某高風險巖溶隧道區域巖溶水化學特征分析

董貴春

1 概述

隨著我國西部交通建設的高速發展,西部巖溶山區隧道的建設也越來越多,在隧道建設中不可避免的會遇到各種各樣的不良地質災害,對隧道的建設帶來嚴重的影響。在巖溶山區最常見的不良地質災害之一就是各種各樣的溶洞,為保證隧道施工安全,最基本的是要從宏觀上了解隧道區域巖溶發育情況,推斷隧道不同段落所處巖組及其巖溶發育程度。巖溶發育規律表明,巖石的可溶性、巖石的滲透性、水的侵蝕性及水的運動性是巖溶作用發生的四項基本條件。其中水的侵蝕性與巖溶地下水的化學特征密切相關,巖溶地下水化學含量,作為伴隨水循環過程中水巖間理化、生物作用而形成的產物,對地下水補給來源、徑流途徑、所經歷的地球化學環境條件具有一定的指示意義,同時對巖溶的發育也起著非常重要的作用[1-4]。

2 隧道區域工程地質與水文地質

隧道地處構造侵蝕溶蝕低山～丘陵地貌單元,在大地構造位置上屬揚子準地臺(上)黃陵小區,位于燕山期構造運動產生的黃陵背斜南東翼,該背斜由核部晉寧花崗閃長巖～翼部震旦系、寒武系和白堊系地層組成的單斜構造,無次級褶皺發生。巖體中節理裂隙較發育,隧道依次穿越寒武系上統石牌組、天河板組、石龍洞及下統覃家廟組,巖層產狀130°∠13°。溝谷及局部緩坡地帶有零星第四系覆蓋層。區內地下水有第四系孔隙水、基巖裂隙水及巖溶水。其中巖溶水分布不均衡,局部水量較大,且具承壓性。上述幾種地下水均接受大氣降水的補給,呈季節性變化。

3 巖溶水化學特征

為計算分析巖溶水化學特征,共取得巖溶水相關的水樣15組進行了化學分析,這些樣品主要是區內巖溶水排泄點。

3.1 水化學類型

由取得的水樣分析得到該區域巖溶水的溶解性特征(見表1)。

表1 水的溶解性特征表

由表 1可知:區內水的化學類型除了 2個樣品外均為HCO3-Ca?Mg水,充分體現了區內地下水所處的以碳酸鹽巖地層為主的地質背景環境。水井窩樣品(9點)來自于由水井沱組碳質灰巖排泄的表層泉水,較為復雜的水井沱組礦物構成含量決定了其在區內比較特殊的水化學類型,而11點河水樣雖然是來自三游洞組表層帶巖溶泉水的補給,但由于存在鐵路施工的污染,也使其水化學類型發生改變。

3.2 水的溶解總固體/(TDS)和總硬度/(HB)

溶解總固體/(TDS)也稱礦化度,是水中所有溶解物質含量的總和,也是水巖作用結果的總體體現。一般在水化學類型較為簡單的碳酸鹽巖地區,總硬度的含量大小與溶解性總固體具有相近的變化特點。區內樣品溶解性總固體變化范圍較大,從462.68 mg/L～183.13 mg/L,相差在一倍以上。與水的化學類型變化一致,樣品9和樣品11其溶解性總固體均比較高,仙魚洞地下河的溶解性總固體也達到366.22 mg/L。分析原因主要有兩點:1)取樣時為流量較小的枯水期,水流相對緩慢,水巖作用時間充分;2)表明地下河具有較遠的補給來源。

從巖溶含水層方面看,雖然不同樣品所代表的地下河規模、補給面積等存在一定的差異,當石龍洞組巖溶水系統(潮水洞、響水洞、洞溝、燕子洞等)由于巖溶發育,水流相對通暢;覃家廟組巖溶水系統樣品泉水由于以小規模系統循環(小溪樣品),故水中溶解性總固體含量一般偏低。降水后巖溶地下水系統中快速流淡水的加入是使得水的溶解性總固體降低的直接原因。

3.3 方解石、白云石飽和指數

方解石、白云石飽和指數代表水對碳酸鹽巖的溶蝕能力。飽和指數越大說明其溶蝕能力越低,小于零時為非飽和,大于零表明過飽和。水的方解石、白云石飽和指數直接取決于水的pH值,見圖1,而在巖溶區,水的pH值主要取決于水中CO2分壓,隨著CO2分壓增加,水的溶蝕能力增強,而方解石、白云石飽和指數降低,見圖2。研究表明,水中CO2除部分來源于大氣外,更主要的是來源于表層土壤微生物新陳代謝等活動(一般土壤空氣CO2是大氣CO2的數倍到數十倍)。

表1中水的PCO2計算結果顯示,PCO2變化從2 769 Pa～44 Pa,方解石、白云石飽和指數也有非飽和和過飽和兩種狀態。方解石、白云石非飽和巖溶水主要是一定長時期未降水的4月16日樣品,水的 PCO2均在1 000 Pa以上,而到4月 17日開始有斷續降水后的樣品的PCO2均在1 000 Pa以下。這種水在降水后CO2分壓出現急劇下降的情況一般出現在存在巖溶管道流的地區,其原因在于降水后由于地下水中存在沒有與土壤CO2充分吸收的快速水量的補給,水中CO2稀釋,因此使得溶蝕能力降低。

潮水洞地下河在4月17日有斷續降水后有兩次取樣,其PCO2均在800 Pa左右,遠遠高出同期其他樣品的 PCO2(一般在500 Pa以下),說明其補給來源于土壤及植被較發育的漲水坪巖溶谷地及鳳凰坪一帶的補給,同時也存在枯水期高PCO2水的混合排泄,與巖溶水文地質條件分析的結果相一致。

4 結語

從水化學特征方面分析,本區與隧道相關的巖溶地下水存在以下特征:1)本區屬巖溶發育區,地下水同時存在以巖溶管道快速流系統和裂隙介質慢速流系統的兩種含水介質,對隧道施工安全具有一定威脅;2)從巖溶發育程度看,石龍洞組為區內巖溶最發育的含水層,施工中需要對該隧道天河板—石龍洞組段引起足夠重視。

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