趙新杰 廖先斌 謝春慶 潘 凱
Research 研究探討
高原高寒構(gòu)造-剝蝕地區(qū)地下水賦存特征研究
趙新杰 廖先斌通訊作者謝春慶 潘 凱
(廣東中煤江南工程勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司,廣東 廣州 510440)
隨著新基建工程在國(guó)內(nèi)的快速發(fā)展,對(duì)高原高寒地區(qū)工程地質(zhì)條件做更深入細(xì)致的調(diào)查與研究,才能提供給設(shè)計(jì)更合理可靠的基礎(chǔ)資料。本次研究通過(guò)對(duì)高原高寒場(chǎng)地進(jìn)行地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、地層巖性的調(diào)查,特別是進(jìn)行專門的水文地質(zhì)專項(xiàng)調(diào)查,查明了典型高原高寒構(gòu)造-剝蝕場(chǎng)地的工程地質(zhì)條件,分析與確定了地下水基本類型、補(bǔ)徑排特征、水化學(xué)成分、動(dòng)態(tài)變化特點(diǎn)、水文地質(zhì)參數(shù),建立了地下水滲流場(chǎng)模型。研究總體上說(shuō)明高原高寒構(gòu)造剝蝕地區(qū)地下水儲(chǔ)變量較穩(wěn)定,數(shù)值上無(wú)波動(dòng),地下水滲流場(chǎng)較為穩(wěn)定,工程建設(shè)時(shí)應(yīng)注意不良地質(zhì)作用影響。本次研究成果可作為高原高寒構(gòu)造剝蝕地區(qū)水文地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行利用,可作為相似工程地質(zhì)條件下的設(shè)計(jì)參考。
高原高寒;構(gòu)造-剝蝕;水文地質(zhì);地下水;滲流場(chǎng)
國(guó)內(nèi)大循環(huán)為主體、國(guó)內(nèi)國(guó)際雙循環(huán)相互促進(jìn)的新發(fā)展格局,促進(jìn)了高原高寒地區(qū)新基建工程的發(fā)展。工程地質(zhì)條件作為基建工程的基礎(chǔ)資料、設(shè)計(jì)依據(jù),需要進(jìn)行詳細(xì)調(diào)查、分析與研究[1-3]。
高原高寒構(gòu)造-剝蝕地區(qū)重要、大型工程建設(shè)偏少,深入的工程地質(zhì)勘察不足。針對(duì)上述情況,廣東中煤江南工程勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司在四川高原高寒構(gòu)造-剝蝕地區(qū)某機(jī)場(chǎng)一帶進(jìn)行了巖土工程勘察工作與研究,重點(diǎn)進(jìn)行水文地質(zhì)調(diào)查、高填方專項(xiàng)勘察和高填方地基穩(wěn)定性研究[4-7]。
通過(guò)資料收集和文獻(xiàn)研究,收集前人研究相關(guān)成果資料、報(bào)告、圖件、數(shù)據(jù)電子表格等;進(jìn)行野外地質(zhì)調(diào)查與測(cè)繪,完成了研究區(qū)比例尺1:10000面積約138.34km2和比例尺1:2000面積約10km2的水文地質(zhì)調(diào)查、地下水利用情況調(diào)查、集中供水水源地和水源井調(diào)查及主要污染源調(diào)查;完成了水樣采集,進(jìn)行了40組的水質(zhì)簡(jiǎn)分析和12組的水質(zhì)全分析;完成了水文地質(zhì)及抽水試驗(yàn)鉆孔11個(gè)。
