南水北调西线一期工程区水文地质条件评价

  1 引言

 

  南水北调西线一期工程区涉及长江的雅砻江流域、大渡河流域和黄河流域，平均海拔在3 500 m以上，属于高原亚寒带区～高原寒带区，地层主要为三叠系的砂岩、板岩及砂板岩互层，局部出露有灰岩和岩浆岩体。工程区复式褶皱和断裂构造较发育，断裂的走向以NW 为主[1]。该地区以往的水文地质条件研究基础比较薄弱，基础资料相当缺乏。

 

  因此，综合运用以遥感解译为基础的多手段、多方法进行该区域水文地质条件评价是必然的选择。

 

  2 评价方法

 

  本文综合运用遥感解译、野外地面调查、现场钻孔地下水流速流向测试、现场钻孔压水试验资料分析、水化学分析、环境同位素分析和理论计算分析等，建立西线一期工程区的水文地质条件及隧洞涌水量的综合评价方法。该方法特别适用于地形、地质、地貌和气候条件复杂，以及工作条件差、工期短的高原地区，是进行高山覆盖地区的水文地质条件评价的一种新思路。

 

  2.1 遥感水文地质调查

 

  遥感解译技术近年来已在水文地质研究中取得较为广泛的应用。本次遥感解译采用TM，SPOT，SAR 以及航空摄影资料，从遥感图像上提取地貌、地层岩性、地质构造和物理地质现象，但更强调水文地质信息的解译。从应用效果分析，彩红外航空照片(1/10 000)对泉的解译程度很高，特别是与断层有关的泉，都可以得到清晰的、较全面的解译。同时还进行冰川与融冻水文地质解译，着重解译对工程(渠首和渠道)有影响的融冻泥流的分布、规模、运动方向及其与地下水埋深的关系；在融冻水文地质解译的基础上，研究了冻土对地下水径流的影响。

 

  2.2 野外水文地质调查

 

  在室内遥感解译的基础上，采用传统的水文地质调查方法并结合专题内容开展了工作，重点调查不同水文地质单元的地质特征、各含水层的分布与发育规律、地质环境条件及其演化规律、地下水类型、泉、井、坑道等地下水露头分布、成因。

 

  在调查中，注意以遥感解译为基础的多种评价方法的综合应用。例如在泉点调查方面，采用了航片解译与野外泉点调查相结合的方法，克服了野外调查只可能调查沿线路较低处的泉的缺陷，充分利用了大量的野外泉流量实测资料，弥补了单纯的遥感解译无法得到关于泉流量的具体信息的不足，根据经过验证的彩红外解译图由点及面地提供彩红外航片覆盖区的所有泉的分布全貌，为遥感解译的泉流量评价提供了依据。

 

  2.3 地下水径流模数综合评价方法

 

  在野外调查和遥感解译的基础上，应用单泉流量评价法、基于泉流量观测和溪流断面基流实测的地下水径流模数法、水文图分割法[6]等多种基岩山区裂隙富水性评价的方法，对富水性和地下水径流模数进行综合评判，以水文图分割得到的流域平均地下水径流模数为定量分析的主要依据；用单泉流量反映不同区域富水性的差异；用实测流量计算的地下水径流模数参照实测当月地表水与地下水径流比(由水文图得到)和地表水入渗性差异，对水文图分割进行校核。该种以遥感解译为基础的地下水径流模数综合评价方法，弥补了各种单一方法评价的缺陷，使评价结果适合于工程应用。

 

  2.4 钻孔示踪同位素测试技术与钻孔压水试验资料分析相结合研究岩体透水性钻孔示踪同位素试验，是近年来国内外水文地质学发展起来的一项新技术，可以进行钻孔地下水流速、流向及垂向流的测定，分析研究不同深度、不同岩性的岩石渗透系数及涌漏水段的位置。为进一步深入研究岩体透水性，利用现场钻孔压水试验资料，针对岩体物理风化和卸荷裂隙发育的特点，建立反映透水性随深度减小变化规律的透水性模型。

 

  2.5 水化学分析研究地下水水质特征

 

  在水化学分析方面，除对野外地面调查水点的流量、温度、pH 值、电导、矿化度、含盐度、阻抗值、酸碱电位值等基本参数进行现场测试外，还进行水样水化学简分析、全分析及专项分析，以便研究地下水水质类型、各类地下水的水化学特征及其对工程的影响，绘制地下水矿化度等值线图及侵蚀性分布等值线图，基本确定较高含盐度区域和环境水对混凝土侵蚀性分布区域。

