湖北某岩溶隧道岩溶水系统特征识别方法研究

张 潮

(湖北省地质局 冶金地质勘探大队,湖北 黄石 435004)

研究区位于湖北省襄阳市李庙镇,该处为线路穿越区(前老湾山脉拟修建隧道),隧道处于岩溶发育强烈区域,岩溶含水介质以及岩溶地下水在空间和时间上的分布极为复杂,岩溶系统管道化、岩溶地下水河流化的特征十分明显。因此对该区岩溶系统的深入认识能够有效地预防和避免施工过程中突涌水灾害的发生。

1 水文地质条件

研究区地处亚热带季风气候区,雨量充沛,年平均气温为15.4～15.6℃。区内潮湿多雨,年平均降雨量约为700～1 100 mm。降雨量实际差别较大,夏季雨量最多,冬季雨量最少。研究区属蛮河流域,隧道区内蛮河段为鱼泉河,于隧道南侧自西向东贯穿全区,河床天然标高为150～190 m,为本区地表水和地下水的区域排泄基准面。本区地处鄂西北褶皱山地,山脉走向、地形地貌及岩溶和岩溶水特征主要受区域构造线及地层岩性控制,大体呈北西西向展布,局部受新构造运动影响呈北东向,与区域构造线走向基本一致,整体上地势北高南低。隧道北侧分水岭地带山顶高程为500～800 m,主要为峰丛洼地、峰丛槽谷地貌,隧道南侧为岩溶低山峡谷地貌。根据区内地形地貌特征,结合其成因、形态特点,划分为构造溶蚀低山区、构造侵蚀溶蚀低山峡谷区、构造剥蚀丘陵区三种地貌类型。

隧道洞身围岩全部由三叠系下统大冶组(T1dy)的岩层组成,三叠系下统大冶组地层岩性上段(T1dy3)为深灰色厚层、块状白云质灰岩、角砾状白云岩夹灰岩,中段(T1dy2)为灰色中厚层状微晶灰岩、蠕虫状灰岩,底部为灰白色中—薄层微晶灰岩,该段地层主要分布于鱼泉洞一带,为隧道洞身主要围岩,下段(T1dy1)为灰—灰黄色薄层泥质灰岩夹页岩。三叠系下统大冶组中段以及上段地层总体上为碳酸盐岩,且连续厚度大,岩溶发育十分强烈,为强岩溶含水层(详见图1)。

隧道区地下水系统整体上受鱼泉河控制,其补给区北边界和西边界主要受五渡沟—陈家场背斜的弱透水层控制,东边界以砂石沟地表分水岭为界,地下水接受大气降水补给后,向鱼泉河方向径流。隧道区出露的岩溶泉点主要有黄龙洞和甘洞坪泉,据此将隧道区的岩溶水系统划分为黄龙洞和甘洞坪泉两个岩溶水系统。隧道位于岩溶台地(补给区)和鱼泉河(排泄区)之间的岩溶斜坡地带,为区域岩溶地下水的“必经之路”(径流区),在平面上无法绕避黄龙洞岩溶水系统(见图1)。因而查明黄龙洞岩溶水系统的空间分布,隧道平、剖面的空间关系等对隧道区涌水事故的防治有至关重要的意义。

2 岩溶发育规律

岩溶地貌的发育受控于地层岩性、地质构造、气候和水动力条件[1-5]。上述各要素作用的不同组合结果,形成了不同的岩溶地貌,调查区岩溶地貌又可以细分为岩溶台地和岩溶斜坡。岩溶台地主要分布在鱼泉河两侧,这种地貌的形成有两种情况:一是由于其地势较高,几乎没有外源地表水的补给,以大气降水的就地溶蚀作用为主;二是由于鱼泉河下切速度很快,岩溶发育来不及适应新的排泄基准面,岩溶以垂向发育为主。岩溶斜坡主要分布于鱼泉河河床两侧,是高原岩溶台地与鱼泉河河床之间的过渡区域,这种地貌区其早期经历了比较强烈的地表及地下岩溶作用,后期受地壳抬升,鱼泉河及其支流等进一步向分水岭处的高原岩溶台地溯源侵蚀、改造而成。该岩溶地貌区岩溶一般中等—强发育,在其地下水水平径流带存在隧道涌突水风险。在岩溶形态方面经历了长期的溶蚀和侵蚀作用,研究区内碳酸盐岩地层形成了极为丰富的地表、地下岩溶形态,主要为溶蚀裂隙、岩溶洼地等。

