巖體儲水空間的成因及影響因素

巖體儲水空間的成因及影響因素

火山巖儲水空間是指巖體中可儲水的儲水空間。儲水空間介質(zhì)的間隙類型、大小、多少和分布范圍是決定地下水系統(tǒng)規(guī)模和儲量的一個因素?；鹕綆r的儲水空間往往很大,例如青島地區(qū)玄武巖儲水空間達(dá)到2.25×108m3,相當(dāng)于嶗山水庫容量的4倍。通過對泥巴山隧道火山巖儲水空間的分析總結(jié),可為火山巖隧道涌突水預(yù)測提供的一定的理論依據(jù)。1隧道采用大相嶺u-t的雙渠道,泥巴山隧道進(jìn)口位于滎經(jīng)縣凰儀鄉(xiāng)高橋河右岸斜坡,距滎經(jīng)縣城約40km;出口位于漢源縣雙溪鄉(xiāng),距漢源縣城約32km,屬漢源縣九襄鎮(zhèn)。隧址區(qū)屬于深切割高中山區(qū),山勢陡峻,高差懸殊,海拔2000～3400m,外營力以水力侵蝕為主,隧址區(qū)相對高差約2100km,隧道穿越段最大埋深1701m,屬于深埋特長越嶺公路隧道。大相嶺嶺脊為隧址區(qū)地表分水嶺。其北東屬青衣江水系,其南西屬大渡河水系,隧址區(qū)東部木溝巖溝、高橋河屬青衣江流域的滎河、經(jīng)河上游支流;西部施查溝、青林溝、獅子溝屬大渡河水系流沙河支溝。同時,大相嶺為天然的屏障,是一條重要的氣候分界線,滎經(jīng)一側(cè)降雨量平均1300mm漢源一側(cè)降雨量平均742mm。因此,隧址區(qū)地下水補(bǔ)給較好。隧址區(qū)內(nèi)地下水類型可分為第四系松散堆積層孔隙水、基巖裂隙水和構(gòu)造破碎帶裂隙水,并以后兩種類型為主。2隧道區(qū)蓄水空間特征隧址區(qū)火山巖儲水空間發(fā)育受到巖性、巖相、構(gòu)造運(yùn)動以及成巖作用等的影響,從而隧址區(qū)火山巖的孔隙、裂隙發(fā)育具有一定的特征。2.1隧道圍巖巖性巖石類型的劃分和識別是儲水地質(zhì)結(jié)構(gòu)預(yù)測的前提和基礎(chǔ)。不同的巖性具有不同的硬度、密度、成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造等屬性,從而使其具有不同的孔隙度和滲透率。流紋巖和熔結(jié)凝灰?guī)r的孔隙度、滲透率一般略高;玄武巖、安山巖和凝灰?guī)r的孔隙度、滲透率略低。根據(jù)鉆孔反映,隧道沿線的巖體主要為流紋巖(約69%),安山巖次之(約21%),見少量的火山碎屑巖、巖脈及陸源碎屑巖(圖1)。從巖性與裂隙發(fā)育程度來看,其具有以下特點(diǎn):花崗斑巖>流紋巖>安山巖>凝灰?guī)r>角礫巖>輝綠巖脈。巖脈具有獨(dú)特的儲水空間,其接觸帶裂隙十分發(fā)育,例如在K61+700～+721隧道通過輝綠巖巖脈,巖脈本身隔水,其周圍裂隙發(fā)育,從而儲水量大,涌突水呈股狀。隧道進(jìn)口端半程K53～K58含有少量巖脈,角礫巖和凝灰?guī)r,流紋巖和安山巖所占比例相差不大,但是垂直方向巖性變化較頻繁;出口端半程K58～K63含有少量巖脈,主要以流紋巖為主,僅在近隧道出口處發(fā)育火山碎屑巖和陸源碎屑巖。