在對(duì)場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上,通過(guò)試驗(yàn)段(物理模型)的水位監(jiān)測(cè)、盲溝流量監(jiān)測(cè)獲得了滲流模擬參數(shù),采用基于有限元原理的FEFLOW軟件和SEEP/W軟件對(duì)全場(chǎng)地下水初始滲流場(chǎng)以及試驗(yàn)段(物理模型)填挖前后滲流場(chǎng)的變化進(jìn)行了模擬分析。
通過(guò)上述工作,詳細(xì)分析與研究了具有高原高寒地區(qū)特點(diǎn)的構(gòu)造-剝蝕場(chǎng)區(qū)地下水賦存特征,提供了具有普遍運(yùn)用意義的高原高寒地區(qū)水文地質(zhì)參數(shù)參考資料。
研究區(qū)所在區(qū)域?yàn)榍嗖馗咴瓥|部邊緣,溝谷縱橫交錯(cuò),主要屬于中高山構(gòu)造-剝蝕地貌。研究區(qū)位于近東西向山梁之上,地勢(shì)中間高,兩側(cè)低。山體呈波狀起伏,頂面高程3966~4142m,平均高程4090m左右;山體斜坡坡度一般為10~20°,表層覆蓋物較薄,一般為0.5~1m,局部基巖出露,坡腳及沖溝部位覆蓋物較厚,覆蓋層以殘坡積粉質(zhì)粘土為主。場(chǎng)區(qū)地形相對(duì)高差較大,一般為15~50m。
地形地貌三維效果圖如圖1所示。
圖1 場(chǎng)區(qū)三維地貌模型
場(chǎng)區(qū)地層巖性比較復(fù)雜,主要有三套地層,分別為第四系(Q4)松散堆積層、二疊系(P)-三疊系(T)上統(tǒng)圖姆溝組二段(Tt2)以及二疊系(P)-三疊系(T)中三疊統(tǒng)-上二疊統(tǒng)卡爾蛇綠巖組仁則赫型(PTkr)。其中,第四系由植物土(Q4pd)、泥炭(Q4h)、粉質(zhì)粘土(Q4el+dl)、粉質(zhì)粘土(Q4dl+pl)、碎石(Q4dl+pl)、細(xì)砂(Q4dl+pl)、中粗砂(Q4dl+pl)、中粗砂,(Q3fl+gl)冰磧塊碎石、中粗砂等土層組成;二疊系(P)-三疊系(T)主要為上三疊統(tǒng)圖姆溝組二段(Tt2)、中三疊統(tǒng)-上二疊統(tǒng)卡爾蛇綠巖組仁則赫型(PTkr),其巖性分別表現(xiàn)為結(jié)晶灰?guī)r,變質(zhì)砂巖和角礫巖(如圖2所示)。
圖2 代表性地質(zhì)剖面圖
研究區(qū)在大地構(gòu)造單元上地處松潘-甘孜造山帶,從大地構(gòu)造區(qū)域上來(lái)看,它是由西部青藏高原的羌塘-昌都陸塊,北部勞亞板塊,東部揚(yáng)子陸塊三個(gè)板塊匯聚擠壓形成的一個(gè)特殊的倒三角形態(tài)。該區(qū)處于鮮水河斷裂中段的西側(cè),甘孜-理塘斷裂帶北側(cè),其主體構(gòu)造呈NW向。
場(chǎng)區(qū)內(nèi)的地下水按含水介質(zhì)類型劃分主要為松散層孔隙水、基巖裂隙水兩種類型,部分地段可能含有巖溶裂隙水。
(1)松散層孔隙水
含水層主要為第四系全新統(tǒng)沖積及洪積砂卵礫石層和更新統(tǒng)冰川堆積層。這類水多賦存于河谷沖溝及臺(tái)地、緩坡等地帶,根據(jù)地下水埋藏條件,分為上層滯水和孔隙潛水兩類。
上層滯水:分布于第四系松散層。一般賦存于粉質(zhì)粘土、粉土、中細(xì)砂、角礫、碎石較多的部位。粘土與粉質(zhì)粘土層形成一層相對(duì)隔水層,在此層隔水層上部分布有植物土及泥炭層,當(dāng)下滲的水體遇到相對(duì)隔水層時(shí)形成上層滯水;另外,粘土和粉質(zhì)粘土層中含有角礫、碎石等透鏡體,也賦存有上層滯水。由于第四系松散層空間分布變化較大,因此此類地下水分布變化明顯。
