岩溶水流系统识别方法及其在引调水工程隧洞选线中的应用

某国家重大引调水工程引水隧洞将穿越聚龙山向斜可溶岩地层，可能面临严重岩溶涌突水问题。为了查明隧洞突涌水条件，选择岩溶水害风险较低的引水方案，综合采用岩溶水文地质调查、水化学与同位素分析等方法对聚龙山向斜岩溶水流系统特征进行了识别。结果表明:聚龙山向斜含水系统具有"两含夹一隔"的多层结构，下部二叠系主要为埋藏型岩溶弱发育区，而上部三叠系裸露型岩溶区中发育了具有多级水流系统的巨型岩溶汇水盆地。穿聚龙山向斜段工程论证的3个方案中，A线方案从向斜西段岩溶水系统的补给区穿越，隧洞穿可溶岩段长度短、且全部为埋藏型岩溶，剖面上绕避了三叠系岩溶汇水盆地，发生岩溶涌突水的风险低；而B线方案和C线方案均进入了三叠系岩溶汇水盆地，穿越裸露型可溶岩段的长度大，遭遇高压岩溶突水的风险高，故推荐A线引水方案。研究成果可为引水隧洞线路比选提供科学依据，对类似深埋长隧洞工程建设也具有参考价值。      

试论辽宁西部碳酸盐岩及碎屑岩的含水系统与富水结构

辽宁西部碳酸盐岩和碎屑岩的充水空间皆以次生空隙为主,其发育程度与分布受岩性层组和地质构造的综合控制。按综合控制条件,本区划分有富水结构、导水结构和阻水结构三类水文地质结构。在一个水文地质单元中,上述三类水文地质结构常组成一个具有特定排列、成生联系和水力联系的整体,本文称为含水系统。区内碳酸盐岩可划分出软硬相间可溶性岩组褶皱构造裂隙—岩溶含水系统、软硬相间可溶性岩组断裂—岩溶含水系统和层状弱面可溶性硬脆岩组断裂—岩溶含水系统三类,富水结构和导水结构的钻孔涌水量分别为500—5000m~3/d和10—150m~3/d。碎屑岩可划分出层状弱面软质岩组褶皱构造裂隙含水系统和层状弱面软塑岩组褶皱构造裂隙含水系统两类,富水结构和导水结构的钻孔涌水量分别为500—3000m~3/d和10—100m~3/d。     

隔档式构造区岩溶地下水流系统多级次嵌套结构的水化学识别

川东隔档式构造区岩溶地下水流系统表现出多级次嵌套结构的特征, 之前主要是定性的水文地质条件分析, 缺乏来自水化学方面的量化依据。利用41个浅层和19个深层岩溶水样的水化学资料开展分析, 发现浅层岩溶水为HCO₃-Ca·Mg型,ρ(Mg2+)较低, 深层岩溶水为SO₄-Ca·Mg型且ρ(Mg2+)明显偏高, 说明地下水在岩溶含水层中的滞留时间与ρ(Mg2+)具有正变关系。对典型剖面地下水流系统的分析表明, 优先采用ρ(Mg2+)来评价地下水滞留时间, 将地下水排泄点ρ(Mg2+)小于20, 50 mg/L分别作为划分局部-中间、中间-区域水流系统的依据。浅层岩溶水受地貌作用控制明显, 其中浅切沟谷泉点为局部地下水流系统的排泄点, 深切沟谷泉点一般属于中间或区域流动系统的排泄点。ρ(Mg2+)反映了泉水循环的滞留时间, 也能够反映钻孔所揭露的深循环特征。这种水化学识别方法可为相似岩溶区识别地下水流系统的多级次嵌套结构提供参考。      

基于水动力量化因子的岩溶强发育深度研究

地下水垂向循环水动力条件是岩溶发育深度的主要控制因素。为探求川东背斜构造岩溶区多级水流系统控制下的岩溶强发育深度，采用地理信息系统（GIS）技术，选取地形指数和水动力坡降构建岩溶水动力强弱的量化因子F_HQ，并结合钻孔数据推求假角山背斜构造区地下岩溶强发育深度。研究显示:水动力因子F_HQ与地形指数、水动力坡降在空间上呈明显正相关关系，同时可指示岩溶水流系统向深循环的深度，以此推求背斜构造区地下岩溶的强发育深度下限。假角山背斜两翼F_HQ集中在0.1~0.4之间，岩溶水动力整体偏弱，深沟F_HQ值整体高于浅沟。东、西翼深沟控制下的地下岩溶强发育深度分别约40~100 m和110~180 m；浅沟控制下的地下岩溶强发育深度分别约15~60 m和10~90 m。研究成果可进一步丰富川东背斜区岩溶发育评价方法体系，为隧道工程岩溶突水灾害预测防治提供理论依据。      

