隧道施工扰动条件下郭达山隧道溶矿水的成因机制研究

郭宏洋，李 晓，赵亚茜

(成都理工大学环境与土木工程学院，四川 成都 610059)

0 引言

溶矿水是由于隧道施工扰动作用，使还原或弱还原环境转变为氧化或强氧化环境，加速含矿段中的金属离子氧化，随之产生的一种低pH，高TDS并含大量金属离子的酸性水。隧道施工所形成的溶矿水可类比为矿山开采形成的矿山酸性水，两者都是由于工程影响，改变了原生氧化环境，在氧气、水量充足的情况下，地下水与矿岩产生水岩作用，从而产生废水。但两者的区别在于隧道开挖揭露矿带的段位是不确定的，且涌水量更大，产生的污染容易被忽略(Lupankwa et al.，2006；Lin et al.，2007)。

目前，国内仍未对隧道施工过程中的含矿地下水疏排所造成的生态环境影响引起足够重视，因而相关研究并不完善。但溶矿水造成生态污染现象已多次发生。例如渝怀铁路白沙坨4号隧道穿越煤系地层，产生具有侵蚀性的酸性水，影响隧道施工质量，造成隧道的使用寿命缩短。同时，未经处理的酸性水疏排造成小范围内地下水水质严重恶化；华蓥山隧道由于隧道施工穿越煤系地层，形成硫酸根离子富集的高矿化度地下水，经水循环排泄至附近水体，破坏水体生态环境。重庆礼让隧道穿越位于明月山背斜轴部的膏岩地层，形成有强腐蚀性的酸性水，严重危害隧道工程稳定性。同时造成区域地下水水质严重恶化。鉴于此，有必要开展隧道施工溶矿水形成机制的研究，为地下水生态环境保护提供科学依据。

新建川藏铁路贯穿川西高原，工程以隧道、桥梁为主，当隧道工程经过成矿带时，易形成溶矿水，其渗入含水层或直接排放至地表水体中，会造成严重的生态问题。川藏铁路郭达山隧道穿越康定-会理多金属成矿带中的康定金矿，矿体中含有大量的含硫化合物。依据已掌握的地质、钻孔、水化学等资料，开展溶矿水成因研究，为郭达山隧道施工过程中溶矿水污染防治提供理论支撑。

1 郭达山隧道区域概况

1.1 自然条件及地质概况

拟建川藏铁路郭达山隧道位于四川省甘孜藏族自治区东部康定市北东侧的郭达山，距成都市332 km，位于四川西藏交界处。区域呈现中高山-高山峡谷地貌。东侧的大渡河深切使隧道区域地表破碎，地形陡峭，相对高差为1 000～2 350 m。 由于隧址区海拔高，受复杂多样的地形影响，形成了独特的高原型大陆性季风气候，月平均最高气温20.4℃，最低温度-14.7℃。降雨多集中在5-9月，年平均降水量832.2 mm。

在区域构造上，隧道位于鲜水河构造带，龙门山构造带及川滇构造带三大构造带的交接地带。邻近隧址区发育有郭达山断裂、莲花山断裂、孟清断裂、鱼司通断裂、雅拉河断层。区域地层主要分布第四系松散堆积物、三叠系变质砂岩、二叠系灰岩、石炭系灰岩、泥盆系灰岩、志留系灰岩、震旦系大理岩、千枚岩等。

区域地下水可分为四种类型：松散岩类孔隙水、碎屑岩孔隙裂隙水、基岩裂隙水和岩溶水。松散岩类孔隙水在区内普遍分布，主要赋存于第四系覆盖层之中，多由大气降水、融雪水等补给，垂直入渗进入孔隙含水层或水平径流后就近排泄于溪沟或以泉形式出露。岩溶水在区域中大量存在，主要赋存于区域碳酸盐岩地层中。由大气降水、融雪水等补给，垂直下渗至可溶岩中，以浅循环和深循环的形式在可溶岩中的溶洞、溶隙、溶孔富集运移，径流，最终以溪沟或岩溶泉形式出露，排泄至区域最低基准面。碎屑岩裂隙水主要赋存于区域砂岩、变质砂、板岩裂隙中，基岩裂隙水赋存于近地表风化岩体裂隙中，主要受大气降水补给，缓慢垂直下渗并顺坡径流，大部分以泉形式或蒸发方式排泄。

区域矿床属于典型的石英脉型金矿床，其金矿床成矿流体在早期受挤压后期拉张贯入断裂或者裂隙中(陈颖等，2014)。辉绿岩呈脉状与矿体相伴产出，或被含金石英脉和花岗岩岩脉切割产出，常作为矿体的顶板和底板(彭小东，2017)。通过现场钻探结果，浅层地表未见石英矿脉，其主要发育在埋深300～500 m的地下，隧道正好穿过石英矿脉。

2 采样与分析方法

2018年11月期间，在郭达山隧址区共先后采集了26组水样样本作为原生环境的水样。其中包括3个热水样品、13组地表水(包括泉水形成的地表溪流)和10组地下水，采样点位见图1。

