某實驗站深埋施工地下水涌水來源分析

孫 璐，張海豐，曾 峰，牛香玉

（黃河勘測規劃設計研究院有限公司，鄭州 450003）

某實驗站地下洞室在掘進過程中多次出現涌水現象，且隨著開挖深度的增加，涌水量不斷增大趨勢，局部發生沿節理裂隙和斷層的集中涌水，高滲透壓力、大流量突發涌水給施工帶來極大困擾，導致工程施工進度滯后、投資增大，而涌水來源一直未查明，因此準確判斷涌水成因，查找涌水來源對涌水治理具有重要的指導意義。

地下水的水化學、氫氧同位素組成作為天然標記，攜帶著地下水自補給、流動至排泄過程的信息，在涌水來源識別中被廣泛應用［1-4］。在分析實驗站地質和水文地質條件的基礎上，利用水化學和氫氧同位素等技術手段，綜合判別實驗站的涌水來源和滲流路徑，為工程采取止水措施和運行管理提供技術支撐。

1 研究區概況

1.1 工程概況

某實驗站所處地貌類型屬低山丘陵區，區內地勢總體南高北低，地面高程為20～500m。實驗站由地下建筑和地上建筑組成，地上建筑主要布置于斜井入口，地下建筑主要為試驗大廳、斜井、豎井及附屬洞室，實驗大廳埋深763m，為大型深埋地下洞室。

1.2 地質與水文地質概況

研究區地層區劃屬華南地層區東江分區，出露地層主要有寒武系石英砂巖夾泥質頁巖，奧陶系頁巖、粉砂巖夾泥巖，第四系殘坡積和沖洪積物及燕山期侵入巖。實驗站地下建筑大多分布于燕山期花崗巖中，豎井全段為花崗巖，斜井洞身前段為粉砂巖、長石石英砂巖局部夾泥質頁巖、角巖，后段為花崗巖。

研究區地下水以潛水為主，地下水類型包括松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，松散巖類孔隙水賦存于溝谷局部地段和山前第四系沖洪積地層中，基巖裂隙水賦存于花崗巖和砂泥巖中。根據地面瞬變電磁、大地電磁資料并結合目前施工涌水情況，花崗巖層富水性相對較強，主要沿近東西向節理及構造密集帶分布。地下水主要接受大氣降水補給，以泉水形式和滲流形式向溝谷排泄或下滲補給深層地下水。

1.3 涌水特征

實驗站自2015年開工建設以來，前期的掘進工作進展順利，粉砂巖、泥巖及頁巖段掘進過程中滲水量小，水量基本可控。2015年9月底斜井開挖到樁號0+590m進入花崗巖段，滲水量逐漸增大，最大涌水量23m3/h，2016年3月在斜井樁號0+851m最大涌水量達400m3/h。豎井全段在花崗巖體內掘進，井口高程127.5m，掘進到43.5m高程井底開始有涌水現象，先后在-301，-337.5，-403m發生較大突水事件，涌水量在200～437m3/h。目前工程區日均排水量約490m3/h，且未見衰減趨勢。根據涌水情況分析，主要涌水點為花崗巖地層近東西向張開節理裂隙或斷層構造帶。

2 樣品采集與測試

為研究不同含水層的水力聯系特征，判別實驗站工作面涌水水源及徑流途徑，于2019年在研究區內對多處水點進行了取樣分析，共收集水樣21組，包括大氣降水2組、地表水8組、淺層第四系松散巖類孔隙水3組、深層花崗巖裂隙水7組、花崗巖與角巖接觸帶混合水1組。水樣經過濾保存后送中國地質大學（武漢）分析測試中心測定常規離子濃度，測定結果如表1。

表1 水化學常規組分測試結果

3 水化學及氫氧同位素特征分析

3.1 宏量組分特征分析

圖1 研究區水化學組成Piper三線圖

圖2 研究區各種水體常規離子含量變化

3.2 微量組分特征分析

除了宏量組分外，地下水中還有一些微量組分，如F，I，Sr，As等。微量元素含量雖小卻十分靈敏，地下水中的微量元素是地下水在儲存、運移過程中與巖體相互作用的結果，一定程度上反映地下水的水質特征和形成環境，可以作為良好的水化學示蹤劑來分辨水中物質來源和成因［6］。

