溫泉地區(qū)修建鐵路隧道地下水影響評估

韓興廣

(中國鐵路設(shè)計集團(tuán)有限公司，天津 300142)

鐵路隧道建設(shè)一般僅在施工期間影響局部地下水的水質(zhì)和水量，不改變區(qū)域地下水的補(bǔ)、徑、排特征。隧道建成后，原有的地下水補(bǔ)、徑、排狀態(tài)將逐漸恢復(fù)，隧道運營后對地下水的影響很小。對于溫泉地區(qū)，這樣的簡單判斷往往顯得證據(jù)不足，需要進(jìn)行定量化評價。

某鐵路以隧道形式通過三門峽市陜州區(qū)溫塘溫泉區(qū)。隧道正線全長約4.8 km，設(shè)計隧底高程400～428 m，平均底板高程約為425 m，隧道最大埋深159 m，最小埋深10 m。洞身范圍內(nèi)主要地層：上為第四系上更新統(tǒng)新黃土，下為新近系粉質(zhì)黏土和古近系砂巖、泥巖。

隧道聯(lián)絡(luò)線全長約3.9 km，設(shè)計隧底高程為398～404 m，最大埋深156 m，最小埋深3 m。洞身范圍內(nèi)主要地層為第四系上更新統(tǒng)新黃土，新近系粉質(zhì)黏土，古近系砂巖、泥巖，寒武系灰?guī)r。

雖然隧道設(shè)計高程在溫泉水位線之上，但在平面上進(jìn)入了地?zé)釡厝拈_發(fā)利用規(guī)劃區(qū)(見圖1)，需評估鐵路擬建隧道對地下水的影響。

圖1 評估工作區(qū)范圍示意

1 地貌特征

三門峽市陜州區(qū)地處華北地臺南緣與華熊構(gòu)造帶、靈陜斷陷盆地交界地帶，地勢南高北低。西北部為黃河沖洪積平原和黃土臺塬，地表被黃土或黃土狀土覆蓋；南部及中部為低山、中山區(qū)；東北部、東南部為剝蝕丘陵，主要由黃土塬、黃土梁峁、黃河三級階地和二級階地構(gòu)成( 見圖2)。

圖2 區(qū)域地貌

2 地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

2.1 地層巖性

評估范圍大部分被新生界地層覆蓋，局部出露寒武系中統(tǒng)、元古界地層。主要巖性自下而上為：元古界雜色頁巖夾石英砂巖、硅質(zhì)灰?guī)r；寒武系中統(tǒng)張夏組鮞狀灰?guī)r、白云巖；古近系含礫砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、細(xì)砂巖夾薄層泥灰?guī)r；新近系黏土、粉質(zhì)黏土夾鈣質(zhì)結(jié)核、砂礫巖等；表層覆蓋第四系新黃土。

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

研究區(qū)受幾條主要斷層切割，形成了一個相對圈閉的構(gòu)造單元(見圖3)。

(1)溫塘斷裂(F1)

走向大致為NE50°，傾向NW，傾角55°～70°，破碎帶寬50～70 m。該斷裂為正斷層，斷層帶內(nèi)多為斷層角礫。斷裂南側(cè)灰?guī)r十分破碎，且有較多方解石脈穿插，判斷該斷裂后期受壓性及壓扭性作用，造成NW盤下降，SE盤上升，斷距大于3 000 m，兩側(cè)次級斷裂發(fā)育。該斷裂為溫泉的控?zé)釘嗔选?/p>

(2)溫水溝斷裂(F2)

為溫塘斷裂的次級斷裂，溫水溝溫泉出露于該斷裂與溫塘斷裂的南側(cè)，沿溫水溝分布。走向NW，傾向SW，傾角60°，破碎帶寬50～60 m，斷裂帶附近小的次級斷裂、裂隙發(fā)育，推測為二級儲熱、導(dǎo)熱斷裂。

(3)溫塘-張茅斷裂(F4)

