1、内蒙古某铁路隧道地下水条件评价摘要： 地下水条件评价是隧道设计施工的重要依据之一，也是开展隧道地下水风险评估的基础数据。本文结合某隧道工程地下水条件评价实践，对地下水条件评价进行了系统性的研究与论述。 Abstract:The evaluation of groundwater conditions for tunnel is one of the most important bases for the tunnel design, and it is the basic data for the risk assessment of the groundwater. The systema
2、tic research and discussion for the evaluation of groundwater conditions are adopted in the engineering practice of the railway tunnel investigation. 关键词：隧道地下水、水文地质条件 Key words: Tunnel Groundwater Evaluation of groundwater conditions 中图分类号：U45 文献标识码：A 1 引言 隧道地下水条件评价的目的是为隧道设计和施工方案的确定提供水文地质数据。综合工程地质、水
3、文地质条件，依据水化学、同位素测试结果，揭示地下水化学特征与补给循环模式；借鉴相关研究成果，利用多种方法进行隧道涌水量预测；分析隧道工程对周边地下水资源的影响。本文重点讨论了内蒙古某铁路隧道水文地质条件评价的工作过程及研究方法，作者希望对未来复杂地质条件下的隧道工程地质勘察及地下水条件评价具有一定的参考意义。 2 自然地理概况 该隧道位于内蒙古自治区赤峰市，设计为双线铁路隧道，全长12.8km。地处燕山余脉与阴山的交汇地带，是内蒙古高原向松辽平原的过渡地段，地貌属剥蚀中低山区。部分地段山体基岩裸露，植被稀疏。 隧道区为东亚中温带亚干旱大陆性季风气候区，终年干旱少雨，降水量多集中在 7-9 月份
4、，蒸发量远远大于降水量，夏季炎热，冬季严寒。历年平均降水 372mm，历年最大降水量 560mm。 3 地质条件 3.1 地层岩性 隧道进口为第四系上更新统风积新黄土；洞身范围经过的主要地层为二叠变质砂岩，燕山期晚期花岗岩及闪长玢岩，侏罗系细砂岩，二叠系变质砂岩；出口为二叠系砂岩。山涧沟谷底部多有第四系全新统冲洪积圆砾土、卵石土，缓坡分布上更新统坡洪积角砾土和风积新黄土。 3.2 地质构造 隧道区基底主要为二叠系变质砂岩，为一不对称褶皱，轴向北西向，向东扬起。晚二叠世末期，区域应力场表现为北东南西向挤压，使该区的沉积基底二叠系地层形成构造向斜（东高西低湖盆） ；三叠纪和侏罗纪早中期，由于构造抬
5、升，缺失了三叠系和中下侏罗统地层；燕山期火山喷发，导致侏罗系部分地层缺失。此为隧道区之盖层，为呈北东走向、倾向北西的单斜构造。由于地质历史上频繁的构造运动，隧道范围内发育 7 条较大的地质断裂，均为积压性断裂。 3.3 主要含水层与地下水补径排特征 隧道区域地下水以第四系孔隙水、基岩裂隙水为主，另存在少量碎屑岩孔隙水。在断层和不同岩层接触破碎带存在构造裂隙水。 区内地下水的补给、径流、排泄受地形地貌条件控制。基岩山区节理裂隙较为发育，降水入渗补给基岩裂隙水，除在流经途中以泉水形式排泄于沟谷外，大多以潜流形式补给第四系孔隙水或深层基岩裂隙孔隙水。地下水径流排泄区，主要为山前及沟谷上游地段的坡洪积
6、山间谷地区。多以砂砾（碎）石含水层，呈透镜体或夹层断续的分布于谷地。冲沟较为发育，地表径流条件良好。地下水补给来源主要为基岩裂隙水的侧向补给。 大气降水是地下水的主要补给来源。区内地下水的主要的排泄方式为泉水、沟水向区外的径流、附近村民生活用水、农田灌溉以及垂向蒸发等。 4 水文地质调查及测试 4.1 水文地质调查及水样采集 水文调查主要内容为：地形地貌特征、主要含水层岩性、埋藏分布与地下水补给、径流和排泄条件。按地表沟谷分布与汇水趋势将隧道区分为 8 个水文地质单元。现场水环境调查点 63 个，调查内容包括所处水文地质单元、井深、静止水位、井径、水量、岩层、成井时间、用途以及地理坐标信息等。
