某高风险岩溶隧道区域岩溶水化学特征分析

董贵春

1 概述

随着我国西部交通建设的高速发展,西部岩溶山区隧道的建设也越来越多,在隧道建设中不可避免的会遇到各种各样的不良地质灾害,对隧道的建设带来严重的影响。在岩溶山区最常见的不良地质灾害之一就是各种各样的溶洞,为保证隧道施工安全,最基本的是要从宏观上了解隧道区域岩溶发育情况,推断隧道不同段落所处岩组及其岩溶发育程度。岩溶发育规律表明,岩石的可溶性、岩石的渗透性、水的侵蚀性及水的运动性是岩溶作用发生的四项基本条件。其中水的侵蚀性与岩溶地下水的化学特征密切相关,岩溶地下水化学含量,作为伴随水循环过程中水岩间理化、生物作用而形成的产物,对地下水补给来源、径流途径、所经历的地球化学环境条件具有一定的指示意义,同时对岩溶的发育也起着非常重要的作用[1-4]。

2 隧道区域工程地质与水文地质

隧道地处构造侵蚀溶蚀低山～丘陵地貌单元,在大地构造位置上属扬子准地台(上)黄陵小区,位于燕山期构造运动产生的黄陵背斜南东翼,该背斜由核部晋宁花岗闪长岩～翼部震旦系、寒武系和白垩系地层组成的单斜构造,无次级褶皱发生。岩体中节理裂隙较发育,隧道依次穿越寒武系上统石牌组、天河板组、石龙洞及下统覃家庙组,岩层产状130°∠13°。沟谷及局部缓坡地带有零星第四系覆盖层。区内地下水有第四系孔隙水、基岩裂隙水及岩溶水。其中岩溶水分布不均衡,局部水量较大,且具承压性。上述几种地下水均接受大气降水的补给,呈季节性变化。

3 岩溶水化学特征

为计算分析岩溶水化学特征,共取得岩溶水相关的水样15组进行了化学分析,这些样品主要是区内岩溶水排泄点。

3.1 水化学类型

由取得的水样分析得到该区域岩溶水的溶解性特征(见表1)。

表1 水的溶解性特征表

由表 1可知:区内水的化学类型除了 2个样品外均为HCO3-Ca◦Mg水,充分体现了区内地下水所处的以碳酸盐岩地层为主的地质背景环境。水井窝样品(9点)来自于由水井沱组碳质灰岩排泄的表层泉水,较为复杂的水井沱组矿物构成含量决定了其在区内比较特殊的水化学类型,而11点河水样虽然是来自三游洞组表层带岩溶泉水的补给,但由于存在铁路施工的污染,也使其水化学类型发生改变。

3.2 水的溶解总固体/(TDS)和总硬度/(HB)

溶解总固体/(TDS)也称矿化度,是水中所有溶解物质含量的总和,也是水岩作用结果的总体体现。一般在水化学类型较为简单的碳酸盐岩地区,总硬度的含量大小与溶解性总固体具有相近的变化特点。区内样品溶解性总固体变化范围较大,从462.68 mg/L～183.13 mg/L,相差在一倍以上。与水的化学类型变化一致,样品9和样品11其溶解性总固体均比较高,仙鱼洞地下河的溶解性总固体也达到366.22 mg/L。分析原因主要有两点:1)取样时为流量较小的枯水期,水流相对缓慢,水岩作用时间充分;2)表明地下河具有较远的补给来源。

从岩溶含水层方面看,虽然不同样品所代表的地下河规模、补给面积等存在一定的差异,当石龙洞组岩溶水系统(潮水洞、响水洞、洞沟、燕子洞等)由于岩溶发育,水流相对通畅;覃家庙组岩溶水系统样品泉水由于以小规模系统循环(小溪样品),故水中溶解性总固体含量一般偏低。降水后岩溶地下水系统中快速流淡水的加入是使得水的溶解性总固体降低的直接原因。

3.3 方解石、白云石饱和指数

方解石、白云石饱和指数代表水对碳酸盐岩的溶蚀能力。饱和指数越大说明其溶蚀能力越低,小于零时为非饱和,大于零表明过饱和。水的方解石、白云石饱和指数直接取决于水的pH值,见图1,而在岩溶区,水的pH值主要取决于水中CO2分压,随着CO2分压增加,水的溶蚀能力增强,而方解石、白云石饱和指数降低,见图2。研究表明,水中CO2除部分来源于大气外,更主要的是来源于表层土壤微生物新陈代谢等活动(一般土壤空气CO2是大气CO2的数倍到数十倍)。

表1中水的PCO2计算结果显示,PCO2变化从2 769 Pa～44 Pa,方解石、白云石饱和指数也有非饱和和过饱和两种状态。方解石、白云石非饱和岩溶水主要是一定长时期未降水的4月16日样品,水的 PCO2均在1 000 Pa以上,而到4月 17日开始有断续降水后的样品的PCO2均在1 000 Pa以下。这种水在降水后CO2分压出现急剧下降的情况一般出现在存在岩溶管道流的地区,其原因在于降水后由于地下水中存在没有与土壤CO2充分吸收的快速水量的补给,水中CO2稀释,因此使得溶蚀能力降低。

潮水洞地下河在4月17日有断续降水后有两次取样,其PCO2均在800 Pa左右,远远高出同期其他样品的 PCO2(一般在500 Pa以下),说明其补给来源于土壤及植被较发育的涨水坪岩溶谷地及凤凰坪一带的补给,同时也存在枯水期高PCO2水的混合排泄,与岩溶水文地质条件分析的结果相一致。

4 结语

从水化学特征方面分析,本区与隧道相关的岩溶地下水存在以下特征:1)本区属岩溶发育区,地下水同时存在以岩溶管道快速流系统和裂隙介质慢速流系统的两种含水介质,对隧道施工安全具有一定威胁;2)从岩溶发育程度看,石龙洞组为区内岩溶最发育的含水层,施工中需要对该隧道天河板—石龙洞组段引起足够重视。

[1] 王能峰,漆继红,贾疏源,等.大岗山水电站坝区水化学特征及其在地下水系统研究中的应用[J].水电站设计,2007,23(1):74-79.

[2] 周鲲鹏,马金珠,魏国孝,等.酒泉—金塔盆地水化学特征及其演化规律[J].兰州大学学报(自然科学版),2009,45(1):31-36.

[3] 朱 蓉,楼章华,云 露,等.塔河油田奥陶系油藏开发动态与地层水化学特征响应[J].地质学报,2008,82(3):397-406.

[4] 刘志峰,林洪孝,许向君,等.西龙河峄山断层带水源地水化学特征及岩溶水的分析[J].环境化学,2007,26(3):8-9.

[5] 罗 翔.岩溶地区铁路车站隧道施工技术研究[J].山西建筑,2008,34(7):328-329.