淺析浙西隱伏巖溶區某高速隧道巖溶水文地質條件

龍森

摘 要：基于對浙西隱伏巖溶區某高速隧道地質背景條件的詳細調查，文章系統總結了研究區內的地形地貌、地層巖性和地質構造特點；對研究區的地下水類型及賦存條件，地下水補給、徑流、排泄條件等做出了分析；總結了研究區內的巖溶發育特點，計算了隧道的基本涌水量，并對隧道的巖溶問題進行了綜合分析。從而為該高速隧道的工程建設提供了可靠的地質依據，也進一步保障了該公路后期的科學設計和安全施工。

關鍵詞：隱伏巖溶；隧道；水文地質條件；巖溶

1 隧道概況

研究區隧道位于浙江省衢州市開化縣境內，隧道區域地形地質條件復雜，山嶺險峻，峰巒疊嶂。隧道設計為雙洞分離式公路隧道，全長3060米，右線設計長度3057米，左線設計長度3102米，洞身最大標高663m，洞口標高在189～220m左右，高差大。

2 隧道區基本地質條件

2.1 地形地貌

隧道位于懷玉山脈芹源嶺地區，屬低山地貌，整個隧道沿N72°E方向展布。其進口處山脊走向為N45°E，出口處山脊走向變為N 0°～25°E，山體最高點為高峰洞，標高664.5米，山脊兩側坡度陡，溝谷深切。

2.2 地層巖性

隧道區地處楊子準地臺東南部，屬江南地層區，隧道主體處出露地層為海相硅質巖和碳酸鹽巖沉積的寒武系上統華嚴寺組、中統楊柳崗組。下統荷塘組出露于隧道的北西向，上統西陽山組出露于隧道的東南向。

2.3 地質構造

研究區位于華夏系褶皺帶內，隧道區在石門背斜東南翼通過，石門背斜，軸線呈北東60-70°方向展布，核部地層為震旦系燈影組，兩翼地層為寒武系地層；受斷層破壞較大，寬約10km，長約4km，總體寬大于長，為短軸背斜；樞紐產狀240°∠20°。

隧址斷裂構造較發育，主要斷裂為F34，F35，F36，F37。其空間位置如圖1所示。其中F36、F37兩條張性斷層對隧道影響比F34、F35兩條壓性斷層大。

根據野外調查，受石門背斜及附近張性斷層影響，山頂處裂隙較發育，主要發育順層節理和傾向節理。實測一組順層節理寬10-15厘米，走向226°，約1米/條。

3 水文地質條件

3.1 地下水類型

隧道通過區主要地下水類型為碳酸鹽巖夾碎屑巖巖溶水、裂隙水，富水性弱，含水層巖性為寒武系中統楊柳崗組（？著2y）深灰色中薄層狀泥灰巖、白云質泥灰巖、條帶狀、餅狀灰巖，夾含炭硅質頁巖，上統華嚴寺組（？著3h）深灰色條帶狀灰巖夾餅狀灰巖，西陽山組（？著3x）深灰色中厚層狀泥灰巖、餅狀、瘤狀、條帶狀灰巖。巖溶發育一般，地下水賦存于巖溶裂隙中，富水性不均一，主要受構造及地貌控制。

3.2 補給、徑流、排泄特征

綜合來看，區內巖溶地下水主要接受大氣降雨補給。主要通過節理構造、溶蝕裂隙及極少數小型溶洞下滲補給地下水，由于隧道沿分水嶺方向展布，兩邊坡度大，水在自身重力的作用下，易于形成地表徑流，大氣降雨很大一部分無法有效補給地下水。

區內地下水徑流主要受地勢影響，總體上應為上圖所示四個方向，向山下徑流。又由于山頂處及山體北坡多出露巖層且順層節理及切層節理發育，在局部形成優勢通道，切層節理溝通多個層面，使得地下水滲流方向改變，在節理交匯處，運動更為頻繁。

