高原高寒構造-剝蝕地區地下水賦存特征研究

趙新杰 廖先斌 謝春慶 潘 凱

Research 研究探討

高原高寒構造-剝蝕地區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設計有限公司，廣東 廣州 510440）

隨著新基建工程在國內的快速發展，對高原高寒地區工程地質條件做更深入細致的調查與研究，才能提供給設計更合理可靠的基礎資料。本次研究通過對高原高寒場地進行地形地貌、地質構造、地層巖性的調查，特別是進行專門的水文地質專項調查，查明了典型高原高寒構造-剝蝕場地的工程地質條件，分析與確定了地下水基本類型、補徑排特征、水化學成分、動態變化特點、水文地質參數，建立了地下水滲流場模型。研究總體上說明高原高寒構造剝蝕地區地下水儲變量較穩定，數值上無波動，地下水滲流場較為穩定，工程建設時應注意不良地質作用影響。本次研究成果可作為高原高寒構造剝蝕地區水文地質基礎數據進行利用，可作為相似工程地質條件下的設計參考。

高原高寒；構造-剝蝕；水文地質；地下水；滲流場

0 前言

國內大循環為主體、國內國際雙循環相互促進的新發展格局，促進了高原高寒地區新基建工程的發展。工程地質條件作為基建工程的基礎資料、設計依據，需要進行詳細調查、分析與研究[1-3]。

高原高寒構造-剝蝕地區重要、大型工程建設偏少，深入的工程地質勘察不足。針對上述情況，廣東中煤江南工程勘測設計有限公司在四川高原高寒構造-剝蝕地區某機場一帶進行了巖土工程勘察工作與研究，重點進行水文地質調查、高填方專項勘察和高填方地基穩定性研究[4-7]。

通過資料收集和文獻研究，收集前人研究相關成果資料、報告、圖件、數據電子表格等；進行野外地質調查與測繪，完成了研究區比例尺1:10000面積約138.34km2和比例尺1:2000面積約10km2的水文地質調查、地下水利用情況調查、集中供水水源地和水源井調查及主要污染源調查；完成了水樣采集，進行了40組的水質簡分析和12組的水質全分析；完成了水文地質及抽水試驗鉆孔11個。

在對場區水文地質條件進行調研的基礎上，通過試驗段（物理模型）的水位監測、盲溝流量監測獲得了滲流模擬參數，采用基于有限元原理的FEFLOW軟件和SEEP/W軟件對全場地下水初始滲流場以及試驗段（物理模型）填挖前后滲流場的變化進行了模擬分析。

通過上述工作，詳細分析與研究了具有高原高寒地區特點的構造-剝蝕場區地下水賦存特征，提供了具有普遍運用意義的高原高寒地區水文地質參數參考資料。

1 場區工程地質條件

1.1 地形地貌

研究區所在區域為青藏高原東部邊緣，溝谷縱橫交錯，主要屬于中高山構造-剝蝕地貌。研究區位于近東西向山梁之上，地勢中間高，兩側低。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粘土為主。場區地形相對高差較大，一般為15～50m。

地形地貌三維效果圖如圖1所示。

圖1 場區三維地貌模型

1.2 地層巖性

場區地層巖性比較復雜，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）上統圖姆溝組二段（Tt2）以及二疊系（P）-三疊系（T）中三疊統-上二疊統卡爾蛇綠巖組仁則赫型（PTkr）。其中，第四系由植物土（Q4pd）、泥炭（Q4h）、粉質粘土（Q4el+dl）、粉質粘土（Q4dl+pl）、碎石（Q4dl+pl）、細砂（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）主要為上三疊統圖姆溝組二段（Tt2）、中三疊統-上二疊統卡爾蛇綠巖組仁則赫型（PTkr），其巖性分別表現為結晶灰巖，變質砂巖和角礫巖（如圖2所示）。

圖2 代表性地質剖面圖

1.3 地質構造

研究區在大地構造單元上地處松潘-甘孜造山帶，從大地構造區域上來看，它是由西部青藏高原的羌塘-昌都陸塊，北部勞亞板塊，東部揚子陸塊三個板塊匯聚擠壓形成的一個特殊的倒三角形態。該區處于鮮水河斷裂中段的西側，甘孜-理塘斷裂帶北側，其主體構造呈NW向。

2 地下水賦存特征

2.1 地下水基本類型

場區內的地下水按含水介質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沖積及洪積砂卵礫石層和更新統冰川堆積層。這類水多賦存于河谷沖溝及臺地、緩坡等地帶，根據地下水埋藏條件，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。一般賦存于粉質粘土、粉土、中細砂、角礫、碎石較多的部位。粘土與粉質粘土層形成一層相對隔水層，在此層隔水層上部分布有植物土及泥炭層，當下滲的水體遇到相對隔水層時形成上層滯水；另外，粘土和粉質粘土層中含有角礫、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，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