基于岩溶演化模型的隧道突水危险性评价

岩溶隧道是否发生涌突水,主要取决于洞身岩溶发育程度和岩溶系统结构类型,而这与岩溶系统的演化过程密切相关。岩溶系统的发育演化始于具有侵蚀性的水对可溶性岩体中裂隙的溶蚀扩展。基于此,本研究耦合了渗流模型和溶蚀扩展模型,并结合鸡公岭隧道区水文地质背景资料,建立了隧道区岩溶系统岩溶演化模拟模型,模拟再现了隧道区岩溶含水介质的发育情况。结果显示:随着岩溶系统的发育演化,整个系统中裂隙不断被溶蚀扩展,差异性溶蚀越来越显著,岩溶含水介质的非均质性越来越强;同时随着埋深的增加,岩溶发育程度及非均质性越来越弱;浅部和深部裂隙的平均溶蚀扩展率相差近1 500倍;鸡公岭隧道洞身标高处岩溶发育微弱,裂隙溶蚀扩展较小,仍为裂隙岩体,其等效渗透系数为0.51m/d,岩溶突水概率极低,隧道发生涌水时的涌水量为127.9m3/d,对隧道施工影响较小。      

塔里木盆地轮古7井区以东奥陶系古岩溶储层碳氧同位素地球化学特征研究

轮南古潜山轮古7井区以东地区奥陶系碳酸盐岩遭受多期次的地质构造、岩溶作用及充填改造作用,岩溶缝洞系统发育,岩溶储层主要发育在一间房组、鹰山组地层内,垂向上发育在潜山面以下(200~300 m)范围内,储层类型分为裂缝型、孔洞型、裂缝-孔洞型、洞穴型岩溶储层。通过采集28个岩溶充填物样品进行碳氧同位素地球化学分析,研究了缝洞充填物的充填期次及充填环境特征。分析表明,轮古7井区以东奥陶系碳酸盐岩古岩溶缝洞系统充填物的δ13C和δ18O值的变化范围较大,δ13C_PDB值为-7.82‰~6.03‰,平均值为-1.20‰;δ18O_PDB值为-16.13‰~-7.24‰,平均值为-10.97‰,说明该区碳酸盐岩溶蚀作用过程中受到大气降水作用明显,反映了古风化壳岩溶环境,划分了4种不同的岩溶作用与充填期次。      

山东省平邑县归来庄金矿床充水因素分析及水害治理方向

归来庄金矿床为鲁西南地区唯一特大型金矿床,矿山已经转为地下开采,目前矿山正常涌水量为98491m~3/d,矿坑共发生中大型突水56次,其中最大突水点水量高达2000m~3/h,矿山涌水量大,突水频繁,矿坑涌(突)水对矿山深部开采生产安全构成了严重的威胁。该文通过收集以往矿床勘查、核实水文地质资料、地下水连同试验成果、矿山水文地质监测资料并经现场调查,认为该矿山充水来源主要有三个方面:大气降水,地表水(浚河水)和碳酸盐岩裂隙岩溶水,其中碳酸盐岩裂隙岩溶水对矿床直接充水,大气降水和浚河水通过碳酸盐岩含水岩组的导水通道间接补给矿坑。矿山水害治理重点在奥陶系碳酸盐岩类含水岩组的岩溶、构造导水通道,提出了对浚河河床漏水点进行注浆封堵和地下水帷幕注浆截流治水方案。     

