瓦日铁路太行山隧道嶂石岩地貌区水文地质特征研究

2018-04-16胡清波

铁道标准设计 2018年4期

关键词：涌水量太行山岩溶

胡清波

(中国铁路经济规划研究院,北京　100844)

瓦日铁路西起山西瓦塘，东至山东日照，是我国首条30 t轴重的大能力运煤重载通道，全长1 269 km，限制坡度：重车方向6‰，轻车方向13‰。

受限坡、林虑山风景名胜区、红旗渠等因素控制，太行山越岭，需以隧道形式下穿红旗渠、露水河，翻越西井山、林滤山(图1)。

图1　太行山隧道与名胜区位置平面关系示意

太行山隧道采用双洞单线形式，受露水河高程控制，采用单面坡，左洞18.095 km，最大埋深915 m，右洞18.08 km，最大埋深920 m，露水河段(DK590+335～DK590+740)，最小埋深约14 m。

燕山、喜山运动，使太行山隆起并形成宽缓背斜，林州断陷盆地下沉，形成中国地理第二阶梯。

快速上升的新构造运动，干、湿交替的气候变化，上、下两套近水平地层，活跃的新构造运动及表生改造，在太行山中南部第二和第三阶梯过渡带盘状宽谷两侧塑造了中国特有的嶂石岩地貌。

嶂石岩地貌为新型砂岩地貌[1-3]，1972年发现，1992年命名，上覆为喀斯特岩溶地貌，下部为石英砂岩地貌，组成物质、形态、成因、演化独成体系，水文地质特性复杂而独特。目前在旅游地理及古地理研究较多[3-4]，但水文地质方面的研究尚为空白。

随着基础建设的蓬勃发展，基建标准提升，在太行山中南部，越来越多的隧道工程穿越嶂石岩地貌区。由于地下水类型并不复杂，如果忽视嶂石岩地貌水文地质特征复杂性的一面而把问题简单化，就会导致线位选择、工程设置及施工组织与实际出现偏差，在工程建设中遭遇长期稳定的高压基岩裂隙涌突水问题，影响施工安全，对其进行水文地质研究具有重要的理论与现实意义。

1　嶂石岩地貌

嶂石岩地貌(Zhangshiyan landform)，1972年郭康在太行山发现[3-4]。在中国华北板块新构造运动上升区背景和温带半湿润区内，由岩层平缓、质地坚硬、颜色绯红的震旦系石英砂岩为母岩，水流沿崖边节理、层理侵蚀风化作用，以楔状侧蚀和蚀空崩塌为主(图2)，形成的以绵延大壁、嶂谷为主，以及方山、石墙、塔柱、排峰、洞穴、崖廊等地形。

图2　嶂石岩地貌坡面发育过程示意

嶂石岩地貌分广义和狭义两种，狭义嶂石岩地貌指中元古生界浅海-滨海相巨厚层石英砂岩及薄层泥岩内形成的砂岩地貌；鉴于下部砂岩地貌形成演化与上覆喀斯特岩溶地貌密切相关，同时，上覆喀斯特岩溶地貌又受控于下部砂岩地貌，二者密不可分，合为一体更为合理，故提出广义嶂石岩地貌概念，上覆的喀斯特岩溶地貌一般发育不良，只有小型溶洞、落水洞，仅太行山南段有雏形石林地貌发育，灰岩中地下水以泉形式或渗流形式在接触带附近排泄，形成面流或再次转化成地下水。

瓦日铁路太行山越岭段，浊漳河、浊河、露水河两岸发育广义嶂石岩地貌(图3)，形成了著名的林滤山景区。

图3　嶂石岩地貌及水系

2　嶂石岩地质特征

嶂石岩地貌是发育在坚硬石英砂岩上的砂岩地貌，具备特定的地层岩性及内外营力。

固有的原生构造裂隙，活跃的新构造运动，简单的地层结构，在重力作用、侧蚀、向源侵蚀作用下形成河谷、套谷，在太行山中南部塑造出特有的嶂石岩地貌。

太行山块隆(山西地矿局1989年，河南河北地矿局1989年称太行山拱断束，中科院地质所1959年称太行山弯折带)与华北断拗过渡段，为燕山期造山运动中先折后断的抬升区，表现为宽缓大型复式背斜，背斜核部、地形急剧变化带原生构造裂隙和深埋宽张裂隙发育[5]。

活跃的新构造运动，表现为间断性的整体抬升和河流下切，在上部含水层形成高程950～1 100 m的溶洞系统，沿地貌演化起点1 100～1 200 m高程盘状宽谷过渡段产生大量原生宽张裂隙和卸荷裂缝，在水和重力作用下，横向楔状侵蚀、掏蚀卸荷，形成百米左右甚至更高的笔直陡崖及Ω嶂谷，陡壁上布满了条条垂直窄缝，缝口宽从几十厘米到几米，甚至几十米以上，并向壁里逐渐尖灭，形成楔状[6-7]。

