濟南至萊蕪高速鐵路建設對濟南泉群的影響分析

王茂靖 吳 洋

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

1 工程概述

1.1 濟南至萊蕪高速鐵路工程概況

濟南至萊蕪高速鐵路(簡稱濟萊高速鐵路)位于山東省中部，線路長116 km，設計速度350 km/h。西端連接濟濱、濟青高速鐵路，南端延伸至魯南高鐵，是山東省高速鐵路的重要組成部分。鐵路沿線設置濟南東、港溝、章丘南、雪野、萊蕪北、鋼城6個車站，橋梁53座(48.001 km)，隧道25座(43.0 km)。鐵路全線橋隧占比79.16%，較長的橋有濟南東特大橋(7 765 m)和港溝站特大橋(4 170 m)，較長的隧道有馬家莊隧道(3 021 m)、寨山隧道(4 812 m)和南山寨隧道(4 790 m)[1]。

1.2 濟南泉群概況

濟南市以泉水眾多聞名于世，轄區內共有泉水645處。根據濟南泉域的界線范圍，結合濟萊高速鐵路推薦線路方案，濟萊高速鐵路濟南段全部位于白泉泉域內[2-3]。

為減少濟萊高速鐵路建設對濟南泉群的影響，在線路方案研究階段，設計人員首先開展了巖溶水專題研究，基本查明了濟萊高速鐵路通過地段的巖溶、巖溶水的發育特征、巖溶水的補、徑、排條件；其次，分析了鐵路工程對濟南泉群的補、徑、排條件及環境水文工程地質的影響，穩定了線路方案；最后，通過設置合理的鐵路工程，避免了濟萊高速鐵路建設對濟南泉群的影響。

2 自然地理特征

2.1 氣候特征

高速鐵路線路通過濟南市、萊蕪市，屬暖溫帶大陸性濕潤、半濕潤季風氣候，光照充足，四季分明。春季干旱多風，夏季高溫多雨，秋季天高氣爽，冬季干冷少雪，主要氣象指標如表1所示。

表1 主要氣象指標一覽表

2.2 地形地貌

濟萊高速鐵路經過魯中隆起區、泰萊凹陷東側外緣，北部地勢平坦開闊，中部地勢起伏較大，南部萊蕪境內地勢略有起伏。沿線地貌單元分為北部山前傾斜平原區、中部低山丘陵區和南部剝蝕丘陵區，如圖1所示。

圖1 濟萊高速鐵路沿線地貌分區圖

(1)山前傾斜平原區(D4K 2+215.11～DK 16+500)

山前傾斜平原區圍繞山地前緣，呈放射狀分布，總體地勢南高北低，地面坡度一般0°～5°，個別地段 5°～10°。該區域地面標高27～55 m。山地前緣地帶沖溝發育，自東向西分布有眾多剝蝕殘丘，地形變化較大。

北部山前平原地形略微起伏，地勢平坦開闊。濟南市位于此地貌單元內，來自中部山地丘陵區的巖溶地下水在此受阻于覆蓋土下的花崗巖巖體，沿第四系覆蓋土以上升泉群的形式涌出。

(2)丘陵及低山區(DK 16+500～DK 78+500)

丘陵及低山區主要分布在濟南市南部，其中萊蕪市北部、東北部，丘陵區地面標高一般小于200 m，切割深度50 m左右，屬剝蝕堆積區；山體多呈渾圓狀，溝谷發育，形態多為“U”字型。低山區海拔 200～500 m，山體多陡峻尖峭，坡角一般為 15°～40°。

(3)剝蝕丘陵區(DK 78+500～DK 117+875)

剝蝕丘陵區主要分布于萊蕪市東部、東南部和泰萊凹陷東緣，海拔一般小于300 m，渾圓狀，溝谷發育，形態多為“U”字型，坡角一般為6°～15°，地表風化、水土流失較嚴重。

2.3 水文條件

位于線路中部近東西走向的泰山山脈的長城嶺為區域地表水分水嶺，也是區域內巖溶地下水的分水嶺，如圖2所示。

圖2 鐵路沿線地表水系略圖

長城嶺以北屬于小清河水系，以南屬于汶河水系。小清河是山東省主要河流之一，位于黃河之南，發源于濟南西郊的睦里村，向東北方向徑流，至壽光縣羊角溝入萊州灣，主要河流為西巴漏河、巨野河、龍脊河、通天河、港溝河。