图1 隧道区水文地质图Fig.1 Hydrogeological map of tunnel area1.河水;2.泉点;3.Ⅰ碳酸盐岩强富水性;4.Ⅱ碳酸盐岩弱富水性;5.Ⅲ相对隔水岩组;6.地下水流向;7.隧道;8.岩溶洼地。

本区各类岩溶地貌和岩溶形态都是在特定条件下经历长期岩溶化作用所形成的。控制岩溶发育的主要因素有:

(1) 地层岩性。从地层时代上本区下三叠统大冶组中上段岩溶最发育,为强岩溶含水岩组,区内大型岩溶洼地、槽谷以及岩溶泉均分布在该地层之中;其次为下二叠统茅口组、栖霞组,属于中等岩溶含水岩组,仅发育一些溶沟、石芽及少量溶洞,地表岩溶现象不发育;上二叠统—下三叠统大冶组下段岩溶发育相对较弱,为弱岩溶含水岩组,地表岩溶现象很少,仅发育一些小型岩溶泉水,流量一般<10 m3/d;志留系为非碳酸盐岩地层,为相对隔水层。

(2) 地质构造。本区岩溶以及地表水和地下水的发育方向主要受层面裂隙和5°～15°、320°～330°走向的两组构造裂隙控制,本区规模较大的岩溶现象,通常都与这三组裂隙或在其基础上发育的断层有着密切的关系。例如,岩溶槽谷的长轴方向与地层或断层走向一致;岩溶洼地和溶洞的形成与发育受层面或构造裂隙控制;落水洞洞口平面延伸方向常与裂隙走向一致。

(3) 地层结构。下三叠统大冶组中上段强含水层与下段弱含水层构成下弱上强的地层结构,受弱透水层的顶托其上方易形成岩溶强发育带,及岩溶管道或地下水富集带,因此在强、弱含水层接触带附近常发育溢流下降泉或接触下降泉,区内甘洞坪泉与黄龙洞均是在这种地层结构控制下形成的,强岩溶含水层汇集的地下水往鱼泉河径流的过程中,前方受弱含水层的阻挡溢流成泉。

(4) 新构造运动。岩溶发育的方向随地壳间歇性抬升而变换,同时在后期抬升过程中,早期岩溶将被破坏和改造,从而控制了本区岩溶地貌和形态的空间分布规律。

3 岩溶水系统特征的识别方法

岩溶水系统特征的识别内容主要包括岩溶水系统边界的确定、岩溶水系统的结构、含水介质的类型及组、岩溶管道的空间分布,及其与隧道的空间关系和水文地质参数的确定[6-8]。岩溶水系统特征的识别应该遵循野外调查与室内分析相结合、地表调查与地下探测相结合以及定性分析与定量评价相结合的原则,充分利用遥感、野外水文地质调查、物探、钻探以及现场试验与监测等技术手段所获取的数据,尽可能地提取反映岩溶水系统结构、对降雨的响应程度等水文信息。目前研究岩溶水系统特征常用的方法有以下几种:

(1) 地质测量法。即区域地层岩性、地质构造及水文地质的调查研究。岩溶发育受岩性、构造、水动力条件等控制,因此,区域水文地质情况调查是研究岩溶发育的基础。

(2) 地貌调查法。通过对区域岩溶地貌的发育历史的研究及对地面上各种岩溶形态的观测,这是最常用的岩溶调研方法。但是岩溶发育不可能完全反映到地表,仅凭地貌调查,难以揭露岩溶发育的具体情况。

