隧道工程涌水对温泉补给的影响分析

胡　鑫

(中铁工程设计咨询集团有限公司，北京　100055)

1　地理位置及地形地貌

1.1　地理位置

拟建隧道工程位于阿尔山市，阿尔山市地处我国边陲，是我国北部的一个新兴旅游城市，位于内蒙古自治区东北部，地处连绵起伏的大兴安岭山脉中段，行政区划属于兴安盟，是内蒙古自治区的边境城市之一，国境线全长94.434 km。位置如图1所示。

图1　地理位置

1.2　地形地貌

区内海拔1 000～1 500 m，最高峰太平岭海拔1 711.80 m，一般相对高差200～300 m。大兴安岭山脉在区内总体走势为北北东向，呈“之”字形延伸。区内层峦叠嶂，沟谷纵横，植被茂密，林海茫茫。这里山清水秀，自然风光秀美，不仅具有得天独厚的旅游资源，而且蕴涵了奇特、独有的地质景观，不但有非常重要的地质保护意义和科学研究价值，而且是不可多得的旅游资源，值得重点保护和开发利用。

2　温泉区域内地质概况

阿尔山温泉群出露于阿尔山市区东南部，上侏罗系复活破火山口的中部，由上侏罗系宝石组酸性碎屑岩、熔岩、熔结凝灰岩、黑曜岩、流纹岩组成。破火山口周围由环状断裂和环状岩脉(闪长玢岩)所限定，并发育有放射状岩脉、平行岩脉，其内有数个喷发中心，即有发育在环状断裂上的火山颈，也有发育在破火山口内部的圆形火山锥、熔岩钟。阿尔山地堑由熔结凝灰岩、熔结角砾岩、黑曜岩、松脂岩组成，区内发育东西向裂隙式复活火山口和沿北北东向主压性结构面侵入喷发的裂隙式火山管道。在破火山口中央，由于后期破火山口的塌陷，形成阿尔山地堑，两侧为走向345°的张扭性断层，阿尔山温泉正好位于张扭性断层与北北东向裂隙式火山管道交叉部位。阿尔山破火山口经历了早期喷发、塌陷、复活，环状断裂的火山活动和脉岩侵入等阶段，温泉是火山活动安眠阶段的产物。

3　温泉的成因机制

阿尔山温泉的形成，具备了如下有利地质条件。

3.1　有容矿构造—阿尔山地堑

在破火山口中央，发育一条宽600～700 m断层带，其延伸方向345°左右，为新华夏系张扭断层带，阿尔山高勒河谷两侧与山坡交界处，为两条平行张扭性断裂。其倾向均向河谷方向倾斜，倾角70°～80°，上盘下降，组成一小型地堑，阿尔山温泉集中分布在地堑东南侧断裂带中，并具有明显的方向性，总趋势按345°方向呈带状展布。

图2　地质分布

从图2中看出，温泉分6个带，斜列出现，说明温泉受张扭性断裂带中次一级羽裂(扭性或压扭性)的控制。因此，两条平行张扭性断裂和次级羽裂成为温泉的容矿构造。

3.2　有导矿构造—北北东向裂隙式火山管道

阿尔山镇西南山坡下之采石场有一条NNE断层，宽6～120 m，长10 km，总体走向20°，为区域新华夏系基地断裂构造，是破火山口晚期裂隙式火山通道。该断层在阿尔山镇以北被石英斑岩或花岗斑岩所填充，宽达120 m，沿走向10°～30°折线变化。断裂南段为酸性熔岩充填，其中黑曜岩呈构造透镜状沿断层分布，尖灭再现，最大者长9 m，宽3 m，黑曜岩中常有从破火山基底中携带上来的碱长花岗岩的角砾，可见沿断裂曾经是火山喷发的通道，该断裂在河谷之下。由于被熔岩充填，形成隔水墙。

3.3　向斜式储水承压构造

以阿尔山镇为中心是一向斜构造(图3A、B)。在向斜两翼见有熔结角砾岩和熔岩角砾岩，具有孔洞和气孔，为很好的透水层或隔水层，其顶板与底板均为流纹质熔结凝灰岩，酸性凝灰熔岩，为良好的隔水层，而阿尔山盆地边缘，发育有破火山口环状断裂带，在阿尔山南发育一组东西向张性断层为地下水的良好补给通道。

