成昆鐵路小相嶺隧道巖溶突水原因研究

楊 超

(成貴鐵路有限責(zé)任公司，四川成都 610031)

1 工程概況

小相嶺隧道位于四川省涼山彝族自治州喜德縣冕山鎮(zhèn)，是成昆鐵路峨眉至米易段鐵路橫穿山脊的一單洞雙線隧道，線路全長21.785km，貫通平導(dǎo)21 579m，分進(jìn)口工區(qū)、一號斜井工區(qū)、二號斜井工區(qū)、出口工區(qū)組織施工。隧址屬橫斷山中高山地貌，地形起伏較大，地面高程1 850～3 220m，隧道最大埋深約1 350m，自然坡度5°～35°不等。2018年9月24日，平導(dǎo)掌子面里程施工至PDK360+785時(shí)，掌子面左側(cè)邊墻、左側(cè)底部及掌子面右下部等3處，分別出現(xiàn)噴射狀的股狀水流出，水質(zhì)渾濁，并夾帶褐黃色泥砂，具有一定的承壓性。經(jīng)現(xiàn)場測算，流量約12 000m3/d，后期該3處涌水量進(jìn)一步增大，2018年10月7日達(dá)到250 000m3/d左右，截至2020年12月31日，最大涌水量約達(dá)490 000m3/d，隧道內(nèi)平均日涌水量約為150 000m3/d，累計(jì)涌水量約1.23億m3，體量約達(dá)10個(gè)西湖蓄水量[1]，見圖1、圖2。

圖1 隧道內(nèi)積水

圖2 斜井洞口排水

2 地質(zhì)環(huán)境條件

2.1 地形地貌

研究區(qū)處康藏高原東緣，為橫斷山脈的一部分，屬于大涼山系。主要山脈河流均近南北向相間展布，地勢北高南低，嶺谷高差懸殊，區(qū)內(nèi)最高處為小相嶺，海拔最高為4 707m，最低處為禮州下游，海拔1 530m。在小相嶺北端及兩側(cè)3 000m以上普遍發(fā)育冰川地形，尤其是在4 000m左右以上的峰脊，普遍為冰蝕明顯的角峰、鰭脊，地形陡峻，巖石裸露，并伴有冰斗、冰谷及冰蝕湖[2]。

區(qū)內(nèi)河流分屬金沙江水系和岷江支流—大渡河水系。由于斷裂的控制，主要河流多呈南北向，支溝、溝谷為羽毛狀。其中，安寧河是雅礱江下游左岸重要的一級支流，金沙江二級支流，發(fā)源于涼山彝族自治州冕寧縣北部東小相嶺的菩薩崗和陽落雪山，在研究區(qū)內(nèi)其主要支流為孫水河(圖3)。

圖3 研究區(qū)地形地貌及水系遙感

2.2 氣象水文

研究區(qū)緯度較低，但因受地形控制，氣候獨(dú)特。雨、旱兩季分明，有大陸性氣候特色。冬寒夏涼，雨量充沛集中，年降水量一般都高于1 000mm。每年10月—次年5月為旱季，氣候爽朗，蒸發(fā)量大；6-9月為雨季，月降水量150～250mm。

2.3 區(qū)域地質(zhì)概況

測區(qū)位于米市向斜的SW翼，區(qū)域上地層發(fā)育較為完整，僅缺失石炭系地層，總厚22 000～29 000m。下元古界變質(zhì)巖體系為一套淺變質(zhì)復(fù)理式、類復(fù)理式碎屑巖、碳酸鹽巖建造；震旦系至三疊系中下統(tǒng)為一套海相層，間夾火山巖及火山碎屑巖；三疊系上統(tǒng)、侏羅、白堊系為一套路相地層。測區(qū)位于川滇南北向構(gòu)造帶北段，主要構(gòu)造形跡隸屬川滇經(jīng)向構(gòu)造體系。地史上長期以東西向擠壓應(yīng)力為主，產(chǎn)生有大量的南北向壓性、近南北向壓扭性斷裂和褶皺，伴有少量低序次的東西向張性斷裂、近東西向張扭性斷裂、北東及北西向扭性斷裂,主要斷裂為位于工作區(qū)西側(cè)的安寧河斷裂帶，為一系列高角度壓性沖斷裂，根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)查可知，區(qū)內(nèi)共調(diào)繪各類斷層14條，線路穿越的斷層有10條[3]。

3 巖溶水文地質(zhì)條件

研究區(qū)內(nèi)巖溶地層展布集中于越西縣中所一帶，向南至喜德縣冕山鎮(zhèn)呈條帶狀出露，地層年代以震旦系燈影組為主。巖溶地層底板為震旦系觀音崖組砂巖、頁巖，上覆地層為三疊系白果灣組砂巖，接觸關(guān)系為角度不整合接觸。受早期的溶蝕作用影響，在白果灣組地層沉積以前，燈影組巖溶地層已形成巖溶峰叢，白果灣地層沉積后，二者呈角度不整合接觸，上覆白果灣組砂巖厚度不均。在長期的東西向擠壓應(yīng)力作用下，整個(gè)冕寧至越西地區(qū)形成復(fù)式褶皺，而研究區(qū)內(nèi)的巖溶地層主要展布于一寬緩向斜的北西翼靠近軸部一帶。受特定地質(zhì)構(gòu)造及地形地貌等條件控制，研究區(qū)內(nèi)地下巖溶發(fā)育程度極高，靠近侵蝕基準(zhǔn)面附近暗河管道發(fā)育，且溝通一些落水洞，部分地表水體對暗河起著補(bǔ)給作用使得地下水富集。研究區(qū)巖溶地層展布見圖4。