简单的地层结构，表现为上部的碳酸盐岩建造，中部的石英砂岩建造，下部的变质片麻岩建造，中上部间夹少量黏土岩(图4)。

图4　嶂石岩地貌岩性特征

3　嶂石岩地貌区水文地质特征

太行山隧道横穿中国地理第二阶梯及太行山前缘西侧断裂。断裂以西，为宽缓背斜，核部为露水河谷，两翼分别形成西井山和林滤山；地层岩性上部为奥陶寒武系可溶岩，中部为震旦系砂泥岩，底部为太古界片麻岩。断裂以东，为林州断陷盆地，表层覆盖第四系堆积物，下伏奥陶系可溶岩。隧道围岩为太古界片麻岩、震旦系石英砂岩、奥陶系灰岩，产状平缓，围岩分级情况较好，Ⅱ、Ⅲ围岩占69.4%。背斜核部、Ω沟口、地形急剧变化带原生构造裂隙、卸荷裂隙发育(图5)。

图5　太行山隧道地质剖面

露水河以西，属太行山背斜北西翼，呈单斜构造。为漳河、浊河、露水河切割形成的河间地块。东西两侧被芣兰岩—奥治断裂与王家庄—杨耳庄正断裂所夹持，其间断层不发育。浊漳河、浊河、露水河、芣兰岩—奥治正断裂及王家庄—杨耳庄正断裂共同构成西井山单斜蓄水构造水文地质单元(图3)。

西井山单斜蓄水构造发育奥陶系灰岩、寒武系灰岩、震旦系砂岩3套含水层，奥陶系白云岩、寒武系泥岩两套隔水层，垂向上形成3套地下水系统，奥陶系、寒武系灰岩之间的奥陶系白云岩为相对隔水层，在裂隙发育带，形成导水带，致使奥陶系含水层地下水越流补给寒武系含水层，使奥陶系、寒武系地下水系统产生水力联系，形成上、下两类地下水系统；上部为喀斯特岩溶地下水，下部为基岩裂隙水系统[8-9]。

区域上，在高程950～1 100 m、700～800 m、630～660 m发育3层溶洞系统，西井山单斜蓄水构造上部的岩溶系统，灰岩裸露，位于高程850 m以上，高于地表径流，接受大气降水补给，地下水动力条件较差，岩溶发育不良，宽谷底部(950～1 100 m)沿寒武系隔水层发育1层溶洞系统，主要为层状溶蚀裂隙带和小型溶洞，透水性好，沿寒武系隔水层顶板以下降泉形式排泄到栈台的第四系堆积层内，一般地貌条件下，形成地表径流排向沟谷。在嶂石岩地貌套谷两侧，发育的楔状裂缝、卸荷裂隙阻止了地表径流形成，在栈台边缘沿宽张裂隙入渗，再次转变为地下水，在基准面以上排泄到地表径流，基准面以下为裂隙水储存。

西井山单斜蓄水构造基岩裂隙水，含水层厚度大，伴随嶂石岩地貌的发育，砂岩陡崖、套谷发育，沿陡崖及套谷宽张裂隙、裂缝极其发育，大气降水垂直入渗、河道侧向渗漏及栈台岩溶泉水二次入渗，形成富水区。

嶂石岩地貌区水文地质特征为上部岩溶水沿隔水层顶板排泄到栈台，在套谷边缘沿宽张裂隙入渗，再次转变为地下水补给下部裂隙水，基准面以上排泄到地表径流或在封闭裂隙内储存，基准面以下在裂隙内储存(图6)。

图6　嶂石岩地貌区水文地质特征示意

受林滤山国家风景保护区控制，太行山隧道需走行在地表径流以下，隧道侧向补给增加，地下水排泄困难，涌水风险显著增大。

4　隧道富水程度分析

太行山隧道在嶂石岩地貌区围岩为震旦系砂泥岩及太古界片麻岩地层。地下水类型为基岩裂隙水，按照大气降水入渗法不考虑岩溶泉二次补给涌水量仅0.6万m3/d，隧道实际开挖揭示最大涌水量达11.6万m3/d，水压达0.5 MPa，且分布不均，显现出嶂石岩地貌区砂岩裂隙水复杂性的一面[8-9]。

通过对涌水量与降雨量的统计分析表明(图7)，大气降水对下部裂隙水的补给滞后期为4～6个月。

上部岩溶泉与隧道涌水的同位素测试及示踪试验表明，泉水对下部裂隙水存在二次补给。DK585+050～DK585+440段涌水同位素氚含量9.14 Tu，上部岩溶泉氚含量7.62 Tu，岩溶泉渗到掌子面大约需要43 d；DK580+150～DK582+600段涌水同位素氚含量10.19 Tu，上部岩溶泉氚含量10.86 Tu，岩溶泉下渗到掌子面约需要41 d。

综合隧道水文地质条件及涌水量观测数据统计分析及富水分段研究表明(表1、图8)，Ω套谷谷口、地形陡峻段落、宽张裂隙发育段落、上部泉水发育段落富水。基准面(区域地下水位)以下富水。