汶河發源于山東旋崮山北麓沂源縣境內，匯泰山山脈、蒙山支脈諸水，自東向西流經萊蕪、新泰、泰安、肥城、寧陽、汶上、東平等地匯注東平湖，出陳山口后入黃河，主要河流為瀛汶河、方下河、牟汶河、盤龍河、辛莊河等。

本文討論的濟南段巖溶地下水主要指長城嶺以北地段。

3 濟南段水文地質條件

濟萊高速鐵路沿線沉積巖、火成巖均有出露，平原及溝谷普遍覆蓋第四系覆土。可溶巖分布廣泛，年代以寒武系至奧陶系為主，巖性為灰巖、白云巖、泥質白云巖、泥灰巖、頁巖夾灰巖等，全長57.263 km，占全線的49.39%。本文討論的濟南段主要巖性以灰巖、白云巖可溶巖為主，間夾砂泥巖、煤系地層。此外，濟南市北部地區下伏燕山期侵入的輝長巖體，又稱濟南巖體。

3.1 主要含水巖組

濟南段巖溶含水巖組由寒武-奧陶系九龍群張夏組(∈2jz)、炒米店組(∈3jc)、三山子組(O1js)及馬家溝群東黃山組(O1md)、北庵莊組(O1mb)、土峪組(O1mt)、五陽山組(O1mw)、閣莊組(O2mg)、八陡組地層(O2mb)組成，可將其劃分為以下3個含水巖組：

(1)九龍群炒米店組至馬家溝群巖溶含水巖組

九龍群炒米店組至馬家溝群八陡組巖性為厚層純灰巖、灰質白云巖、白云質灰巖、白云巖和泥質灰巖，分布于線路區域北部，為低山丘陵區，山谷多為“U”形谷，地表構造裂隙、巖溶發育，彼此連通，導水性強，有利于地下水的補給、逕流和富集，形成具有統一水面的含水體。但因分布位置及構造、地形、埋藏條件的影響其富水性相差十分懸殊。

低山丘陵區灰巖直接裸露地表，有利大氣降水的滲入補給，為巖溶地下水的補給徑流區，單井出水量一般小于100 m3/d。在地形、構造及地表水補給有利的條件處，單井涌水量大于500 m3/d。地下水位埋深50～100 m，局部地區甚至大于100 m。水位年變幅為 20～50 m。

丘陵及部分島狀山分布區，含水層主要為奧陶系馬家溝群灰巖，部分裸露，部分隱伏在10～20 m的第四系松散層之下，呈帶狀北東南西向分布，淺部巖溶以溶孔、溶穴、巖溶漏斗、落水洞等形式存在，此帶形成了巖溶水的多個滲漏帶或河流的顯著滲漏段。接受大氣降水補給及上覆松散巖類孔隙水的滲入補給，局部接受地表水的補給，富水性中等，單井出水量500～1 000 m3/d，局部由于構造控制水，單井出水量可大于 1 000 m3/d。

山前傾斜平原及單斜構造前緣，含水層為奧陶系馬家溝群灰巖，部分隱伏于第四系松散層以下，部分被輝長巖體、石炭系碎屑巖覆蓋，頂板埋深一般小于 400 m。巖溶以溶孔、溶穴、大小溶洞為主。地下水儲存于裂隙溶洞中，滲透系數一般大于50 m/d。濟南市東郊、明水一帶鉆孔單井出水量 3 000～5 000 m3/d，局部地區大于 10 000 m3/d。在楊家屯—濟鋼—武家莊—黃土崖—章丘市區—賀套莊一帶形成巖溶水富水區，水位埋深一般小于10 m，局部地區自流，水位動態穩定，年變幅小于10 m，單井涌水量一般大于 5 000 m3/d，成井條件好，可形成大型巖溶水集中供水水源地。

裂隙巖溶含水巖組前沿，地下水在循環過程中或受灰綠巖體阻擋，或受到石炭系碎屑巖阻擋，在地勢有利位置，或因為巖溶特別發育，或因為斷裂構造產生的通道，形成大型巖溶泉群白泉泉群，百脈泉泉群。

(2)九龍群張夏組巖溶含水巖組

九龍群張夏組巖溶含水巖組呈不連續的東西條帶狀分布于南部山區，地貌上多為低山，河谷多為“V”型谷，巖性為中厚層鮞狀灰巖夾頁巖。張夏組鮞狀灰巖因其頂部為崮山組頁巖、底部為饅頭組頁巖所隔，形成獨立含水層。