孔隙潛水:溝谷、緩坡上的植被根系、腐殖物、泥炭土,孔隙度大,滲透性較好,含水性強(qiáng),賦存孔隙潛水;溝谷、斜坡上的含有碎石及角礫粘性土層、成層分布的中細(xì)砂、角礫、碎石層,滲透性一般弱-中等,賦含孔隙潛水,局部為承壓水。
(2)基巖裂隙水
分布于調(diào)查區(qū)內(nèi)裂隙發(fā)育的變質(zhì)砂巖中,一般多賦存于構(gòu)造轉(zhuǎn)折、斷裂構(gòu)造線及地層接觸面等部位。以潛水為主,局部具弱承壓性。受地形、地層、裂隙及構(gòu)造控制,基巖裂隙水一般沒(méi)有統(tǒng)一的水位面,一般在以溝谷和斷層帶為界的各分水嶺地帶地下水位較為統(tǒng)一。地下徑流途徑短,多近源排泄。
(3)巖溶裂隙水
主要分布于圖姆溝組(T3t)地層灰?guī)r中,巖溶微弱發(fā)育,賦存少量巖溶裂隙水以潛水為主,局部地段可具弱承壓性,地下水性質(zhì)及特征與基巖裂隙水相似。
場(chǎng)區(qū)內(nèi)第四系松散層孔隙水主要接受大氣降水及冰雪融水、坡面流水、地表流水、基巖裂隙水的補(bǔ)給,向臺(tái)地前緣和下伏基巖裂隙帶徑流、排泄?;鶐r裂隙水主要是接受大氣降水及冰雪融水、地表水和上覆第四系松散層孔隙水的補(bǔ)給。因構(gòu)造剝蝕作用強(qiáng)烈,調(diào)查區(qū)內(nèi)各溝谷切割較深,各臺(tái)地之間往往缺乏水力聯(lián)系,淺層地下水多在臺(tái)地前緣以下降泉的形式排泄,或者地下水遇變質(zhì)砂巖等相對(duì)隔水巖組阻隔在地表出露,形成下降泉。出露的下降泉往往又補(bǔ)給溝谷中的地表、地下水(圖3)。
此外,場(chǎng)區(qū)地面蒸發(fā)也是地下水重要的排泄途徑。
圖3 地下水補(bǔ)、徑、排剖面示意圖
研究區(qū)共有水化學(xué)類型計(jì)12類,以HCO3-Ca型為主。在水化學(xué)分析的48個(gè)樣品中,水化學(xué)類型統(tǒng)計(jì)分別為HCO3-Ca型,計(jì)23個(gè);HCO3-Na?Ca型,計(jì)6個(gè);HCO3?SO4-Na?Ca型,計(jì)3個(gè);HCO3?SO4-Ca型,計(jì)4個(gè);HCO3-Ca?Mg型,計(jì)3個(gè);HCO3?SO4-Ca?Mg型,計(jì)3個(gè);同時(shí)還發(fā)現(xiàn)SO4-Na?Ca型、HCO3-Na型、SO4?Cl-Ca?Mg型、HCO3?SO4-Na?Ca?Mg型、Cl-Na?Ca型、HCO3?Cl-Ca型,各1個(gè)。
(1)地下水動(dòng)態(tài)變化
不同類型地下水特征隨不同季節(jié)補(bǔ)給強(qiáng)度不同存在一定差異。松散巖類孔隙水與大氣降水、融雪水及地表水關(guān)系密切,具有明顯的季節(jié)性變化特征;淺部風(fēng)化帶裂隙水動(dòng)態(tài)隨季節(jié)性、地層巖性、地形地貌特征變化而變化,深部層間裂隙水較穩(wěn)定,水位、水溫隨降雨、季節(jié)變化相對(duì)滯后;區(qū)內(nèi)變質(zhì)砂巖滲透性較弱,地下水動(dòng)態(tài)變化相對(duì)較為滯后。
(2)滲透指標(biāo)
在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了巖土層的抽水試驗(yàn)(圖4),結(jié)果詳見(jiàn)表1所示。
圖4 抽水試驗(yàn)曲線
表1 現(xiàn)場(chǎng)抽水試驗(yàn)數(shù)據(jù)表
(3)地下水長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)