通過微量元素分析可以發現，研究區不同類型地下水中，部分微量元素含量存在明顯差異。由表2可以看出，深層花崗巖水和淺層混合水中的微量元素含量明顯高于地表水和第四系淺層地下水，差異比較明顯的有Sr，Ba，Li，As等元素。初步分析是由于深層花崗巖水的水溫較高（實測31℃），地下熱水在水熱作用下提高了與含水介質間的水巖反應能力，巖體中的部分組分不斷被溶濾、溶解到水體中，使微量元素得以在水中富集。

表2 不同類型水特征微量元素對比

由于微量元素Sr廣泛存在于花崗巖的造巖礦物長石中，通過礦物溶解進入地下水中［7］，Sr元素是花崗巖水中主要的微量元素。通常富鍶礦物溶解度較低，且Sr元素化學性質穩定，不參與離子交換反應，但隨著徑流途徑的延長，水巖相互作用時間增長，地下水中Sr2+濃度逐漸增高，在地下水滯留區達到最大，因此地下水中Sr2+濃度是地下水滯留時間的函數［8，9］，可以用來示蹤水循環［10］。花崗巖水和混合水的Sr2+濃度最高可達0.49mg/L，遠遠高于淺層地下水背景值，這是由于淺層地下水主要接受大氣降雨補給，水巖相互作用時間較短，水中Sr2+含量較低，花崗巖水和混合水中的Sr2+是含有游離CO2的地下水與富含鍶的花崗巖相互作用的結果，隨著徑流途徑的增加和徑流時間的延長，水中Sr2+含量增加，說明其為區域地下水流。

3.3 氫氧穩定同位素特征分析

根據本次氫氧同位素測試結果，結合前人在本地區的研究成果［11］（大氣降水線參考廣東廣州的大氣降水線方程δD=8.46δ18O+15），繪制地下水和地表水的δ18O-δD關系圖（圖3）。研究區內淺層地下水、深層地下水和地表水的氫氧同位素變化范圍較大，但均位于全球大氣降水線與當地大氣降水線附近，表明研究區地下水均起源于大氣降水。

圖3 研究區地下水δ18O-δD關系

不同水體在δ18O-δD關系圖中具有不同的氫氧同位素組成特征，顯示出一定的分層現象，說明不同水體接受補給的時期及水體的流動系統不同，淺層地下水基本介于地表水和深層地下水之間，說明淺層地下水與地表水和深層地下水之間存在著水力聯系，或受到混合，或作為補給源［12，13］。地表水及淺層地下水樣位于大氣降水線右下方，主要是受蒸發作用影響導致氫氧同位素重同位素的富集。

深層花崗巖水的同位素組成相似，表明其補給高程及范圍較為一致，相對于當地大氣降水和淺層地下水表現出貧化重同位素的特征，表明深層地下水不是直接來源于當地大氣降水和淺層地下水的入滲補給。通常，深層地下水氫氧同位素組成偏負是由于高程效應或古環境時期降水補給。以實驗大廳層涌水點為參照點，其δD、δ18O分別為-4.471%、-0.704%，排泄高程為-430m，按照δ18O大氣降水高度梯度值取－0.31%/100m［14］，則深層地下水計算補給高程為845m，大于當地最高海拔。據此分析，深層花崗巖水可能來源于研究區外海拔更高的山地大氣降水入滲補給，也可能來源于古環境時期降水補給。

4 結語

通過對實驗站基礎水文地質條件及涌水現狀分析，結合水化學主組分、微量組分、氫氧同位素等水文地球化學特征，綜合分析研究區涌水來源，得出主要結論如下：

（1）研究區內涌水來源主要為深層花崗巖水，不同涌水點水化學特征相似，表明其補給來源基本一致。

（2）深層花崗巖水表現為水溫高、TDS高、Sr2+高的HCO3-Na·Ca類型，表明其為區域地下水流，且地下水的徑流速度較為緩慢。

（3）研究區地下水主要為大氣降水成因，深層花崗巖水的δD和δ18O值較大氣降水和淺層地下水偏低，表明其不是直接來源于當地大氣降水和第四系水的就近入滲補給，而是大氣降水經過較長距離的徑流以垂向下滲和側向徑流的方式間接補給深層花崗巖水。