济南千佛山断裂地垒区域水文地质特征探讨

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(1.济南轨道交通集团有限公司，山东 济南 250100；2.山东省地矿工程勘察院，山东 济南 250014)

济南是一座因泉而闻名于世的城市，由于其独特的区域地理条件、地质构造和水文地质环境条件，形成了复杂的地下水系统，发育了独特的群泉奇观，驰名中外。

在泉水成因中，千佛山断裂地垒区域的特殊地质条件起到不可忽视的作用，刘国爱[1]通过研究断裂两侧水位发现千佛山断裂在市区段具透水性；刘莉莉[2]表明千佛山地垒是构成四大泉群的构造基础，地垒以西有千佛山断裂，东有文化桥断裂，北有闪长岩侵入体，组成了东西北三面阻水岩体，构成了三面封闭的排泄单元。断裂构造既可成为流体的运移通道，也可成为阻碍的屏障。本文将从千佛山断裂到文化桥断裂区域的水化学特征方面分析，结合地层岩性重点研究地垒区域的水文地质特点及两个断裂的导水、透水性，并根据地铁线路与相关水文地质环境的影响提出工程措施建议。

1 区域地质概况

研究区域地处鲁中山地的北缘，地形南高北低，东高西低，变化显著，广泛分布着碳酸盐岩，上部覆盖第四系沉积层，在构造运动和长期溶蚀作用下，岩溶发育比较均匀，形成网络孔洞系统，尤其在火成岩接触带及泉水排泄区附近更为发育。在地势最低的城区北部出露四大泉群：趵突泉、黑虎泉、珍珠泉和五龙潭，其中趵突泉和黑虎泉出露于灰岩天窗，珍珠泉和五龙潭出露于辉长岩体内，沿裂隙上升成泉[3]。

千佛山断裂呈北北西向斜穿研究区中部，主体倾向SW，倾角为70°～80°，是一条大型正断裂，西盘下落，东盘抬升。本段为千佛山西垭口以北至黄河标段，该段被第四系覆盖，总体走向N10°～30°W，倾向南西，运动性质以张性正断为主，兼左旋走滑运动。文化桥断裂位于千佛山断裂东约3.5 km处，与其近于平行但规模较小。文化桥断裂长约3 km，走向N10°～20°W，倾向南东，倾角大于60°。据钻探资料，西盘抬升，为寒武-奥陶系马家沟群三山子组，东盘下落，为燕山期侵入岩体，在平面上东盘又向南推移[4]。

由于千佛山断裂与文化桥断裂的存在，济南市区寒武-奥陶系马家沟群三山子组相对抬高，形成地垒，其区域范围如图1所示，平面位置上两断裂间灰岩向北突出[5]。地垒属于控水构造，对地下岩溶水的运移具有显著影响[6-7]。

1.寒武-奥陶纪三山子组灰岩；2.陶奥陶纪马家沟群灰岩；3.陶奥陶纪北庵庄组灰岩；4.陶白垩纪细粒辉长岩

图1研究区域地质构造图

2 岩溶水水化学特征

图2是两处断裂带附近的岩溶水等水位线图，从图中可以看出，在经十路以北，千佛山断裂与文化桥断裂的断裂两侧岩溶水等水位线并没有明显的突变，基本上保持了连贯性，这说明断裂两侧的水力联系较好，可推断该区域断裂具有透水性。但经十路以南，千佛山断裂两侧的水位线发生了错断，说明断裂两侧的水位差异较大，水力联系较差，因此千佛山断裂南部区段是阻水的。

地下水中主要由TDS、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、NO3-、Cl-及微量元素组成，地下水体中各化学组分的总体分布特征及其变化趋势能反映出区域的水力联系情况[9]，下面通过水化学分析，针对地垒南边界处千佛山断裂和文化桥断裂的透水性做进一步验证，测试点如图3所示。

1.监测井位置；2.监测井编号；3.断裂带；4.地垒边界

图4显示了地垒南边界各监测点的水化学特征，阳离子以Ca2+为主，水化学类型主要为HCO3·SO4-Ca和HCO3·SO4·Cl-Na·Ca。结合图3水井的平面布置图可看出千佛山断裂两侧的水化学特征有些许差异，JG1井与JG2井水化学特征相似，S1井与S2井几乎相同，尽管不排除这两组井的打井时间不同，可能受季节影响，但是其离子含量却有近20%的差别，仍需进一步分析研究。文化桥断裂两侧的JG3井与JG4井阴离子浓度相似，阳离子含量却略有区别。下面结合图5的地垒南边界纵断面图来解释上述现象。

图4 地垒南边界岩溶水piper三线图

根据该段沿线的钻孔分析，千佛山断裂与文化桥断裂形成的地垒中，岩溶发育一般，石灰岩地层透水能力一般，且岩溶基本发育于浅部的寒武奥陶系三山子组中，寒武系炒米店组只有浅部发育有少量岩溶，S1井与S2井虽然分属两个岩层，但两者相似的水化学特征说明两岩层过渡部分连通性较好，可视为同一层含水层。而位于炒米店组深部的JG2井与S1、S2略有差异是因为深部岩溶发育不良，浅层与深层含水层主要以层流的方式存在。

从图5中可看出地垒东西两边界的JG1井与JG4井水化学成分非常相同，说明这两部分有很强的水力联系。结合图6可知，JG1井测得的岩溶水位于寒武系炒米店组浅部，JG4井测得的岩溶水位于寒武系三山子组断层深部，该断层通过文化桥断裂与西面炒米店组接触，由于炒米店组深部岩溶不发育，导水性太差，因此JG3井与JG4井即使处于相同深度，但由于两种岩层水力不连通，灰岩溶蚀程度不同，因此阳离子差异较大，进而也可推断为文化桥断裂东侧寒武系三山子组浅部的岩溶水在断裂处与西侧三山子组深部的岩溶水进行水量交换，如图6所示，已知文化桥断裂浅部地层为燕山期侵入岩，没有导水、透水性，因此可推断出文化桥断裂在地垒南边界处是上部阻水、深部透水断裂。