(3) 遥感法。运用区域遥感方法,通过综合概括遥感影像信息,分析影响地表岩溶发育的主要因素。遥感技术具有调查面积大、重复性好等特点,在现代岩溶调查中被广泛运用。

(4) 物探法。采用各种地球物理勘探技术探测地下岩溶发育现象。物探方法具有成本低、工期短、效果好等优点,但受地形与地质条件限制,须与钻探方法结合才能收到较好的效果。

(5) 示踪试验法。运用地下水连通示踪试验方法研究岩溶水系统特征,是目前比较常用的方法。相比其他方法,示踪试验法能在一定工作日内准确、经济地探测出地下岩溶介质类型及空间展布情况,因此被广泛地运用于岩溶水系统特征研究中。

此次对岩溶水系统的研究采用的基本识别方法为地下水示踪试验法,并在地下水示踪试验的基础上,采集隧道区地下水样品进行室内水化学组分测试,通过分析地下水的化学特征判断区内地下水泉点之间及其与隧道揭露的岩溶管道中地下水的水力联系,即采用地下水示踪试验和地下水化学特征分析相结合的识别方法。

此次主要研究对象是黄龙洞岩溶水系统,黄龙洞是鱼泉河左岸大型岩溶泉,从前述岩溶发育规律分析,黄龙洞岩溶水系统是以溶隙—岩溶管道为主的含水介质,且岩溶管道与隧道洞身在平面上相交[9-10]。根据该岩溶泉的出口标高和区域地下水水力梯度推算,岩溶管道发育的标高与隧道洞身标高接近,隧道施工进入该岩溶水系统内存在岩溶突涌水的威胁。因此确定管道空间展布、汇水范围以及与隧道的空间位置关系,黄龙洞与鱼泉洞、娘娘洞等岩溶水系统之间的水力联系等是未来分析隧道突涌水条件和涌水量预测的重要前提,为此本次研究专门开展了地下水示踪试验以及地下水水样采集与化学组分测试等工作,对黄龙洞岩溶水系统特征进行详细识别,各泉点位置见图2。

图2 隧道区岩溶泉位置图Fig.2 Karst spring location in tunnel area

3.1 岩溶地下水示踪试验

地下水示踪试验是在地下水系统的某个部位投放能随地下水运动的物源标记,在预期能达到的部位进行示踪剂的接收,根据示踪剂监测结果分析地下水系统特征的一种分析方法。本次试验的主要目的是查明隧道进口处岩溶管道与鱼泉洞及黄龙洞之间的水力联系。该溶洞发育于大冶组下段薄层—中厚层灰岩中,地层产状110°∠84°,受层面裂隙控制呈110°方向发育,最高处位于掌子面中部,高约5 m,溶洞侧壁有潮湿淤泥沉积,无砾石堆积,因此在暴雨时,初步估计该溶洞为有压全充水管道,是岩溶管道的一部分。设置将该溶洞为本次示踪试验的投放点,主要是考虑到本区含水介质为岩溶管道,地下水量很大,选择常规示踪剂(如工业盐)进行投放其投放量将很大,因此本次试验采用罗丹明作为示踪剂。本次示踪试验的监测点布设在黄龙洞、娘娘洞及鱼泉洞,示踪剂投放前,各个溶洞的示踪剂天然背景值如表1。采用可以自动连续监测的野外荧光分光光度计进行示踪剂的监测,该仪器最低观测间隔为2 min,检测精度达到1×10-9浓度。

表1 示踪剂背景值检测结果Table 1 The background value of tracer

根据本次对黄龙洞、娘娘洞和鱼泉洞的示踪剂监测数据,绘制示踪剂的浓度—时间变化曲线,如图3、图4所示。

图3 黄龙洞的罗丹明浓度—时间的变化曲线Fig.3 The variation curve of rhodamine concentration-time in Huanglong cave

从图3、图4中数据可以看出:鱼泉洞没有接受到罗丹明,该监测点的罗丹明浓度一直在0.06×10-9～0.7×10-9范围内波动,与地下水天然背景值一致;黄龙洞的罗丹明浓度随时间逐渐上升,达到峰值后开始消退,直至基本恢复至背景值;娘娘洞没有检测到罗丹明异常。

