瓦纳温泉发育特征及其对隧道工程影响分析

高芳芳,邓 睿,陈 伟,贾 杰

(1.四川大学锦城学院,成都 611731； 2.中铁二院工程集团有限责任公司,成都 610031)

瓦纳温泉位于云南省元江县瓦纳村东约2.0 km，泉口最高水温可达到92 ℃[1]。随着社会发展温泉附近常常伴有工程建设，从而不可避免受到高温热水的影响。瓦纳温泉旁目前已经建成红河谷热海，并且西南某新建铁路于其附近以隧道形式通过。在对瓦纳温泉发育特征分析的基础上，探讨了其对隧道工程带来的影响，并对高地温段落施工提出相应的建议。

1 瓦纳温泉发育特征分析

瓦纳温泉沿元江县境内清水河左岸至电站约6 km的地段内断续出露，主要水热活动区在热水塘附近，主泉口位于清水河左岸斜坡上，水温84 ℃(WS02)，流量约10 L/s，泉口旁侧有2处冒气孔，H2S气味甚浓(图1)。该点下游左岸边亦有2处温泉点出露，温度为55～60 ℃。温泉出露于元古界小羊街组(Ptx)片岩、片麻岩中，片麻理产状42°∠71°，沿片麻理水热蚀变强烈，泉口附近泉华沉着形成锥形。顺河下游约0.6 km处出露的泉水水温仅43 ℃(WS01)，且流量较小。

1.1 区域地热背景

哀牢山构造带是几大构造体系的复合部位，构造复杂，继承性活动强烈，形成了区内丰富的地热资源。根据区内温泉(水热区)分布规律与构造带的关系，瓦纳温泉出露于哀牢山中温水热活动带，该活动带东到红河大断裂为界，西至哀牢山断裂西支，属北西紧束向南东撒开的哀牢山变质岩构造带(由片麻岩和片岩组成)，东西纵横15～70 km，南北延伸260余km[2-3](图2)。

图1 瓦纳温泉

图2 瓦纳温泉区域背景及水热活动分区示意

1.2 温泉水化学特征

温泉的化学成分主要取决于循环过程中的围岩和构造环境，一方面深大断裂会带出温泉深部的化学成分，另一方面温泉会不断地溶解围岩的矿物质成分[4]。温泉水在深循环和高温环境下进行溶滤作用、混合作用和离子交换吸附等作用，其水化学特征与普通水存在一定差异。这些特殊成分的含量多少与地下热水的补给、径流、排泄过程中的化学环境密切相关。根据收集资料[1，3]及取样试验成果(表1)可知：(1)常量组分中阳离子K+、Na+含量最高，主要来源于含钾、钠矿物的变质岩；主要阴离子为HCO3-，其来源于变质岩中含铝硅酸盐矿物的风化溶解；Ca2+、Mg2+和Cl-离子含量较低，表明地下水运移过程中钙、镁及氯化矿物含量较少；(2)微量组分中SiO2主要来自岩石中硅铝酸盐与含碳酸气体的热水作用时的溶解；F-离子主要来源于岩浆活动余热中含氟气体的溶解，或黏土质岩石中含氟盐类、铝酸盐类的溶解[5]；两者是区分冷水和热水的标性元素，其含量一般与温度具有正比关系，SiO2与F-离子含量多少亦是瓦纳温泉属于中温水热活动带的表现之一；(3)泉水主要为HCO3-Na型水，其矿化度较低(≤1 000 mg/L)，显示带内近代火山和浅部岩浆热源影响较小，较高的大地热流为主要增温热源。

表1 瓦纳温泉水化学类型统计

1.3 同位素特征分析

氢和氧的同位素组成是寻找地热水补给源的天然示踪剂，将地热水及各种可能的补给源的氢和氧的稳定同位素组成进行比较分析，可研究地热水的补给来源[6]。

研究区地热水来源于大气降水补给，而大气降水的氢氧同位素组成一般具有高程效应。根据该效应理论，热水中的δD和δ18O在地下水的补给高程的减小时增大，因此可利用水体同位素值计算温泉补给高程[7]。我国西南地区gradD的平均梯度值为-2.5‰/100 m。计算公式如下

H=H0+(D-D0)/gradD

(1)

式中，H为地下热水补给高程，m；H0为参考点高程，m；D为地热水的δD值；D0为参考点的δD值；gradD为高程递减梯度(采用-2.5‰/100 m)。

结合陈伟等的研究[2]，瓦纳温泉补给高程及地区特征如表2所示：温泉补给高度在海拔1 800 m左右，补给区位于北西方向地理位置较高的山区；补给高程高于温泉出露高程900 m左右，说明温泉循环深度相对较大，循环过程中发生了充分的水岩相互作用；泉点出露于哀牢山断裂带内，补给区大气降水顺基岩裂隙下渗后沿断裂径流，在径流过程中吸取围岩中的热量形成热水，最终在山间河谷排泄。

