岩体储水空间的成因及影响因素

岩体储水空间的成因及影响因素

火山岩储水空间是指岩体中可储水的储水空间。储水空间介质的间隙类型、大小、多少和分布范围是决定地下水系统规模和储量的一个因素。火山岩的储水空间往往很大,例如青岛地区玄武岩储水空间达到2.25×108m3,相当于崂山水库容量的4倍。通过对泥巴山隧道火山岩储水空间的分析总结,可为火山岩隧道涌突水预测提供的一定的理论依据。1隧道采用大相岭u-t的双渠道,泥巴山隧道进口位于荥经县凰仪乡高桥河右岸斜坡,距荥经县城约40km;出口位于汉源县双溪乡,距汉源县城约32km,属汉源县九襄镇。隧址区属于深切割高中山区,山势陡峻,高差悬殊,海拔2000～3400m,外营力以水力侵蚀为主,隧址区相对高差约2100km,隧道穿越段最大埋深1701m,属于深埋特长越岭公路隧道。大相岭岭脊为隧址区地表分水岭。其北东属青衣江水系,其南西属大渡河水系,隧址区东部木沟岩沟、高桥河属青衣江流域的荥河、经河上游支流;西部施查沟、青林沟、狮子沟属大渡河水系流沙河支沟。同时,大相岭为天然的屏障,是一条重要的气候分界线,荥经一侧降雨量平均1300mm汉源一侧降雨量平均742mm。因此,隧址区地下水补给较好。隧址区内地下水类型可分为第四系松散堆积层孔隙水、基岩裂隙水和构造破碎带裂隙水,并以后两种类型为主。2隧道区蓄水空间特征隧址区火山岩储水空间发育受到岩性、岩相、构造运动以及成岩作用等的影响,从而隧址区火山岩的孔隙、裂隙发育具有一定的特征。2.1隧道围岩岩性岩石类型的划分和识别是储水地质结构预测的前提和基础。不同的岩性具有不同的硬度、密度、成分、结构和构造等属性,从而使其具有不同的孔隙度和渗透率。流纹岩和熔结凝灰岩的孔隙度、渗透率一般略高;玄武岩、安山岩和凝灰岩的孔隙度、渗透率略低。根据钻孔反映,隧道沿线的岩体主要为流纹岩(约69%),安山岩次之(约21%),见少量的火山碎屑岩、岩脉及陆源碎屑岩(图1)。从岩性与裂隙发育程度来看,其具有以下特点:花岗斑岩>流纹岩>安山岩>凝灰岩>角砾岩>辉绿岩脉。岩脉具有独特的储水空间,其接触带裂隙十分发育,例如在K61+700～+721隧道通过辉绿岩岩脉,岩脉本身隔水,其周围裂隙发育,从而储水量大,涌突水呈股状。隧道进口端半程K53～K58含有少量岩脉,角砾岩和凝灰岩,流纹岩和安山岩所占比例相差不大,但是垂直方向岩性变化较频繁;出口端半程K58～K63含有少量岩脉,主要以流纹岩为主,仅在近隧道出口处发育火山碎屑岩和陆源碎屑岩。因此,隧道进口端半程岩性较复杂,变化快,不利于储水层的发育,而出口端岩性则相对简单,对于储水层发育更为有利。2.2储水层结构特征火山岩相能够揭示火山岩空间展布规律和不同岩性组合之间的成因联系,不同岩相带的孔隙和裂隙及其组合不同。隧址区主要分为流纹岩和安山岩类两个亚旋回,从钻孔统计来看,岩相中以喷溢相最多,占59%;爆发相次之,占37%;火山沉积相占3%。隧道进口端半程K53～K58主要为爆发相和喷溢相,出口端半程K58～K63主要为喷溢相,如图2所示。只有发育了孔隙和裂隙的空间才可能成为火山岩的储水层。从渗透率上分析,喷溢相上段和爆发相上段的孔隙度和渗透率相对略高,而火山沉积相受沉积环境和成岩作用影响明显,孔隙度和渗透率均较差,其岩体本身孔隙和裂隙储水性能很差。隧址区火山岩孔隙发育特征如表1所示。从岩性—岩相组合关系上讲,角砾岩、凝灰熔岩主要见于爆发相热碎屑流,是有利的储水部位,分布较为广泛。