基于風險區劃的環境地質選線應用

謝翠明 王 澤

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司, 北京 100055)

白阿鐵路擴能改造工程位于內蒙古自治區興安盟境內,線路始于錫烏線與白阿線交匯的芒罕屯站,由東南至西北,途經索倫、明水河、五岔溝、白狼等鎮,終至阿爾山市伊爾施鎮,線路全長212 km。白阿鐵路擴能改造工程對于貫通中蒙通道，增強蒙東煤炭基地的外運能力，提升既有鐵路資產運營質量與效果，增強民族團結和鞏固國防均具有重要意義。

阿爾山是著名的火山溫泉旅游勝地,地勢陡峻,地質構造復雜,既有白阿鐵路穿越阿爾山國家地質公園,且距離阿爾山地質公園溫泉景區內的泉眼較近。本次擴能改造充分考慮環保要求與地質條件,分析火山溫泉形成機制,應用區域水均衡理論結合大氣降水入滲理論對阿爾山地區工程建設進行風險評價與區劃,對阿爾山地區線路方案進行深入研究與比選,以繞避環境地質敏感區。

1 阿爾山地區自然特征

1.1 氣候特征

本區地處歐亞大陸中緯度內陸,北溫帶中部,屬大陸型寒溫帶半干旱季風氣候,四季分明,寒暑變化劇烈,春季干旱,夏熱多雨,秋季涼爽,冬季干冷。年溫差達36 ℃,月溫差達15 ℃。蒸發量為降雨量的3倍。冬季嚴寒,每年10月到翌年4月為冰凍期,無霜期95 d,年平均降水量425 mm,日照2 800～3 100 h,年平均氣溫-2.7 ℃,一月份平均氣溫-25 ℃～-33 ℃,屬嚴寒地區,極端最高氣溫33 ℃,極端最低氣溫-44.5 ℃,最大積雪深度45 cm,最大風速25 m/s,大風日數9 d。

1.2 地形地貌

本地區處于南興安嶺地區,以低中山為主,海拔1 000～1 500 m,特點是山高谷深,山峰的絕對海拔高程多在1 300 m以上。興安嶺主脊線為東南西北方向分水嶺,地面切割強烈,多呈山勢陡峻、溝壑縱橫的景觀。一般相對高差100～300 m。該地區主要有三條較大的河谷：洮兒河河谷、阿爾善高勒河河谷以及勃爾姑高勒河河谷。河谷之間被興安嶺山脈阻斷,河谷之間的高差只有60 m左右,無法通過越嶺隧道更多的降低高程而減少兩端引線的展線長度。

1.3 地質特征

本地區處于蒙古弧形構造的東翼與新華廈系大興安嶺第三巨型隆起帶斜結部位，屬大興安嶺華力西晚期褶皺帶。古生代地層強烈褶皺,受到不同程度的區域變質作用。中生代已轉化為準地臺,火山巖遍布全區。到燕山運動期間,地殼發生了強烈的斷塊運動,有多期的巖漿活動,并產生一些北東向的短軸背向斜,迭加于二迭紀構造層之上,斷裂多為高角度正斷層。

阿爾山溫泉位于阿爾山市區東南部,上侏羅系復活破火山口的中部,由上侏羅系寶石組酸性碎屑巖、熔巖、熔結凝灰巖、黑曜巖、流紋巖組成。區內發育東西向裂隙式火山管道,在破火山口中央,由于后期破火山口的塌陷,形成阿爾山地塹,兩側走向為345°的張扭性斷層,阿爾山溫泉正好位于張扭性斷層與北北東向裂隙式火山管道交叉部位。

2 阿爾山地區鐵路工程風險評價與區劃

2.1 阿爾山地區火山溫泉形成原理

阿爾山溫泉出露于阿爾山復活破火山口的中部,位于阿爾善高勒河谷兩側與山坡交界處,受北北東向壓扭性斷裂及北北西向張扭性斷裂的控制形成一小型地塹。大氣降水及地表水沿阿爾山盆地邊緣張性斷裂和破火山環狀斷裂滲透、運移匯集于北北西向張扭性斷裂,繼續向北徑流,在徑流過程中地下水受到隱伏潛火山巖(火山管道)和邊緣巖漿房的余熱使水溫增高。而阿爾山以北的北北東向斷層為石英斑巖或花崗斑巖所填充,寬達120 m,沿走向10°～30°折線變化,該斷裂在河谷之下,由于被熔巖充填,形成隔水墻。當地下水遇到北北東向壓扭性斷裂“隔水墻”時受阻,在凈水壓力作用下,迫使原北流的地下水沿該隔水墻上升,循環對流,在近地表與第四系孔隙潛水發生混合形成具有不同溫度的冷、熱礦泉水(如圖1所示)。阿爾山溫泉群總流量約500 m3/d,溫泉的水溫及涌水量,除34號外,均存在季節性變化。