在南部，張夏組鮞狀灰巖裸露地表，以北隱伏于地下；章丘南部山區分布在分水嶺兩側，含水層頂、底板分別為具有相對隔水作用的崮山組、饅頭組頁巖。灰巖頂部及底部巖溶發育，富水性中等，裸露區單井涌水量小于100 m3/d，水位埋深及水位動態變化較大，埋深數米至數十米，如崔馬村2011年枯水期水位埋深42.53 m，豐水期為18.37 m，地下水水位年變幅達24.16 m；隱伏區單井涌水量500～1 000 m3/d。在南部北沙河、玉符河、巨野河兩岸及構造與地形有利地段、富水性增強，單井涌水量可大于 1 000 m3/d，且局部承壓自流，具有供水意義。

張夏組灰巖中部夾數層頁巖，其底部為饅頭組頁巖，地下水在循環過程中容易受到阻擋而溢出成泉。泉水一般為下降泉，流量較小，且層位較高；但在張夏灰巖隱伏區的低洼地段也可形成流量較大的上升泉群，如位于濟南市歷城區柳埠的玉河泉、玉泉泉群和長清萬德靈巖寺的袈裟泉群。

(3)碳酸鹽巖夾碎屑巖裂隙—巖溶含水巖組

該含水巖組由寒武系長清群朱砂洞組(∈1zd)及九龍群崮山組(∈3jg)的薄層灰巖組成，含水層灰巖與頁巖成夾層或互層，故巖溶裂隙不發育，富水差，單井出水量一般小于100 m3/d。在構造、地形適宜的地段，單井出水量也可達100～500 m3/d。該含水巖層分布的地勢一般較高，且有頁巖隔水，相互無水力聯系，地下水無統一水面。在溝谷切割或構造的控制下，往往出現階梯水位。地下水流向受地層傾向及地形坡度控制。地下水水位埋深變化很大，一般為5～10 m，局部由于構造影響而自流。

3.2 水文地質單元劃分

濟萊高速鐵路位于魯中隆起區，該隆起區總體上是一個以新太古代泰山巖群為基底，以古生代地層為主體的向北傾斜的單斜構造。單斜構造單元中發育多組斷裂構造，將其分割成相對獨立的單斜斷塊。結合濟萊高鐵濟南段沉積環境、可溶巖地層分布、巖性組合特征和空間展布、地下水補徑排條件以及地質構造因素，濟南段可劃分為一個單獨的水文地質單元—郭店單斜水文地質單元(白泉巖溶水系統)。

濟萊高速鐵路濟南段(DK 0+000～DK 55+500)位于郭店單斜巖溶水文地質單元，單元內出露地層主要為∈—O 地層，在北段山前平原區為第四系覆蓋。寒武系炒米店、三山子組及奧陶系馬家溝群為富水性強～中的可溶巖；張夏組、崮山為富水性中～弱的碎屑巖、碳酸鹽巖互層巖組；饅頭組為富水性弱的以泥巖、頁巖為主的地層。

白泉泉域巖溶水單元東邊界為文祖斷裂，西邊界為東塢斷裂，南邊界為地表、地下分水嶺，西部為晚太古代以花崗巖為主的侵入巖及變質巖，東部為寒武系碳酸鹽巖夾碎屑巖；北邊界為碳酸鹽巖與石炭系煤系地層接觸帶，以灰巖頂板埋深400～500 m為界線，總面積731.38 km2，其中西南分水嶺區晚太古代侵入巖及變質巖分布區面積41.82 km2，寒武系碳酸鹽巖夾碎屑巖分布區面積205.20 km2，北部奧陶系碳酸鹽巖裸露和隱伏區面積394.76 km2，東北條帶狀奧陶系灰巖被石炭系覆蓋區面積89.60 km2。系統東邊界文祖斷裂為阻水斷裂，形成隔水邊界，西邊界東塢斷裂在義和莊以北段具有一定透水性，在自然狀態下，與濟南市區巖溶水子系統不發生水力聯系，在強烈的人工干預下，可發生一定水力聯系，產生水量交換；碳酸鹽巖深埋于石炭-二疊系碎屑巖之下，向北產生較緩慢的深循環，在斷裂帶或燕山期侵入巖體附近形成淺部地熱異常。

單元內部地層受到港溝斷裂、孫村斷裂、曹范斷裂等北北西和北北東向斷裂的切割，斷塊之間在平面上產生平推；總體來看，斷層西側地層北移、地層老，東側地層新，其結果增大了斷塊內奧陶系灰巖的范圍，增強了含水層的導水性和儲水空間，使得奧陶系灰巖與石炭-二疊系碎屑巖的接觸帶拉長并呈北西向展布。