武汉两湖隧道岩溶水系统结构及水循环规律

武汉市两湖隧道是国内最长、世界规模最大的城市湖底隧道, 其东湖段穿越岩溶区, 识别其岩溶水系统结构对隧道建设和运营安全具有重要意义。为查明区内岩溶水系统结构及水循环特征, 综合利用地质及水文地质勘探、水文地球化学分析等方法刻画了岩溶含水系统边界, 总结了岩溶发育规律, 识别了洞穴沉积物来源, 分析了岩溶水与孔隙水和地表水之间的水力联系, 探讨了岩溶水循环模式。结果表明: 研究区可划分为南北2个岩溶含水系统, 北段岩溶含水系统的岩溶发育程度强于南段岩溶含水系统, 北段和南段岩溶含水系统由断层带连通而具有统一的水力联系。洞穴沉积物主要来源于第四系残积层和洞穴围岩风化。第四系冲洪积层孔隙水与下伏岩溶水的水力联系较弱, 而第四系残积层孔隙水与下伏岩溶水的联系紧密。本研究利用多种技术方法精细刻画湖底隧道的岩溶水系统结构, 可服务于隧道工程的涌突水风险评价和安全施工。      

峡口隧道间歇性岩溶涌突水过程及来源解析

岩溶涌突水问题勘察与防治一直是隧道工程建设面临的难题。峡口隧道有着较长的岩溶涌突水历史,为了查明间歇性涌突水来源,探究岩溶水系统结构对涌突水过程的控制作用,综合利用水文地质调查、水文学和水文地球化学等方法对涌突水来源和过程进行了识别与分析。结果表明:在研究区孟家陵一带存在地下水分水岭,北部和南部的地下水分别向响龙洞和峡口洞排泄。在集中涌水事件中,次涌水总量与次降雨量具有显著的线性正相关关系,集中涌水与4条盲沟排水在水文地球化学特征上具有同源性,均来自于隧道北部的岩溶水;在隧道稳定排水期间,右洞北侧盲沟主要排泄隧道北部的岩溶水,其他3处盲沟排水则主要来源于碎屑岩裂隙水;集中涌水点位于峡口岩溶水系统的饱水带附近,强降雨导致隧道上方整体处于充水状态,涌水点截断了岩溶通道的快速流而发生涌突水,并且混合了小比例的基流。在岩溶涌突水问题研究中,综合利用多技术方法和多信息渠道验证可提高涌突水来源分析的准确性。      

聚龙山向斜三叠系含水层岩溶发育史及地下水流场控制意义

聚龙山向斜三叠系含水层经历了多期次岩溶综合作用, 其岩溶发育演化规律对于深入认识该地区水文地质条件及分析地下水流场具有重要意义。运用历史比较法, 结合研究区三叠系含水层水化学、同位素、钻孔等资料, 对聚龙山向斜构造演化与岩溶发育史进行了探讨, 进而恢复了地下水流场的演化过程。结果表明, 震旦纪-中三叠世, 研究区构造运动总体表现为垂向上的升降, 沉积的海相地层为岩溶发育提供了物质基础, 但不具备岩溶发育条件, 主要在二叠系茅口组和三叠系嘉陵江组顶面形成古岩溶作用。晚三叠世-早侏罗世, 聚龙山向斜以缓慢隆升为主, 在荆当凹陷的湖盆中相继沉积陆源碎屑, 由于广泛覆盖在碳酸盐岩之上的三叠系巴东组碎屑岩刚接受剥蚀, 导致该时期主要表现为位于水下的埋藏型岩溶。中侏罗世-早白垩世, 燕山运动产生的挤压应力促使研究区形成EW-NW向褶皱、断裂及裂隙, 控制了碳酸盐岩的平面分布格局。部分碳酸盐岩裸露, 岩溶开始发育, 这时期地表水和地下水向荆当凹陷汇集。晚白垩世-古近纪, 随着江汉断陷盆地形成, 盖层巴东组碎屑岩剥蚀线逐渐向南退却, 岩溶发育进一步加强, 产生的老岩溶水系和部分地下水向最低基准面江陵断陷排泄。新近纪以来, 构造运动的间歇性快速抬升使岩溶不断向深部发育, 形成五级岩溶台面和多级地下水流系统, 地表水和地下水最终排泄至长江。地下水流场具有山区到凹陷-断陷盆地-长江的多级次演化机制。      