因此,隧道進(jìn)口端半程巖性較復(fù)雜,變化快,不利于儲水層的發(fā)育,而出口端巖性則相對簡單,對于儲水層發(fā)育更為有利。2.2儲水層結(jié)構(gòu)特征火山巖相能夠揭示火山巖空間展布規(guī)律和不同巖性組合之間的成因聯(lián)系,不同巖相帶的孔隙和裂隙及其組合不同。隧址區(qū)主要分為流紋巖和安山巖類兩個亞旋回,從鉆孔統(tǒng)計(jì)來看,巖相中以噴溢相最多,占59%;爆發(fā)相次之,占37%;火山沉積相占3%。隧道進(jìn)口端半程K53～K58主要為爆發(fā)相和噴溢相,出口端半程K58～K63主要為噴溢相,如圖2所示。只有發(fā)育了孔隙和裂隙的空間才可能成為火山巖的儲水層。從滲透率上分析,噴溢相上段和爆發(fā)相上段的孔隙度和滲透率相對略高,而火山沉積相受沉積環(huán)境和成巖作用影響明顯,孔隙度和滲透率均較差,其巖體本身孔隙和裂隙儲水性能很差。隧址區(qū)火山巖孔隙發(fā)育特征如表1所示。從巖性—巖相組合關(guān)系上講,角礫巖、凝灰熔巖主要見于爆發(fā)相熱碎屑流,是有利的儲水部位,分布較為廣泛。噴溢相中部和上部亞相主要的巖性為氣孔流紋巖和流紋狀構(gòu)造的流紋巖,常形成于火山噴發(fā)旋回中期,通常構(gòu)成火山巖隆起的主體,氣孔、裂隙發(fā)育,是最主要的儲水部位。泥巴山隧道主要為噴溢相和爆發(fā)相,因此發(fā)育良好的儲水空間,但是進(jìn)口端半程巖性和巖相變化較快,整體上不利于巖體的儲水和滲透。2.3陡傾角產(chǎn)狀對儲水裂隙發(fā)育的作用通過野外調(diào)查,隧址區(qū)裂隙主要受到后期構(gòu)造影響形成,其優(yōu)勢節(jié)理走向?yàn)?個方向:①N10°～50°W(發(fā)育最為優(yōu)勢);②N50°～80°E;③N10°～20°E;④N70°～90°W。這些裂隙多以陡傾角產(chǎn)狀為主,最主要的裂隙產(chǎn)狀為3組:①45～65°∠20～86°,傾角60～75°;②85～108°∠50～87°,傾角60～75°;③140～172°∠15～85°,傾角55～75°。裂隙對于火山巖這種特殊的儲水巖體而言具有重要的意義。一方面,裂隙本身是儲水空間的一個大類;另一方面,裂隙又起到了通道作用,可以使孤立的原生孔隙互相聯(lián)通,也可以大大促進(jìn)次生孔隙的發(fā)育,從而改善火山巖的儲水性能。裂隙發(fā)育具有不同的特點(diǎn),例如產(chǎn)狀、裂隙填充物、裂面特征等,并受到巖性、埋深和構(gòu)造作用等的影響。2.3.1斜交裂隙和網(wǎng)狀裂隙按傾角大小裂隙可分為3類:水平裂隙傾角0～10°;斜交裂隙傾角10～60°;高角度裂隙傾角60～90°。隧址區(qū)高角度裂隙最發(fā)育,占80%,斜交裂隙和網(wǎng)狀裂隙次之,占60%,水平裂隙最少,僅約3%。如圖3所示,隧道進(jìn)口端半程以高角度裂隙最為發(fā)育,斜交裂隙次之;出口端半程則高角度裂隙、斜交裂隙和網(wǎng)狀裂隙均十分發(fā)育,約為90%,而水平裂隙基本不發(fā)育。其中,受大相嶺背斜的影響,近背斜核部裂隙發(fā)育程度增高。