表2 瓦纳温泉补给高程及地区简表

1.4 热储温度及埋藏深度特征

热储温度是地热系统成因类型和地热资源评价的重要参数，目前常用SiO2温标(石英)及K-Mg温标进行计算。瓦纳温泉热储层岩石为变质岩，利用既有资料进行计算[3]，热储层温度主要在100～120 ℃(表3)，属中温地热系统。

(2)

(3)

式(2)、式(3)中：T为计算的热储温度，℃；mSiO2、mK、mMg离子含量单位为mg/L。

在热储温度的基础上，可采用公式(4)对热储埋藏深度(热水循环深度)进行估算，瓦纳温泉热储埋藏深度在3.9～4.6 km(表3)。其中地温梯度根据钻孔测温资料计算，取值3.10 ℃/100 m。

S=T×G0

(4)

式中，S为热储埋藏深度，m；T为热储温度，℃；G0为地温陡度即地温梯度的倒数，m/℃。

表3 瓦纳温泉热储温度及埋藏深度计算

1.5 地热水成因及类型

地下热水的补给、径流、排泄严格受构造和地形条件的控制：(1)瓦纳温泉地热水补给区为北西侧的哀牢山脉大气降水，地下水主要顺垂向的裂隙、断裂下渗至岩体深部；(2)哀牢山深大断裂及裂隙为径流区运移通道及储存空间，地下水主要沿断裂向东南方做水平渗流，在岩体深部通过长距离运移后充分吸收周围热量加热；(3)加热后的地下水在地势低洼的清水河边受断层相阻后，沿陡倾斜的裂隙通道在地表有利部位涌出形成瓦纳温泉(图3)。

图3 瓦纳温泉成因示意

温泉的成因及类型一般可分为断裂深循环型温泉、岩浆余热型温泉及放射性元素衰变型温泉[7]。根据上述瓦纳温泉的发育特征及补径排关系可知：瓦纳温泉属断裂深循环型，哀牢山深大活动断裂带(Q1-2)是地热水的主通道，是温泉出露的重要条件，热源为大地热流。

2 隧道工程高地温预测分析

西南某新建铁路隧道位于瓦纳温泉东南方向约1.5 km，全长约3.5 km，最大埋深约630 m，为单面上坡，轨面高程为900～980 m。根据《铁路工程不良地质勘察规程》、《铁路隧道工程施工技术指南》等规范规程规定[8-9]，隧道洞室内气温不得高于28 ℃，当洞内气温超过28 ℃时，需要采取降温或者其他防护措施。目前国内高温地热隧道主要有玉蒙铁路、向莆铁路、拉日铁路、大瑞铁路、玉磨铁路、青藏铁路、川藏铁路等工程[10-15]。鉴于高温热害对隧道工程带来的危害，有必要对隧道高地温进行预测分析。

2.1 隧道地质概况

2.1.1 地层岩性

隧道通过地层岩性主要为三叠系(T2)花岗斑岩及板岩、变质砂岩，元古界小羊街组(Ptx)混合岩、糜棱岩、千糜岩等。岩体以硬质岩为主，节理较发育～发育，多形成陡峭地形，表层机械风化严重。构造影响带内岩体较破碎，表层多呈碎石角砾状。

2.1.2 地质构造

隧址区构造以北西向为主，发育哀牢山深大断裂F1及哀牢山挤压带次级断裂F2～F5共5条断层(图4)。各断层特征描述如下。

(1)哀牢山深大断裂F1：该断裂与红河深大断裂大致平行，规模仅次于红河断裂，是“哀牢山群”与古一中生界分界断裂，延绵数百千米。断裂线波状弯曲，断面主要倾向北东，局部扭转倾向南西。断裂与隧道交角89°，断裂倾向NE，倾角60°～70°，为压扭性断层，具糜棱岩和千糜岩等高级压性构造岩。岩体节理裂隙发育，断层上盘发育哀牢山构造挤压带F2～F5。

(2)F2断层：与隧道交角约24°，走向N35°～55°W，倾向NE，倾角71°，局部变缓或变陡，为逆断层。断层破碎带宽10～25 m，呈中密～密实状碎石、角砾土状，局部夹糜棱岩、混合岩透镜体。