圖4 研究區(qū)巖溶地層平面

3.1 補(bǔ)給

研究區(qū)內(nèi)主要補(bǔ)給來源為大氣降水以及雪線以上的冰蝕湖水、雪水補(bǔ)給。海拔較高地區(qū)，大氣降雨蒸發(fā)影響較弱，絕大部分降雨形成坡面匯流沿東西向溝谷徑流進(jìn)入落水洞，灌入補(bǔ)給地下水。燈影組與白果灣組地層受角度不整合接觸關(guān)系影響，上覆白果灣組砂巖裂隙水通過垂向裂隙入滲補(bǔ)給灰?guī)r地層。

研究區(qū)位于岷江水系大渡河支流與雅礱江水系安寧河支流的地表分水嶺一帶，巖溶地層集中出露地區(qū)屬岷江水系，而深溝以南受山脊線控制，巖溶條帶出露地區(qū)屬雅礱江流域。岷江流域內(nèi)，受東側(cè)越西河控制，大氣降水在海拔較高一帶多以坡面匯流形成地表水流，在自西向東徑流過程中以灌入的形式通過落水洞進(jìn)入地下，補(bǔ)給地下水，落水洞高程2 000～2 600m。落水洞集中發(fā)育高程以下地區(qū)，大氣降水則主要通過巖溶地區(qū)垂向發(fā)育的溶隙、溶孔，入滲補(bǔ)給地下水。分水嶺以南巖溶條帶出露地區(qū)，大氣降水以通過溶隙、溶孔補(bǔ)給為主，可能存在小型沖溝匯水灌入補(bǔ)給地下水，同時(shí)由于上覆白果灣組砂巖呈寶塔狀超覆殘留于灰?guī)r之上，二者水力聯(lián)系較廣，所短暫賦存的地下水通過自身相當(dāng)發(fā)育的垂直裂隙滲補(bǔ)于灰?guī)r。

小相嶺一帶由于冰斗出口存在冰坎或后期崩塌堵塞，常形成冰蝕湖，當(dāng)?shù)胤Q“海子”。研究區(qū)內(nèi)存在多個(gè)冰蝕湖，一般呈橢圓狀，面積在0.2km2內(nèi)，最大的紅海，長800m，寬250m，水深估計(jì)10～20m。這些冰蝕湖湖水以及融化的雪水也通過近東西向深切溝谷進(jìn)入落水洞而補(bǔ)給地下水。

3.2 徑流

研究區(qū)內(nèi)巖溶地下水主要受局部排泄基準(zhǔn)面越西河和喜德河控制，形成2個(gè)徑流通道。北部岷江水系大渡河流域靠近越西縣中所一帶，地形高差相對較大，靠近“紅?！北g湖的山脊線至越西壩子約17km的距離內(nèi)由高約4 300m低至1 710m；而向南沿山脊線至喜德河一帶沿巖溶條帶長約21km，由高到低為4 300～1 780m。受構(gòu)造影響，北部地區(qū)更靠近向斜軸部，在巖溶地層傾東條件下，傾角于高處較大達(dá)到40°，低處較小約10°，一直延伸至局部排泄基準(zhǔn)面；而向南的巖溶條帶于山脊西側(cè)沿走向展布，傾角較大約30～40°。綜合以上因素，研究區(qū)形成向東徑流的優(yōu)勢通道和向南徑流的次級通道。

3.3 排泄

研究區(qū)北部的優(yōu)勢徑流通道地下水以暗河出口的形式集中排泄于越西縣中所鎮(zhèn)(圖5)，流量巨大，豐季可達(dá)約17m3/s，即使是枯季也能保持3m3/s的流量，而部分溝谷切割形成巖溶泉輔助排泄，流量約7L/s；南部次級通道亦于喜德河右岸以暗河出口形式排泄(圖6)，流量變化為0.5～1.8m3/s，其徑流過程中受則莫溝切割，部分地下水通過水平溶洞排泄至則莫溝(圖7)，流量0～400L/s，小相嶺隧道2號斜井平導(dǎo)涌水發(fā)生后，該水平溶洞斷流。同時(shí)于巖溶條帶所處山體東側(cè)白果灣組砂巖內(nèi)亦有部分小型泉點(diǎn)于隧道涌水發(fā)生后斷流(圖8)。

圖5 北部越西縣中所暗河出口

圖6 南部喜德暗河出口

圖7 則莫溝出水溶洞

3.4 典型巖溶水系統(tǒng)