圖1 阿爾山溫泉形成原理

2.2 區域地下水均衡原理

阿爾山地區大氣降水量是阿爾善高勒流域內地表水、地下水、蒸發蒸散和地面滯水總的來源。地下水主要排泄方式為泉流排泄,地表水主要為河流,可利用水均衡法大致估算區域內地下水的補給量Q地

Q地=Q降水-Q河流-Q泉-Q蒸發

(1)

式中Q降水——大氣降水量/(m3/年)；

Q河流——河流年均流量/(m3/年)；

Q地——地下補給量/(m3/年)；

Q泉——泉流量/(m3/年)；

Q蒸發——年蒸發蒸散量/(m3/年)；

W——年均降水量/m；

S——流域面積/m。

根據水循環原理,阿爾山地塹的水補給主要是四周山脈地表水、地下水匯集而成的,因此圈定大興安嶺嶺北至阿爾山溫泉群流域面積作為主要研究區域。通過量測嶺北至溫泉群流域面積(S=97 827 551 m2),計算地下水年補給量(見表1)。

表1 地下水年補給量計算結果 (m3/年)

2.3 隧道涌水量預測

阿爾山地區地勢陡峻,為了繞避阿爾山市火山溫泉國家地質公園,采用隧道形式穿過阿爾山市南側山體。鐵路建設過程中,隧道的施工排水會造成地下水流失,對位于阿爾山市西南部的水源地水源補給和溫泉的補給有影響。用大氣降水入滲法預測隧道涌水量

Q涌=2.74λ·W·A

(2)

式中Q涌——平水期隧道正常涌水量/(m3/年)；

λ——降水入滲系數；

W——年均降水量/m；

A——隧道通過地段的集水面積/km2。

2.4 風險評價與區劃

根據區域地下水均衡原理與隧道涌水量預測,隧道施工涌水量越大,對溫泉群地下水補給的影響越大,風險越高。施工建設距溫泉群越近,噪聲、鐵路污水、電磁輻射等對阿爾山生態環境的影響越大。另外，地下水入滲深度不同,對溫泉的影響也不同。綜合以上因素,用風險系數α反映工程建設對溫泉的影響程度。

α=Q涌/Q地+(L-l)/L+λ2

(3)

式中α——風險系數；

l——工程建設距溫泉的距離/m；

L——安全距離/m。

將阿爾山地區按照對溫泉的影響大小劃分為三個風險區(如圖1所示)。

(1)高風險區：α>0.6,距溫泉近,施工建設對巖層斷裂帶的沖擊以及對地下水循環的破壞將對該區域內的溫泉造成不可逆轉的影響,禁止新建隧道工程。

(2)中風險區：0.2<α≤0.6,距溫泉較遠,隧道施工建設將影響附近區域地下水滲透循環,造成地下水的流失和溫泉水補給的減少,對溫泉影響較大。

(3)低風險區：α<0.2,施工建設離火山溫泉區遠,對溫泉影響較小。

3 方案研究與比選

3.1 限制坡度選擇

白阿鐵路擴能改造工程采用6‰/13‰限制坡度,針對阿爾山地區特殊的地形地貌、環境地質等因素,對6‰/13‰、13‰/13‰限制坡度進行比較研究。13‰/13‰方案的線路長度較短,橋隧比較小,工程投資較省,但能源消耗大,運營成本高,運輸組織不靈活。盡管6‰13‰方案有工程投資大、越嶺隧道長等缺點,但是從運營條件看,本線是以煤炭運輸為主的貨線,6‰坡度能夠避免在白狼至阿爾山段采用補機,并且與其他路段的限制坡度一致,具有提高輸送能力,改善運營條件,節省運營成本，降低能源消耗等優點。從區域路網分析,相鄰的兩伊鐵路與在建錫烏鐵路限制坡度6‰,使用6‰/13‰坡度能和相鄰鐵路相互匹配,適應遠期發展需求。因此,該段采用6‰/13‰限坡方案。

3.2 方案說明

(1)阿爾山南取直方案(方案Ⅰ)

該方案自比較起點CK302+800引出后繞避白狼望遠山礦泉水廠,于既有白狼站南側新設白狼站。出站后以23 750 m隧道翻越大興安嶺,同時繞避白狼洮兒河國家濕地公園和阿爾山火山地質公園及阿爾山市區。出隧道后連續以隧道展線至伊爾施行政規劃區東北側設新伊爾施站,出站后引入兩伊線阿爾山北站。該方案線路長度57.404 km,橋梁長3.782 km,隧道長41.295 km,橋隧比78.53%,工程投資38.03億元。

(2)沿勃爾姑高勒河谷方案(方案Ⅱ)