(3)F3断层：与隧道交角约54°，走向N45°～60°W，倾向NE，倾角75°～85°，局部变缓或变陡，为走滑断层。断层破碎带宽10～20 m，呈中密～密实状碎石、角砾土状，局部夹糜棱岩、千糜岩透镜体。

(4)F4断层：与隧道交角约63°，走向N40°～65°W，倾向NE，倾角70°，为逆断层。地表未见明显破碎带痕迹。

(5)F5断层：与隧道交角约76°，走向N45°～65°W，倾向NE，倾角50°，为逆断层。断层破碎带宽10～20 m，呈中密～密实状碎石、角砾土状。

图4 瓦纳温泉及隧道平面示意

2.2 高地温预测分析

2.2.1 高地温风险初判

在查明瓦纳温泉的补给、径流及排泄条件后，结合隧址区复杂的构造条件，可从以下几方面对隧道高地温风险进行初步判断：(1)隧道于温泉东南侧绕行避让，位于径流区及排泄区外，且洞身附近未见温泉出露，总体上高地温风险较低，温泉地下热水的补、径、排区域与隧道关系如图3所示；(2)隧道高程高于温泉的段落，高地温风险应该相对较低；(3)隧址区构造十分发育，北西向构造带联通温泉及隧道，高温热水可能通过断裂带(导热断裂)运移至隧道，部分段落有高地温风险。

2.2.2 地温值预测

钻孔地温测试是隧道高地温分析最常用的方法。隧道附近钻孔地温测试情况如表4所示。钻孔ZK2孔底温度为34.4 ℃，埋深约260 m处温度达到28 ℃；钻孔ZK3在埋深360 m处温度达到28 ℃。根据钻孔测温资料进行计算，地温梯度取值3.10 ℃/100 m。根据地温等温线理论，结合钻孔实际地温，可初步推测隧道埋深大于260 m的段落可能会有高地温(图5)。由于高地温温度为28～34.4 ℃<37 ℃，属低高温带，该隧道热害等级轻微[8]。

表4 钻孔地温测试

图5 隧道高地温预测分析断面示意

2.2.3 隧道高地温分布规律

上述两地温异常钻孔均位于哀牢山深大断裂及其挤压带内，说明瓦纳温泉热水在导热构造的影响下确实向隧道方向运移传递。其中ZK2位于F5、F1上盘且距离深大断裂较近，沿主断裂带地下热水运动较强，从而该钻孔揭示温度最高；ZK3虽然揭穿F1，但是主要位于断层下盘，受断层阻水影响地下热水运动较弱，从而孔底揭示地温低于ZK2；ZK1位于构造挤压带内，但距离F1较远，F4可能为阻水断层，故地下热水运动弱，未揭示高地温；ZK4位于F1下盘且距离较远，基本无热水活动。由此分析可知，该隧道高地温应主要分布于哀牢山断裂上盘至F4断层之间，往两侧地下热水活动减弱，地温逐渐趋于正常。

2.3 施工建议

由于高地温对隧道的施工、结构及运营安全影响较大，建议设计及施工中采取以下防治措施[16-18]。

(1)因哀牢山断裂带对地热的控制作用明显，设计及施工中应重视断层破碎带(特别是断层上盘)处的高地温风险。

(2)加强隧道超前地质预报。预测前方是否有高温热害，以确保施工安全。

(3)采取通风降温及其他降温措施相结合的综合降温措施，以改善隧道内的作业环境。

(4)确定“以排为主，以堵为辅”的治水原则减少热源：对分散出水点采用径向或局部注浆封堵，对集中出水点设管引排。

(5)采取相应的施工材料、混凝土施工工艺。

3 结语

高地温对地下工程建设危害较大，隧道工程在难以避绕时，应针对地热的特征开展详细的地质勘察，查明其地热特征参数，并进行地温分级，制定施工预案[19]。通过对瓦纳温泉发育特征以及隧道高地温的分析预测，得出以下结论：(1)瓦纳温泉主要受哀牢山深大断裂影响控制，属断裂深循环型温泉，热源是大地热流；(2)温泉补给源为西北方向位置较高之哀牢山区，补给高程为1 806～1 842 m；(3)温泉热储层温度为100～120 ℃，热储埋藏深度3.9～4.6 km，属于中温地热系统；(4)隧道总体避绕瓦纳温泉径流排泄区，高地温风险相对较低，埋深大于260 m的段落可能有高地温，且主要分布于F1上盘至F4之间，往两侧地下热水活动减弱，无高温热害；(6)隧道高地温温度小于37 ℃，属低高温带，热害等级轻微；(7)隧道高地温段落施工中应加强超前地质预报，采取相应的防治措施，以确保施工安全。