7、 4.2 地下水物化指标测试 测试的指标主要包括气温、水温、电导率、pH 值、溶解氧，统计结果如表 4.3.1。 表 4.2.1 地下水物化指标统计表 指标 项目 气温() 水温() 电导率 EC(s/cm) pH 溶解氧 DO(mg/L) 平均值 22.4 11.2 445 7.15 6.03 最小值 13.5 5.8 128 6.2 0.66 最大值 30 23 1089 9.68 11.29 测点的气温最大值 30.0，最小值 13.5，平均 22.2。77.1%的数据介于 18-26，20-22之间最多，占 28.9%。 水温最大值 23，最小值 5.8，平均 11.2。多数介于 10
8、-12之间，占 37.3%。总体来看，水温较气温平均低 10。水温受气温的影响较大，随着气温增加而增高，与其他指标无明显相关性。 电导率反映水体的导电性能，水中导电离子含量越高电导率越大。电导率最大值 1137s/cm，最小值 155s/cm，平均 439s/cm，电导率主要集中 300-500s/cm 之间，占 59.0%。反映该区地下水中离子含量较少，属低矿化度的淡水。 地下水样品的 pH 值最大 9.68，最小值 6.20，平均 7.15，主要集中在 7.0-7.4 之间，占 57.8%。随着地势降低，地下水电导率和 pH 值有增大的趋势。地势较高处，地下水接受补给快，循环深度浅，水中离
9、子含量较少，水的电导率低。地势较低处，地下水径流循环时程长，水中离子含量增加，地下水电导率和 pH 值增大。 溶解氧是空气中的分子态氧溶解在水中的量，是衡量水体自净能力的一个指标。最大值 11.29mg/L，最小值 0.66mg/L，平均 6.03mg/L，多数在 5-7mg/L 之间，占 59%。 5 地下水水化学组成与分布特征 5.1 水化学组成与分布 隧道区内各条沟谷采集水样的化学特征分析，地下水以 HCO3-Ca 型水为主，还存在 HCO3SO4-Ca 型、SO4HCO3-CaNa型、HCO3SO4-CaNa 型和 HCO3-CaNa 型水，溶解性总固体（TDS）多数低于 500mg/
10、L。从水化学 piper 三线图可清晰显示出各条沟地下水水化学特征及复杂程度，地下水中阳离子以钙为主，阴离子主要是重碳酸根。 图 5.1.1 水化学 Piper 三线图 5.2 地下水质量评价与超标组分分析 对该地区地下水水质有重要影响的指标包括总硬度、As、F-、NO3- 、NO2-，超出生活饮用水标准的情况见表 5.2.1。 表 5.2.1 地下水超标组分统计 指标 超标限（mg/L） 水样(个) 超标数（个） 超标率（%） F- 1 63 41 65.08 NO3- 45 63 8 12.70 NO2- 0.066 63 6 9.52 As 0.01 63 6 9.52 总硬度 450
11、63 2 3.17 该区 F-、As、总硬度超标主要与当地水文地质条件有关，是天然形成的，即第一环境所致；而 NO3- 、NO2-超出生活饮用水标准多是因农业化肥等引起的，属第二环境，是以污染为主的，反映人类活动影响程度。 6 水的环境同位素分布与地下水形成演化 6.1 氢氧稳定同位素分布与地下水补给特征 沿主要沟谷采集水的 D（2H） 、T（3H） 、18O 同位素样品 46 组，进行同位素测试。 水的氢氧同位素组成研究是利用在核层次记录的信息，揭示水的形成、运移和演化过程。在存在较稳定隔水层的承压含水层，一般从补给区到排泄区，地下水的氢氧同位素组成呈现明显的规律性分布。 图 6.1.1 D
12、18O 相关关系图 对比氘和氧-18 相关分析结果，采集水样的氘和氧-18 的相关方程为D=6.118O-13.23，与赤峰市气象站大气降水线方程为D=6.4118O-4.68 较接近。这表明隧道区地下水主要为大气降水入渗补给。 地下水水样的 18O 等值线空间分布见图 6.1.2，从图上显示，隧道中部地形较高处是地下水 18O 的低值区，向西和西北方向逐渐增高，反映出低山丘陵区基岩裂隙水接受大气降水入渗补给，向低洼处径流的总体趋势。 图 6.1.2 地下水样的 18O 等值线与空间分布 水样的 D 等值线空间分布见图 6.1.3，其分布规律与 18O 等值线基本一致。 图 6.1.3 地下水
13、样的 D 等值线与空间分布 采集水样的 18O、D 与采样点高程散点图呈明显的负相关性，高程越高地下水的 值越低。 图 6.1.4 地下水样 18O 与高程散点图 图 6-5 样品 D 与高程散点图 水样的 18O、D 与采样点溶解性总固体散点图显示，地下水的 值低值大致对应地下水溶解性总固体的低值区，地下水的 值随溶解性总固体含量增加而增大。上述规律反映了从补给区到径流区地下水的氢氧同位素的分布特征。 图 6.1.6 地下水样的 18O 与 TDS 散点图 图 6.1.7 样品的 D 与 TDS 散点图 各沟水样的氢氧同位素 18O 和 D 值变化不大，其补给源和径流方式基本一致。 6.2