图3　阿尔山温泉水向斜储水构造

3.4　温泉的成因机制探讨

阿尔山温泉具备有以上有利的水文地质条件，即阿尔山温泉出露于阿尔山复活破火山口的中部，北北东向压扭性断裂及北北西向张扭性断裂的交汇处，大气降水及地表水沿阿尔山盆地边缘，张性断裂和破火山环状断裂渗透、运移，汇集于北北西向张扭性断裂，继续向北径流。在径流过程中，地下水受到隐伏潜火山岩(火山管道)和边缘岩浆房的余热使水温增高，当遇到北北东向压扭性断裂“隔水墙”时，地下水受阻，在净水压力作用下，迫使原北流之地下水，沿该隔水墙上升，循环对流，在近地表与第四系孔隙潜水发生混合，形成具有不同温度的冷、热矿泉水(如图4、图5所示)。

图4　温泉形成机制理剖面

图5　地下水的补给来源和地热分布

4　阿尔山地热区的圈定

阿尔山地热不完全局限于已知温泉出露范围，西侧可能存在地热。

4.1　不同泉眼的温度变化

阿尔山温泉群受走向为345°的张扭性断裂及其低次序的扭-压扭性羽裂(A—A＇、B—B＇、C—C＇、D—D＇、E—E＇、F—F＇)的控制，这些羽裂上的温泉呈线形展布，斜裂出现。其水温变化：F—F＇断裂水温3 ℃～15 ℃(7个温泉)；E—E＇水温10 ℃～25 ℃(7个温泉)；C—C＇水温21.9 ℃～41 ℃(5个温泉)；B—B＇水温20 ℃～40 ℃(14个温泉)；说明温泉由南往北，离潜火山岩愈近水温愈高。

4.2　温泉热源

据34号井钻探资料记录：井深13.5 m水温44 ℃，井深23 m水温44.5 ℃，井深33.5 m水温49 ℃，说明由地表往下水温逐渐增高，而且从23 m以下每深2 m水温递升1 ℃。表明离潜火山岩愈近，水温愈高。推测热源可能来自潜火山岩的近期岩浆活动，也不排除地下有干热岩层。

4.3　温泉的分布范围

温泉群仅仅分布于裂隙式火山管道以南，说明往北流动的地热水受其阻隔上升出露于地表(见图4)。

A—A＇—D＇—D温泉密集区水温较高，E—E＇—F＇—F温泉区水温较低，两区之间出现100 m的空间区，很可能为另一条潜火山岩所占据。阿尔山温泉出露于东西向裂隙式复活火山口与北北东向裂隙式火山管道交叉复合位，多次的火山活动为温泉提供源源不断的热能，说明地下岩浆房仍在活动，并还在不断地散发热量，使地表水在深部循环，得以加热受阻，承压上升于地表。阿尔山温泉群带长320 m、宽68 m，而被裂隙式火山管道阻隔产生循环范围是A—A＇—F＇—F区，长约180 m，A—A＇以北是热水循环对流以外的死角区。

4.4　温泉地热推测范围

目前，已知的阿尔山温泉群出露于阿尔山地堑的东侧断裂带中，而西侧断裂带未见地热水露头，但水文地质条件与东侧断裂相同。因此，推测西侧断裂很可能有地热水埋藏。只因断裂宽带，容水量较大，地热水不易露于地表。

综合以上分析，地热区界圈定为东西两侧以断裂为界， 北部以裂隙式火山管道为界，南部边界推测道最南边一条隐伏潜火山岩以南50 m左右。即地热区东西宽500 m，南北长320～800 m。

5　地下水补给径流排泄条件

阿尔山市地处大兴安岭山脉，属河谷、低中山地貌。阿尔山位于破火山口中央，由于后期破火山口的塌陷，形成阿尔山地堑，破火山口中部被阿尔山地堑分割成两部分，外形好似蝴蝶的两翼。

阿尔山地堑与阿尔山河谷走向一致，河谷两侧为高山地形，大气降水直接补给地下水及地表水，地表水直接汇集于阿尔善河，宽缓河谷为一良好的积水廊道。熔结角砾岩和熔岩角砾岩，具有孔洞和气孔为很好的透水层或隔水层，其顶板与底板均为流纹质熔结凝灰岩、酸性凝灰熔岩，为良好的隔水层。

阿尔山市为一向斜储水构造。阿尔山盆地边缘发育有破火山口环状断裂带，在阿尔山南发育一组东西向张性断层，为地下水的良好补给通道。大气降水及地表水沿阿尔山盆地边缘，张性断裂和破火山环状断裂渗透、运移，汇集于北北西向张扭性断裂，受北北东向压扭性断裂阻隔，在近地表与第四系孔隙潜水混合，以温泉、冷泉方式排泄。阿尔山温泉群，总流量约500 m3/d，温泉的水温及涌水量，除34号外，均存在季节性变化。