地下水長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)孔主要布置在試驗(yàn)段1區(qū)、試驗(yàn)段2區(qū)和東端沃日柯高填方區(qū),地下水位長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)區(qū)位置分布見(jiàn)圖5。地下水位監(jiān)測(cè)時(shí)段主要為2016年5月至2016年12月。
圖5 研究區(qū)地下水長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)區(qū)位置分布
試驗(yàn)段期間進(jìn)行了試驗(yàn)段1區(qū)和2區(qū)監(jiān)測(cè)管水位,沃日柯進(jìn)行了鉆孔水位觀測(cè),結(jié)果如下。
(1)沃日柯高填方區(qū)水位觀測(cè)鉆孔121個(gè),2016年6月至2016年10月監(jiān)測(cè)14期次,共監(jiān)測(cè)1694點(diǎn)次,水位降幅較明顯的監(jiān)測(cè)點(diǎn)有20個(gè),水位變幅為0.04~3.21m(bk84)。
(2)試驗(yàn)段1區(qū)地下水位的變化幅度較小,雨季,坡腳(cx01)地下水位低于原地面1.1m;中部(cx02)地下水位高出原地面0.46m;后方地下水位高出原地面1.4m。
(3)試驗(yàn)2區(qū)地下水位監(jiān)測(cè)孔cx05、cx06、cx07和cx08,自2016年5月3日至2016年12月8日,孔底(原地面以下3m)均未發(fā)現(xiàn)有地下水。
沃日柯高填方區(qū)的地下水位監(jiān)測(cè)結(jié)果如表2所示。
表2 沃日柯鉆孔水位觀測(cè)結(jié)果
注:觀測(cè)日期為2016/6/3~2016/10/13
(4)盲溝流量監(jiān)測(cè)
試驗(yàn)段期間進(jìn)行了試驗(yàn)段1區(qū)和2區(qū)肓溝出水量觀測(cè)。
試驗(yàn)段1區(qū)肓溝,從2016年4月至2016年6月,肓溝出水量為1.0~1.73L/s;2016年7月至2019年10月,肓溝出水量為3.0~3.4L/s;2019年11月,肓溝出水量為2.35L/s。
試驗(yàn)段2區(qū)24#肓溝,2016年6月肓溝出水量為0.06L/s;2016年7至2019年10月,肓溝出水量為0.07~0.08L/s;2019年11月肓溝出水量為0.063L/s。
根據(jù)肓溝出水量變化情況和地下水位監(jiān)測(cè)情況分析,肓溝出水清澈,肓溝下方溝邊無(wú)砂粒堆積,排水通暢。
把含水層實(shí)際的邊界性質(zhì)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、滲透性能、水力特征和補(bǔ)給排泄等條件概化為便于進(jìn)行數(shù)學(xué)與物理模擬的基本模式,反映了區(qū)域地下水系統(tǒng)的整體特點(diǎn),是建立地下水各種特性數(shù)值模擬模型的重要基礎(chǔ)。機(jī)場(chǎng)場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)概念模型為:非均質(zhì)、水平方向各向同性、垂直方向存在變異、空間三維、非穩(wěn)定地下水系統(tǒng)。表層泥炭和灰?guī)r含水層統(tǒng)稱為“上部含水層”,將粉質(zhì)粘土層及變質(zhì)砂巖統(tǒng)稱為“下部弱透水層”,地下水流存在水平運(yùn)動(dòng)和垂向運(yùn)動(dòng),以水平運(yùn)動(dòng)為主。
