大亚湾花岗岩某钻孔雨季水位持续走高原因探析

2017-12-08尚彦军金维浚袁广祥孙元春

水文地质工程地质 2017年6期

尚彦军，金维浚，袁广祥，李坤，孙元春

(1.中国科学院地质与地球物理研究所页岩气与地质工程重点实验室，北京 100029；2. 华北水利水电学院资源与环境学院，河南郑州 450011；3.铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300142)

尚彦军1，金维浚1，袁广祥2，李坤1，孙元春3

作为弱含水层或找水贫困区的花岗岩体，其地下水位变化受裂隙连通性和大气降水影响，出现波动是正常现象。然而在雨季钻孔水位一周内出现近40 m暴涨，且基本维持在高水位持续约3个月后，又跌落回正常水位波动，似乎不常见。以大亚湾中微子试验隧道工程地质勘察钻孔ZK3为例，连续开展两年水位动态观测，监测到上述水位剧烈涨落现象。结合该区水文地质条件、地质构造和岩体结构、降雨量日变化，分析了产生这一奇特现象的原因。很多浅表缓倾节理和构造成因陡倾节理组合成多个不同方向和长度的结构面网络，是水不规则运移和局部储存的控制性结构，雨季开始和结束时不同深度裂隙连通导水差别很大应是水位突变的重要原因。即雨季地表径流很大部分是由于下部裂隙被水充满和饱和，地表产流率高，而旱季深部水腾空或不饱和，浅表水才容易向深部渗透回落。初步提出的水和可能的密闭气体联合作用导致雨季水位高涨突变，或许是需要关注的花岗岩裂隙水的一个重要特征。

大亚湾；花岗岩；钻孔水位；气体压缩；裂隙水；弱含水层

受大气降水影响花岗岩区较小河沟旱季多干枯，而深部潜流水量所占比例偏大。钻孔及矿区泉点长观结果显示, 花岗岩中地下水位及泉流量季节性变化较明显, 地下水位年变幅一般为2.0～7.0 m[1]。据北山旧井地段试验钻孔(BS03)431.00～446.00 m 试验段水样氚和CFCs 测试结果，发现北山地下水入渗补给缓慢，年龄为60 a以上[2]。

基岩裂隙水分布不均，含水层不规则，主要受裂隙发育带产状控制，裂隙各向异性导致水渗流各向异性[3～5]，基岩裂隙中垂直渗流相比较于其他方向渗流速度明显偏慢[6]。以Bape Hδπa ΓΓ模型[7]和Warren模型[8]为代表的“双重介质”渗流理论认为：双重介质裂缝渗透率是岩块孔隙渗透率的几十倍到几百倍，但裂缝与岩块孔隙之间的渗流服从达西定律，这一理论为研究裂隙介质导水性奠定了基础。

20世纪70年代后，很多学者对渗流应力耦合理论做了研究。刘继山[9]根据结构面闭合变形法则，给出了可变性裂隙受正应力作用时的渗透系数、渗流量与正应力、水头之间关系的两个渗流公式，并据此分析了交叉裂隙的水力特性。刘建军等[10]在研究低渗透裂缝性砂岩油藏渗流特征时打破将裂缝油藏处理成双重介质的传统做法，建立了适合低渗透裂缝砂岩储层的等效连续介质渗流模型，用以求解裂缝性流体渗流问题。

井孔水位对气压变化存在一定响应。当气压变化时，井孔中的水流向含水层或含水层中的水流向井孔，由于这两个流动过程中所受阻力不同，其渗流量必然不同，导致不同气压变化过程引起井水位变化量不同，但从现有资料看一般井孔水位变化幅度不超过1～5 m[11～12]。对于第四系覆盖下溶洞水位波动引发真空吸蚀作用而产生岩溶塌陷现象，早被业界接受。对管道裂隙系统中水气压力突变现象，蒋小珍等[13]通过密封上部井孔的方法监测下部地下水气压力，发现煤矿疏干区水气压力年最大变幅达54.72 m，瞬时水气压力变化速率最大为70.6 cm/min。对岩体强度很高的花岗岩而言，在裂隙导水之前空间是充填着空气介质的，在强降水入渗或灌入形成局部密封条件下气体受到压缩，尽管难以出现第四系松散堆积层的气爆或岩溶塌陷，但雨季结束时，深部基岩中径流量变小，气体排走是否会引起浅表水头快速回落？本文结合大亚湾钻孔雨季持续近3个月的异常高水位(近40 m)现象分析，试对此进行探讨。

