瓦納溫泉發育特征及其對隧道工程影響分析

高芳芳,鄧 睿,陳 偉,賈 杰

(1.四川大學錦城學院,成都 611731； 2.中鐵二院工程集團有限責任公司,成都 610031)

瓦納溫泉位于云南省元江縣瓦納村東約2.0 km，泉口最高水溫可達到92 ℃[1]。隨著社會發展溫泉附近常常伴有工程建設，從而不可避免受到高溫熱水的影響。瓦納溫泉旁目前已經建成紅河谷熱海，并且西南某新建鐵路于其附近以隧道形式通過。在對瓦納溫泉發育特征分析的基礎上，探討了其對隧道工程帶來的影響，并對高地溫段落施工提出相應的建議。

1 瓦納溫泉發育特征分析

瓦納溫泉沿元江縣境內清水河左岸至電站約6 km的地段內斷續出露，主要水熱活動區在熱水塘附近，主泉口位于清水河左岸斜坡上，水溫84 ℃(WS02)，流量約10 L/s，泉口旁側有2處冒氣孔，H2S氣味甚濃(圖1)。該點下游左岸邊亦有2處溫泉點出露，溫度為55～60 ℃。溫泉出露于元古界小羊街組(Ptx)片巖、片麻巖中，片麻理產狀42°∠71°，沿片麻理水熱蝕變強烈，泉口附近泉華沉著形成錐形。順河下游約0.6 km處出露的泉水水溫僅43 ℃(WS01)，且流量較小。

1.1 區域地熱背景

哀牢山構造帶是幾大構造體系的復合部位，構造復雜，繼承性活動強烈，形成了區內豐富的地熱資源。根據區內溫泉(水熱區)分布規律與構造帶的關系，瓦納溫泉出露于哀牢山中溫水熱活動帶，該活動帶東到紅河大斷裂為界，西至哀牢山斷裂西支，屬北西緊束向南東撒開的哀牢山變質巖構造帶(由片麻巖和片巖組成)，東西縱橫15～70 km，南北延伸260余km[2-3](圖2)。

圖1 瓦納溫泉

圖2 瓦納溫泉區域背景及水熱活動分區示意

1.2 溫泉水化學特征

溫泉的化學成分主要取決于循環過程中的圍巖和構造環境，一方面深大斷裂會帶出溫泉深部的化學成分，另一方面溫泉會不斷地溶解圍巖的礦物質成分[4]。溫泉水在深循環和高溫環境下進行溶濾作用、混合作用和離子交換吸附等作用，其水化學特征與普通水存在一定差異。這些特殊成分的含量多少與地下熱水的補給、徑流、排泄過程中的化學環境密切相關。根據收集資料[1，3]及取樣試驗成果(表1)可知：(1)常量組分中陽離子K+、Na+含量最高，主要來源于含鉀、鈉礦物的變質巖；主要陰離子為HCO3-，其來源于變質巖中含鋁硅酸鹽礦物的風化溶解；Ca2+、Mg2+和Cl-離子含量較低，表明地下水運移過程中鈣、鎂及氯化礦物含量較少；(2)微量組分中SiO2主要來自巖石中硅鋁酸鹽與含碳酸氣體的熱水作用時的溶解；F-離子主要來源于巖漿活動余熱中含氟氣體的溶解，或黏土質巖石中含氟鹽類、鋁酸鹽類的溶解[5]；兩者是區分冷水和熱水的標性元素，其含量一般與溫度具有正比關系，SiO2與F-離子含量多少亦是瓦納溫泉屬于中溫水熱活動帶的表現之一；(3)泉水主要為HCO3-Na型水，其礦化度較低(≤1 000 mg/L)，顯示帶內近代火山和淺部巖漿熱源影響較小，較高的大地熱流為主要增溫熱源。

表1 瓦納溫泉水化學類型統計

1.3 同位素特征分析

氫和氧的同位素組成是尋找地熱水補給源的天然示蹤劑，將地熱水及各種可能的補給源的氫和氧的穩定同位素組成進行比較分析，可研究地熱水的補給來源[6]。

研究區地熱水來源于大氣降水補給，而大氣降水的氫氧同位素組成一般具有高程效應。根據該效應理論，熱水中的δD和δ18O在地下水的補給高程的減小時增大，因此可利用水體同位素值計算溫泉補給高程[7]。我國西南地區gradD的平均梯度值為-2.5‰/100 m。計算公式如下

H=H0+(D-D0)/gradD

(1)

式中，H為地下熱水補給高程，m；H0為參考點高程，m；D為地熱水的δD值；D0為參考點的δD值；gradD為高程遞減梯度(采用-2.5‰/100 m)。

結合陳偉等的研究[2]，瓦納溫泉補給高程及地區特征如表2所示：溫泉補給高度在海拔1 800 m左右，補給區位于北西方向地理位置較高的山區；補給高程高于溫泉出露高程900 m左右，說明溫泉循環深度相對較大，循環過程中發生了充分的水巖相互作用；泉點出露于哀牢山斷裂帶內，補給區大氣降水順基巖裂隙下滲后沿斷裂徑流，在徑流過程中吸取圍巖中的熱量形成熱水，最終在山間河谷排泄。

