济枣高铁济泰段对济南泉群的影响及防治对策分析

2021-09-15邱晓东宋章陈兴海李传生

四川建筑 2021年4期

邱晓东宋章陈兴海李传生

【摘要】济枣高铁济泰段通过济南南部的千佛山、慧佛山，其为济南泉群的重要补给区，铁路建设对济南泉群或多或少产生一定影响。文章基于研究区区域地质、水文地质及地下水的补给、径流和排泄、测区地下水动态变化特征等研究，分析评价拟建济枣高铁济泰段对济南泉群的影响，并探讨其防治对策。主要结论有：（1）拟建济枣高铁济泰段主要处于济南单斜地质单元，地层岩性以寒武系-奥陶系的碎屑岩和碳酸盐岩为主，中强富水性;（2）济南泉群主要以其南部的千佛山、慧佛山降水補给为主，其次为河床渗落、孔隙水补给;（3）拟建铁路推荐线位对济南四大泉群的补给、径流影响较小;比选线位对趵突泉和涌泉泉域影响较小，对白泉泉域无影响;（4）工程防治对策首先应遵循铁路轨面标高处于泉群补给区垂直渗流带的地质选线原则，其次隧道设计施工中坚持以堵为主、疏排为辅的综合治理措施。研究成果可为测区类似工程提供借鉴指导。

【关键词】济枣高铁; 济南泉群; 岩溶; 选线; 防治对策

【中国分类号】P641.1【文献标志码】A

济枣高铁济泰段东线方案自在建济莱高铁港沟站引出，向南跨济南南绕城高速后进入南部山区，经西营镇、柳埠镇东侧后沿济泰高速公路走廊前行，于泰安市东侧设泰安东站;济枣高铁济泰段西线方案自在建济莱高铁平安店镇引出，向西绕经长清区、归德镇后沿泰山山麓西北侧走行，进入泰安市区跨京沪铁路后沿京沪高铁引入既有京沪高铁泰安站。济枣高铁济泰段由北向南行进于泰安过程中穿越了千佛山、慧佛山一带，而千佛山、慧佛山为济南泉群的重要补给区，铁路的修建对济南泉群补给区或多或少产生一定影响。

济南泉群的形成受测区特定的地形地貌、地层岩性、地质构造、气象水文等多因素的影响 [1-7]。邹连文等[1]通过对济南泉群涌水量与区域降水的回归分析，说明济南泉群的主要补给区为东南部岩溶漏水山区;邢立亭等[3]基于调查、示踪试验、水质指标测试、岩溶分析和数理统计等方法，认为济南泉群水位动态变化反映出济南北部岩溶管道流与裂隙流并存，丰水期以东南方向岩溶管道流补给为主，而枯水期以西南方向裂隙流补给为主;孙斌等[3]利用Mapgis对济南市区新生界地层厚度图和灰岩顶板埋置深度图进行了分区研究，揭示了济南市区其侵入岩分布和变化特征，并说明了趵突泉、黑虎泉是由于侵入岩在此缺失形成“天窗”地下水出漏排泄而形成的机理;韩连山等[5]研究认为燕山运动奠定了济南地区南部依泰山隆起、背部临济阳断陷的构造格局和地貌特征，碳酸盐岩隐伏于市区，在侵入岩缺失形成“天窗”的趵突泉、黑虎泉等地形低洼、构造有利部位泉水腾空而起形成泉群;此外，济南泉群的形成与测区千佛山断裂、文化桥断裂的分布、导水性和透水性息息相关[5-7]。

本文基于区域地质、水文地质及泉水补给、径流和排泄、测区地下水动态变化特征等研究，分析评价拟建济枣高铁济泰段对济南泉群的影响，并探讨其防治对策。

1 区域地质单元划分

研究区地处鲁南中部隆起区，总体以新太古代泰山岩群为基底、以古生代地层为主体的向北倾斜的单斜构造，且受测区NW向和NE向断裂相互切割的影响，将研究区分割成多块相对独立的单斜断块。因此依据研究区的总体沉积环境，并结合区内地层的岩性组合特征和空间展布规律，及地质构造因素，地层与构造相互关系等，可将研究区划分为郭店单斜地质单元、济南单斜、泰莱盆地三个地质单元（图1）。

