高原高寒构造-剥蚀地区地下水赋存特征研究

赵新杰 廖先斌 谢春庆 潘 凯

Research 研究探讨

高原高寒构造-剥蚀地区地下水赋存特征研究

赵新杰 廖先斌通讯作者谢春庆 潘 凯

（广东中煤江南工程勘测设计有限公司，广东 广州 510440）

随着新基建工程在国内的快速发展，对高原高寒地区工程地质条件做更深入细致的调查与研究，才能提供给设计更合理可靠的基础资料。本次研究通过对高原高寒场地进行地形地貌、地质构造、地层岩性的调查，特别是进行专门的水文地质专项调查，查明了典型高原高寒构造-剥蚀场地的工程地质条件，分析与确定了地下水基本类型、补径排特征、水化学成分、动态变化特点、水文地质参数，建立了地下水渗流场模型。研究总体上说明高原高寒构造剥蚀地区地下水储变量较稳定，数值上无波动，地下水渗流场较为稳定，工程建设时应注意不良地质作用影响。本次研究成果可作为高原高寒构造剥蚀地区水文地质基础数据进行利用，可作为相似工程地质条件下的设计参考。

高原高寒；构造-剥蚀；水文地质；地下水；渗流场

0 前言

国内大循环为主体、国内国际双循环相互促进的新发展格局，促进了高原高寒地区新基建工程的发展。工程地质条件作为基建工程的基础资料、设计依据，需要进行详细调查、分析与研究[1-3]。

高原高寒构造-剥蚀地区重要、大型工程建设偏少，深入的工程地质勘察不足。针对上述情况，广东中煤江南工程勘测设计有限公司在四川高原高寒构造-剥蚀地区某机场一带进行了岩土工程勘察工作与研究，重点进行水文地质调查、高填方专项勘察和高填方地基稳定性研究[4-7]。

通过资料收集和文献研究，收集前人研究相关成果资料、报告、图件、数据电子表格等；进行野外地质调查与测绘，完成了研究区比例尺1:10000面积约138.34km2和比例尺1:2000面积约10km2的水文地质调查、地下水利用情况调查、集中供水水源地和水源井调查及主要污染源调查；完成了水样采集，进行了40组的水质简分析和12组的水质全分析；完成了水文地质及抽水试验钻孔11个。

在对场区水文地质条件进行调研的基础上，通过试验段（物理模型）的水位监测、盲沟流量监测获得了渗流模拟参数，采用基于有限元原理的FEFLOW软件和SEEP/W软件对全场地下水初始渗流场以及试验段（物理模型）填挖前后渗流场的变化进行了模拟分析。

通过上述工作，详细分析与研究了具有高原高寒地区特点的构造-剥蚀场区地下水赋存特征，提供了具有普遍运用意义的高原高寒地区水文地质参数参考资料。

1 场区工程地质条件

1.1 地形地貌

研究区所在区域为青藏高原东部边缘，沟谷纵横交错，主要属于中高山构造-剥蚀地貌。研究区位于近东西向山梁之上，地势中间高，两侧低。山体呈波状起伏，顶面高程3966～4142m，平均高程4090m左右；山体斜坡坡度一般为10～20°，表层覆盖物较薄，一般为0.5～1m，局部基岩出露，坡脚及冲沟部位覆盖物较厚，覆盖层以残坡积粉质粘土为主。场区地形相对高差较大，一般为15～50m。

地形地貌三维效果图如图1所示。

图1 场区三维地貌模型

1.2 地层岩性

场区地层岩性比较复杂，主要有三套地层，分别为第四系（Q4）松散堆积层、二叠系（P）-三叠系（T）上统图姆沟组二段（Tt2）以及二叠系（P）-三叠系（T）中三叠统-上二叠统卡尔蛇绿岩组仁则赫型（PTkr）。其中，第四系由植物土（Q4pd）、泥炭（Q4h）、粉质粘土（Q4el+dl）、粉质粘土（Q4dl+pl）、碎石（Q4dl+pl）、细砂（Q4dl+pl）、中粗砂（Q4dl+pl）、中粗砂，（Q3fl+gl）冰碛块碎石、中粗砂等土层组成；二叠系（P）-三叠系（T）主要为上三叠统图姆沟组二段（Tt2）、中三叠统-上二叠统卡尔蛇绿岩组仁则赫型（PTkr），其岩性分别表现为结晶灰岩，变质砂岩和角砾岩（如图2所示）。