表2 瓦納溫泉補給高程及地區簡表

1.4 熱儲溫度及埋藏深度特征

熱儲溫度是地熱系統成因類型和地熱資源評價的重要參數，目前常用SiO2溫標(石英)及K-Mg溫標進行計算。瓦納溫泉熱儲層巖石為變質巖，利用既有資料進行計算[3]，熱儲層溫度主要在100～120 ℃(表3)，屬中溫地熱系統。

(2)

(3)

式(2)、式(3)中：T為計算的熱儲溫度，℃；mSiO2、mK、mMg離子含量單位為mg/L。

在熱儲溫度的基礎上，可采用公式(4)對熱儲埋藏深度(熱水循環深度)進行估算，瓦納溫泉熱儲埋藏深度在3.9～4.6 km(表3)。其中地溫梯度根據鉆孔測溫資料計算，取值3.10 ℃/100 m。

S=T×G0

(4)

式中，S為熱儲埋藏深度，m；T為熱儲溫度，℃；G0為地溫陡度即地溫梯度的倒數，m/℃。

表3 瓦納溫泉熱儲溫度及埋藏深度計算

1.5 地熱水成因及類型

地下熱水的補給、徑流、排泄嚴格受構造和地形條件的控制：(1)瓦納溫泉地熱水補給區為北西側的哀牢山脈大氣降水，地下水主要順垂向的裂隙、斷裂下滲至巖體深部；(2)哀牢山深大斷裂及裂隙為徑流區運移通道及儲存空間，地下水主要沿斷裂向東南方做水平滲流，在巖體深部通過長距離運移后充分吸收周圍熱量加熱；(3)加熱后的地下水在地勢低洼的清水河邊受斷層相阻后，沿陡傾斜的裂隙通道在地表有利部位涌出形成瓦納溫泉(圖3)。

圖3 瓦納溫泉成因示意

溫泉的成因及類型一般可分為斷裂深循環型溫泉、巖漿余熱型溫泉及放射性元素衰變型溫泉[7]。根據上述瓦納溫泉的發育特征及補徑排關系可知：瓦納溫泉屬斷裂深循環型，哀牢山深大活動斷裂帶(Q1-2)是地熱水的主通道，是溫泉出露的重要條件，熱源為大地熱流。

2 隧道工程高地溫預測分析

西南某新建鐵路隧道位于瓦納溫泉東南方向約1.5 km，全長約3.5 km，最大埋深約630 m，為單面上坡，軌面高程為900～980 m。根據《鐵路工程不良地質勘察規程》、《鐵路隧道工程施工技術指南》等規范規程規定[8-9]，隧道洞室內氣溫不得高于28 ℃，當洞內氣溫超過28 ℃時，需要采取降溫或者其他防護措施。目前國內高溫地熱隧道主要有玉蒙鐵路、向莆鐵路、拉日鐵路、大瑞鐵路、玉磨鐵路、青藏鐵路、川藏鐵路等工程[10-15]。鑒于高溫熱害對隧道工程帶來的危害，有必要對隧道高地溫進行預測分析。

2.1 隧道地質概況

2.1.1 地層巖性

隧道通過地層巖性主要為三疊系(T2)花崗斑巖及板巖、變質砂巖，元古界小羊街組(Ptx)混合巖、糜棱巖、千糜巖等。巖體以硬質巖為主，節理較發育～發育，多形成陡峭地形，表層機械風化嚴重。構造影響帶內巖體較破碎，表層多呈碎石角礫狀。

2.1.2 地質構造

隧址區構造以北西向為主，發育哀牢山深大斷裂F1及哀牢山擠壓帶次級斷裂F2～F5共5條斷層(圖4)。各斷層特征描述如下。

(1)哀牢山深大斷裂F1：該斷裂與紅河深大斷裂大致平行，規模僅次于紅河斷裂，是“哀牢山群”與古一中生界分界斷裂，延綿數百千米。斷裂線波狀彎曲，斷面主要傾向北東，局部扭轉傾向南西。斷裂與隧道交角89°，斷裂傾向NE，傾角60°～70°，為壓扭性斷層，具糜棱巖和千糜巖等高級壓性構造巖。巖體節理裂隙發育，斷層上盤發育哀牢山構造擠壓帶F2～F5。

(2)F2斷層：與隧道交角約24°，走向N35°～55°W，傾向NE，傾角71°，局部變緩或變陡，為逆斷層。斷層破碎帶寬10～25 m，呈中密～密實狀碎石、角礫土狀，局部夾糜棱巖、混合巖透鏡體。