新建的济枣高铁线路主要穿越了济南单斜地质单元（济南泉域），其次为郭店单斜地质单元（白泉泉域），两地质单元中地层岩性主要为寒武系和奥陶系的灰岩、白云质灰岩为主，富水性中强;以弱富水性的泥岩、页岩主要分布于寒武系的馒头组。而线路穿越的泰莱盆地，其岩溶及岩溶塌陷等地质灾害发育，但已处于济南泉群影响区之外。

2 研究区水文地质条件

2.1 研究区地下水的补给、径流、排泄特征

2.1.1 地下水的补给特征

济南泉群主要受南部海拔500～700 m的千佛山、慧佛山的降水补给，大致以大涧沟为界，可分布长城岭至大涧沟间接补给区和大涧沟至济南山前的直接补给区（图2）。

补给区内地层岩性主要为寒武系-奥陶系厚层状灰岩，受构造的切割影响岩体中裂隙、岩溶等地下水通道相互沟通，形成了有统一水位的地下水力联系通道。济南泉群的补给大致分为大气降水入渗补给和河流渗漏集中补给两种方式。

2.1.1.1 大气降水入渗补给

济南泉群主要为南部山区的岩溶水补给，而岩溶地下水主要接受大气降水的入渗补给。根据测区由南向北倾斜便于地下水运移的单斜构造特征、厚度达1 000 m的灰岩利于地下水存储地层岩性特征及测区水文观测孔长期动态观测地下水位变化的分析等，济南泉群流量和测区地下水水位变化均与大气降水息息相关。测区丰水期集中于每年的6～9月，占全年降水量77 %以上，每年雨季测区地下水位快速上升，济南泉群流量普遍增大;枯水期为每年的4～6月，测区降水较少，地下水位变低，济南泉群流量随之普遍减少。

2.1.1.2 河床渗漏集中补给

测区河床渗漏集中补给为济南泉群的第二大补给源。主要表现在两个方面，一是济南泉群南部的河流在上游其河床与测区下伏的灰岩、白云质灰岩等强富水地层水力联系紧密，丰水期岩层地下水接受河流反补、而枯水期河流接受岩层地下水补给，而河流在下游局部地段强烈渗漏，补给济南泉群地下水;二是测区水库丰水期接受蓄水，枯水期放水补给河流，河流补给济南泉群地下水。

2.1.2 地下水的径流特征

测区地下水的径流受南高北低的地形因素、厚层状中强富水的灰岩地层岩性因素、千佛山断裂和文化桥断裂控制的由南向北倾斜的单斜构造因素等控制。千佛山断裂以东地区山区地下水主要呈NNW流向、以西地区呈NW流向，地下水在由南向北径流的过程中受济南盆地隔水的侵入岩、泥页岩的阻隔，在其接触带形成地下水富集区。

2.1.3 地下水的排泄特征

测区地下水的排泄主要表现为泉水的集中排泄和人工开采排泄。地下水在由南向北径流的过程中，受北部济南盆地分布的侵入岩、泥页岩阻隔，在与灰岩的接触带附近形成了地下水的富集区，在济南盆地低洼地带以上升泉的形式集中排泄，济南泉群就是由此形成。此外，由于城市和工农业发展的需要，济南盆地地下水的大量开采亦为排泄方式之一，由此还造成了济南泉群1972～2003年的季节性断流。

