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(1.濟南軌道交通集團有限公司，山東 濟南 250100；2.山東省地礦工程勘察院，山東 濟南 250014)

濟南是一座因泉而聞名于世的城市，由于其獨特的區(qū)域地理條件、地質構造和水文地質環(huán)境條件，形成了復雜的地下水系統(tǒng)，發(fā)育了獨特的群泉奇觀，馳名中外。

在泉水成因中，千佛山斷裂地壘區(qū)域的特殊地質條件起到不可忽視的作用，劉國愛[1]通過研究斷裂兩側水位發(fā)現千佛山斷裂在市區(qū)段具透水性；劉莉莉[2]表明千佛山地壘是構成四大泉群的構造基礎，地壘以西有千佛山斷裂，東有文化橋斷裂，北有閃長巖侵入體，組成了東西北三面阻水巖體，構成了三面封閉的排泄單元。斷裂構造既可成為流體的運移通道，也可成為阻礙的屏障。本文將從千佛山斷裂到文化橋斷裂區(qū)域的水化學特征方面分析，結合地層巖性重點研究地壘區(qū)域的水文地質特點及兩個斷裂的導水、透水性，并根據地鐵線路與相關水文地質環(huán)境的影響提出工程措施建議。

1 區(qū)域地質概況

研究區(qū)域地處魯中山地的北緣，地形南高北低，東高西低，變化顯著，廣泛分布著碳酸鹽巖，上部覆蓋第四系沉積層，在構造運動和長期溶蝕作用下，巖溶發(fā)育比較均勻，形成網絡孔洞系統(tǒng)，尤其在火成巖接觸帶及泉水排泄區(qū)附近更為發(fā)育。在地勢最低的城區(qū)北部出露四大泉群：趵突泉、黑虎泉、珍珠泉和五龍?zhí)?，其中趵突泉和黑虎泉出露于灰?guī)r天窗，珍珠泉和五龍?zhí)冻雎队谳x長巖體內，沿裂隙上升成泉[3]。

千佛山斷裂呈北北西向斜穿研究區(qū)中部，主體傾向SW，傾角為70°～80°，是一條大型正斷裂，西盤下落，東盤抬升。本段為千佛山西埡口以北至黃河標段，該段被第四系覆蓋，總體走向N10°～30°W，傾向南西，運動性質以張性正斷為主，兼左旋走滑運動。文化橋斷裂位于千佛山斷裂東約3.5 km處，與其近于平行但規(guī)模較小。文化橋斷裂長約3 km，走向N10°～20°W，傾向南東，傾角大于60°。據鉆探資料，西盤抬升，為寒武-奧陶系馬家溝群三山子組，東盤下落，為燕山期侵入巖體，在平面上東盤又向南推移[4]。

由于千佛山斷裂與文化橋斷裂的存在，濟南市區(qū)寒武-奧陶系馬家溝群三山子組相對抬高，形成地壘，其區(qū)域范圍如圖1所示，平面位置上兩斷裂間灰?guī)r向北突出[5]。地壘屬于控水構造，對地下巖溶水的運移具有顯著影響[6-7]。

1.寒武-奧陶紀三山子組灰?guī)r；2.陶奧陶紀馬家溝群灰?guī)r；3.陶奧陶紀北庵莊組灰?guī)r；4.陶白堊紀細粒輝長巖

圖1研究區(qū)域地質構造圖

2 巖溶水水化學特征

圖2是兩處斷裂帶附近的巖溶水等水位線圖，從圖中可以看出，在經十路以北，千佛山斷裂與文化橋斷裂的斷裂兩側巖溶水等水位線并沒有明顯的突變，基本上保持了連貫性，這說明斷裂兩側的水力聯系較好，可推斷該區(qū)域斷裂具有透水性。但經十路以南，千佛山斷裂兩側的水位線發(fā)生了錯斷，說明斷裂兩側的水位差異較大，水力聯系較差，因此千佛山斷裂南部區(qū)段是阻水的。

地下水中主要由TDS、Na+、K+、Ca2+、Mg2+、HCO3-、SO42-、NO3-、Cl-及微量元素組成，地下水體中各化學組分的總體分布特征及其變化趨勢能反映出區(qū)域的水力聯系情況[9]，下面通過水化學分析，針對地壘南邊界處千佛山斷裂和文化橋斷裂的透水性做進一步驗證，測試點如圖3所示。

1.監(jiān)測井位置；2.監(jiān)測井編號；3.斷裂帶；4.地壘邊界

圖4顯示了地壘南邊界各監(jiān)測點的水化學特征，陽離子以Ca2+為主，水化學類型主要為HCO3·SO4-Ca和HCO3·SO4·Cl-Na·Ca。結合圖3水井的平面布置圖可看出千佛山斷裂兩側的水化學特征有些許差異，JG1井與JG2井水化學特征相似，S1井與S2井幾乎相同，盡管不排除這兩組井的打井時間不同，可能受季節(jié)影響，但是其離子含量卻有近20%的差別，仍需進一步分析研究。文化橋斷裂兩側的JG3井與JG4井陰離子濃度相似，陽離子含量卻略有區(qū)別。下面結合圖5的地壘南邊界縱斷面圖來解釋上述現象。