大亚湾中微子试验隧道工程支线隧道(D线)联结中厅和东厅，长465.127 m，纵坡0.3%。为调查该处地质条件，先后开展了地表地质测绘、物探和钻探工作。其中，位于东厅位置勘探钻孔ZK3孔口高程 102.58 m，孔深130.3 m。钻探结束后孔内稳定水位深52.46 m(水面高程50.12 m)。

1 水文地质条件及岩体结构

1.1气象水文

根据深圳气象台资料(1952—1993年)，研究区最大日降水量达303.1 mm(1964年10月13日)。近5年降水资料分析发现场址区降水主要集中在5—9月(图1)，如2005年岭澳站记录日降雨量达160.1 mm(2005年8月20日)。

图1 大亚湾站和岭澳气象站2003—2007年月降水量分布直方图(数据参考文献[14])Fig.1 Monthly precipitation distribution histogram at the Daya Bay Station and Ling Ao station from 2003 to 2007

本区地貌属低山丘陵型，地表水系简单，均为山间季节性溪流，径流途径短。以EW走向排牙山及其山脊为分水岭，分别向东南、东北流入大亚湾。测区可分为2个水文单元：大坑水系、岭下水系，划分为3个独立的亚单元，包括独立沟谷水系(进一步还可分为采石沟水系、岭澳核电NW截流沟水系)和岭下沟水系(图2a)。ZK3所在位置属于岭澳核电NW截流沟水系。本区沟谷下游修建了大坑水库、岭下水库和岭澳水库。大坑水库库容为120×104m3，岭澳水库520×104m3，二者相距4.5 km。岭下水库库容较小为6×104～8×104m3。

测区雨量充沛，地下水补给来源充足。地下水主要接受大气降水补给，汇流于沟谷后排向大坑水库或直接通过截流沟排向大亚湾。大气降水通过裸露地面的网状裂隙深入地下，经过短距离径流，以泉水或散流形式渗出地表，汇集到就近沟坑或直接排泄入海(图2a)，循环交替短促，从北向南地下水补、径、排区域从高向低分布。沟谷溪流集水面积虽较小，如ZK3东沙地坑为0.22 km2，采石沟集雨面积0.25 km2，但降雨量都很大。根据广东电力设计院对岭澳核电站场区暴雨径流计算，设计频率洪峰流量为沙地坑22.9 m3/s，采石场旁C区(采石沟)25.7 m3/s。

图2 钻孔ZK3所处地形和水文地质单元图(综合高密度电法和微重力法物探解译结果见图6;断层F3和F4平面位置见图3)Fig.2 Hydrgeological setting of the borehole ZK3 in the granite: (a) surface drainage system in the site; (b) topographic plane map near ZK3; (c) topographic profile crossing ZK3; and (d) geological map crossing the borehole from geophysical exploration

1.2地质条件

1.2.1地层岩性

图3 场址附近地区工程地质平面图[16]Fig.3 Engineering geological map in the site

1.2.2地质构造

本区主要构造为近东西向排牙山背斜，场址位于该背斜南翼(图3)。现场工程地质勘察发现10多条规模不等断层。其中在中厅—东厅D线上发育了F3、F4断层，长度分别为300 m，破碎带宽度1 m、影响带宽度70 m，深度大于200 m，产状200°∠60°，这两个断裂在电法和重力法剖面上都显示异常，推测为右行走滑断裂(图2、图3)。此外沿着NW走向沙地坑发育了沙地坑断层。此断层为推测断层，控制了SE走向窄而深的沙地坑沟谷。

在大片燕山期花岗岩裸露区，节理构造发育。对场址区78个地质点2 000余条节理测量统计，发现节理走向主要为近南北向(350°～20°)、北东向(30°～50°)及北西向(280°～300°)三个方向(图4)。节理倾向主要有200°和280°。所测节理一般为陡倾节理，大部分倾角大于50°(图5)。节理延伸一般在1～5 m范围内(表1)。

表1 花岗岩中各种长度的节理占比

图4 花岗岩中节理产状赤平投影图Fig.4 Stereographic projection of discontinuities in the granitic rocks