(3)F3斷層：與隧道交角約54°，走向N45°～60°W，傾向NE，傾角75°～85°，局部變緩或變陡，為走滑斷層。斷層破碎帶寬10～20 m，呈中密～密實狀碎石、角礫土狀，局部夾糜棱巖、千糜巖透鏡體。

(4)F4斷層：與隧道交角約63°，走向N40°～65°W，傾向NE，傾角70°，為逆斷層。地表未見明顯破碎帶痕跡。

(5)F5斷層：與隧道交角約76°，走向N45°～65°W，傾向NE，傾角50°，為逆斷層。斷層破碎帶寬10～20 m，呈中密～密實狀碎石、角礫土狀。

圖4 瓦納溫泉及隧道平面示意

2.2 高地溫預測分析

2.2.1 高地溫風險初判

在查明瓦納溫泉的補給、徑流及排泄條件后，結合隧址區復雜的構造條件，可從以下幾方面對隧道高地溫風險進行初步判斷：(1)隧道于溫泉東南側繞行避讓，位于徑流區及排泄區外，且洞身附近未見溫泉出露，總體上高地溫風險較低，溫泉地下熱水的補、徑、排區域與隧道關系如圖3所示；(2)隧道高程高于溫泉的段落，高地溫風險應該相對較低；(3)隧址區構造十分發育，北西向構造帶聯通溫泉及隧道，高溫熱水可能通過斷裂帶(導熱斷裂)運移至隧道，部分段落有高地溫風險。

2.2.2 地溫值預測

鉆孔地溫測試是隧道高地溫分析最常用的方法。隧道附近鉆孔地溫測試情況如表4所示。鉆孔ZK2孔底溫度為34.4 ℃，埋深約260 m處溫度達到28 ℃；鉆孔ZK3在埋深360 m處溫度達到28 ℃。根據鉆孔測溫資料進行計算，地溫梯度取值3.10 ℃/100 m。根據地溫等溫線理論，結合鉆孔實際地溫，可初步推測隧道埋深大于260 m的段落可能會有高地溫(圖5)。由于高地溫溫度為28～34.4 ℃<37 ℃，屬低高溫帶，該隧道熱害等級輕微[8]。

表4 鉆孔地溫測試

圖5 隧道高地溫預測分析斷面示意

2.2.3 隧道高地溫分布規律

上述兩地溫異常鉆孔均位于哀牢山深大斷裂及其擠壓帶內，說明瓦納溫泉熱水在導熱構造的影響下確實向隧道方向運移傳遞。其中ZK2位于F5、F1上盤且距離深大斷裂較近，沿主斷裂帶地下熱水運動較強，從而該鉆孔揭示溫度最高；ZK3雖然揭穿F1，但是主要位于斷層下盤，受斷層阻水影響地下熱水運動較弱，從而孔底揭示地溫低于ZK2；ZK1位于構造擠壓帶內，但距離F1較遠，F4可能為阻水斷層，故地下熱水運動弱，未揭示高地溫；ZK4位于F1下盤且距離較遠，基本無熱水活動。由此分析可知，該隧道高地溫應主要分布于哀牢山斷裂上盤至F4斷層之間，往兩側地下熱水活動減弱，地溫逐漸趨于正常。

2.3 施工建議

由于高地溫對隧道的施工、結構及運營安全影響較大，建議設計及施工中采取以下防治措施[16-18]。

(1)因哀牢山斷裂帶對地熱的控制作用明顯，設計及施工中應重視斷層破碎帶(特別是斷層上盤)處的高地溫風險。

(2)加強隧道超前地質預報。預測前方是否有高溫熱害，以確保施工安全。

(3)采取通風降溫及其他降溫措施相結合的綜合降溫措施，以改善隧道內的作業環境。

(4)確定“以排為主，以堵為輔”的治水原則減少熱源：對分散出水點采用徑向或局部注漿封堵，對集中出水點設管引排。

(5)采取相應的施工材料、混凝土施工工藝。

3 結語

高地溫對地下工程建設危害較大，隧道工程在難以避繞時，應針對地熱的特征開展詳細的地質勘察，查明其地熱特征參數，并進行地溫分級，制定施工預案[19]。通過對瓦納溫泉發育特征以及隧道高地溫的分析預測，得出以下結論：(1)瓦納溫泉主要受哀牢山深大斷裂影響控制，屬斷裂深循環型溫泉，熱源是大地熱流；(2)溫泉補給源為西北方向位置較高之哀牢山區，補給高程為1 806～1 842 m；(3)溫泉熱儲層溫度為100～120 ℃，熱儲埋藏深度3.9～4.6 km，屬于中溫地熱系統；(4)隧道總體避繞瓦納溫泉徑流排泄區，高地溫風險相對較低，埋深大于260 m的段落可能有高地溫，且主要分布于F1上盤至F4之間，往兩側地下熱水活動減弱，無高溫熱害；(6)隧道高地溫溫度小于37 ℃，屬低高溫帶，熱害等級輕微；(7)隧道高地溫段落施工中應加強超前地質預報，采取相應的防治措施，以確保施工安全。