圖4 地壘南邊界巖溶水piper三線圖

根據該段沿線的鉆孔分析，千佛山斷裂與文化橋斷裂形成的地壘中，巖溶發(fā)育一般，石灰?guī)r地層透水能力一般，且?guī)r溶基本發(fā)育于淺部的寒武奧陶系三山子組中，寒武系炒米店組只有淺部發(fā)育有少量巖溶，S1井與S2井雖然分屬兩個巖層，但兩者相似的水化學特征說明兩巖層過渡部分連通性較好，可視為同一層含水層。而位于炒米店組深部的JG2井與S1、S2略有差異是因為深部巖溶發(fā)育不良，淺層與深層含水層主要以層流的方式存在。

從圖5中可看出地壘東西兩邊界的JG1井與JG4井水化學成分非常相同，說明這兩部分有很強的水力聯系。結合圖6可知，JG1井測得的巖溶水位于寒武系炒米店組淺部，JG4井測得的巖溶水位于寒武系三山子組斷層深部，該斷層通過文化橋斷裂與西面炒米店組接觸，由于炒米店組深部巖溶不發(fā)育，導水性太差，因此JG3井與JG4井即使處于相同深度，但由于兩種巖層水力不連通，灰?guī)r溶蝕程度不同，因此陽離子差異較大，進而也可推斷為文化橋斷裂東側寒武系三山子組淺部的巖溶水在斷裂處與西側三山子組深部的巖溶水進行水量交換，如圖6所示，已知文化橋斷裂淺部地層為燕山期侵入巖，沒有導水、透水性，因此可推斷出文化橋斷裂在地壘南邊界處是上部阻水、深部透水斷裂。

圖5 地壘南邊界縱斷面[1]

圖6 文化橋斷裂兩側水力聯系示意圖[1]

水對可溶巖的溶解是巖溶作用發(fā)育的基礎，濟南巖溶含水層含有方解石(CaCO3)、白云石(CaMg(CO3)2)和石膏(CaSO4)三種主要礦物，其飽和指數也常作為巖溶水水力聯系與否的佐證之一[10-11]，已知方解石、白云石、石膏三種礦物的溶解反應平衡方程式分別如下：

CaCO3+CO2+H2OCa2++2HCO3-

(1)

CaMg(CO3)2+2CO2+2H2OCa2++Mg2++4HCO3-

(2)

CaSO4Ca2++SO42-

(3)

方解石、白云石、石膏的飽和指數SIc、SId、SIg計算公式如下：

(4)

(5)

(6)

式(4)～(6)中[12]，Kc為方解石平衡常數，取值為Kc=10-8.48；K2為重碳酸平衡常數，取值為K2=4.7×10-11，Kd為白云巖平衡常數，取值為Kd=10-17.09；Kg為石膏平衡常數，取值為Kg=10-4.58。

公式(4)～(6)中的離子符號都表示離子的活度而不是濃度，因此要用迪拜-休克爾(Debye-Huckel)方程進行修正[13]，如公式(7)、(8)所示：

(7)

(8)

式中：r為活度系數；Z、Zi為離子的電荷數；I為離子強度(mol/L)；A和B取決于水的介電常數、密度和溫度的常數；a是與離子水化半徑有關的常數，mi為i離子的濃度(mol/L)。

圖7 M3線地壘南邊界處站點圖

根據上述水化學測試點得到的陰陽離子濃度與TDS，查表迭代計算三種礦物的飽和指數，結果如表1所示。在六個監(jiān)測點石膏都處與欠飽和狀態(tài)，其飽和指數最大差值僅為0.53，而方解石和白云石的飽和指數變化特征基本相似，除了S1井與S2井欠飽和，其他區(qū)域都到了超飽和的狀態(tài)，這進一步說明S1、S2井所處的炒米店組與三山子組過渡部分巖層巖溶極其發(fā)育，水量充足，水力流通性好，使具有侵蝕能力的“新水”源源不斷的補充進來，而其他幾處監(jiān)測井，孔深在地下150 m左右，這反映了深部的含水層水體流動性沒有淺部含水層好，由此也可推斷出地壘處主要巖溶水含水層位于地下70～100 m范圍內。JG1、JG4兩井的飽和指數十分相似，與圖4中piper三線圖表現的特征一致。淺部含水層與深部含水層的礦化度分別為847.31～949.75 mg/L和542.16～560.29 mg/L，兩層含水層不發(fā)生水力聯系主要原因是巖溶水在垂向上水力聯系的不連續(xù)性，主要的水力交換也多是在斷裂處進行。因此表1中數據也說明千佛山斷裂兩側與文化橋斷裂兩側各自的水力聯系較好，可作為兩斷裂在該段具有透水性的佐證之一。