近東西向展布，傾向北，有一定的傾斜度，切割深度在3 km以下，屬基底斷裂，顯示為張性正斷層的特征。

這幾條斷裂和高陽山南側(cè)斷裂F5、F6一起圈閉了一個相對完整的裸露灰?guī)r區(qū)熱儲構(gòu)造。

圖3 工作區(qū)地層巖性及地質(zhì)構(gòu)造

3 溫泉成因及熱儲構(gòu)造

3.1 溫泉成因

溫塘溫泉位于汾渭地塹的南沿，溫塘深斷裂帶上，呈東西向沿斷裂帶延伸。在主斷裂帶(F1)附近，發(fā)育有垂直于主斷裂的次級斷裂(如溫水溝斷裂)，北部為新生界黏性土、砂層為主的松散堆積物，南部為太古界及古生界石英巖、灰?guī)r等，節(jié)理裂隙發(fā)育，構(gòu)成了控?zé)帷針?gòu)造體系，在溫塘村附近形成近橢圓形的地?zé)岙惓７植紖^(qū)。根據(jù)溫泉形成的地質(zhì)構(gòu)造背景，斷裂帶及以南的區(qū)域次級構(gòu)造及節(jié)理裂隙發(fā)育，導(dǎo)水、導(dǎo)熱性能較好。斷層北側(cè)為新生界的阻水層，南部山區(qū)及塬區(qū)匯集的大氣降水及地表水沿基巖斷裂、裂隙下滲，經(jīng)深循環(huán)加溫形成地?zé)崃黧w，在向北運移的過程中，至溫塘斷裂帶北側(cè)受阻而沿斷裂上涌，在溫塘村南側(cè)的溫水溝中溢出地表形成溫泉[1-3](見圖4)。

圖4 溫塘溫泉成因模式

3.2 熱儲構(gòu)造

溫塘溫泉的熱儲構(gòu)造由構(gòu)造破碎帶(脈狀或帶狀)熱儲、裸露灰?guī)r型熱儲(熱水罐)、松散混合型熱儲三部分組成(見圖5)。

圖5 溫塘溫泉熱儲類型分布

(1)構(gòu)造破碎帶脈狀(帶狀)熱儲

溫塘斷裂(靈寶-三門峽)是工作區(qū)主要的熱儲構(gòu)造之一，在壓力的作用下，深部熱能沿著深大斷裂的裂隙向上運移，造成地?zé)岙惓！Ｉ喜克Y源逐步滲透并吸收異常熱能，對流形成混合地?zé)崃黧w，通過外營力或人為活動的排泄通道進(jìn)行排泄。其特征為沿構(gòu)造呈帶狀分布，根據(jù)南北兩側(cè)泉水出露情況估算，斷裂帶寬度為100 m左右。開采井深一般為70～200 m，單井涌水量為1 920～2 400 m3/h，水溫63 ℃～70 ℃。

(2)裸露灰?guī)r型熱儲

高陽山裸露—淺埋藏寒武系灰?guī)r形成一個較為獨立的水文地質(zhì)單元。該區(qū)上無蓋層，下部是上元古界洛峪群的石英巖狀砂巖，為區(qū)域隔水基底。寒武系灰?guī)r為脆性巖層，構(gòu)造裂隙發(fā)育，地下水連通性好。其露天開放性使熱水上升和流動壓力減小，深部熱水上升到此后成為儲存場所(熱水罐)，天然狀態(tài)下，在斷裂交匯和位置低洼處出露成溫泉。

該類型熱儲構(gòu)造開采井深一般為300～400 m，單井涌水量為528～1 200 m3/d，水溫22 ℃～50 ℃。

(3)松散混合型熱儲

上部松散型層狀熱儲為新近系熱儲，熱儲層頂板埋深127～256 m，底板埋深627～900 m，巖性為新近系及第四系砂礫石、中細(xì)砂層，含水性差，熱儲溫度較低，該類型熱儲構(gòu)造開采井深一般為130～800 m，單井涌水量29～45 m3/h，水溫23.7 ℃～42 ℃；下部埋藏型灰?guī)r層狀熱儲為下古生界熱儲，埋藏深度約為900～1 700 m，巖性為寒武系中統(tǒng)張夏組鮞狀灰?guī)r，巖溶裂隙發(fā)育，單井涌水量為1 080～1 680 m3/d，水溫63 ℃～78 ℃。