图4 鱼泉洞的罗丹明浓度—时间的变化曲线Fig.4 The variation curve of rhodamine concentration-time in Yuquan cave

地下水示踪试验的结果表明:

(1) 该溶洞属于黄龙洞岩溶水系统,鱼泉洞与该溶洞无水力联系,是黄龙洞岩溶地下水系统西部岩溶管道中的一段。

(2) 从黄龙洞罗丹明浓度曲线形态为单峰形曲线,可以推断该溶洞与黄龙洞之间为单一岩溶管道。

(3) 在投放示踪剂后,黄龙洞中罗丹明浓度在45 h上涨,在63 h达到最高;该溶洞到黄龙洞的距离为640 m,地下水平均流速为244 m/d。

(4) 根据该岩溶管道主控结构面(层面裂隙)及隧道区上游地表岩溶发育情况分析,隧道进口处岩溶管道主要接受来自下埫岩溶洼地汇集的大气降水补给,最后通过黄龙洞排出地表,属于下埫—黄龙洞岩溶

管道中的一小段。根据该管道的发育特点分析:左侧溶洞发育标高将逐渐减低;右侧溶洞发育标高(或地下水水位标高)要略高于目前隧道底板高程(274 m)。

(5) 根据示踪剂浓度以及出口流量,本次示踪剂回收率达90%,因此,该岩溶管道的主要特征为单只岩溶管道,黄龙洞是其地下水的唯一排泄点。

通过地下水示踪试验,基本确定了黄龙洞岩溶水系统的范围及其与隧道溶洞之间的关系。然而,娘娘洞、鱼泉洞与隧道和黄龙洞之间的水力联系如何仍未能解决,为此笔者进一步开展了隧道区岩溶地下水化学特征的调查。

3.2 岩溶地下水化学特征

地下水化学成分是在一定的自然地理和地质环境下,经过漫长的地质历史过程的产物,因此,对地下水化学特征的分析能够得到不同区域地下水化学类型,揭露各点的水力联系,为岩溶水系统的识别提供依据。本次地下水化学特征调查的目的:在地下水示踪试验的基础上,采集隧道区地下水样品进行室内水化学组分测试,通过分析地下水的化学特征判断区内地下水泉点之间及其与高家坪隧道揭露的岩溶管道中地下水的水力联系。根据上述研究目的,分两次采集,采集时间间隔3个月,在研究区不同溶洞采集了7组水样进行水化学简分析,测定水样的温度、pH值、TDS、电导率、溶解氧,并进行室内水化学全分析测试,测定各水样的水化学类型(表2)。

由于隧道区分布的地层主要为碳酸盐岩,区内地下水和地表水的水化学特征整体上均为HCO3-Ca型水(表2),但是赋存于不同地层、不同径流长度的地下水,其水化学特征又会表现出一定的差异,因此本次研究结合相关分析法来判别区内各岩溶泉点之间及其与高家坪隧道之间的水力联系。

表2 水样全分析成果表(mg/L)Table 2 Results of water analysis

(1) 黄龙洞与娘娘洞的联系:采用相关分析方法进行统计分析,3组水样之间的关联程度如表3所示。从表中可以看出娘娘洞与黄龙洞相关系数达到1,而娘娘洞与鱼泉洞相关系数只有0.144,说明娘娘洞与黄龙洞具有相同的补给来源,与鱼泉洞无水力联系,且是同一个岩溶水系统。根据区内水文地质条件分析,娘娘洞的高程低于黄龙洞,应该是区域地壳抬升后,侵蚀基准面下降,从而岩溶向深部发育,目前娘娘洞管道仍在发育初期,管道规模较小,尚未完全袭夺黄龙洞。