1.3岩体结构

场区以燕山晚期坚硬完整花岗岩为主，其风化带发育深度相差悬殊。风化囊部位微风化带底界面处于海拔高程0～85 m，顶界面多处于高程75～150 m。新鲜花岗岩多为块状结构岩体，在浅表层风化呈板状结构、镶嵌结构乃至散体结构。

图5 花岗岩中节理产状分布直方图Fig.5 Joint distribution histogram in the granitic rocks

2 岩体裂隙导水和渗透性

2.1地球物理剖面

中厅—东厅的D线布设高密度电法剖面布线长600 m，微重力法长465.1 m。

从电法剖面看，中厅—东厅D线有两条平行断层，断层走向北西，倾向南西，介于两断层之间低电阻率体是节理密集带(图6a)。这一区段地表存在许多风化裂隙，雨季渗水生长了许多青苔。延长剖面东段在东实验厅60多米深度上存在一低电阻率体。深部两高电阻率体之间的低电阻率体宽度可能会减小。ZK3钻进过程中发现在此深度有一漏水点，与此低电阻率段有关。

微重力法对D线(地质解释剖面图方向NEE)探测结果：深部为高密度分布，推断为新鲜岩石。浅部两处(136～167 m、200～393 m)在地表以下60～70 m为较低密度分布(2.45 g/cm3、2.4 g/cm3)，岩石风化程度低(弱风化)(图6b)。

已做定量反演重力剖面解释与高密度电阻率法结果比较表明，中厅—东厅D线大致300 m处，布格重力异常明显降低，到接近东厅增高，与D线电阻率剖面结果一致，表现从高电阻率体到低电阻率体再到高电阻率体[17]。

图6 高密度电法(a)和微重力勘探(b)地质解释剖面Fig.6 Geophysical interpretation profile: (a) high-density resistivity method; (b) microgravity method注：测区背景密度2.560 g/cm3。数字表示介质密度值，单位g/cm3)

2.2钻探岩芯情况

ZK3钻探时间为2006年1月13—22日、2月9—22日(春节停工)，处于旱季，岩芯17箱，钻探67次。开孔孔径130 mm，终孔孔径91 mm，套管深2.4 m，包括了上部0～0.4 m开孔孔径130 mm和0.4～2.4 m开孔孔径110 mm两种孔径。ZK3岩芯总体岩体完整性好。岩芯长柱-整体状，节长一般为20～80 cm，最长达260 cm。节理平均密度为1.1～3.8条/m。62～65 m、100～102 m的2个深度段为节理密集带。前段裂隙表面有氧化铁膜，钻进中发生漏浆。后段节理表面绿帘石化。图7为岩石质量指标RQD随深度变化曲线。

图7 钻孔岩芯完整性RQD随深度变化曲线Fig.7 RQD values vs depth in ZK3

2.3岩体渗透特征

东厅部位地表为一山脊近头部，北、东、南三面临空。在南北两侧沟底深度以上存在浅部缓倾卸荷裂隙，在代表局部侵蚀基准面的沟谷底部附近钻孔中发现了缓倾角卸荷裂隙，如在ZK3与旁侧沟高差约60 m，钻进至65 m深度时发生大量漏浆。电法剖面显示低阻区，推测为浅部张裂隙与深部闭合裂隙存在一定连通性。

在场址区的四个钻孔从上游到下游(编号ZK1～ZK4)初步揭示了花岗岩深部不存在连通性好的统一地下水位，注水试验渗透系数K值很小说明本区微风化-新鲜花岗岩为不透水—弱透水岩体。地下水面高程从北向南降低，即本区地下水总体运移与山脊北高南低的地势一致，由北向南运移，排向大海。在断层和风化囊相交汇部位和节理密集带内，有局部渗水或涌水。

ZK3钻探完成后，于2006年2月22—26日开展钻孔常水头全孔注水试验，得到渗透系数K值为3.29×10-5～1.92×10-4，渗透系数深部比浅部数值小，属弱透水岩体(表2)。

表2 大亚湾四个钻孔注水试验结果表(钻孔位置见图4)

2.4水样化学成分分析

在北部低山丘陵补给区水交替活跃，水位高程大，溶解性总固体较低，在南部缓丘和阶地排泻区水流相对滞缓，水位高程低，溶解性总固体高。从采集的钻孔新鲜水样水化学分析看，ZK3总铁含量较高，而挥发份组分含量不高(表3中游离CO2和氟F-)。