3 對地鐵M3線的影響

M3線為濟南市東西向骨干線，貫穿整個經十路段，泉城公園站到山大路南站這區(qū)間段位于四大泉群的正上游，如圖7所示。該區(qū)間段地層結構為第四系加灰?guī)r，灰?guī)r埋藏深度較淺，一般小于20 m。該段擬采用地下敷設方式，車站及區(qū)間底部均位于中風化(強分化)石灰?guī)r，通過控制車站主體結構及區(qū)間埋深，保證車站及區(qū)間基底標高均高于水位變幅帶2 m以上，采取有針對性的工程措施后，對泉水環(huán)境基本無影響，適宜軌道交通建設。

針對距離泉水較近、穿越構造帶等情況需采用有針對性的工程措施，施工中應密切監(jiān)測泉水及周邊的地質環(huán)境變化；施工時，應適當放緩施工速率，支護結構施工中，在泉群上游施工不宜對巖石層進行壓力注漿，預防堵塞巖土體結構裂隙，從而對泉造成不利影響；在維護結構中預留透水通道，采用疏通導水的方式將豐水期影響建設和運營的地下水由上游疏導至下游，降低地下水與軌道交通相互間的影響。兩個斷裂帶附近，巖體相對較破碎，巖溶發(fā)育，具有導水、透水特征，是補給泉水的重要徑流通道，因此在斷裂帶施工時，盡量采取不降水的盾構法施工，避免因降水對泉水的出流造成影響。

表1 各監(jiān)測井巖溶水離子濃度及礦物飽和指數計算結果表

4 結語

本文主要通過巖溶水水化學特征及地層巖性等重點研究千佛山斷裂與文化橋斷裂的導水、透水性以及地壘區(qū)域的水文地質特點，并針對地鐵M3線工程措施提出意見與建議，主要得到以下幾條結論：

(1)地壘南邊界處，文化橋斷裂為上部阻水，深部透水斷裂，斷裂處垂向水力聯系密切，導水性較好，該段千佛山斷裂具有透水性，但經十路以南區(qū)段為不透水斷裂。

(2)地壘南邊界的巖溶水水化學類型主要為HCO3·SO4-Ca和HCO3·SO4·Cl-Na·Ca型。飽和指數與礦化度數據顯示地壘處主要巖溶水含水層位于地下70～100 m范圍的寒武系三山子組，與寒武系炒米店組深部巖溶水含水層分屬兩個獨立的含水層系統(tǒng)，在垂向上水力聯系不連續(xù)，主要的水力交換多在斷裂處進行。

(3)地鐵M3線施工時，地壘南邊界地帶可為地下敷設方式，采用不降水的盾構施工方法，采取有針對性的施工措施后，對泉水環(huán)境基本無影響，適宜軌道交通建設。

[1]劉國愛, 趙新華. 濟南泉域巖溶水動態(tài)特征及有關問題討論[J]. 山東地質.1997.13(2):67-73.

[2]劉莉莉, 宋蘇林, 崔春梅. 濟南泉水的成因及保泉對策研究[J]. 山東水利.2013.5:17-18.

[3]楊麗芝, 韓曄, 佟照輝, 等. 重點工程建設對濟南泉水的影響研究[J]. 工程勘察.2012.(5):42-48.

[4]陳時軍,吳子泉,陶久慶,等. 濟南市主城區(qū)活斷層探測與地震危險性評價工作報告[R].濟南：山東省地震工程研究院.2006.

[5]韓連山, 汪玉靜, 韓昱. 千佛山與趵突泉泉水形成關系研究[J]. 山東國土資源.2015.31(12)：27-32.

[6]郝永艷. 三給地壘巖溶地下水系統(tǒng)及水源地保護區(qū)劃分研究[D]. 太原:太原理工大學.2011.

[7]陶曉風, 劉登忠, 朱利東, 等. 西藏措勤地區(qū)夏康堅地壘的形成及隆升特征[J]. 地質通報.2003.22(11～12):941-943.

[8]濟南市軌道交通線網與泉水保護專題研究報告[R].濟南：北京城建勘測設計研究院有限責任公司.2013.

[9]WANG J L, JIN M G, LU G P, et al. Investigation of discharge-area groundwaters for recharge source characterization on different scales: the case of Jinan in northern China[J]. Hydrogeology J, 2016, 24: 1723-1737.

[10]袁建飛, 鄧國仕, 徐芬, 等. 畢節(jié)市北部巖溶地下水水文地球化學特征[J]. 水文地質工程地質.2016.43(1):12-21.

[11]李寶學, 秦大軍, 郭藝, 等. 玉符河對濟南巖溶水化學過程的影響研究[J]. 工程地質學報.2017.25(1):190-198.

[12]閆志為. 硫酸根離子對方解石和白云石溶解度的影響[J]. 中國巖溶.2008.27(1):24-31.

[13]LI Y G. Recent advances in study on thermodynamics models for real systems including electrolytes[J]. Tsinghua Science Technology, 2006,11(2):181.