图7　涌水量与降雨量关系

段落里程起讫富水程度地貌类型围岩沟谷类型实测涌水量/(万m3/d)单位长度涌水量/(m3/d·m)涌水形式1DK578+875DK580+150弱河谷泥岩盘谷002DK580+150DK582+600中等河谷发育泉砂岩盘谷3.313.5隧底渗出基准面3DK582+600DK585+050中等广义嶂石岩砂岩天脊嶂沟1.45.7裂隙股状流出4DK585+050DK585+440强嶂石岩发育泉砂岩套谷4.5115.40.5MPa裂隙突出5DK585+440DK588+900中等嶂石岩砂岩嶂谷2.46.9裂隙股状流出6DK588+900DK590+300弱河谷片麻岩盘谷00

图8　富水程度分区示意

5　隧道涌水量对比分析

隧道涌水量大小影响围岩分级及投资，事关隧道的施工组织及施工、运营安全。

水文地质条件的各向异性和边界条件的不确定性，给隧道涌水量预测带来极大困难，也使预测结果会与实际情况出现较大偏差。

为便于评价不同隧道涌水量预测方法的预测精度，引入了可信度概念，采用大气降水入渗法、地下径流模数法、地下水动力学法(佐藤邦明)、工程地质类比法、同素法等5种方法对太行山隧道在嶂石岩地貌区的单位长度涌水量进行预测[10-12]，与施工期间及竣工后3年的实测值(2017年7月)进行对比分析(表2)。可信度公式如下

K=min(qpr，qac)/max(qpr，qac)

式中K——可信度；

qpr——预测单位长度涌水量；

qac——实测单位长度涌水量。

基于嶂石岩地貌区水文地质特征分析及隧道富水程度分析，提出补给区修正大气降水入渗法，引用钱学溥补给模数修正地下水动力学法对太行山隧道在嶂石岩地貌区的涌水量进行了预测。

嶂石岩地貌，Ω套谷、宽张裂隙发育；存在上部喀斯特岩溶水系统、下部基岩裂隙水系统的二元结构，下部基岩裂隙水在栈台地段受到岩溶泉水二次入渗补给；大气降水入渗法需考虑套谷和岩溶泉控制的补给区影响，故尝试提出补给区修正大气降水入渗法。

钱学溥[13-18]通过大量对比实例发现大井法预测矿坑涌水量与实际涌水量存在极大偏差，可信度较低。经分析，影响半径是产生可信度低的主要原因，可采用补给模数(M0)对影响半径R=(Q/π·M0)0.5进行修正，并经迭代回归修正，文献[18]对47个煤矿进行了验算，发现预测结果的可信度显著提高。

单位长度涌水量对比分析表明，大气降水入渗法对涌水量预测可信度不高，地下径流模数法、地下水动力学法、工程地质类比法、同素法对单位长度涌水量预测可信度有所提高，但处于较低水平。嶂石岩地貌区宽张裂隙不发育区，补给区修正降水入渗法对单位长度涌水量预测可信度较高；嶂石岩地貌区Ω套谷、宽张裂隙发育区，二元结构区，地下水位以下，补给模数修正地下水动力学法对单位长度涌水量预测可信度较高。

表2　单位长度涌水量对比分析

注：1.1段DK578+875～DK580+150；2段DK580+150～DK582+600；3段DK582+600～DK585+050；4段DK585+050～DK585+440；5段DK585+440～DK588+900；6段DK588+900～DK590+300

2.I—单位长度涌水量(m3/d·m)；II—可信度(施工期间)；III—可信度(2017年7月，竣工3年)

6　结论和建议

(1)受限坡、林虑山风景名胜区、红旗渠等因素控制，太行山越岭段需在地表径流以下以隧道形式下穿红旗渠、露水河，翻越西井山、林滤山，其中露水河以西发育典型的嶂石岩地貌，具二元结构(上部碳酸盐岩建造，下部石英砂岩建造)，Ω套谷、宽张裂隙发育等特征。

(2)太行山隧道嶂石岩地貌区，位于西井山单斜蓄水构造水文地质单元内，背斜核部、Ω沟口、地形急剧变化带原生构造裂隙、卸荷裂隙发育，Ω套谷顶部栈台岩溶泉发育。

(3)嶂石岩地貌区特殊的水文地质特征表现为：上部岩溶水沿隔水层顶板排泄到栈台，在套谷边缘沿宽张裂隙入渗，再次转变为地下水补给下部裂隙水，基准面以上排泄到地表径流或在封闭裂隙内储存，基准面以下在裂隙内储存。

(4)太行山隧道受林滤山国家风景保护区控制，隧道走行在地表径流以下，地下水排泄困难，突涌水风险大。Ω套谷谷口、地形陡峻段落、宽张裂隙发育段落、上部泉水发育段落富水，区域地下水位以下强富水。

(5)嶂石岩地貌区存在二元结构、溶泉水二次入渗补给，砂岩裂隙水复杂，涌水量预测困难。多种涌水量预测方法和实测对比结果表明，宽张裂隙不发育区，采用补给区修正降水入渗法进行单位长度涌水量预测的可信度较高；在Ω套谷、宽张裂隙发育区，二元结构区，地下水位以下，则采用补给模数修正地下水动力学法预测的可信度较高。

参考文献：

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