ZK3钙离子Ca2+和总铁含量高，且总硬度较高，但游离CO2含量较低，说明该处水循环交替不够活跃，局部应存在一定滞水构造。

表3 四个钻孔水及地表水化学分析结果表

3 水位突变特征

ZK3钻孔水位在2006年7—10月出现了近40 m的突然上升，且维持在高水位达3个月之久。为排除人为观测误差影响，持续观测直到2007年，相当于观测2个水文年。在2个雨季都出现了这种水位突然跃升近40 m、持续时间达3个月的高水位突变现象(图8)。

图8 钻孔水位埋深变化曲线(资料截止至2007年12月16日)Fig.8 Groundwater depth variation in boreholes with time

位于中厅附近的钻孔ZK2在2016年4月2日注满水后(ZK3是2月25日注满水的)，在4月25—29日之间出现了35 m水位突降(图8)。推测是该钻孔泥浆护壁起了一定阻滞作用，因为随后直到2007年底该钻孔水位一直都较稳定，起伏也很小，反映了该处位于山体中部面积很大的平台部位，地下水位较稳定的特点。更靠近上游补给区的ZK1钻孔水位有一定波动，雨季升高，旱季有所下降，但总体波动幅度不超过10 m。这说明花岗岩裂隙水上下游变化的复杂性，也说明不同部位因为裂隙导水性差异，水位波动有很大变化，尤其是靠近下游的两个钻孔ZK3和ZK4，波动幅度都比较明显。

4 水位突变原因分析

从2006—2007年大亚湾气象观测站日降水曲线变化(图9)看，该区日降水量分布不均匀，日降雨量峰值出现在4月底—9月初。如将ZK3钻孔水面高程变化曲线加上，就会发现高水位值出现在7—9月，即降雨最为集中的季节。

2007年7月底—8月中旬较常年雨量偏少，钻孔水位变化曲线对应着一个局部尖窄的低谷，水位下降24 m，但仍高出一般水位23 m，显示了钻孔水位高度或埋深与降水密切相关。日降水量曲线和钻孔水位变化两者起始点做相关对比发现，水位急剧升高一般在雨季开始后2个多月的时间里开始出现。这说明裂隙水是在雨季开始后2个多月时间达到饱和，强降雨条件下里面的封闭气体难以排出，集中降雨季节水位下降较缓慢，而高水位结束时间一般晚于集中雨季后的2个月。同时也说明ZK3钻孔地下40 m深度向下，水位为一年中包括旱季和雨季的相对稳定的常水位。从大范围看该深度连通性较好，但雨季该深度以下都被大量径流活跃且量足的地下水占据，近乎饱和。雨季中强降雨条件下浅表水快速渗入或灌入钻孔而使岩体裂隙中局部气体压缩，阻滞了水位的下降。雨季一结束该深度水位就开始下降，上面40 m水头最初下降很快，但持续2个月后才回落到了常(旱季)水位(图8)。

图9 大亚湾两处气象观测站日降水量变化图(原始数据来自文献[14])Fig.9 Daily precipitation pattern at the Daya Bay and LingAo stations from 2006 to 2007

ZK3位于山脊近头部，北、东、南三面临空，尤其是其南北两侧为NW向呈V字形的沟谷，底窄上宽。尤其是其东侧发育了一条窄直而深的基岩沟沙地坑，为断层控制沟谷(图2和图3)，对地下水排泄有一定阻滞作用。浅表很多平缓的卸荷裂隙，使得地表径流入渗和水循环较活跃(图10)。

综合物探剖面、钻孔电视和声波测井、钻孔岩芯地质编录，以及钻孔漏浆部位和水位突变深度，雨季开始和结束时钻孔水位突变的水文地质模型，见图10。

图10 大亚湾钻孔ZK3水位突变模型示意图Fig.10 Intensive groundwater level uplift during the rainy season in ZK3

5 结果与讨论

花岗岩中钻孔水位变化的内在原因是受断层和节理的导水及阻水影响，特别是地表浅层发育了顺坡向近似平行坡面分布的缓倾卸荷裂隙。浅表和深部裂隙渗透性、裂隙充填及封闭情况差异很大。物探剖面揭示了花岗岩中局部低阻区的存在。钻孔岩芯完整性RQD指标和钻进中60 m深度突然大量漏失泥浆，揭示了该处岩芯完整性较差，局部破碎。