該方案自比較起點CK302+800引出,于白狼鎮西側設白狼站。出站后沿既有線東側走行,以9 695 m隧道穿越大興安嶺,出隧道后沿阿爾善高勒河谷西南側走行至距阿爾山市區約1.6 km處折向西以9 515 m隧道繞行至勃爾姑高勒河谷,之后連續以隧道展線至伊爾施行政規劃區東北側設新伊爾施站,出站后引入兩伊線阿爾山北站。該方案線路長度63.779 km,橋梁長3.738 km,隧道長36.755 km,橋隧比63.49%,工程投資33.19億元。

(3)阿爾山南繞行方案(方案Ⅲ)

該方案自比較起點CK302+800引出后繞避白狼望遠山礦泉水廠,于既有白狼站南側新設白狼站。出站后分別以9 960 m、5 300 m和12 265 m隧道翻越大興安嶺,同時繞避白狼洮兒河國家濕地公園及阿爾山火山地質公園及阿爾山市區。出隧道后連續以隧道展線至伊爾施行政規劃區東北側設新伊爾施站,出站后引入兩伊線阿爾山北站。該方案線路長度71.173 km,橋梁長3.558 km,隧道長53.35 km,橋隧比79.96%,工程投資43.86億元。

圖2 阿爾山地區方案比較示意

3.3 工程地質與環境敏感性評價

方案Ⅰ：隧道進口段主要為侏羅系上統凝灰巖,塊狀構造,節理裂隙發育,巖體較破碎,地質構造不發育。隧道洞深圍巖主要為燕山期花崗巖,塊狀構造,節理裂隙發育,巖體較破碎,地質構造較發育,圍巖等級以Ⅲ、Ⅳ級為主。該方案走行于低風險區以外,對溫泉基本沒有影響,工程風險較小,且符合地方政府繞避阿爾山市區要求,但是該方案存在23.75 km的超長雙洞隧道,工程投資較大,施工工期長,工程難度大。

方案Ⅱ：隧道洞深圍巖主要為侏羅系上統凝灰巖,凝灰質結構,層狀構造,節理裂隙發育。根據區域地質資料、地質調繪分析以及鉆孔揭露,隧道通過地段區域地質構造較發育,主要為華力西期和燕山期巖漿的侵入活動,與侏羅系上統地層形成斷層,圍巖等級以Ⅲ級為主。該方案穿越了溫泉中風險區域,對溫泉影響較大。

方案Ⅲ：隧道洞深圍巖主要為燕山期花崗巖,巖質堅硬,塊狀構造,節理裂隙發育,巖體較破碎,地質構造不發育,圍巖等級以Ⅲ、Ⅳ級為主。該方案徹底繞避阿爾山火山溫泉國家地質公園和阿爾山市溫泉街飲用水水源地保護區,對溫泉和水源地保護區基本沒有影響,工程風險最小。

3.4 方案優缺點分析與比選

阿爾山地區方案優缺點綜合對比分析見表2。

表2 阿爾山地區方案優缺點分析

綜上所述,阿爾山南取直方案(方案Ⅰ)雖然工程投資貴4.84億元,并且存在23.75 km的超長雙洞隧道,工程難度大,但是線形較為順直,線路長度最短,比方案Ⅱ和方案Ⅲ分別短6.375 km與13.769 km,線位走行于低風險區以外,對溫泉基本沒有影響,工程風險較小,且符合地方政府繞避阿爾山市區要求,隧道洞深圍巖主要為燕山期花崗巖,巖質堅硬,地質條件較好,隧道施工風險較小。因此,本次研究推薦阿爾山南取直方案。

4 結束語

本文根據阿爾山地區火山溫泉形成原理,應用區域水均衡理論結合大氣降水入滲理論對阿爾山地區工程建設進行風險分析與評價,提出用風險系數這個概念對環境影響的程度進行量化與分級,應用風險區劃結合其他控制因素進行方案研究與比選,推薦走行于低風險區以外、地質條件較好、工程風險較小且符合地方政府繞避阿爾山市區要求的阿爾山南取直方案,對環境地質選線具有重要的參考價值與借鑒意義。

[1]GB50090—2006 鐵路線路設計規范[S]

[2]TB10049—2004 鐵路工程水文地質勘察規程[S]

[3]中鐵工程設計咨詢集團有限公司.改建鐵路白阿線明水河至阿爾山段擴能改造工程可行性研究[R].北京:中鐵工程設計咨詢集團有限公司,2010

[4]吳小萍,楊曉宇,冉茂平.基于圖形疊置法的鐵路選線環境影響綜合評價研究[J].中國鐵道科學,2004(4)

[5]劉春明.鐵路選線應綜合考慮的主要問題[J].鐵道勘察,2007(2)

[6]王純祥,蔣宇靜,江崎哲郎等.復雜條件下長大隧道涌水預測及其對環境影響評價[J].巖石力學與工程學報,2008(12)