喷溢相中部和上部亚相主要的岩性为气孔流纹岩和流纹状构造的流纹岩,常形成于火山喷发旋回中期,通常构成火山岩隆起的主体,气孔、裂隙发育,是最主要的储水部位。泥巴山隧道主要为喷溢相和爆发相,因此发育良好的储水空间,但是进口端半程岩性和岩相变化较快,整体上不利于岩体的储水和渗透。2.3陡倾角产状对储水裂隙发育的作用通过野外调查,隧址区裂隙主要受到后期构造影响形成,其优势节理走向为4个方向:①N10°～50°W(发育最为优势);②N50°～80°E;③N10°～20°E;④N70°～90°W。这些裂隙多以陡倾角产状为主,最主要的裂隙产状为3组:①45～65°∠20～86°,倾角60～75°;②85～108°∠50～87°,倾角60～75°;③140～172°∠15～85°,倾角55～75°。裂隙对于火山岩这种特殊的储水岩体而言具有重要的意义。一方面,裂隙本身是储水空间的一个大类;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联通,也可以大大促进次生孔隙的发育,从而改善火山岩的储水性能。裂隙发育具有不同的特点,例如产状、裂隙填充物、裂面特征等,并受到岩性、埋深和构造作用等的影响。2.3.1斜交裂隙和网状裂隙按倾角大小裂隙可分为3类:水平裂隙倾角0～10°;斜交裂隙倾角10～60°;高角度裂隙倾角60～90°。隧址区高角度裂隙最发育,占80%,斜交裂隙和网状裂隙次之,占60%,水平裂隙最少,仅约3%。如图3所示,隧道进口端半程以高角度裂隙最为发育,斜交裂隙次之;出口端半程则高角度裂隙、斜交裂隙和网状裂隙均十分发育,约为90%,而水平裂隙基本不发育。其中,受大相岭背斜的影响,近背斜核部裂隙发育程度增高。因此,隧址区岩体中裂隙普遍发育,以出口端半程更为明显,裂隙的发育为地下水的渗流和深部储集提供了条件,是隧址区储水空间最重要的影响因素。2.3.2裂隙厚度的影响隧址区岩体裂隙填充以石英岩脉最多,约占18.6%,钙质填充、方解石脉填充、黄铁矿填充和泥质填充在10%～13%,绿泥石膜、黑灰色薄片填充和砂质填充最少,仅在2%左右。受到裂隙宽度的影响,裂隙填充物厚度较小,多为1～2mm,最大为4～16mm。水流运动与裂隙填充介质特性有关,如方解石脉的形成,其不仅占据了一部分储水空间,更重要的是降低了岩体的渗透性。隧道进口端半程与出口端半程裂隙填充情况相差较大(图4),受热液作用和沉积环境的影响,出口端半程裂隙填充较发育,以石英岩脉、黄铁矿、泥质填充为主,从而对出口端半程地下水的局部储集和渗流影响较大。2.3.3轴部主裂隙水锈通过钻孔资料分析,具有水锈斑点的裂隙岩体范围约占40%。其中Zk1与Zk5分别靠近隧道进口和出口处,Zk3与Zk4靠近隧道背斜轴部:Zk1裂隙水锈明显少于Zk5,Zk3中流纹岩及安山岩发育的裂隙均含有大量的水锈,分布范围达到1000m以下,而Zk4只是在埋深700～800m可见(图5)。因此隧址区火山岩深部裂隙也十分发育,曾经有地下水的活动,其在一定环境影响下,可再次赋存地下水。综上所述,隧址区裂隙发育主要为NW向,并以出口端半程更为发育,为隧址区火山岩地下水渗流提供了条件,储水性较好。2.4背斜富水性地质特征泥巴山隧址区火山岩构造十分发育,主要为大相岭背斜和众多断层。大相岭背斜轴线整体呈NW向,在隧址区部分转呈SN向,与隧道轴线呈大角度相交,之间被数条断层破坏(图6)。