分布于調查區內裂隙發育的變質砂巖中，一般多賦存于構造轉折、斷裂構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、裂隙及構造控制，基巖裂隙水一般沒有統一的水位面，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）地層灰巖中，巖溶微弱發育，賦存少量巖溶裂隙水以潛水為主，局部地段可具弱承壓性，地下水性質及特征與基巖裂隙水相似。

2.2 地下水補徑排特征

場區內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、基巖裂隙水的補給，向臺地前緣和下伏基巖裂隙帶徑流、排泄。基巖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給。因構造剝蝕作用強烈，調查區內各溝谷切割較深，各臺地之間往往缺乏水力聯系，淺層地下水多在臺地前緣以下降泉的形式排泄，或者地下水遇變質砂巖等相對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給溝谷中的地表、地下水（圖3）。

此外，場區地面蒸發也是地下水重要的排泄途徑。

圖3 地下水補、徑、排剖面示意圖

2.3 水化學成分及類型

研究區共有水化學類型計12類，以HCO3-Ca型為主。在水化學分析的48個樣品中，水化學類型統計分別為HCO3-Ca型，計23個；HCO3-Na?Ca型，計6個；HCO3?SO4-Na?Ca型，計3個；HCO3?SO4-Ca型，計4個；HCO3-Ca?Mg型，計3個；HCO3?SO4-Ca?Mg型，計3個；同時還發現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。

2.4 地下水動態特征

（1）地下水動態變化

不同類型地下水特征隨不同季節補給強度不同存在一定差異。松散巖類孔隙水與大氣降水、融雪水及地表水關系密切，具有明顯的季節性變化特征；淺部風化帶裂隙水動態隨季節性、地層巖性、地形地貌特征變化而變化，深部層間裂隙水較穩定，水位、水溫隨降雨、季節變化相對滯后；區內變質砂巖滲透性較弱，地下水動態變化相對較為滯后。

（2）滲透指標

在現場進行了巖土層的抽水試驗（圖4），結果詳見表1所示。

圖4 抽水試驗曲線

表1 現場抽水試驗數據表

（3）地下水長期監測

地下水長期監測孔主要布置在試驗段1區、試驗段2區和東端沃日柯高填方區，地下水位長期監測區位置分布見圖5。地下水位監測時段主要為2016年5月至2016年12月。

圖5 研究區地下水長期監測區位置分布

試驗段期間進行了試驗段1區和2區監測管水位，沃日柯進行了鉆孔水位觀測，結果如下。

（1）沃日柯高填方區水位觀測鉆孔121個，2016年6月至2016年10月監測14期次，共監測1694點次，水位降幅較明顯的監測點有20個，水位變幅為0.04～3.21m（bk84）。

（2）試驗段1區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2區地下水位監測孔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）均未發現有地下水。

沃日柯高填方區的地下水位監測結果如表2所示。

表2 沃日柯鉆孔水位觀測結果

注：觀測日期為2016/6/3～2016/10/13

（4）盲溝流量監測

試驗段期間進行了試驗段1區和2區肓溝出水量觀測。

試驗段1區肓溝，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。

試驗段2區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。

根據肓溝出水量變化情況和地下水位監測情況分析，肓溝出水清澈，肓溝下方溝邊無砂粒堆積，排水通暢。

3 地下水滲流場特征

3.1 水文地質概化模型

把含水層實際的邊界性質、內部結構、滲透性能、水力特征和補給排泄等條件概化為便于進行數學與物理模擬的基本模式，反映了區域地下水系統的整體特點，是建立地下水各種特性數值模擬模型的重要基礎。機場場區水文地質概念模型為：非均質、水平方向各向同性、垂直方向存在變異、空間三維、非穩定地下水系統。表層泥炭和灰巖含水層統稱為“上部含水層”，將粉質粘土層及變質砂巖統稱為“下部弱透水層”，地下水流存在水平運動和垂向運動，以水平運動為主。

3.2 地下水滲流場分析

在對地下水補給、徑流、排泄條件進行調研的基礎上，采用FEFLOW和SEEP/W軟件對全場地下水滲流場進行模擬分析。首先，對模型定解條件和源匯項的各參數率定后，在已建立的地下水流模型的基礎上，結合研究區內2013年1月~2016年期間降水監測資料進行現狀條件下的數值模擬，進而預測研究區內地下水水位及流場演化的趨勢性。其次，選取模擬期內模型運行1d、8d、35d、68d、137d、365d、720d后的滲流場計算結果進行對比分析，模型初始滲流場及運行720d滲流場模擬結果見圖6。

a．模型運行720d滲流場平面地下水位等值線圖

b．模型運行720d滲流場三維地下水位等值線圖

圖6 模型運行720d地下水滲流場模擬結果

將模型運行1d、8d、35d、68d、137d、365d、720d七個時期的滲流場模擬結果與研究區初始滲流場特征進行對比分析可知：在兩個完整水文年模擬期內，研究區地下水在不同時期滲流場均較穩定，整體上反映為區內地下水以近東西向的地表分水嶺為界，分別沿兩側坡向徑流，在地形及地質構造有利部位天然出露或運移至排泄邊界處排泄；區內花菁坡一帶灰巖地層中的地下水存在向區內濕地面積分布最廣的沃日柯流域徑流排泄，轉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；研究區內近東西向地下分水嶺基本與地表分水嶺吻合，僅位于研究區西側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置為自由和可移動表面以便識別地下分水嶺，經模型計算識別該區域地下分水嶺可能分布在從大包梁開始沿與14#溝近平行的各山脊沿線至14#溝溝口結束。

