温泉地区修建铁路隧道地下水影响评估

韩兴广

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300142)

铁路隧道建设一般仅在施工期间影响局部地下水的水质和水量，不改变区域地下水的补、径、排特征。隧道建成后，原有的地下水补、径、排状态将逐渐恢复，隧道运营后对地下水的影响很小。对于温泉地区，这样的简单判断往往显得证据不足，需要进行定量化评价。

某铁路以隧道形式通过三门峡市陕州区温塘温泉区。隧道正线全长约4.8 km，设计隧底高程400～428 m，平均底板高程约为425 m，隧道最大埋深159 m，最小埋深10 m。洞身范围内主要地层：上为第四系上更新统新黄土，下为新近系粉质黏土和古近系砂岩、泥岩。

隧道联络线全长约3.9 km，设计隧底高程为398～404 m，最大埋深156 m，最小埋深3 m。洞身范围内主要地层为第四系上更新统新黄土，新近系粉质黏土，古近系砂岩、泥岩，寒武系灰岩。

虽然隧道设计高程在温泉水位线之上，但在平面上进入了地热温泉的开发利用规划区(见图1)，需评估铁路拟建隧道对地下水的影响。

图1 评估工作区范围示意

1 地貌特征

三门峡市陕州区地处华北地台南缘与华熊构造带、灵陕断陷盆地交界地带，地势南高北低。西北部为黄河冲洪积平原和黄土台塬，地表被黄土或黄土状土覆盖；南部及中部为低山、中山区；东北部、东南部为剥蚀丘陵，主要由黄土塬、黄土梁峁、黄河三级阶地和二级阶地构成( 见图2)。

图2 区域地貌

2 地层岩性及地质构造

2.1 地层岩性

评估范围大部分被新生界地层覆盖，局部出露寒武系中统、元古界地层。主要岩性自下而上为：元古界杂色页岩夹石英砂岩、硅质灰岩；寒武系中统张夏组鲕状灰岩、白云岩；古近系含砾砂岩、粉砂质泥岩、细砂岩夹薄层泥灰岩；新近系黏土、粉质黏土夹钙质结核、砂砾岩等；表层覆盖第四系新黄土。

2.2 地质构造

研究区受几条主要断层切割，形成了一个相对圈闭的构造单元(见图3)。

(1)温塘断裂(F1)

走向大致为NE50°，倾向NW，倾角55°～70°，破碎带宽50～70 m。该断裂为正断层，断层带内多为断层角砾。断裂南侧灰岩十分破碎，且有较多方解石脉穿插，判断该断裂后期受压性及压扭性作用，造成NW盘下降，SE盘上升，断距大于3 000 m，两侧次级断裂发育。该断裂为温泉的控热断裂。

(2)温水沟断裂(F2)

为温塘断裂的次级断裂，温水沟温泉出露于该断裂与温塘断裂的南侧，沿温水沟分布。走向NW，倾向SW，倾角60°，破碎带宽50～60 m，断裂带附近小的次级断裂、裂隙发育，推测为二级储热、导热断裂。

(3)温塘-张茅断裂(F4)

近东西向展布，倾向北，有一定的倾斜度，切割深度在3 km以下，属基底断裂，显示为张性正断层的特征。

这几条断裂和高阳山南侧断裂F5、F6一起圈闭了一个相对完整的裸露灰岩区热储构造。

图3 工作区地层岩性及地质构造

3 温泉成因及热储构造

3.1 温泉成因

温塘温泉位于汾渭地堑的南沿，温塘深断裂带上，呈东西向沿断裂带延伸。在主断裂带(F1)附近，发育有垂直于主断裂的次级断裂(如温水沟断裂)，北部为新生界黏性土、砂层为主的松散堆积物，南部为太古界及古生界石英岩、灰岩等，节理裂隙发育，构成了控热、储热构造体系，在温塘村附近形成近椭圆形的地热异常分布区。根据温泉形成的地质构造背景，断裂带及以南的区域次级构造及节理裂隙发育，导水、导热性能较好。断层北侧为新生界的阻水层，南部山区及塬区汇集的大气降水及地表水沿基岩断裂、裂隙下渗，经深循环加温形成地热流体，在向北运移的过程中，至温塘断裂带北侧受阻而沿断裂上涌，在温塘村南侧的温水沟中溢出地表形成温泉[1-3](见图4)。

图4 温塘温泉成因模式

3.2 热储构造

温塘温泉的热储构造由构造破碎带(脉状或带状)热储、裸露灰岩型热储(热水罐)、松散混合型热储三部分组成(见图5)。

图5 温塘温泉热储类型分布

(1)构造破碎带脉状(带状)热储

温塘断裂(灵宝-三门峡)是工作区主要的热储构造之一，在压力的作用下，深部热能沿着深大断裂的裂隙向上运移，造成地热异常。上部水资源逐步渗透并吸收异常热能，对流形成混合地热流体，通过外营力或人为活动的排泄通道进行排泄。其特征为沿构造呈带状分布，根据南北两侧泉水出露情况估算，断裂带宽度为100 m左右。开采井深一般为70～200 m，单井涌水量为1 920～2 400 m3/h，水温63 ℃～70 ℃。