大相岭背斜核部两侧的保-凰断层和曹大坪断层附近是强变形集中带,大相岭背斜形成两翼大致对称,轴部局部大致开阔平缓近似呈箱状,两翼沉积地层变形强烈,岩层倒转的背斜,同时发育与之配套的断层变形和次级褶皱。鉴于大相岭背斜的特点,该地区是以此背斜为分水岭,地表水有沿着背斜两翼向下流动的趋势,在流动过程中受到地层岩性、地形高低起伏以及背斜中发育的断层和次级褶皱的影响,并且在流动过程中逐渐下渗转变为地下水。根据背斜的富水特点,大相岭背斜的富水情况如表2所示。泥巴山隧址区断层以压扭性为主,其旁侧裂隙多为较好的储水空间。断层除提供地下水储存空间外,某些断层的阻水作用,也是富水带形成的重要条件。例如压性断层或一盘为隔水岩层的其它断层,当其走向和地下径流方向相垂直时,则将对补给区流来径流起着阻挡和相对富集作用,常常造成上游一侧地下水位抬高或呈泉水溢出。隧址区构造泉多分布在进口端半程,表明地下水多受隔水层的影响而在地表排泄,地下水的深部运移和储存则相对较弱。总体而言,泥巴山隧址区断层十分发育,大量的裂隙为储水提供了条件,压扭性断层及其附近张裂隙密集带是储水的重要部位。受大相岭背斜的影响,在靠近背斜轴部的断层富水性应较高,例如F5和Fw3断层。3围岩富水性及储水规律岩体的储水性主要受到孔隙和裂隙发育情况的影响。通过压水试验分析,隧址区试验段渗透系数基本都小于0.1m/天,总体上为弱透水～微透水。区内地下水的富含深度很大,根据钻孔揭露,部分地段已经大于1000m。结合储水空间特征,对隧道进口端左线1336m,右线1626m,以及出口端左线995m,右线945m的火山岩涌突水情况进行分析。隧道涌突水段以及含水量较大岩体的长度为:进口端右线长约373m,左线长约222m,分别占开挖长度的23%和17%;出口端右线约407.59m,左线约为633.8m,分别占开挖长度的43%和64%。出口端的岩体富水性好于进口端,各岩性富水情况如图7、图8所示。由上图可知,凝灰质沉积岩、流纹岩以及熔结凝灰岩具有较好的富水性。在断层破碎带附近,岩体裂隙十分发育,致使岩体含水性增高,地下水多呈淋雨状～股状,涌水量十分大,最大可近25000m3/天,平均涌水在6000～8000m3/天(图9);在非断层影响范围内,岩体的储水性主要受到孔隙和裂隙发育情况的影响,地下水多呈浸润状和点滴状～线状,表明地下水并不只是分布在受断层影响的裂隙带,在渗流的作用下,岩体的裂隙及孔隙中也含有水,虽然其含水性较差,但是却提高了整个隧址区的储水和渗透能力。在此需要指出的是,并非所有的断层都会富集地下水,根据统计隧道进口端与出口端大小断层分别为14条和13条,无水断层所占比例约为50%和23%。但是,断层破碎带仍然是隧址区重要的储水空间,是发生涌突水的概率最高的部位。断层无水主要是受到成岩作用的影响而形成了相对隔水层,如热液、泥质填充等作用,隧道埋深的增加也会对岩体的储水性有所影响。同时,断层的涌突水具有滞后现象,例如部分断层在开挖后期才呈浸润状,表明地下水受隧道开挖影响,向该断层逐渐运移。因此,储水空间特征是隧道涌突水发生的控制性因素。4循环覆岩储水空间特征泥巴山隧道火山岩储水空间的发育受到岩性岩相、构造因素和成岩作用的影响,其中火山喷发(岩性和岩相)是发育的基础,构造作用(背斜和断层)、成岩因素是形成火山岩储水空间的重要因素。从现场调查和隧道开挖发生涌突水的情况而言,火山岩无疑具有良好的储水空间,富水性较高,最大涌水量可达到25000m3/天。根据对隧址区火山岩储水空间特征的分析,其具有以下特点:(