2.2 地下水的动态变化特征及主要影响因素

大气降水为测区地下水的主要补给来源（图2），测区的南部山区主要为裸露的灰岩地层，受构造影响岩体节理裂隙较发育，大气降水及表水易于下渗，快速补给地下水。每年的丰水季节测区地下水补给量大于排泄流量，7～9月为测区的最高地下水位;枯水季节由于受泉流和翌年3～4月人工开采地下水的影响，测区地下水排泄量大于补给量，翌年的5～6月出现最低地下水位;年度变幅处于10～80 m。

3 济枣铁路建设对济南泉群的影响评价及防治对策

3.1 对济南趵突泉泉域的影响

济南泉域范围内，拟建的济枣高铁线路以隧道形式穿越，大部分位于地下水（岩溶水）的垂直渗流带，局部位于季节交替带内，隧道建设仅对大气降水的渗流补给有影响，使渗流补给途径产生变化。

桥梁及路基建设引起的局部地段地表硬化面积占泉域补给区的面积的比例较小，且降水可通过附近地段地表入渗进入岩溶含水层，因此桥梁、路基建设对泉域降水补给量影响较小。隧道工程位于南部丘陵山区，隧道穿越部位為地下水（岩溶水）的垂直渗流带或季节交替带。隧道建设对局部地下水垂直渗流路径产生一定的影响，对济南四大泉群水源深部径流影响较小。

3.2 对涌泉泉群的影响

涌泉泉群位于济南区域的补给区，泉群泉点众多，属于玉符河流域，存在众多独立小泉域。其中泉点主要含水层为张夏组灰岩，部分泉点主要出露地层为三山子组（主要出露原冶里组与亮甲山组分界线）、炒米店组、崮山组，均属于济南泉域的间接补给区。

区内岩溶地下水流域由南向北径流，拟建新建泰安东站方案线路走向与地下水流向近相同，仅局部会影响部分泉点的补给，距离线路较近的分泉点较多，泉点大部分出露于张夏组和馒头组交接处。

3.3 对白泉泉域泉群的影响

本次推荐线路通过白泉泉群补给区仅约4 km。桥梁及路基建设引起的局部地段地表硬化面积占泉域补给区的面积的比例较小，且降水可通过附近地段地表入渗进入岩溶含水层，该段桥梁、路基建设对泉域降水补给量影响较小。因此本次铁路建设不会切断岩溶水的地下循环途径，不会导致岩溶水的流失，线路建设对白泉泉群的水量影响较小。

在裸露岩溶区，岩溶水直接接受大气降水补给，铁路施工产生的污染物及运营期产生的跑冒滴漏的污染物，将随大气降水下渗至岩溶含水层，会对区内岩溶水水质产生一定的影响。因此，推荐线路建设对白泉泉群的水质有一定影响。

3.4 综合影响评价

研究区内主要的泉群有济南市区四大泉群、涌泉泉群、白泉泉群。铁路建设对泉群的影响分析结果如表2所示。

本次推荐线路建设对济南四大泉群的补给、径流影响较小;对白泉泉群水量的影响小;对涌泉泉群内锡杖泉泉点有影响，但影响较小。

比选线路对趵突泉泉域影响较小;对白泉泉域无影响;对涌泉泉群内泉点影响较小。

3.5 防治对策分析

拟建济枣高铁济泰段主要以桥隧工程穿越济南泉群补给区，工程防治对策主要从以下两方面加以考虑：

（1）工程地质选线原则：基于研究区岩溶水的补、径、排及动态特征分析，查明地下水径流水位深度（图3），遵循铁路轨面标高处于济南泉群补给区垂直渗流带内的选线原则，确保铁路隧道不会截断泉群的地下水流。

（2）隧道内防治措施：坚持设计施工过程中隧道内以堵水为主、疏排为辅的综合防治措施，最大限度减少对测区地表井泉点的影响。

4 结论

（1）拟建济枣高铁济泰段主要处于济南单斜地质单元，地层岩性主要为寒武系-奥陶系中强富水的碎屑岩和碳酸盐岩为主。

（2）济南泉群主要以南部的千佛山、慧佛山降水补给为主，以河床渗落、孔隙水补给为辅。