施工到该界面时应预防地下岩溶水的涌突。

另外，隧道将穿越F1断层。F1断层切穿隧道围岩段，断层上、下盘均为可溶岩。该断层为陡倾角走向逆断层，露头线位于地表走向岭脊线附近，降水补给条件虽然不好，地表无泉水出露，断层破碎带具一定阻水作用，但断层两盘影响带溶隙发育，甚至可能发育溶洞，储存有丰富的地下水，在穿越断层时，应预防地下水的涌突。

5.3 地下水化学特征

本次对隧址区内溪沟水、泉水及老窑水分别进行了取样并进行了水质检测分析，其水质特征如下：

地下水总硬度161.17～238.33 g／l，永久硬度11.36～99.22 mg／l，总碱度149.81～139.11 mg／l，游离CO24.51～4.83 mg／l，p H 值7.73～7.65，属中性水，无腐蚀性CO2存在，地下水类型为硫酸盐碳酸氢盐钠钙水。

水样中SO24含量53.4～90.89 mg／l，Na＋K含量28.98～31.51 mg／l，二者含量偏高，分析认为与本区泉水有关，区内岩溶地下水流经T2l1和T1j4地层时，将该层中的石膏及盐类溶解，形成SO24和Na＋K含量增高。岩溶泉水为沟水的源泉，岩溶泉水通过沟谷排泄，在流经煤系地层时因采煤形成的冒落垮塌裂隙注入采空区，由采空区流入煤矿巷道，再流出或水泵排出，由此使区内泉水、沟水、煤矿水化验指标接近一致。

取样分析的水质对砼无腐蚀性，但据区域资料在隧道洞身段T2l1和T1j4存在膏盐及盐溶角砾岩，膏盐及其地下水对砼具一定的腐蚀性，因此在隧道施工和运营期间，应对该段岩石及其地下水水质进行监测，并采取一定的防护措施。