某实验站深埋施工地下水涌水来源分析

2021-11-10张海丰牛香玉

水科学与工程技术 2021年5期

孙璐，张海丰，曾峰，牛香玉

（黄河勘测规划设计研究院有限公司，郑州 450003）

某实验站地下洞室在掘进过程中多次出现涌水现象，且随着开挖深度的增加，涌水量不断增大趋势，局部发生沿节理裂隙和断层的集中涌水，高渗透压力、大流量突发涌水给施工带来极大困扰，导致工程施工进度滞后、投资增大，而涌水来源一直未查明，因此准确判断涌水成因，查找涌水来源对涌水治理具有重要的指导意义。

地下水的水化学、氢氧同位素组成作为天然标记，携带着地下水自补给、流动至排泄过程的信息，在涌水来源识别中被广泛应用［1-4］。在分析实验站地质和水文地质条件的基础上，利用水化学和氢氧同位素等技术手段，综合判别实验站的涌水来源和渗流路径，为工程采取止水措施和运行管理提供技术支撑。

1 研究区概况

1.1 工程概况

某实验站所处地貌类型属低山丘陵区，区内地势总体南高北低，地面高程为20～500m。实验站由地下建筑和地上建筑组成，地上建筑主要布置于斜井入口，地下建筑主要为试验大厅、斜井、竖井及附属洞室，实验大厅埋深763m，为大型深埋地下洞室。

1.2 地质与水文地质概况

研究区地层区划属华南地层区东江分区，出露地层主要有寒武系石英砂岩夹泥质页岩，奥陶系页岩、粉砂岩夹泥岩，第四系残坡积和冲洪积物及燕山期侵入岩。实验站地下建筑大多分布于燕山期花岗岩中，竖井全段为花岗岩，斜井洞身前段为粉砂岩、长石石英砂岩局部夹泥质页岩、角岩，后段为花岗岩。

研究区地下水以潜水为主，地下水类型包括松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，松散岩类孔隙水赋存于沟谷局部地段和山前第四系冲洪积地层中，基岩裂隙水赋存于花岗岩和砂泥岩中。根据地面瞬变电磁、大地电磁资料并结合目前施工涌水情况，花岗岩层富水性相对较强，主要沿近东西向节理及构造密集带分布。地下水主要接受大气降水补给，以泉水形式和渗流形式向沟谷排泄或下渗补给深层地下水。

1.3 涌水特征

实验站自2015年开工建设以来，前期的掘进工作进展顺利，粉砂岩、泥岩及页岩段掘进过程中渗水量小，水量基本可控。2015年9月底斜井开挖到桩号0+590m进入花岗岩段，渗水量逐渐增大，最大涌水量23m3/h，2016年3月在斜井桩号0+851m最大涌水量达400m3/h。竖井全段在花岗岩体内掘进，井口高程127.5m，掘进到43.5m高程井底开始有涌水现象，先后在-301，-337.5，-403m发生较大突水事件，涌水量在200～437m3/h。目前工程区日均排水量约490m3/h，且未见衰减趋势。根据涌水情况分析，主要涌水点为花岗岩地层近东西向张开节理裂隙或断层构造带。

2 样品采集与测试

为研究不同含水层的水力联系特征，判别实验站工作面涌水水源及径流途径，于2019年在研究区内对多处水点进行了取样分析，共收集水样21组，包括大气降水2组、地表水8组、浅层第四系松散岩类孔隙水3组、深层花岗岩裂隙水7组、花岗岩与角岩接触带混合水1组。水样经过滤保存后送中国地质大学（武汉）分析测试中心测定常规离子浓度，测定结果如表1。

表1 水化学常规组分测试结果

3 水化学及氢氧同位素特征分析

3.1 宏量组分特征分析

图1 研究区水化学组成Piper三线图

图2 研究区各种水体常规离子含量变化

3.2 微量组分特征分析

除了宏量组分外，地下水中还有一些微量组分，如F，I，Sr，As等。微量元素含量虽小却十分灵敏，地下水中的微量元素是地下水在储存、运移过程中与岩体相互作用的结果，一定程度上反映地下水的水质特征和形成环境，可以作为良好的水化学示踪剂来分辨水中物质来源和成因［6］。

通过微量元素分析可以发现，研究区不同类型地下水中，部分微量元素含量存在明显差异。由表2可以看出，深层花岗岩水和浅层混合水中的微量元素含量明显高于地表水和第四系浅层地下水，差异比较明显的有Sr，Ba，Li，As等元素。初步分析是由于深层花岗岩水的水温较高（实测31℃），地下热水在水热作用下提高了与含水介质间的水岩反应能力，岩体中的部分组分不断被溶滤、溶解到水体中，使微量元素得以在水中富集。

表2 不同类型水特征微量元素对比

由于微量元素Sr广泛存在于花岗岩的造岩矿物长石中，通过矿物溶解进入地下水中［7］，Sr元素是花岗岩水中主要的微量元素。通常富锶矿物溶解度较低，且Sr元素化学性质稳定，不参与离子交换反应，但随着径流途径的延长，水岩相互作用时间增长，地下水中Sr2+浓度逐渐增高，在地下水滞留区达到最大，因此地下水中Sr2+浓度是地下水滞留时间的函数［8，9］，可以用来示踪水循环［10］。花岗岩水和混合水的Sr2+浓度最高可达0.49mg/L，远远高于浅层地下水背景值，这是由于浅层地下水主要接受大气降雨补给，水岩相互作用时间较短，水中Sr2+含量较低，花岗岩水和混合水中的Sr2+是含有游离CO2的地下水与富含锶的花岗岩相互作用的结果，随着径流途径的增加和径流时间的延长，水中Sr2+含量增加，说明其为区域地下水流。

3.3 氢氧稳定同位素特征分析

根据本次氢氧同位素测试结果，结合前人在本地区的研究成果［11］（大气降水线参考广东广州的大气降水线方程δD=8.46δ18O+15），绘制地下水和地表水的δ18O-δD关系图（图3）。研究区内浅层地下水、深层地下水和地表水的氢氧同位素变化范围较大，但均位于全球大气降水线与当地大气降水线附近，表明研究区地下水均起源于大气降水。

图3 研究区地下水δ18O-δD关系

不同水体在δ18O-δD关系图中具有不同的氢氧同位素组成特征，显示出一定的分层现象，说明不同水体接受补给的时期及水体的流动系统不同，浅层地下水基本介于地表水和深层地下水之间，说明浅层地下水与地表水和深层地下水之间存在着水力联系，或受到混合，或作为补给源［12，13］。地表水及浅层地下水样位于大气降水线右下方，主要是受蒸发作用影响导致氢氧同位素重同位素的富集。

深层花岗岩水的同位素组成相似，表明其补给高程及范围较为一致，相对于当地大气降水和浅层地下水表现出贫化重同位素的特征，表明深层地下水不是直接来源于当地大气降水和浅层地下水的入渗补给。通常，深层地下水氢氧同位素组成偏负是由于高程效应或古环境时期降水补给。以实验大厅层涌水点为参照点，其δD、δ18O分别为-4.471%、-0.704%，排泄高程为-430m，按照δ18O大气降水高度梯度值取－0.31%/100m［14］，则深层地下水计算补给高程为845m，大于当地最高海拔。据此分析，深层花岗岩水可能来源于研究区外海拔更高的山地大气降水入渗补给，也可能来源于古环境时期降水补给。