3.3 濟南段泉水分布及其形成

濟南段主要位于郭店單斜水文地質單元，該單元內集中出露兩大巖溶泉群，一是白泉泉群，二是玉河泉泉群。

3.3.1 白泉泉群

在白泉泉群核心保護區內出露的有白泉、冷泉、惠泉、漂泉、團泉、李家泉、漫泉、張家泉、唐家泉、麻泉、葫蘆頭泉、灰泉、柳葉泉、草泉、當道泉共15處泉。

白泉泉群的成因主要是巖溶地下水在南部山區接受補給后，向北沿可溶巖層間流動，在濟南山前平原地帶第四系覆土下受到阻水斷裂、二疊系砂泥巖及燕山期侵入輝綠巖體阻隔，在平原區形成豐富的高壓巖溶水，高壓巖溶水向上頂托補給第四系土層，形成系列白泉泉群及特有的濕地景觀，如圖3所示。

圖3 白家泉群形成機理示意圖

3.3.2 玉河泉泉群

泉群內有玉河泉、淌豆泉、玉漏泉、東流泉、老玉河泉、響呼嚕泉、東泉、黃路泉、豬拱泉、虎門泉、忠泉、響泉、黃歇泉、盧井泉、義和泉、黑虎泉等泉點，均為下降泉。

玉泉河泉群為寒武系張夏組含水巖組，上下為饅頭組、上統崮山組頁巖夾薄層或中層灰巖裂隙-溶隙含水巖組。寒武系中統張夏組鮞狀石灰巖，厚度較大，巖溶發育，故其富水性較好，除接受大氣降水補給外，還接受地表河流補給。由于其頂部和底部分別受上統崮山組和饅頭組頁巖的阻隔，地下水一部分受構造和地形的影響呈裂隙下降泉出流，另一部分地下水向深部運動，通過斷裂及裂隙補給奧陶系裂隙巖溶水，如 圖4 所示。

3.4 濟南泉群補、徑、排條件

大氣降水入滲和小清河水系各條河流沿途滲漏是巖溶水的主要補給來源，南部山區地形切割嚴重、灰巖裸露，溝谷和地表巖溶發育，有利于地表水的入滲，地表水、地下水流向與地層傾向基本一致，這些都是巖溶水形成、徑流的有利條件。單元內有多條河流，西巴漏河、巨野河、港溝河等均發育于分水嶺一帶的泰山群地層，流經寒武-奧陶系地層。河流中下游河床碳酸鹽巖裸露或第四系厚度較薄，河水滲漏嚴重，多數在枯水季節成為干谷。建于港溝河上游的狼貓山水庫，庫區位于奧陶系灰巖之上，水庫水滲漏成為巖溶水的補給來源之一。尤其是在枯水季節，對巖溶水產生持續補給，巖溶水總補給資源量33×104～35×104m3/d。

郭店水文地質單元北部西側有濟南侵入巖體、東側有石炭-二疊系碎屑巖等隔水地層阻擋，巖溶水在南部山區接受補給后，沿地層傾向和地勢由南向北徑流至此，由于受到東塢斷裂、濟南巖體、石炭-二疊系碎屑巖的阻擋，形成高水頭富水區；受阻的巖溶地下水，沿斷裂帶裂隙巖溶通道上升，溢出地表，進入第四系，使第四系孔隙水水位上升，形成濕地，在低洼地帶溢出地表，形成白泉泉群。

此外，巖溶水在徑流過程中，局部受地形切割、砂泥巖地層阻隔，也會在徑流過程中呈下降泉排泄，如玉泉河泉群就是寒武系張夏組灰巖中地下水受阻于崮山組和饅頭組泥頁巖阻隔或局部地形切割形成的數量眾多的下降泉群。

自然狀態下，巖溶水部分通過白泉泉群、玉泉河泉群排泄、部分頂托補給第四系孔隙水。目前，巖溶水排泄方式包括泉水排泄、頂托排泄和人工開采排泄。八、九十年代，隨著濟南市工業快速發展，大量開采地下水。白泉泉群一度斷流。后來濟南東郊東聯供水工程的實施，減少了大型企業自備水源地對巖溶水的開采，從2003年開始，白泉泉群部分泉開始出流，濕地逐漸得到恢復。