14、地下水氚同位素测年 大气降水中的氚起源于云气团与大气中氚的交换。人为活动形成的大气氚污染影响大气降水的氚浓度。1952 年以前大气降水氚仅来源于宇宙射线，其大气降水氚的天然背景浓度为 5T.U（低纬度沿海地区）至20T.U（高纬度内陆地区） 。1952 年后产生的核暴氚，大气降水中氚浓度急剧增加，1964 年暂停大气层核试验后，大气降水中核爆氚浓度逐渐下降。 用氚的经验估算法测定地下水年龄，国际原子能委员会同位素小组的意见见表 6.3.1。 表 6.2.1 氚的经验估算法测定地下水年龄意见表 氚浓度（TU） 地下水年龄 20 最近补给形成 隧道区采样点的地下水氚含量介于 6.1-49.8TU
15、之间，平均值为23.8TU，主体值介于 15-35TU 之间，占采样总数的 77%。 从样品氚与井深散点图 6.2.1 显示，随井深增大氚值呈减小趋势。隧道区从高程较高处的地下水补给区至排泄区，各沟地下水氚含量呈降低趋势。 图 6.2.1 采集样品氚与井深散点图 隧道汇水区 3 个氚低值点为 8.8TU/井深 50m，8.3TU/井深 60m 和7.5TU/井深 18m。位于两条沟的下游区，高程相对较低，采样井揭露含水层较深，地下水流速与接受大气降水补给更新能力较缓慢，地下水年龄相对较老。分析 10TU 左右的地下水为 1954-1961 年补给形成，地下水年龄在 50 年左右。 隧道汇水区
16、5 个氚高值点分别为 49.8TU/井深 3m、45.2TU/井深6m、43.5TU/井深 30m、42.5TU/井深 17m 和 41.3TU/井深 30m。隧道区氚值介于 40TU 左右的采样点多属浅井，地下水为近年补给形成的。 地形较高的裂隙潜水氚含量多在 25-40TU 之间，反映接受近几年大气降水补给，地下水循环交替能力较强。隧道区第四系地下水氚含量多数介于 15-25TU 之间，地下水为近十几年大气降水补给形成。 4 个钻孔水样进行了分层取水， 1 号钻孔，39m 深氚含量31.1TU，62m 深氚含量 18.1TU；2 号钻孔，17m 深氚含量 44.8TU，80m 深氚含量 1
17、6.1TU；3 号钻孔，46m 深氚含量 25.6TU，76m 深氚含量23.4TU；4 号钻孔，22m 深氚含量 16.3TU，42m 深氚含量 15.3TU。前两个钻孔分层取水结果浅层氚值明显高于深层，反映深部裂隙不发育，与浅层水交替缓慢，对隧道危害较轻；后两个钻孔上下层氚值变化小，反映上下水环境条件基本一致。 6.3 地下水循环演化模式 第四系沉积区，含水系统由第四系松散潜水、浅层裂隙含水层构成；在基岩山区含水系统由风化裂隙以及构造含水带构成。各汇水区地下水动力场具相同特点，从东南基岩山区接受大气降水补给，向西北或西南径流。 浅层裂隙含水系统地下水大致循环在 100m 以浅范围，尤其 5
18、0m 以内水交替作用强烈；沟谷平坦的排泄区，地下水交替缓慢，地下水滞留时间一般小于 50 年。 浅层裂隙水主要接受大气降水补给。天然状态下，地下水主要以潜流和泉的形式排泄，在隧道开挖后, 有可能转向隧道排泄。天然状态下地下水总体径流方向，由隧道东侧向西沟谷排泄。受隧道开挖及断裂构造等的影响，其局部水流方向可能与总体径流方向不一致。 在天然状态下，降水入渗补给浅层裂隙水，与较深层水没有直接的水力联系；但在隧道施工影响下，在局部断裂发育地段，沟通与浅层含水层的水力联系的可能性是存在的。 7 地下水补给与隧道涌水量分析 7.1 各汇水区降水补给与隧道涌水量 以汇水单元分区，参考不同岩性区入渗系数的选取值，估算各汇水单元平水年和最大降水年的入渗补给量，按降水入渗量估算隧道涌水量。平水年降水入渗补给量为 4190089 m3/a，最大降水年降水入渗补给量为 6341756m3/a。隧道稳定涌水量为 11479m3/d，单位稳定涌水量为0.879 m3/dm；最大降水年隧道涌水量为 17374 m3/d，单位最大涌水量为 1.331 m3/dm。若雨季按 90 天估算突发水量，隧道雨季突水量可达70463m3/d，单位最大可能突水量达到 5.399m3/dm。