研究區地下水均衡數據表明：模型初始運行期模型內第一類邊界地下水流出、流入量波動較大，模型運行穩定后第一類邊界主要體現為排泄邊界的特征，地下水流出、流入量較為穩定；模型內第二類邊界地下水流入流與流出量之間差值較小，不同運行時段地下水流出、流入量波動較大，可能主要受到區內大氣降水影響，即降水量大對應同時期第二類邊界地下水流出、流入量亦較大，反之則小；模型內地下水儲變量穩定，模擬計算期內無波動，亦可反映出研究區內地下水滲流場較為穩定，區內濕地可常年處于飽水狀態。綜上，均衡分析的結果表明：研究區所建模型邊界條件的識別準確，模型內源匯項計算合理，均衡分析所反映出的水文地質特征符合研究區實際的水文地質特征。

4 地下水產生的不良工程地質影響

高原高寒構造-剝蝕地區為凍土區，地下水埋藏淺，水位變幅小，地下徑流途徑短，多近源排泄，易產生以下的不良地質作用：

（1）浸泡和軟化土體，降低原地面第四系土層物理力學性能。

（2）崩解軟化全強變質砂巖，使之物理力學性能迅速降低，尤其是抗剪性能降低，影響工程穩定性。

（3）易形成沖刷和潛蝕，降低工程穩定性。

（4）高原高寒隨季節造成土體凍結、凍融，對地層及排水系統形成破壞。

（5）當排水不暢時，地下水高，地下水壓力大，影響邊坡穩定性。

（6）溝谷中地下水富集區往往土層較厚，在施工條件下，泥濘不堪，影響施工速度與安全。

5 結論

本次在具有高原高寒構造-剝蝕地區典型特征的某機場進行專門的水文地質調查工作和地基穩定性研究，初步分析地下水賦存特征，結論如下：

（1）高原高寒構造-剝蝕地區大部分地區覆蓋層淺，地質構造形跡主要以NW向為主。

（2）高原高寒構造-剝蝕地區主要發育松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，局部發育巖溶裂隙水；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、融雪水及地表水關系密切，具有明顯的季節性變化特征；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給。

（4）研究區地下水在不同時期滲流場均較穩定，整體上反映為區內地下水以區內近東西向的地表分水嶺為界，分別沿兩側坡向徑流；水均衡項中地下水儲變量較穩定，數值上無波動，反映出兩個完整水文年模擬期內研究區地下水滲流場較為穩定。

（5）高原高寒構造-剝蝕地區地下水埋藏淺，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、凍融，影響工程的穩定性。

（6）本次研究成果可做為高原高寒構造-剝蝕地區水文地質基礎數據進行利用，可作為相似工程地質條件下的設計參考。

[1] 中華人民共和國建設部. GB/T50123-2019土工試驗方法標準[S]. 北京: 中國計劃出版社, 2019: 85-95.

[2] 《工程地質手冊》編委會. 工程地質手冊(第五版)[M]. 北京: 中國建筑工業出版社, 2018: 156-163.

[3] 龔曉南. 土力學[M]. 杭州: 中國建筑工業出版社, 2002: 77-98.

[4] 謝春慶, 潘凱, 程瑞馭等. 四川甘孜格薩爾機場水文地質調查報告[R]. 廣州: 廣東中煤江南工程勘測設計有限公司, 2017.

[5] 謝春慶, 潘凱, 程瑞馭等. 四川甘孜格薩爾機場高填方專項勘察報告[R]. 廣州: 廣東中煤江南工程勘測設計有限公司, 2016..

[6] 謝春慶, 趙新杰, 潘凱等. 四川甘孜格薩爾機場巖土工程詳細勘察報告[R]. 廣州: 廣東中煤江南工程勘測設計有限公司, 2018..

[7] 謝春慶, 趙新杰, 潘凱等. 高原高寒高地震烈度場地高填方地基穩定性研究—以甘孜機場為例[R]. 廣州: 廣東中煤江南工程勘測設計有限公司, 2019.

趙新杰（1966- ），男，漢族，陜西省洋縣人，畢業于西安礦業學院，水文地質與工程地質專業，本科，高級工程師，研究方向：地下工程（巖土工程勘察、地基與基礎工程）。

廖先斌（1971.11- ），男，漢族，福建，本科，教授級高級工程師，注冊巖土工程師。

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1007-6344（2021）01-0346-03