 

  2.6 环境同位素与水化学分析相结合研究裂隙承压水分布与成因环境同位素技术是近年来所发展起来的一门先进技术，它可以提供地下水的演变过程和机理的重要信息，分析地下水的起源及补径排水文地质特征。根据试样地下水环境同位素δD 和δ18O 的分析，研究雨水、地表水、浅层地下水和高矿化度含气裂隙承压水等不同类型和不同流域的水之间的相关性，并结合水中稀有气体等成分的测试和水化学分析，探求高矿化度含气裂隙承压水的来源。

 

  2.7 水文地质专题评价图编制及隧洞涌水量评价在已有地质资料整理与分析的基础上，综合反映遥感和野外水文地质调查的成果，编制水文地质专题评价图件。在含水岩组和水文地质单元划分上，充分考虑工程特点，以有别于国内外传统的以水资源为目的的区域水文地质调查方法，使之更能贴近水利工程运用的目的和要求。综合运用水均衡法、地下水动力学法、规范经验法及数值有限元法等多种方法，根据引水隧洞沿线水文地质条件的不同特点，分段估算引水隧洞涌水量。

 

  3 工程区水文地质基本特征

 

  3.1 地下水类型

 

  工程区地处高寒的高原之上，岩性以浅变质砂板岩为主，由于强烈的物理风化造成的风化裂隙带和物理风化物质搬运堆积而形成的砂砾堆积层是本区主要的赋水层，地下水径流强度大；风化裂隙带中丰富的地下水，使构造裂隙带具有较强的富水性，沿构造裂隙带(以巨大的断裂带为主，包括节理密集带、层间裂隙带等各类构造裂隙)发生活跃的地下水深循环活动。因此，地下水可划分为松散岩类孔隙水与基岩裂隙水两类。

 

  松散岩类孔隙水分布于第四系松散堆积层中，主要受大气降水及洪水期河水补给，径流条件好，途径短，其动态变化受气象因素的控制。

 

  基岩裂隙水主要有构造裂隙水和风化带网状裂隙水。构造裂隙水主要分布于达曲—泥曲、色曲—杜柯河、杜柯河—玛柯河、玛柯河—若果郎一带中～深切割的高山、高原区。这些地区岩石裂隙颇为发育，表面支离破碎，从而为地下水的形成创造了良好的条件。砂岩是主要的含水层，除地形地貌及岩性对构造裂隙水富集具有明显影响外，构造对地下水的富集控制作用主要表现在构造复合部位、褶皱倾没端、向斜的轴部等部位。风化带网状裂隙水主要分布于高原丘陵、宽谷地区的色达、阿坝及壤塘西北地区，这些地带年降雨较少，气候干寒，物理风化作用十分强烈，地表岩石露头差，主要为强风化带的核桃状碎石，岩石破碎，岩性有砂板岩、花岗岩等。

 

  由于高寒地区强烈的融冻风化作用，工程区基岩受强烈的物理风化作用，风化带和卸荷裂隙十分发育，其强烈风化裂隙带的厚度达40～50 m，风化裂隙发育的深度可达100 m。但因为高寒和岩性的原因，化学风化作用微弱，因此风化裂隙水十分发育，降水入渗系数很高，表现在许多地方的山坡上地表一、二级(初级)冲沟非常稀疏，有的地方甚至几千米的山坡上没有一条冲沟，说明这些地方的降雨大部分渗入地下，很少直接成为地表水。根据水文图分析，工程区的地下水径流模数很高，也表明了此规律。

 

  3.2 地下水富水性变化规律

 

  基岩地下水富集规律主要受构造条件控制，第四系的形成及其富水性变化规律亦是受构造控制，并与时代、成因类型、含水层厚度、地貌条件等密切相关；而基岩岩性互层式结构和压性断裂占绝对优势的特点，决定了地下水富集程度不高。因此，基岩裂隙水一般流量较小，对工程影响不大，而在主干断裂影响带、断裂交汇地段、张性分枝断裂等部位，富水性强，对工程影响较大。

 

  (1) 断裂对富水性的影响

 