本區地下水在山腳下以泉的形式轉化為地表水或是以潛流形式側向補給其他含水層，最終匯入池淮溪、龍山溪。

3.3 隧道區巖溶發育狀況

隧道區碳酸巖分布廣泛，寒武系除大陳嶺組外均可見露頭，隧道區主要穿過中統楊柳崗組和上統華嚴寺組。從地表調查來看，巖溶主要形式有溶紋、溶溝、溶槽等，在上寒武統含泥質條帶的泥晶灰巖中，由于差異性溶蝕作用，在斷面上見到魚鱗狀或波紋狀溶蝕溝紋。區內溶溝、溶槽等發育較淺。

溶蝕裂隙主要沿層面及一組與層面正交的節理面發育，外部寬度可達15cm，但溶隙規模受構造面控制，延展性有限，發育深度較淺，對大氣降雨的導入作用不甚明顯。

總體來說，野外調查表明芹源嶺地區地表溶蝕現象并不明顯，多為溶隙和順構造面方向的小溶洞，規模和深度都十分有限，唯一發現的一處大規模溶洞并不能說明該區域具備發育群發性大規模溶洞的條件。

3.4 涌水量計算

3.4.1 涌水量預測分段確定

根據隧道區段地下水補、徑、排特點及含水巖組富水性、巖溶發育特征，對隧道區進行分區段涌水量預測，各分段控制面積確定以1∶1萬地形圖為基礎，結合野外調查并考慮隧道區高程的影響程度而圈定。

3.4.2 涌水量預測方法選擇及參數選取

隧道涌水具有季節性變化，預測隧道涌水量時應分別計算正常涌水量與雨季最大涌水量值。涌水量預測正確性，主要取決對隧道充水條件的正確分析及計算參數和計算方法的合理選用。由于目前所獲取的本區水文地質資料有限，擬采取降水入滲系數法整體上預測涌水量。

降水入滲系數法：

Qy=ηQa=1000ηαAF/365

式中：a-入滲系數；η-涌水系數；A-年均降水量（mm）；F-各區段匯水面積（km2）；Qa-采用大氣降水滲入法計算的滲入補給量（m3/d）；Qy-采用大氣降水滲入法計算的涌水量（m3/d）。

區內降水量數據通過開化縣氣象資料獲取。對涌水系數來說，本區內含水巖層均為弱富水性，且巖溶水主要運移于巖溶裂隙中，η取值空間應在0.1到0.4之間。對入滲系數來說，以區域水文地質報告已有參數為基礎，同時參考各分區段入滲特征，確定最終參數取值。

3.4.3 涌水量計算

根據涌水量計算結果，隧道區年最大涌水量444.8573m3/d，年最小涌水量202.6685m3/d，年正常涌水量304.8472m3/d。按開化縣歷年監測的日最大降雨量預測，可能產生的最大涌水量為13007.1m3/d。endprint

4 隧道巖溶問題綜合分析

4.1 地層巖性對巖溶發育的控制

碳酸鹽巖是巖溶發育的物質基礎，碳酸鹽巖中的CaO含量越高時，則其可溶性就越強，反之，則越弱，即白云巖類、泥灰巖類、硅質泥質炭質石灰巖類巖溶發育較弱，純灰巖類則巖溶發育最強。從巖性角度來看，工作區上覆地層為寒武系華嚴寺組、楊柳崗組，本地區寒武系巖層總體特點是泥質含量較高，且碳酸鹽巖常與非碳酸鹽巖互層發育，因此從巖性基礎上分析，本區巖溶并不發育。從實際野外調查來看，除高峰洞附近出現一較大溶洞外，也未見有其他群發性大型溶洞或地下暗河存在。

4.2 地形地貌對匯水條件的控制

在不同地貌條件下，巖溶發育過程是不同的。因為巖溶發育在很大程度上受地表水和滲透條件的影響，而這兩者又常受地貌條件的影響，如地面坡度、切割密度和深度、水系分布等。因此，巖溶發育過程常和地貌發育過程聯系在一起。地面坡度的大小直接影響滲透量的大小。在比較平緩的地方，地面徑流流速緩慢，滲透量就較大，巖滾較發育。反之，地面坡度愈大，徑流流速愈快，滲透量就愈小，巖溶發育就較差。