(2)裸露灰岩型热储

高阳山裸露—浅埋藏寒武系灰岩形成一个较为独立的水文地质单元。该区上无盖层，下部是上元古界洛峪群的石英岩状砂岩，为区域隔水基底。寒武系灰岩为脆性岩层，构造裂隙发育，地下水连通性好。其露天开放性使热水上升和流动压力减小，深部热水上升到此后成为储存场所(热水罐)，天然状态下，在断裂交汇和位置低洼处出露成温泉。

该类型热储构造开采井深一般为300～400 m，单井涌水量为528～1 200 m3/d，水温22 ℃～50 ℃。

(3)松散混合型热储

上部松散型层状热储为新近系热储，热储层顶板埋深127～256 m，底板埋深627～900 m，岩性为新近系及第四系砂砾石、中细砂层，含水性差，热储温度较低，该类型热储构造开采井深一般为130～800 m，单井涌水量29～45 m3/h，水温23.7 ℃～42 ℃；下部埋藏型灰岩层状热储为下古生界热储，埋藏深度约为900～1 700 m，岩性为寒武系中统张夏组鲕状灰岩，岩溶裂隙发育，单井涌水量为1 080～1 680 m3/d，水温63 ℃～78 ℃。

其中，对温泉水质与水量影响最大的是构造破碎带脉状(带状)热储。三种类型热储的补给均以沿断裂带的侧向径流和大气降水为主，顺断层由西南向东北侧沿带状、羽状次级断裂、节理裂隙面径流；排泄以人工开采为主。图6为地下水径流示意。

图6 地下水径流

4 温泉开采现状

温塘温泉历史悠久，有记载以来一直自流。上世纪60年代开始打井抽取地热水，井深一般30～80 m，水温58 ℃～61 ℃，单井出水量达50 m3/h。随着开采量的增加，区域地下水位也在逐渐下降。2010年统计的开发利用量为6 423 m3/d，2016年已经猛增到13 563 m3/d。地下水位也从2010年的356.5 m下降到2016年的349.65 m。截止到2016年，原来的356 m等水位线已经降至340 m；且地下水位还在逐年下降。

根据2010年《河南省三门峡市陕州区温塘地热矿泉水调查评价和开发利用保护规划》，允许开采量不宜大于6 000 m3/d。

5 新建铁路工程对温泉的影响评估

裸露灰岩型热储是指高阳山一带寒武系灰岩、白云岩出露或浅埋的区域(面积约2.6 km2)，联络线隧道有2 km从该区通过。该区处于黄土台塬的边缘，地形起伏大，落差明显，地下热水水位埋深大(可达200～300 m)，大气降水多直接形成地表径流，难以形成有效补给。参考已有资料，降水入渗系数α取0.05。

多年平均降水入渗补给量按下式计算

Pa=P0×α×S

(1)

式中：Pa——多年平均降水入渗补给量；

P0——多年平均降水量，陕县一带取0.556 m；

S——“裸露型”碳酸盐岩分布区面积(取2.6 km2)。

计算得Pa=7.228×104m3

“裸露型”碳酸盐岩分布区大气降水对温塘温泉补给量不到总补给量的3.3%。考虑到隧道施工区面积不足“裸露型”碳酸盐岩分布区面积的1%(隧道平面宽度11.2 m，灰岩段线路长度2 073 m，面积约0.023 km2，不足2.6 km2的1%)，施工对温塘温泉补给量的影响小于温泉总补给量的0.033%，且隧道高程为400 m左右，高于裸露型热储温泉地下水位60～80 m，对温泉水的排泄没有影响。

正线隧道和联络线隧道小里程端2 km位于非碳酸盐岩分布区，地层主要为古近系泥岩，夹少量砂岩，属于贫水区。采用“达西公式”估算隧道经过区地下水对温塘温泉的补给量为49.5 m3/d，仅占温塘温泉可采量6 000 m3/d[5]的0.825%，对经过区的地下水影响小，对温塘温泉基本无影响。

由此可见，正线隧道及联络线隧道在建设和运营期对温泉基本无影响或影响轻微。铁路隧道的修建不会对当地的温泉保护和开发带来不利影响[6]。

6 结论和建议

(1)通过对当地温泉地热的形成机理和地质条件的分析，有效地圈闭了地下水补给来源和热储构造。

(2)结合隧道经过区域，计算不同热储构造对地下水的补给量占比，分析其对温泉水量的贡献。结合隧道设计高程和地下水位埋深的关系，认为隧道修建对当地温泉的保护和开发基本无影响或影响轻微。