1-松散岩类孔隙含水岩组 2-碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组 3-碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组 4-岩浆岩变质岩类裂隙含水岩组 5-隧道 6-断裂 7-河流 8-地表水取样点 9-地下水取样点 10-钻孔水取样点 11-温泉水取样点 12-铜矿 13-岩金矿 14-钨矿

采用多功能参数测试仪对气味、温度、pH、色度、浑浊度等容易受到环境变化的参数进行现场测定并记录。其他性质较稳定的测试指标，移至室内分析测试。隧址区原生地下水水化学测试数据见表1。

表1 隧址区原生地下水水化学简分析表

3 郭达山隧道区域原生水化学特征分析

3.1 水化学特征及类型

由表1可知，区域整体水样呈中性-弱碱性，平均pH值为7.66，除温泉外，TDS均小于1 000 mg/L。其中温泉水TDS较高，主要阳离子为Ca2+，主要阴离子为HCO3-。钻孔水中SO42-含量较高，浓度高于其他类型水。Piper 三线图能较好地反映地下水中各主要组分浓度之间的联系，对地下水化学类型进行分类可以把不同水样的水化学特征差异直观展示出来。隧址区水样Piper 三线图见图2。

图2 隧址区水样Piper 三线图 图3 隧址区水样Durov图

由图所知，Ca2+、Mg2+为水中主导阳离子，HCO3-为主导阴离子，地下水类型以HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg型水为主，呈现低矿化度溶滤水特征。另外地下水类型有SO4·HCO3-Ca、SO4·HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca·Na型等。

Durov图则能呈现出水样pH及TDS，隧址区水样pH普遍在6.5-8.5之间，呈中性-弱碱性。地下水 TDS 总体偏低，大部分地下水水样点 TDS 小于1 000 mg/L，水质总体较好。由此可知隧址区内原生环境中未形成低pH、高TDS类型水。

3.2 地下水组分来源

为研究原生地下水组分来源，采用Gibbs图反应地下水各化学组分的演化机制。地下水化学演化按控制因素可分为岩石风化成因控制、蒸发浓缩成因控制及降雨控制三大类。

图4 隧址区水样Gibbs图

由图4所知，水样点中Cl-/(Cl-+HCO3-)和(K++Na+)/(K++Na++Ca2+)的毫克当量比值几乎都小于0.6，显示几乎所有的水样都受岩石风化成因控制。Cl-/(Cl-+HCO3-)聚集性良好，但是 (K++Na+)/(K++Na++Ca2+)未呈现明显聚集性，表明地下水除岩石风化成因控制，控制因素可能还包括阳离子交换作用和人类活动等。

阳离子交换吸附作用会使地下水硬度从大变小，呈现低矿化度。γ(K++Na+-Cl-)表示除盐岩外其他矿物溶解后Na+的变化量，而γ[(Ca2++Mg2+)-(HCO3-+SO42-)]则表示除石膏、白云石和方解石外其他矿物溶解带来的Ca2+和Mg2+的变化量。

若发生阳离子交换作用，则水样点主要集中在γ(K++Na+-Cl-)/γ[(Ca2++Mg2+)-(HCO3-+SO42-)]=-1。γ(K++Na+-Cl-)与γ[(Ca2++Mg2+)-(HCO3-+SO42-)]比例关系图见图5。如图所示，证实了地下水中阴阳离子交换现象的存在。

除地下水中阴阳离子交换作用外，大部分地下水的水文地球化学指向水岩溶滤作用。通过分析主要离子比例，可以用来检测地下水组分来源及溶滤岩石组成。

地下水中的Na+和K+主要的来源为盐岩矿物的溶解，如果γ(Na++K+)/γCl-=1，Na+和K+的来源全部为盐岩溶解。γ(K++Na+/Cl-)与TDS比例关系图见图6。从图中可以看出，在同一地层中，随着TDS的增加，γ(Na++K+)/γCl-也随之增加，但γ(Na++K+)/γCl->1。说明盐岩溶解并不是地下水中Na++K+的唯一来源，可能还包括硅酸盐岩矿物的风化作用。

图5 γ(K++Na+-Cl-)与γ[(Ca2++Mg2+)-(HCO3-+SO42-)]比例关系图 图6 γ(K++Na+/Cl-)与TDS比例关系图

如果地下水水样中γ(Ca2++Mg2+)/γHCO3-=1，说明 Ca2+、Mg2+全部来自于碳酸盐岩和蒸发岩的风化溶解。γ(Ca2++Mg2+)与γ(HCO3-)比例关系图见图7，图中地下水水样点均落在γ(Ca2++Mg2+) / γ(HCO3-) >1，说明碳酸盐岩溶解不是Ca2+、Mg2+的唯一来源，可能有硫酸盐岩参与溶解反应。