從地形地貌來看，由于隧道穿過兩大流域分水嶺，地形坡度陡，使得補給區面積較小，徑流速度較快，不利于地下水補給。

4.3 地質構造與巖溶發育關系

從構造角度來看，主要影響在于張性節理發育且張開度較好，主要分為順層節理和傾向節理，其中順層節理發育占主導，為入滲提供了良好的通道，而傾向節理溝通了多個層面的順層節理，在其交匯地帶，地下水循環活躍，往往為巖溶較發育提供了有利條件，調查中高峰洞附近的溶洞就是地下水順著傾向節理垂直下滲，在順層節理面處發育的一個較大的溶洞，其規模大小與此處節理大小密切相關。

5 結束語

通過本次調查，基本查明了隧道區段的水文工程地質條件與巖溶發育特征，對隧道區巖溶水文地質條件有了如下基本結論：（1）受地層巖性及匯水條件影響，本區巖溶地貌不發育，主要以表面的溶痕為主。（2）本區巖溶發育規模主要受構造影響，特別是張性裂隙，區內唯一較大溶洞就是在構造影響下發育而成的。（3）通過初步估算計算，區內涌水量并不大，正常降雨條件下，豐水年也僅為445m3/d，按歷史最大日降雨量來算，則為13007m3/d，對隧道整體工程影響不大。

參考文獻

[1]徐曉青.浙西北高速公路隱伏巖溶區巖溶發育特征及巖溶塌陷易發性指標體系研究[D].中國地質大學碩士學位論文，2012.

[2]袁道先.中國巖溶學[M]. 北京：地質出版社，1993.

[3]中國科學院地質研究所巖溶研究組.中國巖溶研究[M].北京：科學山版社，1979.

[4]羅明明.浙西北巖溶發育及分布特征探討[D].中國地質大學學士學位論文，2012.

[5]張人權，梁杏，靳孟貴，等.水文地質學基礎（第六版）[M]. 北京：地質出版社，2011.

[6]Andreas M， Franko JM.Identification of a karst system's intrinsic hydrodynamic parameters： upscaling from single springs to the whole aquifer， Environ Earth Sci（2012） 65：2377-2389

[7]Geyer T， Birk S， Liedl R， Sauter M （2008） Quantification of temporal distribution of recharge in karst systems from spring hydrographs. J Hydrol 348：452-463.endprint

4 隧道巖溶問題綜合分析

4.1 地層巖性對巖溶發育的控制

碳酸鹽巖是巖溶發育的物質基礎，碳酸鹽巖中的CaO含量越高時，則其可溶性就越強，反之，則越弱，即白云巖類、泥灰巖類、硅質泥質炭質石灰巖類巖溶發育較弱，純灰巖類則巖溶發育最強。從巖性角度來看，工作區上覆地層為寒武系華嚴寺組、楊柳崗組，本地區寒武系巖層總體特點是泥質含量較高，且碳酸鹽巖常與非碳酸鹽巖互層發育，因此從巖性基礎上分析，本區巖溶并不發育。從實際野外調查來看，除高峰洞附近出現一較大溶洞外，也未見有其他群發性大型溶洞或地下暗河存在。

4.2 地形地貌對匯水條件的控制

在不同地貌條件下，巖溶發育過程是不同的。因為巖溶發育在很大程度上受地表水和滲透條件的影響，而這兩者又常受地貌條件的影響，如地面坡度、切割密度和深度、水系分布等。因此，巖溶發育過程常和地貌發育過程聯系在一起。地面坡度的大小直接影響滲透量的大小。在比較平緩的地方，地面徑流流速緩慢，滲透量就較大，巖滾較發育。反之，地面坡度愈大，徑流流速愈快，滲透量就愈小，巖溶發育就較差。