基于地下水流系统理论的岩溶隧道涌突水来源及路径分析

双龙洞是国家重点风景名胜区，拟建金华山隧道位于浙江省金华市双龙洞景区北东向约12 km处，金华山隧道的开挖将可能导致双龙洞景区岩溶水的疏干，同时隧道也可能遭受岩溶涌突水的安全隐患。基于地下水流系统理论，结合研究区水文地质条件调查成果，岩溶地下水流系统的划分，隧道出口段关键岩溶分布区地质结构的分析，以及水文地球化学测试分析结果，对双龙洞与隧址区之间各岩溶地下水流系统间的水力联系及涌突水可能性进行了分析。结果表明，隧道出口段开挖若揭露至其所处岩溶含水层并进行排水，影响的只是周边有限的岩溶水及裂隙水，不会直接连通研究区西侧大规模岩溶地下水流系统；隧道施工和运行期间对双龙洞景区的岩溶水基本不会产生影响，同时双龙洞岩溶水也不会对隧道出口段形成直接的涌突水威胁。在岩溶区隧道涌突水来源的研究中，基于地下水流系统理论合理划分岩溶地下水流系统并分析各系统间水力联系，是分析涌突水来源及防范涌突水灾害的必要前提。      

黄陵穹隆周缘岩溶水流系统特征及成因

岩溶水流系统特征研究有助于地下水资源的合理评价和开发利用。借鉴水文学的研究方法，统计并量化了典型岩溶水流系统的空间特征以及其水文动态响应、温度场和电导率特征。划分了扇状、树枝状、平行状、梳状4种地下水系来综合反映岩溶水流系统的地表-地下岩溶特征，前两者主管道垂直于地层走向，构造裂隙起汇水作用，后两者主管道平行于地层走向，层面裂隙起汇水作用。黄陵穹隆西北翼、西翼和南翼以平行状和树枝状为主，东翼和北翼则以扇状水系和平行状水系为主。不同地下水系结构的形成及区域差异与含水系统和水系的空间关系和级次性密切相关，并表现出不同的动态特征。扇状和平行状岩溶水流系统对降雨响应最为敏感，而梳状水系岩溶水流系统响应和衰减过程最慢；基于岩溶地下水温度与出露高程和循环深度显著相关的关系建立了鄂西山区地下水温度线。这一基础性研究可为岩溶地下水流系统研究和当地工程实践提供一定的理论支持。      

示踪实验在湾潭隧道涌水突泥判别中的应用

以宜来高速湾潭隧道为研究对象, 通过现场调查、地下水示踪实验、地下水流量监测, 以及采用大气降雨入渗法计算隧道的平均涌水量和丰水期涌水量, 同时采用RFPA渗流软件对隧道涌突水的可能性进行判别。现场调查及示踪试验结果显示湾潭隧道岩溶管道为多支, 混合型岩溶管道, 水文地质条件复杂, 丰水期涌水量约为平均隧道涌水量的4.6倍。数值模拟结果表明, 隧道涌水突泥破坏要历经裂隙萌生、裂隙扩展、裂隙进一步扩展、贯通破坏阶段。同时当岩溶管道处的过水流量达到初始值(37 248 m3/d)约2.7~3.5倍之间时便可出现涌水突泥破坏, 也即出水口2流量达到10 000~13 000 m3/d时, 湾潭隧道具有极高的涌水突泥风险。      

滇中高原岩溶关键带典型含水系统水化学特征及成因分析

岩溶关键带水文地球化学过程的研究对于科学认识其内部的演化环境与结构特征具有重要意义。岩溶水是水-岩作用后主要的信息载体, 定量分析其水化学特征及成因是揭示岩溶关键带含水系统介质环境与水动力条件的有效手段。以滇中高原岩溶关键带3个典型岩溶含水系统为研究对象, 通过对不同含水系统出露的岩溶泉进行野外采样与室内测试, 综合采用数理统计分析、水化学图解、离子比例系数与水文地球化学模拟等方法, 深入剖析了各含水系统岩溶水水化学组分特征、成因作用和含水层介质特性, 并对关键带中水循环与水化学的内在联系及规律进行了探讨。结果表明: ①HCO₃-、Ca2+是各含水系统岩溶水中含量最高且来源稳定的离子组分, Mg2+是控制各含水系统水化学类型异化的关键因素; ②碳酸盐岩类的岩石风化、矿物溶解是各含水系统内岩溶水化学组分特征的主要成因作用, 岩溶水对华宁水系统含水层的溶蚀作用仍在发生, 阳离子吸附交替与硅酸盐岩类的风化溶解是区域岩溶水中Na+、K+的重要来源; ③区域岩溶的发育强度、岩溶含水层的出露条件及含水介质岩性与连通性共同塑造了滇中高原岩溶关键带不同含水系统地下水化学特性。研究成果丰富了对滇中高原岩溶关键带水文地球化学过程的认识, 为区域岩溶水资源的开发、利用与保护提供基于水化学的证据支撑。