6　地下水的水化学特征

阿尔山温泉水化学类型主要为Na-CO3型水，pH值一般在7.4～8.5，为碱性水。阿尔山矿泉氟的含量较高，均大于2 mg/L，最大可达18 mg/L。矿泉所处阿尔山盆地由火山碎屑岩、流纹岩类组成，盆地周围为花岗岩，均为酸性岩，含氟量较高。由于长期受地下热水的溶滤作用，加剧了化学反应速度，产生了有利于氟迁移和聚集的水文地球化学环境。

7　阿尔山温泉区域地下水的均衡

流域内大气降水量是地表水、地下水、蒸发蒸散和地面滞水总的来源。地下水主要排泄方式为泉流排泄，地表水主要为河流，可利用水均衡法大致估算区域内地下水的补给量。

Q地=Q降水-Q河流-Q泉-Q蒸发

式中Q降水——大气降水量/(m3/年)；

Q河流——河流年均流量/(m3/年)；

Q地——地下水补给量/(m3/年)；

Q泉——泉流量/(m3/年)；

Q蒸发——年均蒸发蒸散量/(m3/年)；

W——年均降水量/m；

S——岭北至温泉群流域集水面积/m2。

通过圈定大兴安岭岭北至阿尔山温泉群(兴安1号隧道越岭段-阿尔山温泉群)流域面积S，计算其范围内大气降水量及损失量，从而推断该流域范围内地下水的补给量。

通过量测岭北至温泉群流域面积S=97 827 551 m2，计算地下水年补给量(如表1所示)。

表1　地下水年补给量

利用水均衡法，大致估算地下水年补给量为7 499 349 m3。

8　隧道施工期地下水涌水量对温泉影响分析

隧道主要通过地层为花岗岩。隧道的施工排水对位于阿尔山市西南部的水源地水源补给和温泉的补给有一定的影响，施工排水造成地下水流失，减少的补给水量。按照《铁路工程水文地质勘察规程》TB 10049—2004中附录B进行预测。

大气降水入渗法

Q=2.74α·W·A

式中Q——平水期隧道正常涌水量/(m3/d)；

α——降水入渗系数；

W——年均降水量/mm；

A——隧道通过地段的集水面积/km2。

兴安一号隧道穿越大兴安岭，岭南属于洮儿河流域，岭北属于哈拉河上游阿尔善河流域，岭北隧道长度3 346 m，该段施工排水影响阿尔善河流域补给；兴安二号隧道通过阿尔善河流域和勃尔姑高勒流域，影响阿尔善河流域段补给段，隧道长5 415 m。影响阿尔善河流域地下水补给段隧道涌水量预测值如表2所示。

表2　涌水量预测

根据水均衡法预测，岭北至阿尔山温泉群流域内，年天然补给量7 499 349 m3，隧道年涌水量为704 815 m3，占年天然补给量7 499 349 m3的9.39%。

同理：9‰沿勃尔谷高勒方案和13‰沿既有线方案穿越温泉补给区，隧道施工涌水都会对温泉补给造成一定的影响。

9　结论

阿尔山温泉群受走向为345°的张扭性断裂及其低次序的扭-压扭性羽裂的控制，这些羽裂上的温泉呈线形展布，斜裂出现。泉群流量较小，不同温泉水温不同，水化学成分不同，说明地下水入渗深度不同，对温泉的影响不同，温泉对地下水的补给有比较强的敏感性。

三种方案的隧道工程仅是通过温泉补给区的长度不同，隧道工程距破火山环状断裂及东西向张性断层较近，其为地下水的良好补给通道；大气降水及地表水沿阿尔山盆地边缘，张性断裂和破火山环状断裂渗透、运移，汇集于北北西向张扭性断裂，东西向张性断层及北北西向张扭性断裂可能延伸到拟建隧道洞身。隧道涌水损失造成温泉群地下水补给量减少，对泉流流量存在潜在影响，不同方案影响程度略有差异。

[1]中铁工程设计咨询集团有限公司.改建白阿线铁路可行性研究:兴安岭隧道工程地质勘察报告[R].北京：中铁工程设计咨询集团有限公司，2010

[2]铁道第一勘察设计院.铁路工程地质手册[M].北京：中国铁道出版社，2004

[3]TB10012—2007铁路工程地质勘察规范[S]

[4]TB10049—2004铁路工程水文地质勘察规程[S]

[5]TB10027—2012铁路工程不良地质勘察规程[S]

[6]《工程地质手册》编辑委员会.工程地质手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2007：525-528