從地形地貌來看，由于隧道穿過兩大流域分水嶺，地形坡度陡，使得補給區面積較小，徑流速度較快，不利于地下水補給。

4.3 地質構造與巖溶發育關系

從構造角度來看，主要影響在于張性節理發育且張開度較好，主要分為順層節理和傾向節理，其中順層節理發育占主導，為入滲提供了良好的通道，而傾向節理溝通了多個層面的順層節理，在其交匯地帶，地下水循環活躍，往往為巖溶較發育提供了有利條件，調查中高峰洞附近的溶洞就是地下水順著傾向節理垂直下滲，在順層節理面處發育的一個較大的溶洞，其規模大小與此處節理大小密切相關。

5 結束語

通過本次調查，基本查明了隧道區段的水文工程地質條件與巖溶發育特征，對隧道區巖溶水文地質條件有了如下基本結論：（1）受地層巖性及匯水條件影響，本區巖溶地貌不發育，主要以表面的溶痕為主。（2）本區巖溶發育規模主要受構造影響，特別是張性裂隙，區內唯一較大溶洞就是在構造影響下發育而成的。（3）通過初步估算計算，區內涌水量并不大，正常降雨條件下，豐水年也僅為445m3/d，按歷史最大日降雨量來算，則為13007m3/d，對隧道整體工程影響不大。

參考文獻

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[7]Geyer T， Birk S， Liedl R， Sauter M （2008） Quantification of temporal distribution of recharge in karst systems from spring hydrographs. J Hydrol 348：452-463.endprint

4 隧道巖溶問題綜合分析

4.1 地層巖性對巖溶發育的控制

碳酸鹽巖是巖溶發育的物質基礎，碳酸鹽巖中的CaO含量越高時，則其可溶性就越強，反之，則越弱，即白云巖類、泥灰巖類、硅質泥質炭質石灰巖類巖溶發育較弱，純灰巖類則巖溶發育最強。從巖性角度來看，工作區上覆地層為寒武系華嚴寺組、楊柳崗組，本地區寒武系巖層總體特點是泥質含量較高，且碳酸鹽巖常與非碳酸鹽巖互層發育，因此從巖性基礎上分析，本區巖溶并不發育。從實際野外調查來看，除高峰洞附近出現一較大溶洞外，也未見有其他群發性大型溶洞或地下暗河存在。

4.2 地形地貌對匯水條件的控制

在不同地貌條件下，巖溶發育過程是不同的。因為巖溶發育在很大程度上受地表水和滲透條件的影響，而這兩者又常受地貌條件的影響，如地面坡度、切割密度和深度、水系分布等。因此，巖溶發育過程常和地貌發育過程聯系在一起。地面坡度的大小直接影響滲透量的大小。在比較平緩的地方，地面徑流流速緩慢，滲透量就較大，巖滾較發育。反之，地面坡度愈大，徑流流速愈快，滲透量就愈小，巖溶發育就較差。

從地形地貌來看，由于隧道穿過兩大流域分水嶺，地形坡度陡，使得補給區面積較小，徑流速度較快，不利于地下水補給。

4.3 地質構造與巖溶發育關系

從構造角度來看，主要影響在于張性節理發育且張開度較好，主要分為順層節理和傾向節理，其中順層節理發育占主導，為入滲提供了良好的通道，而傾向節理溝通了多個層面的順層節理，在其交匯地帶，地下水循環活躍，往往為巖溶較發育提供了有利條件，調查中高峰洞附近的溶洞就是地下水順著傾向節理垂直下滲，在順層節理面處發育的一個較大的溶洞，其規模大小與此處節理大小密切相關。

5 結束語

通過本次調查，基本查明了隧道區段的水文工程地質條件與巖溶發育特征，對隧道區巖溶水文地質條件有了如下基本結論：（1）受地層巖性及匯水條件影響，本區巖溶地貌不發育，主要以表面的溶痕為主。（2）本區巖溶發育規模主要受構造影響，特別是張性裂隙，區內唯一較大溶洞就是在構造影響下發育而成的。（3）通過初步估算計算，區內涌水量并不大，正常降雨條件下，豐水年也僅為445m3/d，按歷史最大日降雨量來算，則為13007m3/d，對隧道整體工程影響不大。

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