图7 γ(Ca2++Mg2+)与 图8 γ(Ca2++Mg2+)与γ(HCO3-)比例关系图 γ(SO42-)比例关系图

当SO42-主要是源于硫酸盐岩的溶解时，则 γ(Ca2++Mg2+)/γSO42-=1。γ(Ca2++Mg2+)与γ(SO42-)比例关系图见图8。从图中可以看出部分花岗岩中水样γ(Ca2++Mg2+)/γSO42-<1，所以SO42-还来自其他来源，如含硫金属矿的氧化还原反应产生SO42-。

分析表明，虽然隧址区具有含硫金属矿，其也进行小部分的氧化还原作用，但产生的水质并没有达到溶矿水的标准。

4 郭达山隧道溶矿水成因及特征

4.1 隧道施工后水化学特征分析

2020年底，在1#横洞施工后再次前往隧址区采集地下水及钻孔水水样，1#横洞施工后地下水水化学简分析见表2。

对比分析1#横洞施工前后SO42-的变化，发现含矿段地下水样中SO42-高于区域背景值，且比横洞施工前有明显的提升。证实了含矿段矿石中有含硫的金属矿物，其氧化后产生大量的SO42-离子。同时pH、TDS也出现明显的变化(见图9和图10)。

表2 1#横洞施工后地下水水化学简分析表

图9 1#横洞施工前隧址区 图10 1#横洞施工后隧址区SO42-分布图 SO42-分布图

原生环境下隧址区含矿带中虽有含硫矿物，但未形成低pH、高TDS的溶矿水。但对比原生环境的地下水化学特征，1#横洞施工后pH、TDS及SO42-三类指标均有向溶矿水形成的变化趋势。说明溶矿水的形成与施工扰动有紧密联系。

4.2 郭达山隧道溶矿水形成机制

结合矿体分布、施工扰动地质环境、溶矿水形成过程及溶矿水形成影响因素多个方面总结郭达山隧道溶矿水成因模式：天然环境下低含量的氧气浓度不足以促进含硫矿物的氧化作用。当隧道穿越含矿段施工，在施工扰动地质条件的作用下，使原先的矿体裂隙增大，形成氧化环境。与此同时，隧道施工也改变了天然的渗流系统，使水和空气快速向矿体裂隙中径流，使地下水和氧化环境中的矿体形成水力联系。加速矿体的水岩反应，使矿体中所含的金属离子被催化氧化，造成地下水中重金属离子富集，与此同时产生大量氢离子导致地下水酸化，使得地下水中矿化度升高。最终形成低pH，高矿化度，富集SO42-、Fe3+、Al3+、Mn2+及Cu2+等特征污染因子的酸性溶矿水(见图11和图12)。

图11 隧道施工扰动作用示意图

图12 郭达山隧道溶矿水成因模式图

4.3 郭达山隧道溶矿水形成段位及特征预测分析

根据溶矿水成因机制分析，郭达山隧道在施工过程中穿越含矿带时，会产生溶矿水。根据隧道施工剖面图可知，郭达山隧道施工过程中共穿越6处含矿带，矿带长度及控制边界见表3。

表3 溶矿水产生段落统计表

图13 隧道溶矿水产生段位示意图

郭达山隧道溶矿水产生段位主要在D2K254至D2K257之间，恰好位于郭达山1#横洞处。根据前文水化学数据，这些溶矿水主要含有SO42-、Fe3+、Al3+、Mn2+及Cu2+等特征污染因子，且具有低pH高TDS的特点，与原生水质有明显差异(见图13)。

隧道修建过程中所形成的溶矿水与正常的隧道涌突水一起排出，若不进行处理，富含重金属的含矿废水直接排入地表受纳水体中，会对高原脆弱生态水环境造成严重破坏，应当引起注意。

5 结语

通过对郭达山隧道溶矿水成因机制研究，得到如下结论：

(1)隧址区水化学类型主要为HCO3-Ca·Mg型。虽然原生环境中有含硫矿物，但在1#横洞施工前，水质总体较好未出现异常。1#横洞施工扰动后，部分水样中出现低pH高TDS的特征，并富集Fe3+、Al3+、Mn2+及Cu2+等重金属离子。说明隧道施工扰动作用是溶矿水形成的必要条件。

(2)在天然状态下，地层中的氧气和水源的含量不足以为溶矿水的形成提供条件，隧道施工后，氧气进入与矿带接触的岩石裂隙中，使得原来的还原环境转化为氧化环境。矿体发生氧化生成酸性化合物，释放出H+加速氧化过程，从而形成溶矿水。

(3)隧址区主要穿越康定金矿田，矿产类型为岩金矿。郭达山隧道施工过程中易形成溶矿水的段位为D2K254+083-133，D2K254+339-562，D2K255+237-520，D2K255+578-D2K256+159，D2K256+267- 482及D2K258+084- 476。

(4)在隧道施工中形成的溶矿水若未经过处理，由隧道排水设施直接排入地表受纳水体中，可能会造成水体污染，破坏生态环境，因此，对于溶矿水的环境影响问题应当引起重视。