图5 地垒南边界纵断面[1]

图6 文化桥断裂两侧水力联系示意图[1]

水对可溶岩的溶解是岩溶作用发育的基础，济南岩溶含水层含有方解石(CaCO3)、白云石(CaMg(CO3)2)和石膏(CaSO4)三种主要矿物，其饱和指数也常作为岩溶水水力联系与否的佐证之一[10-11]，已知方解石、白云石、石膏三种矿物的溶解反应平衡方程式分别如下：

CaCO3+CO2+H2OCa2++2HCO3-

(1)

CaMg(CO3)2+2CO2+2H2OCa2++Mg2++4HCO3-

(2)

CaSO4Ca2++SO42-

(3)

方解石、白云石、石膏的饱和指数SIc、SId、SIg计算公式如下：

(4)

(5)

(6)

式(4)～(6)中[12]，Kc为方解石平衡常数，取值为Kc=10-8.48；K2为重碳酸平衡常数，取值为K2=4.7×10-11，Kd为白云岩平衡常数，取值为Kd=10-17.09；Kg为石膏平衡常数，取值为Kg=10-4.58。

公式(4)～(6)中的离子符号都表示离子的活度而不是浓度，因此要用迪拜-休克尔(Debye-Huckel)方程进行修正[13]，如公式(7)、(8)所示：

(7)

(8)

式中：r为活度系数；Z、Zi为离子的电荷数；I为离子强度(mol/L)；A和B取决于水的介电常数、密度和温度的常数；a是与离子水化半径有关的常数，mi为i离子的浓度(mol/L)。

图7 M3线地垒南边界处站点图

根据上述水化学测试点得到的阴阳离子浓度与TDS，查表迭代计算三种矿物的饱和指数，结果如表1所示。在六个监测点石膏都处与欠饱和状态，其饱和指数最大差值仅为0.53，而方解石和白云石的饱和指数变化特征基本相似，除了S1井与S2井欠饱和，其他区域都到了超饱和的状态，这进一步说明S1、S2井所处的炒米店组与三山子组过渡部分岩层岩溶极其发育，水量充足，水力流通性好，使具有侵蚀能力的“新水”源源不断的补充进来，而其他几处监测井，孔深在地下150 m左右，这反映了深部的含水层水体流动性没有浅部含水层好，由此也可推断出地垒处主要岩溶水含水层位于地下70～100 m范围内。JG1、JG4两井的饱和指数十分相似，与图4中piper三线图表现的特征一致。浅部含水层与深部含水层的矿化度分别为847.31～949.75 mg/L和542.16～560.29 mg/L，两层含水层不发生水力联系主要原因是岩溶水在垂向上水力联系的不连续性，主要的水力交换也多是在断裂处进行。因此表1中数据也说明千佛山断裂两侧与文化桥断裂两侧各自的水力联系较好，可作为两断裂在该段具有透水性的佐证之一。

3 对地铁M3线的影响

M3线为济南市东西向骨干线，贯穿整个经十路段，泉城公园站到山大路南站这区间段位于四大泉群的正上游，如图7所示。该区间段地层结构为第四系加灰岩，灰岩埋藏深度较浅，一般小于20 m。该段拟采用地下敷设方式，车站及区间底部均位于中风化(强分化)石灰岩，通过控制车站主体结构及区间埋深，保证车站及区间基底标高均高于水位变幅带2 m以上，采取有针对性的工程措施后，对泉水环境基本无影响，适宜轨道交通建设。

针对距离泉水较近、穿越构造带等情况需采用有针对性的工程措施，施工中应密切监测泉水及周边的地质环境变化；施工时，应适当放缓施工速率，支护结构施工中，在泉群上游施工不宜对岩石层进行压力注浆，预防堵塞岩土体结构裂隙，从而对泉造成不利影响；在维护结构中预留透水通道，采用疏通导水的方式将丰水期影响建设和运营的地下水由上游疏导至下游，降低地下水与轨道交通相互间的影响。两个断裂带附近，岩体相对较破碎，岩溶发育，具有导水、透水特征，是补给泉水的重要径流通道，因此在断裂带施工时，尽量采取不降水的盾构法施工，避免因降水对泉水的出流造成影响。

表1 各监测井岩溶水离子浓度及矿物饱和指数计算结果表

4 结语

本文主要通过岩溶水水化学特征及地层岩性等重点研究千佛山断裂与文化桥断裂的导水、透水性以及地垒区域的水文地质特点，并针对地铁M3线工程措施提出意见与建议，主要得到以下几条结论：

(1)地垒南边界处，文化桥断裂为上部阻水，深部透水断裂，断裂处垂向水力联系密切，导水性较好，该段千佛山断裂具有透水性，但经十路以南区段为不透水断裂。

(2)地垒南边界的岩溶水水化学类型主要为HCO3·SO4-Ca和HCO3·SO4·Cl-Na·Ca型。饱和指数与矿化度数据显示地垒处主要岩溶水含水层位于地下70～100 m范围的寒武系三山子组，与寒武系炒米店组深部岩溶水含水层分属两个独立的含水层系统，在垂向上水力联系不连续，主要的水力交换多在断裂处进行。

(3)地铁M3线施工时，地垒南边界地带可为地下敷设方式，采用不降水的盾构施工方法，采取有针对性的施工措施后，对泉水环境基本无影响，适宜轨道交通建设。

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