其中，對溫泉水質(zhì)與水量影響最大的是構(gòu)造破碎帶脈狀(帶狀)熱儲。三種類型熱儲的補(bǔ)給均以沿斷裂帶的側(cè)向徑流和大氣降水為主，順斷層由西南向東北側(cè)沿帶狀、羽狀次級斷裂、節(jié)理裂隙面徑流；排泄以人工開采為主。圖6為地下水徑流示意。

圖6 地下水徑流

4 溫泉開采現(xiàn)狀

溫塘溫泉歷史悠久，有記載以來一直自流。上世紀(jì)60年代開始打井抽取地?zé)崴钜话?0～80 m，水溫58 ℃～61 ℃，單井出水量達(dá)50 m3/h。隨著開采量的增加，區(qū)域地下水位也在逐漸下降。2010年統(tǒng)計的開發(fā)利用量為6 423 m3/d，2016年已經(jīng)猛增到13 563 m3/d。地下水位也從2010年的356.5 m下降到2016年的349.65 m。截止到2016年，原來的356 m等水位線已經(jīng)降至340 m；且地下水位還在逐年下降。

根據(jù)2010年《河南省三門峽市陜州區(qū)溫塘地?zé)岬V泉水調(diào)查評價和開發(fā)利用保護(hù)規(guī)劃》，允許開采量不宜大于6 000 m3/d。

5 新建鐵路工程對溫泉的影響評估

裸露灰?guī)r型熱儲是指高陽山一帶寒武系灰?guī)r、白云巖出露或淺埋的區(qū)域(面積約2.6 km2)，聯(lián)絡(luò)線隧道有2 km從該區(qū)通過。該區(qū)處于黃土臺塬的邊緣，地形起伏大，落差明顯，地下熱水水位埋深大(可達(dá)200～300 m)，大氣降水多直接形成地表徑流，難以形成有效補(bǔ)給。參考已有資料，降水入滲系數(shù)α取0.05。

多年平均降水入滲補(bǔ)給量按下式計算

Pa=P0×α×S

(1)

式中：Pa——多年平均降水入滲補(bǔ)給量；

P0——多年平均降水量，陜縣一帶取0.556 m；

S——“裸露型”碳酸鹽巖分布區(qū)面積(取2.6 km2)。

計算得Pa=7.228×104m3

“裸露型”碳酸鹽巖分布區(qū)大氣降水對溫塘溫泉補(bǔ)給量不到總補(bǔ)給量的3.3%。考慮到隧道施工區(qū)面積不足“裸露型”碳酸鹽巖分布區(qū)面積的1%(隧道平面寬度11.2 m，灰?guī)r段線路長度2 073 m，面積約0.023 km2，不足2.6 km2的1%)，施工對溫塘溫泉補(bǔ)給量的影響小于溫泉總補(bǔ)給量的0.033%，且隧道高程為400 m左右，高于裸露型熱儲溫泉地下水位60～80 m，對溫泉水的排泄沒有影響。

正線隧道和聯(lián)絡(luò)線隧道小里程端2 km位于非碳酸鹽巖分布區(qū)，地層主要為古近系泥巖，夾少量砂巖，屬于貧水區(qū)。采用“達(dá)西公式”估算隧道經(jīng)過區(qū)地下水對溫塘溫泉的補(bǔ)給量為49.5 m3/d，僅占溫塘溫泉可采量6 000 m3/d[5]的0.825%，對經(jīng)過區(qū)的地下水影響小，對溫塘溫泉基本無影響。

由此可見，正線隧道及聯(lián)絡(luò)線隧道在建設(shè)和運營期對溫泉基本無影響或影響輕微。鐵路隧道的修建不會對當(dāng)?shù)氐臏厝Ｗo(hù)和開發(fā)帶來不利影響[6]。

6 結(jié)論和建議

(1)通過對當(dāng)?shù)販厝責(zé)岬男纬蓹C(jī)理和地質(zhì)條件的分析，有效地圈閉了地下水補(bǔ)給來源和熱儲構(gòu)造。

(2)結(jié)合隧道經(jīng)過區(qū)域，計算不同熱儲構(gòu)造對地下水的補(bǔ)給量占比，分析其對溫泉水量的貢獻(xiàn)。結(jié)合隧道設(shè)計高程和地下水位埋深的關(guān)系，認(rèn)為隧道修建對當(dāng)?shù)販厝谋Ｗo(hù)和開發(fā)基本無影響或影響輕微。