  主干及分支断裂带泉水明显富集，显示断裂带与地下水关系密切。一般地，晚近活动性强的断裂富水性强，阿坝断裂带、色达断裂带由于第四系以来多次发生强烈活动，沿断裂带泉水出露十分密集，是工程区两个最为富水的断裂带；而同是主干断裂的上杜柯断裂带，第四系以来活动相对较弱一些，沿断裂带泉点出露相对少一些。其次，分枝断裂比主干断裂富水性强。主干断裂多为压性或压扭性断裂，虽然破碎带宽，但挤压紧密，而分枝断裂的应力较弱，也往往是应力释放的部位，因此，裂隙相对较开启，富水性较强，特别是张性、张扭性分枝断裂，富水性更强。此外，断裂密集、交汇地段富水性强；压性断裂影响带富水性强；在断裂两侧一定宽度内，受断裂影响而节理裂隙特别发育，富水性较好，泉点一般都出露在影响带中。

 

  (2) 第四系富水性变化规律

 

  第四系各时代层位中，晚更新世由于厚度较大，岩性以冲洪积、冲积砂卵石、砂层为主，所以富水性相对较好。全新世由于厚度较小，因此，富水性一般低于上更新统。中、早更新世岩性以黄土为主，隔水不含水。同样，同一水文地质体的不同微地貌部位，富水性也不同，近岸地段、古河道、河道交汇处、山区支谷与主谷汇合口等地段是相对富水地段。

 

  3.3 水文地质单元划分及补径排特征

 

  根据水文地质特征和地形地貌，工程区可划分为如下水文地质单元：

 

  (1) 达曲流域单元

 

  达曲流域的基本地质背景为以杂谷脑组地层为核部的夺多复背斜，又正处于鲜水河断裂带。鲜水河断裂与然充寺—丘洛断裂构成的菱形结环覆盖了该区的大部分，断裂构造十分发育。由于构造的影响，水系呈菱形格状。水文地质条件具有以下特点：

 

  ① 地下水除受大气降水的补给外，两侧高山区的永久冻土层，以及季节性的融冻，对大气降水的补给也有一定的影响。

 

  ② 地形切割深，山坡陡，潜水的径流强度大，水质好，矿化度多小于0.3 g/L，一般为HCO3-Ca型水。

 

  ③ 众多规模巨大的断裂带，成为地下水的主要通道。在较大的断裂带中，裂隙水多为裂隙承压水，有的以上升泉的形式出露地表。

 

  ④ 因为补给区到排泄区的水力梯度相当大，通过断裂带形成了较活跃的地下水深循环活动。深循环的地下水常溶解了较多的矿物质，并有可能通过矿化带，或与岩浆活动的残余热液相互作用，矿化度较高；水质以HCO3-Ca·Mg·Na 型为主。

 

  (2) 泥曲流域单元

 

  所处的位置与以两河口组下段为核部的泥曲复向斜位置一致。其西南翼以然充寺—丘洛断裂带为边界；东北翼以塔子乡—色达断裂系为边界。向斜核部，在西北端有NW 向的康勒断裂带；中部和南部未发现大的断裂带，但从航片上见到有一系列以NWW 和NE 向为主的断裂现象，在南部可能存在隐伏岩体。

 

  基于上述地质地貌环境，该流域水文地质条件的特点是：

 

  ① 宽阔的流域被近SN 向的平行断裂切割后，形成一系列河间地块。该区地下水的补径排特征符合多个基岩河间地块的补径排规律。在某些河间地块也存在永久冻土层影响的问题，但该流域的岛状永久冻土层的规模很小。

 

  ② 由于河间地块中地下水的径流路径短，地下水的水质在总体上矿化度较小，属HCO3-Ca 型水。

 

  ③ 该区突出的水文地质问题是，在向斜核部，有一个北偏西方向的长条形水化学异常区，矿化度较高，分布了一系列矿泉。此异常带局部范围内侵蚀性CO2 浓度较高，引水线正穿过此异常带。该异常带的形成，可能和与隐伏岩体有关的隐伏断裂有关。

 

  (3) 色曲流域单元

 

  该区处于壤塘复背斜的 SW 向次级复背斜和核部次级复向斜，出露地层主要为侏倭组砂板岩互层地层。在次级复向斜的核部为新都桥板岩地层。该区SW 向次级复背斜的西南翼，即分水岭区，发育了塔子乡—色达断裂系。该断裂系除色达—洛若断裂由于较新的活动，具有压扭特性外，其余的4 条大断层基本上都属于背斜的翼部冲断裂。复背斜核部有中酸性岩侵入。该区地下水补径排的特点是：