外因是日降水量的突变和上游来水的急剧增加，地表径流和浅表入渗都快速加大。雨季地表径流很大部分是由于下部裂隙被水充满饱和，地表产流率较高，而旱季深部水排泄使得储水构造腾空而不饱和，浅表水容易向深部渗透回流。雨季在上游水体压力持续增加情况下，浅表发生水位突涨而维持了将近一个雨季的高水位，刚过雨季深部水位即下降而引发浅表高水头的下落。裂隙不同深度连通性和导水性差异很大，在雨季大量水的突然渗入和裂隙中局部封闭气体的存在，使高水位一直持续了将近3个月。旱季浅表来水少，地下径流排泄，上部水位开始下降，应是ZK3钻孔水位突变现象背后的主要原因。

6 结论

通过对大亚湾近海岸花岗岩中钻孔水位连续两年观测，发现雨季开始和结束时出现40 m的水位暴涨和跌落。钻探岩芯地质编录、钻孔电视和物探剖面结果一致显示该深130.30 m钻孔中岩体结构完整性变化较大，从长度2 m的岩芯直到破碎岩体都有出现。在60 m深度上存在破碎的低阻体，岩石质量指标RQD显示在深度62～65 m和100～102 m两处出现节理密集带。

浅表缓倾节理和构造成因陡倾节理组合成多个不同方向和长度的结构面网络，是水不规则运移和局部储存的控制性结构。雨季开始和结束时不同深度裂隙连通导水差异很大，应是水位突变的重要原因。其中雨季裂隙水很容易被水饱和充满，地表产流率高，而旱季深部水腾空或不饱和，浅表水向深部发生渗透回落。细微观尺度裂隙中密闭水气混溶和气体压缩联合作用，值得关注。

致谢：本项目得到了中国科学院高能物理研究所和广东核电集团大亚湾核电站运营公司的大力支持和帮助。在收集降水资料过程中，高能所刘蕾老师和阎良平老师等给予了热情支持，在此谨致谢忱！

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责任编辑

：张若琳

AnanalysisofthecontinualriseingroundwaterlevelsinarainyseasonatoneboreholeingraniteneartheDayaBay

SHANG Yanjun1, JIN Weijun1, YUAN Guangxiang2, LI Kun1, SUN Yuanchun3

(1.KeyLaboratoryofShaleGasandGeologicalEngineering,InstituteofGeologyandGeophysics,ChineseAcademyofSciences,Beijing100029,China; 2.NorthChinaUniversityofWaterConservancyandElectricPower,Zhengzhou,Henan450011,China; 3.The3rdRailwaySurveyamp;DesignInstitute,Tianjin300142,China)

The sudden fluctuation in groundwater levels in granite (usually low in yield to wells) is influenced by the connectivity of fissures and precipitation. This phenomenon is abnormal that groundwater levels rose by more than 40 m within a day and returned to normal groundwater levels within a day after a few months. In this paper, more than 2 hydrologic years’ dynamic observation of the groundwater levels was Daya carried out in the ZK3 geological borehole in the Jiangmen Underground Neutrino Observatory near the Data Bay. Based on the hydrogeological conditions, geological structures, rock mass structures and the daily variation in rainfall in the study area, the reason for this specific phenomenon is analyzed. Shallow-dipping and steeply-dipping discontinuities with various orientations and lengths control the structure of the irregularity migration of groundwater. The distinctly differential groundwater transmissibility of the discontinuities at various depths before and after the rainy season is a significant factor contributing to sudden change in groundwater levels. In the rainy season, most of the surface runoff due to the underpart fissures is saturated with water, the surface runoff rate is high, the deep water is empty or is not saturated in the dry season, and the shallow water is easy to penetrate to the deep.

Daya Bay; granite; groundwater level; gas compression; fissure water; aquifer

10.16030/j.cnki.issn.1000-3665.2017.06.03

P641.135

1000-3665(2017)06-0015-10

2017-03-10;

2017-05-12

国家自然科学基金面上项目(41372324)

尚彦军(1967-)，男，研究员，博士，从事水文工程地质科研和教学工作。 E-mail: jun94@mail.igcas.ac.cn