在對(duì)地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件進(jìn)行調(diào)研的基礎(chǔ)上,采用FEFLOW和SEEP/W軟件對(duì)全場(chǎng)地下水滲流場(chǎng)進(jìn)行模擬分析。首先,對(duì)模型定解條件和源匯項(xiàng)的各參數(shù)率定后,在已建立的地下水流模型的基礎(chǔ)上,結(jié)合研究區(qū)內(nèi)2013年1月~2016年期間降水監(jiān)測(cè)資料進(jìn)行現(xiàn)狀條件下的數(shù)值模擬,進(jìn)而預(yù)測(cè)研究區(qū)內(nèi)地下水水位及流場(chǎng)演化的趨勢(shì)性。其次,選取模擬期內(nèi)模型運(yùn)行1d、8d、35d、68d、137d、365d、720d后的滲流場(chǎng)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析,模型初始滲流場(chǎng)及運(yùn)行720d滲流場(chǎng)模擬結(jié)果見(jiàn)圖6。
a.模型運(yùn)行720d滲流場(chǎng)平面地下水位等值線圖
b.模型運(yùn)行720d滲流場(chǎng)三維地下水位等值線圖
圖6 模型運(yùn)行720d地下水滲流場(chǎng)模擬結(jié)果
將模型運(yùn)行1d、8d、35d、68d、137d、365d、720d七個(gè)時(shí)期的滲流場(chǎng)模擬結(jié)果與研究區(qū)初始滲流場(chǎng)特征進(jìn)行對(duì)比分析可知:在兩個(gè)完整水文年模擬期內(nèi),研究區(qū)地下水在不同時(shí)期滲流場(chǎng)均較穩(wěn)定,整體上反映為區(qū)內(nèi)地下水以近東西向的地表分水嶺為界,分別沿兩側(cè)坡向徑流,在地形及地質(zhì)構(gòu)造有利部位天然出露或運(yùn)移至排泄邊界處排泄;區(qū)內(nèi)花菁坡一帶灰?guī)r地層中的地下水存在向區(qū)內(nèi)濕地面積分布最廣的沃日柯流域徑流排泄,轉(zhuǎn)化為地表水匯聚到沃日柯濕地中最終排入沃日柯匯入胭脂羅曲;研究區(qū)內(nèi)近東西向地下分水嶺基本與地表分水嶺吻合,僅位于研究區(qū)西側(cè)的羅躍曲流域與胭脂羅曲流域分水嶺存在差異,本次模擬將潛水表面設(shè)置為自由和可移動(dòng)表面以便識(shí)別地下分水嶺,經(jīng)模型計(jì)算識(shí)別該區(qū)域地下分水嶺可能分布在從大包梁開(kāi)始沿與14#溝近平行的各山脊沿線至14#溝溝口結(jié)束。
研究區(qū)地下水均衡數(shù)據(jù)表明:模型初始運(yùn)行期模型內(nèi)第一類邊界地下水流出、流入量波動(dòng)較大,模型運(yùn)行穩(wěn)定后第一類邊界主要體現(xiàn)為排泄邊界的特征,地下水流出、流入量較為穩(wěn)定;模型內(nèi)第二類邊界地下水流入流與流出量之間差值較小,不同運(yùn)行時(shí)段地下水流出、流入量波動(dòng)較大,可能主要受到區(qū)內(nèi)大氣降水影響,即降水量大對(duì)應(yīng)同時(shí)期第二類邊界地下水流出、流入量亦較大,反之則??;模型內(nèi)地下水儲(chǔ)變量穩(wěn)定,模擬計(jì)算期內(nèi)無(wú)波動(dòng),亦可反映出研究區(qū)內(nèi)地下水滲流場(chǎng)較為穩(wěn)定,區(qū)內(nèi)濕地可常年處于飽水狀態(tài)。綜上,均衡分析的結(jié)果表明:研究區(qū)所建模型邊界條件的識(shí)別準(zhǔn)確,模型內(nèi)源匯項(xiàng)計(jì)算合理,均衡分析所反映出的水文地質(zhì)特征符合研究區(qū)實(shí)際的水文地質(zhì)特征。