 

  ① 窄长的流域的右侧正处在塔子乡—洛若断裂系。由于冲断层具有较宽的上盘影响带，岩体破碎，右侧分水岭呈现低矮破碎的特点。此处岩体的透水性较强，地下径流活跃。

 

  ② 该流域的地势总体上较低平，支流水系发育，具有地下水径流途径短的特点。但由于断裂发育和侵入岩的影响，地下水的矿化度普遍大于0.3g/L。

 

  ③ 该流域的左侧为较宽的平行状支流水系，靠近色曲(干流)，地下水补径排具有基岩河间地块的补径排特点；上游靠近分水岭处多为冰川谷转化而成的溪谷，分水岭有较连续的永久冻土层。地下水的补径排受永久冻土的影响。

 

  (4) 杜柯河流域单元

 

  该流域单元的西南侧为壤塘复背斜的核部，发育了一些张断层；东北侧，过了乌吉沟断层后，即为杜柯河复向斜和杜柯河断裂系的分布区。杜柯河复向斜的核部是新都桥组地层；杜柯河断裂系是规模巨大、断裂众多、且与岩浆活动有关的断裂系。

 

  该流域单元地下水补径排的特点是：

 

  ① 西南侧因受永久冻土层的影响，潜水的补给带可能比较集中。

 

  ② 受壤塘复背斜张断裂的影响，深部裂隙水可能较发育。

 

  ③ 无论是在地下水的水量还是水质方面，杜柯河断裂系对地下水的影响都是巨大的。在风化裂隙水发育的情况下，构造裂隙水十分发育，地下水的深循环作用强烈，多处可以见到上升泉。

 

  ④ 由于深循环作用，沿杜柯河断裂带地下水的水化学性质是全工区最复杂的。矿化度高，含有Fe，Mn 等多种元素，有时还含有H2S，CO2 等气体。多处地下水显示了对混凝土的侵蚀作用。

 

  (5) 玛柯河流域单元

 

  该区处于阿坝复背斜的西南部，玛柯河断裂系通过该区的中部。该区地下水补径排的特点是：

 

  ① 因地形平缓，风化层受冲刷破坏作用较少，风化裂隙水的径流较大。

 

  ② 永久冻土层零星分布，其对地下水补给分布的影响较小。

 

  ③ 该区的地层以杂谷脑组变质砂岩为主，背、向斜频繁交替，在叠加褶皱作用的影响下，裂隙、风化带与构造裂隙水都较发育，地下水径流较强。

 

  ④ 玛柯河断裂带对地下水水质的影响不大。

 

  (6) 阿柯河流域单元

 

  该区位于阿坝复背斜核部，背、向斜频繁交替，阿坝盆地断裂系贯穿该区。阿柯河流域地下水补径排的特点与玛柯河流域类似：

 

  ① 基岩丘陵区地下水径流较强，水质好。

 

  ② 阿坝断裂系地下水深循环作用对水质的影

 

  响较小。

 

  ③ 永久冻土层分布更少，对基岩裂隙潜水影响小。

 

  ④ 阿坝盆地地下水的补径排，符合盆地地下水补径排的规律。克曲是阿坝盆地中的主要河流，克曲进入盆地后，与若曲汇合成阿柯河。阿坝盆地河床中第四系和现代堆积层中地下水的补给来源，除降水外，还受河流与周边沟谷补给。阿坝盆地的南北两侧都受断裂控制，盆地中央还有较新的断裂，断裂带的构造裂隙水也与盆地地下水连通。沿盆地北侧断裂带有泉，地下水活跃，是工程建设中需要注意的。

 

  (7) 贾曲高原沼泽单元

 

  为阿坝复背斜和齐哈玛复向斜的过渡区，发育了一系列叠加褶皱作用形成的紧密的线形褶皱；断裂以纵向断层为主。现代冲积层以砂砾石层为主；洪坡积层为磨圆度差的砂砾层；沼泽广泛分布。此区地下水补径排特征与前述几个单元有很大的差别，其主要特征为：

 

  ① 风化层发育，地表冲沟甚稀少，降水入渗系数大，地下水十分丰富。

 