图2 代表性地质剖面图

1.3 地质构造

研究区在大地构造单元上地处松潘-甘孜造山带，从大地构造区域上来看，它是由西部青藏高原的羌塘-昌都陆块，北部劳亚板块，东部扬子陆块三个板块汇聚挤压形成的一个特殊的倒三角形态。该区处于鲜水河断裂中段的西侧，甘孜-理塘断裂带北侧，其主体构造呈NW向。

2 地下水赋存特征

2.1 地下水基本类型

场区内的地下水按含水介质类型划分主要为松散层孔隙水、基岩裂隙水两种类型，部分地段可能含有岩溶裂隙水。

（1）松散层孔隙水

含水层主要为第四系全新统冲积及洪积砂卵砾石层和更新统冰川堆积层。这类水多赋存于河谷冲沟及台地、缓坡等地带，根据地下水埋藏条件，分为上层滞水和孔隙潜水两类。

上层滞水：分布于第四系松散层。一般赋存于粉质粘土、粉土、中细砂、角砾、碎石较多的部位。粘土与粉质粘土层形成一层相对隔水层，在此层隔水层上部分布有植物土及泥炭层，当下渗的水体遇到相对隔水层时形成上层滞水；另外，粘土和粉质粘土层中含有角砾、碎石等透镜体，也赋存有上层滞水。由于第四系松散层空间分布变化较大，因此此类地下水分布变化明显。

孔隙潜水：沟谷、缓坡上的植被根系、腐殖物、泥炭土，孔隙度大，渗透性较好，含水性强，赋存孔隙潜水；沟谷、斜坡上的含有碎石及角砾粘性土层、成层分布的中细砂、角砾、碎石层，渗透性一般弱-中等，赋含孔隙潜水，局部为承压水。

（2）基岩裂隙水

分布于调查区内裂隙发育的变质砂岩中，一般多赋存于构造转折、断裂构造线及地层接触面等部位。以潜水为主，局部具弱承压性。受地形、地层、裂隙及构造控制，基岩裂隙水一般没有统一的水位面，一般在以沟谷和断层带为界的各分水岭地带地下水位较为统一。地下径流途径短，多近源排泄。

（3）岩溶裂隙水

主要分布于图姆沟组（T3t）地层灰岩中，岩溶微弱发育，赋存少量岩溶裂隙水以潜水为主，局部地段可具弱承压性，地下水性质及特征与基岩裂隙水相似。

2.2 地下水补径排特征

场区内第四系松散层孔隙水主要接受大气降水及冰雪融水、坡面流水、地表流水、基岩裂隙水的补给，向台地前缘和下伏基岩裂隙带径流、排泄。基岩裂隙水主要是接受大气降水及冰雪融水、地表水和上覆第四系松散层孔隙水的补给。因构造剥蚀作用强烈，调查区内各沟谷切割较深，各台地之间往往缺乏水力联系，浅层地下水多在台地前缘以下降泉的形式排泄，或者地下水遇变质砂岩等相对隔水岩组阻隔在地表出露，形成下降泉。出露的下降泉往往又补给沟谷中的地表、地下水（图3）。

此外，场区地面蒸发也是地下水重要的排泄途径。

图3 地下水补、径、排剖面示意图

2.3 水化学成分及类型

研究区共有水化学类型计12类，以HCO3-Ca型为主。在水化学分析的48个样品中，水化学类型统计分别为HCO3-Ca型，计23个；HCO3-Na•Ca型，计6个；HCO3•SO4-Na•Ca型，计3个；HCO3•SO4-Ca型，计4个；HCO3-Ca•Mg型，计3个；HCO3•SO4-Ca•Mg型，计3个；同时还发现SO4-Na•Ca型、HCO3-Na型、SO4•Cl-Ca•Mg型、HCO3•SO4-Na•Ca•Mg型、Cl-Na•Ca型、HCO3•Cl-Ca型，各1个。

2.4 地下水动态特征

（1）地下水动态变化

不同类型地下水特征随不同季节补给强度不同存在一定差异。松散岩类孔隙水与大气降水、融雪水及地表水关系密切，具有明显的季节性变化特征；浅部风化带裂隙水动态随季节性、地层岩性、地形地貌特征变化而变化，深部层间裂隙水较稳定，水位、水温随降雨、季节变化相对滞后；区内变质砂岩渗透性较弱，地下水动态变化相对较为滞后。