因此,隧址區(qū)巖體中裂隙普遍發(fā)育,以出口端半程更為明顯,裂隙的發(fā)育為地下水的滲流和深部儲集提供了條件,是隧址區(qū)儲水空間最重要的影響因素。2.3.2裂隙厚度的影響隧址區(qū)巖體裂隙填充以石英巖脈最多,約占18.6%,鈣質(zhì)填充、方解石脈填充、黃鐵礦填充和泥質(zhì)填充在10%～13%,綠泥石膜、黑灰色薄片填充和砂質(zhì)填充最少,僅在2%左右。受到裂隙寬度的影響,裂隙填充物厚度較小,多為1～2mm,最大為4～16mm。水流運(yùn)動與裂隙填充介質(zhì)特性有關(guān),如方解石脈的形成,其不僅占據(jù)了一部分儲水空間,更重要的是降低了巖體的滲透性。隧道進(jìn)口端半程與出口端半程裂隙填充情況相差較大(圖4),受熱液作用和沉積環(huán)境的影響,出口端半程裂隙填充較發(fā)育,以石英巖脈、黃鐵礦、泥質(zhì)填充為主,從而對出口端半程地下水的局部儲集和滲流影響較大。2.3.3軸部主裂隙水銹通過鉆孔資料分析,具有水銹斑點(diǎn)的裂隙巖體范圍約占40%。其中Zk1與Zk5分別靠近隧道進(jìn)口和出口處,Zk3與Zk4靠近隧道背斜軸部:Zk1裂隙水銹明顯少于Zk5,Zk3中流紋巖及安山巖發(fā)育的裂隙均含有大量的水銹,分布范圍達(dá)到1000m以下,而Zk4只是在埋深700～800m可見(圖5)。因此隧址區(qū)火山巖深部裂隙也十分發(fā)育,曾經(jīng)有地下水的活動,其在一定環(huán)境影響下,可再次賦存地下水。綜上所述,隧址區(qū)裂隙發(fā)育主要為NW向,并以出口端半程更為發(fā)育,為隧址區(qū)火山巖地下水滲流提供了條件,儲水性較好。2.4背斜富水性地質(zhì)特征泥巴山隧址區(qū)火山巖構(gòu)造十分發(fā)育,主要為大相嶺背斜和眾多斷層。大相嶺背斜軸線整體呈NW向,在隧址區(qū)部分轉(zhuǎn)呈SN向,與隧道軸線呈大角度相交,之間被數(shù)條斷層破壞(圖6)。大相嶺背斜核部兩側(cè)的保-凰斷層和曹大坪斷層附近是強(qiáng)變形集中帶,大相嶺背斜形成兩翼大致對稱,軸部局部大致開闊平緩近似呈箱狀,兩翼沉積地層變形強(qiáng)烈,巖層倒轉(zhuǎn)的背斜,同時發(fā)育與之配套的斷層變形和次級褶皺。鑒于大相嶺背斜的特點(diǎn),該地區(qū)是以此背斜為分水嶺,地表水有沿著背斜兩翼向下流動的趨勢,在流動過程中受到地層巖性、地形高低起伏以及背斜中發(fā)育的斷層和次級褶皺的影響,并且在流動過程中逐漸下滲轉(zhuǎn)變?yōu)榈叵滤?。根?jù)背斜的富水特點(diǎn),大相嶺背斜的富水情況如表2所示。泥巴山隧址區(qū)斷層以壓扭性為主,其旁側(cè)裂隙多為較好的儲水空間。斷層除提供地下水儲存空間外,某些斷層的阻水作用,也是富水帶形成的重要條件。例如壓性斷層或一盤為隔水巖層的其它斷層,當(dāng)其走向和地下徑流方向相垂直時,則將對補(bǔ)給區(qū)流來徑流起著阻擋和相對富集作用,常常造成上游一側(cè)地下水位抬高或呈泉水溢出。