  ② 地表坡度平缓，流动缓慢。

 

  ③ 由于径流缓慢，地下水水位埋深浅(通常为1～5 m)，在河谷和坳谷中普遍形成沼泽。沼泽化作用的发展，影响了地下水的水质。

 

  ④ 沿一些断层，地下水活跃，常形成线状排列的泉，有的还具有承压性。断层带一般富水性很好。

 

  ⑤ 该区无永久冻土层，季节性冻土活跃，每年10 月到来年4 月为冰冻期，融冻作用强，在某些坳谷中有融冻泥流现象。

 

  4 主要水文地质问题

 

  4.1 涌水与突水问题

 

  工程区地处青藏高原东缘，砂板岩浅变质岩受多期强烈褶皱影响，由于强烈的物理风化作用，风化裂隙发育，地下水径流较发育，地下水径流模数较高，裂隙水较丰富。所以就总体而言，隧洞的涌水量会比较大。

 

  沿断裂带(包括断层影响带)的涌水和突水，是隧洞涌水的主要来源，特别是断裂带通过的沟谷浅埋段，是有突水危险的主要地段。除了大断裂带外，为数众多的小断裂和紧密褶皱虚脱的转折端，特别是这些构造的交会处，也是不可忽视的地下水通道。

 

  位于高原丘陵沼泽区的洞段，因为地下水径流模数高，隧洞埋深浅，涌水量也较大。

 

  隧洞通过的如年各组地层以火山岩夹石灰岩为主，由于构造断裂带的作用，沿其分布方向(即沿丘洛断裂和格底村断裂)岩性组合变化很大，灰岩呈透镜体形式出现。当隧洞穿过此段时，如遇到灰岩透镜体，则有可能发生突水。此段埋深大，岩体也较破碎。

 

  4.2 地下水诱发围岩稳定问题

 

  引水隧洞全线基本与地层走向正交或高角度相交，但在玛柯河—克曲隧洞的绝大部分，洞线与地层走向平行或小角度相交。该洞段稳定性较差，特别是遇到不同规模的断层时，地下水的作用有可能影响围岩的稳定。如年各组等若干地层中的火山岩和火山碎屑岩，有可能在次生作用中发生蒙脱石化，在施工中可能产生不利的影响。

 

  4.3 化学侵蚀性问题

 

  工程区内环境水质不具有结晶性侵蚀和分解结晶复合性侵蚀，主要为酸性侵蚀性和碳酸性侵蚀。

 

  具有碳酸性侵蚀的主要是区域内的裂隙承压水分布区，分布范围基本和裂隙承压水区域重合，主要分布于西穷—朗浪沟、色达塔子乡—西青寺区、丘洛—夺多乡—纳洛—夺多沟区。另见一些零星点分布区域。

 

  4.4 含气裂隙承压水问题

 

  工程区的鲜水河断裂系、色达断裂系和杜柯河断裂系都与中生代末期的岩浆活动有关。沿断裂带地下水的深循环，使地下水的水质和水温都可能发生变化，在深循环交替作用中产生汽化，含气的裂隙承压水可能加剧断层带的突水。水质的变化主要发生在杜柯河断裂带和泥曲—塔子乡一带，其次是鲜水河断裂带。

 

  5 主要认识和结论

 

  工程区地处高寒的高原，由于强烈的物理风化造成的风化裂隙带和物理风化物质搬运堆积而形成的砂砾堆积层是本区主要的赋水层，地下水径流强度大；风化裂隙带中丰富的地下水，使构造裂隙带具有较强的富水性，使沿构造裂隙带(以巨大的断裂带为主，包括节理密集带、层间裂隙带等各类构造裂隙)发生活跃的地下水深循环活动，这是本区水文地质条件的基本特征。

 

  根据水文地质特征和地形地貌，将工程区划分为达曲、泥曲、色曲、杜柯河、玛柯河和阿柯河流域及贾曲高原沼泽7 个水文地质单元。研究了不同水文地质单元的水文地质特征，断裂带对富水性的影响以及深循环水与浅层地下水水化学性质形成的机制及其分布。

 

  对隧洞可能发生的主要水文地质问题进行了预测，隧洞的涌水和突水问题将是本工程的主要水文地质问题，其他还有地下水诱发的围岩稳定问题、化学侵蚀性问题、含气裂隙承压水问题等。