（2）渗透指标

在现场进行了岩土层的抽水试验（图4），结果详见表1所示。

图4 抽水试验曲线

表1 现场抽水试验数据表

（3）地下水长期监测

地下水长期监测孔主要布置在试验段1区、试验段2区和东端沃日柯高填方区，地下水位长期监测区位置分布见图5。地下水位监测时段主要为2016年5月至2016年12月。

图5 研究区地下水长期监测区位置分布

试验段期间进行了试验段1区和2区监测管水位，沃日柯进行了钻孔水位观测，结果如下。

（1）沃日柯高填方区水位观测钻孔121个，2016年6月至2016年10月监测14期次，共监测1694点次，水位降幅较明显的监测点有20个，水位变幅为0.04～3.21m（bk84）。

（2）试验段1区地下水位的变化幅度较小，雨季，坡脚（cx01）地下水位低于原地面1.1m；中部（cx02）地下水位高出原地面0.46m；后方地下水位高出原地面1.4m。

（3）试验2区地下水位监测孔cx05、cx06、cx07和cx08，自2016年5月3日至2016年12月8日，孔底（原地面以下3m）均未发现有地下水。

沃日柯高填方区的地下水位监测结果如表2所示。

表2 沃日柯钻孔水位观测结果

注：观测日期为2016/6/3～2016/10/13

（4）盲沟流量监测

试验段期间进行了试验段1区和2区肓沟出水量观测。

试验段1区肓沟，从2016年4月至2016年6月，肓沟出水量为1.0～1.73L/s；2016年7月至2019年10月，肓沟出水量为3.0～3.4L/s；2019年11月，肓沟出水量为2.35L/s。

试验段2区24#肓沟，2016年6月肓沟出水量为0.06L/s；2016年7至2019年10月，肓沟出水量为0.07～0.08L/s；2019年11月肓沟出水量为0.063L/s。

根据肓沟出水量变化情况和地下水位监测情况分析，肓沟出水清澈，肓沟下方沟边无砂粒堆积，排水通畅。

3 地下水渗流场特征

3.1 水文地质概化模型

把含水层实际的边界性质、内部结构、渗透性能、水力特征和补给排泄等条件概化为便于进行数学与物理模拟的基本模式，反映了区域地下水系统的整体特点，是建立地下水各种特性数值模拟模型的重要基础。机场场区水文地质概念模型为：非均质、水平方向各向同性、垂直方向存在变异、空间三维、非稳定地下水系统。表层泥炭和灰岩含水层统称为“上部含水层”，将粉质粘土层及变质砂岩统称为“下部弱透水层”，地下水流存在水平运动和垂向运动，以水平运动为主。

3.2 地下水渗流场分析

在对地下水补给、径流、排泄条件进行调研的基础上，采用FEFLOW和SEEP/W软件对全场地下水渗流场进行模拟分析。首先，对模型定解条件和源汇项的各参数率定后，在已建立的地下水流模型的基础上，结合研究区内2013年1月~2016年期间降水监测资料进行现状条件下的数值模拟，进而预测研究区内地下水水位及流场演化的趋势性。其次，选取模拟期内模型运行1d、8d、35d、68d、137d、365d、720d后的渗流场计算结果进行对比分析，模型初始渗流场及运行720d渗流场模拟结果见图6。

a．模型运行720d渗流场平面地下水位等值线图

b．模型运行720d渗流场三维地下水位等值线图

图6 模型运行720d地下水渗流场模拟结果

将模型运行1d、8d、35d、68d、137d、365d、720d七个时期的渗流场模拟结果与研究区初始渗流场特征进行对比分析可知：在两个完整水文年模拟期内，研究区地下水在不同时期渗流场均较稳定，整体上反映为区内地下水以近东西向的地表分水岭为界，分别沿两侧坡向径流，在地形及地质构造有利部位天然出露或运移至排泄边界处排泄；区内花菁坡一带灰岩地层中的地下水存在向区内湿地面积分布最广的沃日柯流域径流排泄，转化为地表水汇聚到沃日柯湿地中最终排入沃日柯汇入胭脂罗曲；研究区内近东西向地下分水岭基本与地表分水岭吻合，仅位于研究区西侧的罗跃曲流域与胭脂罗曲流域分水岭存在差异，本次模拟将潜水表面设置为自由和可移动表面以便识别地下分水岭，经模型计算识别该区域地下分水岭可能分布在从大包梁开始沿与14#沟近平行的各山脊沿线至14#沟沟口结束。