高原高寒構(gòu)造-剝蝕地區(qū)為凍土區(qū),地下水埋藏淺,水位變幅小,地下徑流途徑短,多近源排泄,易產(chǎn)生以下的不良地質(zhì)作用:
(1)浸泡和軟化土體,降低原地面第四系土層物理力學(xué)性能。
(2)崩解軟化全強(qiáng)變質(zhì)砂巖,使之物理力學(xué)性能迅速降低,尤其是抗剪性能降低,影響工程穩(wěn)定性。
(3)易形成沖刷和潛蝕,降低工程穩(wěn)定性。
(4)高原高寒隨季節(jié)造成土體凍結(jié)、凍融,對(duì)地層及排水系統(tǒng)形成破壞。
(5)當(dāng)排水不暢時(shí),地下水高,地下水壓力大,影響邊坡穩(wěn)定性。
(6)溝谷中地下水富集區(qū)往往土層較厚,在施工條件下,泥濘不堪,影響施工速度與安全。
本次在具有高原高寒構(gòu)造-剝蝕地區(qū)典型特征的某機(jī)場(chǎng)進(jìn)行專門的水文地質(zhì)調(diào)查工作和地基穩(wěn)定性研究,初步分析地下水賦存特征,結(jié)論如下:
(1)高原高寒構(gòu)造-剝蝕地區(qū)大部分地區(qū)覆蓋層淺,地質(zhì)構(gòu)造形跡主要以NW向?yàn)橹鳌?/p>
(2)高原高寒構(gòu)造-剝蝕地區(qū)主要發(fā)育松散巖類孔隙水和基巖裂隙水,局部發(fā)育巖溶裂隙水;地下水主要以潛水為主,局部具有承壓性;水化學(xué)類型以HCO3-Ca型為主。
(3)松散巖類孔隙水與大氣降水、融雪水及地表水關(guān)系密切,具有明顯的季節(jié)性變化特征;基巖裂隙水主要是接受大氣降水及融雪水、地表水和上覆第四系松散層孔隙水的補(bǔ)給。
(4)研究區(qū)地下水在不同時(shí)期滲流場(chǎng)均較穩(wěn)定,整體上反映為區(qū)內(nèi)地下水以區(qū)內(nèi)近東西向的地表分水嶺為界,分別沿兩側(cè)坡向徑流;水均衡項(xiàng)中地下水儲(chǔ)變量較穩(wěn)定,數(shù)值上無(wú)波動(dòng),反映出兩個(gè)完整水文年模擬期內(nèi)研究區(qū)地下水滲流場(chǎng)較為穩(wěn)定。
(5)高原高寒構(gòu)造-剝蝕地區(qū)地下水埋藏淺,水位變幅小,地下徑流途徑短,多近源排泄,易軟化、崩解巖土體,形成沖刷和潛蝕,造成土體凍結(jié)、凍融,影響工程的穩(wěn)定性。
(6)本次研究成果可做為高原高寒構(gòu)造-剝蝕地區(qū)水文地質(zhì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行利用,可作為相似工程地質(zhì)條件下的設(shè)計(jì)參考。
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趙新杰(1966- ),男,漢族,陜西省洋縣人,畢業(yè)于西安礦業(yè)學(xué)院,水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè),本科,高級(jí)工程師,研究方向:地下工程(巖土工程勘察、地基與基礎(chǔ)工程)。
廖先斌(1971.11- ),男,漢族,福建,本科,教授級(jí)高級(jí)工程師,注冊(cè)巖土工程師。
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1007-6344(2021)01-0346-03