巖溶水補給徑流區，地下水位隨季節變化明顯，升降幅度較大，一般為10～30 m。山前排泄區水位變化幅度小，一般為5～10 m。

4 沿線工程對濟南泉群的影響分析

濟南泉城名揚天下，濟萊高速鐵路北西南東走向，全線穿越濟南泉群之白泉、玉泉河泉群的排泄、徑流、補給區，為盡可能減少鐵路建設對濟南泉群的影響，在鐵路建設前期作了多個方案比選，采用“繞避、抬高、靠河、接近、人字坡”[4]等巖溶地區線路方案選擇及工程設置原則對濟萊高速鐵路濟南段線路方案及工程設置進行了大量比選及優化，盡可能減少了工程建設對泉群的干擾和影響，如在排泄區，繞避了有影響的歷史名泉，南部山區補給區盡可能抬高線路、隧道標高，使隧道工程位于巖溶地下水垂直滲流帶內，不影響補給區巖溶地下水的流向及流量[5]。

盡管作了大量比選優化工作，但線路還是近接通過了白泉、玉泉河泉群，考慮到泉域補給區內存在大量隧道工程，分析了其對濟南泉群的影響。

4.1 對白泉泉群影響

濟萊高速鐵路通過白泉泉域的間接補給區、直接補給區、匯集排泄區主要以路基工程和橋梁工程為主，如圖5所示。

圖5 沿線路走向的濟南白泉泉群巖溶水補徑排剖面圖

在間接補給區，站場硬化面對補給區的降雨入滲量存在一定影響。路基、橋梁、隧道對降雨入滲量影響微弱；擬建鐵路建設對間接補給區徑流通道的影響輕微。

在直接補給區，樁基施工對直接補給區地下水徑流影響較小。

在匯集排泄區，擬建鐵路距離白泉最近約250 m，據最近泉點惠泉約80 m，距離規劃濕地公園110 m；工程建設對巖溶水水量無影響，對第四系松散巖類孔隙水的徑流通道有一定影響，應采取措施消除影響；工程建設對泉水水質有一定影響，在工程施工期，應加強管理，處理好污染源。

綜上所述，線路建設對白泉泉域的補給影響不大，對白泉泉群的影響較小。

4.2 對玉泉河泉群影響

濟萊高速鐵路主要以路基工程和橋梁工程穿越玉河泉泉群流域，長度約9 km。玉河泉群泉點眾多，泉域含水層為張夏組灰巖，巖溶地下水徑流過程中受阻于含水層上下泥頁巖阻隔，在地形低洼處形成大量下降泉。

線路以橋梁的形式進入玉河泉泉域的最北側，含水層隱伏于第四系下，線路建設對玉河泉泉域中的泉水流量影響小。

位于線路以南的獨立小泉點，線路建設對其無影響。位于線路以北的個別獨立小泉點，線路以隧道穿越其泉域范圍，隧道建設對其補給徑流有一定影響，然而，隧道建設一般不會完全破壞頁巖的隔水層，因此對其影響較小。

4.3 線路通過補給區對白泉、玉河泉群影響分析

南部山區大量出露可溶巖地層，是巖溶地下水重要補給區，然而濟萊高速鐵路走向必須通過南部山區，如果不充分認識、認真比選，鐵路工程建設勢必會嚴重影響濟南泉群。鐵路工程主要為橋梁、路基及隧道工程，橋梁樁基施工、路基工程施工對巖溶地下水存在短暫水質影響，不會產生長期不可逆的水量及地下水徑流途徑影響，進而也不會對白泉、玉河泉群產生嚴重影響。

南部山區地形高低起伏，隧道工程必不可少。一般來講隧道工程設置標高過低，隧道工程建設就會截斷地下水，引起地下水徑流途徑改變，進而減少泉水流量甚至使泉水消失。為盡可能減少隧道工程建設對濟南泉群影響，在線路方案優化及比選階段盡可能抬高了線路標高，使隧道工程位于巖溶地下水水平徑流帶之上，這樣保證了鐵路工程建設不會對白泉泉群和玉泉河泉群產生實質性影響。巖溶隧道與巖溶水關系如表2所示。

5 結束語

濟萊高速鐵路濟南段主要通過白泉和玉河泉泉群流域，在泉群出露區及徑流地段，線路以橋梁、路基工程通過，局部樁基施工可能對巖溶泉水水質存在短暫影響，長期來看對泉水基本無影響。南部山區可溶巖大量出露，廣泛接受大氣降雨及地表溪流補給，鐵路工程以眾多隧道工程通過補給山區。為防治隧道建設截斷巖溶地下水徑流，減少對白泉和玉泉河泉群影響，線路盡可能抬高爬升，隧道工程處于巖溶水垂直滲流帶內。除局部對山區部分小型泉點有影響外，對于出露于排泄區的白泉、徑流區的玉河泉泉群基本無影響。