研究区地下水均衡数据表明：模型初始运行期模型内第一类边界地下水流出、流入量波动较大，模型运行稳定后第一类边界主要体现为排泄边界的特征，地下水流出、流入量较为稳定；模型内第二类边界地下水流入流与流出量之间差值较小，不同运行时段地下水流出、流入量波动较大，可能主要受到区内大气降水影响，即降水量大对应同时期第二类边界地下水流出、流入量亦较大，反之则小；模型内地下水储变量稳定，模拟计算期内无波动，亦可反映出研究区内地下水渗流场较为稳定，区内湿地可常年处于饱水状态。综上，均衡分析的结果表明：研究区所建模型边界条件的识别准确，模型内源汇项计算合理，均衡分析所反映出的水文地质特征符合研究区实际的水文地质特征。

4 地下水产生的不良工程地质影响

高原高寒构造-剥蚀地区为冻土区，地下水埋藏浅，水位变幅小，地下径流途径短，多近源排泄，易产生以下的不良地质作用：

（1）浸泡和软化土体，降低原地面第四系土层物理力学性能。

（2）崩解软化全强变质砂岩，使之物理力学性能迅速降低，尤其是抗剪性能降低，影响工程稳定性。

（3）易形成冲刷和潜蚀，降低工程稳定性。

（4）高原高寒随季节造成土体冻结、冻融，对地层及排水系统形成破坏。

（5）当排水不畅时，地下水高，地下水压力大，影响边坡稳定性。

（6）沟谷中地下水富集区往往土层较厚，在施工条件下，泥泞不堪，影响施工速度与安全。

5 结论

本次在具有高原高寒构造-剥蚀地区典型特征的某机场进行专门的水文地质调查工作和地基稳定性研究，初步分析地下水赋存特征，结论如下：

（1）高原高寒构造-剥蚀地区大部分地区覆盖层浅，地质构造形迹主要以NW向为主。

（2）高原高寒构造-剥蚀地区主要发育松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，局部发育岩溶裂隙水；地下水主要以潜水为主，局部具有承压性；水化学类型以HCO3-Ca型为主。

（3）松散岩类孔隙水与大气降水、融雪水及地表水关系密切，具有明显的季节性变化特征；基岩裂隙水主要是接受大气降水及融雪水、地表水和上覆第四系松散层孔隙水的补给。

（4）研究区地下水在不同时期渗流场均较稳定，整体上反映为区内地下水以区内近东西向的地表分水岭为界，分别沿两侧坡向径流；水均衡项中地下水储变量较稳定，数值上无波动，反映出两个完整水文年模拟期内研究区地下水渗流场较为稳定。

（5）高原高寒构造-剥蚀地区地下水埋藏浅，水位变幅小，地下径流途径短，多近源排泄，易软化、崩解岩土体，形成冲刷和潜蚀，造成土体冻结、冻融，影响工程的稳定性。

（6）本次研究成果可做为高原高寒构造-剥蚀地区水文地质基础数据进行利用，可作为相似工程地质条件下的设计参考。

[1] 中华人民共和国建设部. GB/T50123-2019土工试验方法标准[S]. 北京: 中国计划出版社, 2019: 85-95.

[2] 《工程地质手册》编委会. 工程地质手册(第五版)[M]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2018: 156-163.

[3] 龚晓南. 土力学[M]. 杭州: 中国建筑工业出版社, 2002: 77-98.

[4] 谢春庆, 潘凯, 程瑞驭等. 四川甘孜格萨尔机场水文地质调查报告[R]. 广州: 广东中煤江南工程勘测设计有限公司, 2017.

[5] 谢春庆, 潘凯, 程瑞驭等. 四川甘孜格萨尔机场高填方专项勘察报告[R]. 广州: 广东中煤江南工程勘测设计有限公司, 2016..

[6] 谢春庆, 赵新杰, 潘凯等. 四川甘孜格萨尔机场岩土工程详细勘察报告[R]. 广州: 广东中煤江南工程勘测设计有限公司, 2018..

[7] 谢春庆, 赵新杰, 潘凯等. 高原高寒高地震烈度场地高填方地基稳定性研究—以甘孜机场为例[R]. 广州: 广东中煤江南工程勘测设计有限公司, 2019.

赵新杰（1966- ），男，汉族，陕西省洋县人，毕业于西安矿业学院，水文地质与工程地质专业，本科，高级工程师，研究方向：地下工程（岩土工程勘察、地基与基础工程）。

廖先斌（1971.11- ），男，汉族，福建，本科，教授级高级工程师，注册岩土工程师。

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1007-6344（2021）01-0346-03