研究區(qū)內(nèi)燈影組厚295～737m，雖質(zhì)地不純，但補(bǔ)給面寬，巖石破碎(面裂隙率2.23%～7.49%)，落水洞、溶洞、溶槽等相對較多。受構(gòu)造部位、地形及水動(dòng)力條件控制，發(fā)育向東和向南徑流的2個(gè)巖溶水系統(tǒng)。其補(bǔ)給源以海拔相對較高地區(qū)大氣降水匯流后的灌入式補(bǔ)給為主。同時(shí)也有冰蝕湖和降水入滲補(bǔ)給作為補(bǔ)充，局部地區(qū)的白果灣組砂巖裂隙水亦可通過垂向裂隙滲補(bǔ)灰?guī)r地下水。而地層產(chǎn)狀、構(gòu)造部位以及水動(dòng)力條件的差異使得巖溶管道的發(fā)育劃分為2個(gè)方向的通道，最終出露于不同地區(qū)。其模式近乎于供水“水塔”，由高處向2個(gè)低處分流，一個(gè)為優(yōu)勢管道，流量較大，即水觀音巖溶系統(tǒng)；另一個(gè)為次級通道，流量相對較小，即喜德巖溶系統(tǒng)，見圖9。

圖8 原砂巖裂隙泉點(diǎn)

根據(jù)隧道涌水位置，本次研究重點(diǎn)為喜德巖溶水系統(tǒng)，集中排泄點(diǎn)位于喜德縣城以西約5.5km“虹鱒魚莊”門口處，其出口高程約1 800m，目前由于地面硬化已無法見其原始出口形態(tài)，流量0.33～1.88m3/s。根據(jù)1∶20萬水文地質(zhì)報(bào)告[4]，該排泄點(diǎn)為路徑發(fā)育較短的小型暗河出口(喜德暗河)。

在喜德巖溶水系統(tǒng)接近排泄端(喜德暗河)時(shí)，由于豐水期地下水位雍高，暗河出口排泄量有限，在則莫溝轉(zhuǎn)彎切割巖溶地層的部位發(fā)育水平溶洞，地下水部分由此排出。枯季地下水位下降后略低于則莫溝地表水，則該處水平溶洞斷流。通過現(xiàn)場對工作區(qū)南側(cè)喜德暗河出口流量進(jìn)行實(shí)測后發(fā)現(xiàn)，在隧道平導(dǎo)掌子面(標(biāo)高1 868.5m)發(fā)生涌突水后，暗河出口(標(biāo)高1 800m)的水量并未受到影響，說明隧道涌水的地下水主要為雨季過后地下水位雍高的巖溶地下水，見圖10。

圖9 區(qū)域巖溶系統(tǒng)

圖10 喜德巖溶系統(tǒng)

4 水化學(xué)特征

由現(xiàn)場對地下水取樣進(jìn)行送檢分析，得到的分析結(jié)果見表1。由表1中S01、S02、S04水樣指標(biāo)可以看出，則莫溝內(nèi)地表水體的鈣離子(Ca2+)、重碳酸根離子(HCO3-)、總硬度及礦化度相對明顯較低，而S03為暗河管道地下水，其水化學(xué)特征指示出較典型的巖溶地層水巖作用結(jié)果——鈣離子(Ca2+)、重碳酸根離子(HCO3-)含量對比地表水體明顯較高[5]。

對比分析隧洞涌水指標(biāo)，其主要指標(biāo)含量均略低于S03暗河管道地下水，而明顯高于則莫溝內(nèi)地表水體，故2號斜井涌水的水化學(xué)類型與虹鱒魚莊處所出露的暗河地下水更為接近。

表1 部分水化學(xué)指標(biāo)對比 單位：mg/L

5 結(jié)論

(1)隧址區(qū)震旦系燈影組巖溶地層雖以條帶狀展布，但其與上覆白果灣組地層為角度不整合接觸，巖溶地層實(shí)際厚度大小不均，巖溶發(fā)育程度較高。受構(gòu)造部位、地形及水動(dòng)力條件控制，形成了向東和向南徑流的2個(gè)典型巖溶水系統(tǒng)：水觀音巖溶系統(tǒng)和喜德巖溶水系統(tǒng)。

(2)水觀音巖溶系統(tǒng)與喜德巖溶水系統(tǒng)二者主要補(bǔ)給來源為越西縣中所鎮(zhèn)以西山體接受大氣降水灌入式補(bǔ)給和入滲補(bǔ)給，同時(shí)接受多個(gè)冰蝕湖、雪水的補(bǔ)給，喜德巖溶水系統(tǒng)上覆白果灣組砂巖裂隙水也是灰?guī)r地層地下水的重要補(bǔ)給來源。2個(gè)巖溶水系統(tǒng)的特點(diǎn)為“廣泛補(bǔ)給，集中排泄”。

(3)小相嶺隧道2號斜井平導(dǎo)掌子面涌突水來源實(shí)際為喜德巖溶水系統(tǒng)地下水，目前所排出水體主要為豐水期地下水位雍高部分，由于灰?guī)r巖體裂隙、溶隙發(fā)育，形成較好的儲水空間，隧道的施工溝通了這些溶孔、溶隙。