隧址區(qū)構(gòu)造泉多分布在進(jìn)口端半程,表明地下水多受隔水層的影響而在地表排泄,地下水的深部運(yùn)移和儲存則相對較弱。總體而言,泥巴山隧址區(qū)斷層十分發(fā)育,大量的裂隙為儲水提供了條件,壓扭性斷層及其附近張裂隙密集帶是儲水的重要部位。受大相嶺背斜的影響,在靠近背斜軸部的斷層富水性應(yīng)較高,例如F5和Fw3斷層。3圍巖富水性及儲水規(guī)律巖體的儲水性主要受到孔隙和裂隙發(fā)育情況的影響。通過壓水試驗(yàn)分析,隧址區(qū)試驗(yàn)段滲透系數(shù)基本都小于0.1m/天,總體上為弱透水～微透水。區(qū)內(nèi)地下水的富含深度很大,根據(jù)鉆孔揭露,部分地段已經(jīng)大于1000m。結(jié)合儲水空間特征,對隧道進(jìn)口端左線1336m,右線1626m,以及出口端左線995m,右線945m的火山巖涌突水情況進(jìn)行分析。隧道涌突水段以及含水量較大巖體的長度為:進(jìn)口端右線長約373m,左線長約222m,分別占開挖長度的23%和17%;出口端右線約407.59m,左線約為633.8m,分別占開挖長度的43%和64%。出口端的巖體富水性好于進(jìn)口端,各巖性富水情況如圖7、圖8所示。由上圖可知,凝灰質(zhì)沉積巖、流紋巖以及熔結(jié)凝灰?guī)r具有較好的富水性。在斷層破碎帶附近,巖體裂隙十分發(fā)育,致使巖體含水性增高,地下水多呈淋雨?duì)睢蔂?涌水量十分大,最大可近25000m3/天,平均涌水在6000～8000m3/天(圖9);在非斷層影響范圍內(nèi),巖體的儲水性主要受到孔隙和裂隙發(fā)育情況的影響,地下水多呈浸潤狀和點(diǎn)滴狀～線狀,表明地下水并不只是分布在受斷層影響的裂隙帶,在滲流的作用下,巖體的裂隙及孔隙中也含有水,雖然其含水性較差,但是卻提高了整個隧址區(qū)的儲水和滲透能力。在此需要指出的是,并非所有的斷層都會富集地下水,根據(jù)統(tǒng)計(jì)隧道進(jìn)口端與出口端大小斷層分別為14條和13條,無水?dāng)鄬铀急壤s為50%和23%。但是,斷層破碎帶仍然是隧址區(qū)重要的儲水空間,是發(fā)生涌突水的概率最高的部位。斷層無水主要是受到成巖作用的影響而形成了相對隔水層,如熱液、泥質(zhì)填充等作用,隧道埋深的增加也會對巖體的儲水性有所影響。同時,斷層的涌突水具有滯后現(xiàn)象,例如部分?jǐn)鄬釉陂_挖后期才呈浸潤狀,表明地下水受隧道開挖影響,向該斷層逐漸運(yùn)移。因此,儲水空間特征是隧道涌突水發(fā)生的控制性因素。4循環(huán)覆巖儲水空間特征泥巴山隧道火山巖儲水空間的發(fā)育受到巖性巖相、構(gòu)造因素和成巖作用的影響,其中火山噴發(fā)(巖性和巖相)是發(fā)育的基礎(chǔ),構(gòu)造作用(背斜和斷層)、成巖因素是形成火山巖儲水空間的重要因素。從現(xiàn)場調(diào)查和隧道開挖發(fā)生涌突水的情況而言,火山巖無疑具有良好的儲水空間,富水性較高,最大涌水量可達(dá)到25000m3/天。根據(jù)對隧址區(qū)火山巖儲水空間特征的分析,其具有以下特點(diǎn):(