表3 第一次水样相似度矩阵表Table 3 Similarity matrix of the first samples

(2) 隧道涌水与区内地下水之间的关系:可以看出高家坪隧道水样与黄龙洞的各项指标的测试结果十分接近,而与鱼泉洞和甘洞坪泉之间的差异较明显。为了分析它们之间的相关性,采用相关分析法对第二次采集的4组水样的常规组分及微量元素组分测试结果进行统计分析,各组水样之间的关联程度如表4所示。从表中可以看出,高家坪隧道水样与黄龙洞水样相关系数达到1,而与鱼泉洞和甘洞坪泉的相关系数均<0.3,分析结果从地下水化学特征的角度进一步说明隧道涌水来源于黄龙洞岩溶水系统,与鱼泉洞、甘洞坪泉无水力联系,这也映证了地下水示踪试验的结果。

表4 第二次水样相似度矩阵表Table 4 Similarity matrix of the second samples

黄龙洞、娘娘洞为同一岩溶水系统的两个不同排泄点,该岩溶水系统为多入口、多分枝的复杂树枝状地下岩溶管道系统,主要补给源为各处岩溶洼地和岩溶槽谷汇集的大气降水,其中下埫—黄龙洞岩溶管道等与隧道平面上相交,存在隧道岩溶突水、突泥的风险。

4 结论

此次岩溶水系统特征识别采用的方法为运用地下水示踪试验查明岩溶管道与各地下水出露点的水力联系,初步划定岩溶水系统的范围,在示踪试验的基础上,采用地下水化学特征分析研究区各地下水出露点的水化学特征,进一步判定区内地下水泉点之间及其与岩溶管道中地下水的水力联系,从而对该岩溶水系统特征有了详细认知,为后面进行岩溶管道涌水量预测提供依据。

对于岩溶水系统的特征识别方法常用的方法有地质测量法、地貌调查法、遥感法、物探法、示踪试验法。其中,地质测量法和物探法所需人力物力较大,研究成本较高,且结果无法得到精确的数据验证;地貌调查法和遥感法主要是对地表岩溶发育情况进行调查说明,由于岩溶发育不可能完全反映到地表,仅凭地貌调查,难以揭露岩溶发育的具体情况;示踪试验法对降雨量等天然因素要求较高,对于复杂的地质情况仅仅凭示踪试验难以调查清楚,应结合其他方法进行进一步分析,从而提高分析的准确度。

相较于之前的传统方法,这种是采用地下水示踪试验和地下水化学特征分析相结合的岩溶水系统特征识别方法,即理论分析与实验数据相结合的一种新颖的分析方法。其中地下水示踪试验能在一定工作日内准确、经济地探测出地下岩溶介质类型及空间展布情况,因此被广泛地用于岩溶水系统特征研究中。许多的试验结果表明,示踪试验对于分析地下水系统间的水力联系,研究岩溶管道发育类型,求取水文地质参数是行之有效的,因此地下水示踪试验方法对岩溶水系统的研究具有较高的可靠性;而地下水化学特征分析是一种基于化学测试的分析方法,地下水的化学组分是地下水与环境长期相互作用的产物,地下水化学特征与地下水赋存介质的岩性、地下水径流途径长短、水循环交替条件等因素有关,因此地下水的化学特征具有重要的水文地质指示作用。通过系统采集不同类型地下水样品,利用现代先进的分析测试技术测定地下水中的常量离子以及微量组分,利用地下水化学组分的水文地质指示作用,来分析不同水样之间水力联系的空间关系。到目前为止,地下水化学特征分析技术已在水资源评价、地下水演化过程分析、污染物运移等方面被广泛应用并取得了较好的效果,地下水化学特征分析技术在水文地质相关研究中已具有很高的可靠性。因此,地下水示踪试验和地下水化学特征分析已具备较高的可靠性,利用两种分析方法相结合相较于单独一种分析法,分析结果的精确度得到了很大程度的提高,其结果的可靠性也得到了很大程度的提高。

通过区域岩溶发育规律分析,结合野外岩溶水文地质调查、地下水多元示踪试验以及地下水化学组分和微量元素测试技术等多种手段,查明了隧道区岩溶水系统的边界和汇水面积,确定了各岩溶水系统之间的水力联系及其对隧道施工的影响,对区域水文地质条件取得了新的认识。