1 引言

 

  南水北調西線一期工程區涉及長江的雅礱江流域、大渡河流域和黃河流域，平均海拔在3 500 m以上，屬于高原亞寒帶區～高原寒帶區，地層主要為三疊系的砂巖、板巖及砂板巖互層，局部出露有灰巖和巖漿巖體。工程區復式褶皺和斷裂構造較發育，斷裂的走向以NW 為主[1]。該地區以往的水文地質條件研究基礎比較薄弱，基礎資料相當缺乏。

 

  因此，綜合運用以遙感解譯為基礎的多手段、多方法進行該區域水文地質條件評價是必然的選擇。

 

  2 評價方法

 

  本文綜合運用遙感解譯、野外地面調查、現場鉆孔地下水流速流向測試、現場鉆孔壓水試驗資料分析、水化學分析、環境同位素分析和理論計算分析等，建立西線一期工程區的水文地質條件及隧洞涌水量的綜合評價方法。該方法特別適用于地形、地質、地貌和氣候條件復雜，以及工作條件差、工期短的高原地區，是進行高山覆蓋地區的水文地質條件評價的一種新思路。

 

  2.1 遙感水文地質調查

 

  遙感解譯技術近年來已在水文地質研究中取得較為廣泛的應用。本次遙感解譯采用TM，SPOT，SAR 以及航空攝影資料，從遙感圖像上提取地貌、地層巖性、地質構造和物理地質現象，但更強調水文地質信息的解譯。從應用效果分析，彩紅外航空照片(1/10 000)對泉的解譯程度很高，特別是與斷層有關的泉，都可以得到清晰的、較全面的解譯。同時還進行冰川與融凍水文地質解譯，著重解譯對工程(渠首和渠道)有影響的融凍泥流的分布、規模、運動方向及其與地下水埋深的關系；在融凍水文地質解譯的基礎上，研究了凍土對地下水徑流的影響。

 

  2.2 野外水文地質調查

 

  在室內遙感解譯的基礎上，采用傳統的水文地質調查方法并結合專題內容開展了工作，重點調查不同水文地質單元的地質特征、各含水層的分布與發育規律、地質環境條件及其演化規律、地下水類型、泉、井、坑道等地下水露頭分布、成因。

 

  在調查中，注意以遙感解譯為基礎的多種評價方法的綜合應用。例如在泉點調查方面，采用了航片解譯與野外泉點調查相結合的方法，克服了野外調查只可能調查沿線路較低處的泉的缺陷，充分利用了大量的野外泉流量實測資料，彌補了單純的遙感解譯無法得到關于泉流量的具體信息的不足，根據經過驗證的彩紅外解譯圖由點及面地提供彩紅外航片覆蓋區的所有泉的分布全貌，為遙感解譯的泉流量評價提供了依據。

 

  2.3 地下水徑流模數綜合評價方法

 

  在野外調查和遙感解譯的基礎上，應用單泉流量評價法、基于泉流量觀測和溪流斷面基流實測的地下水徑流模數法、水文圖分割法[6]等多種基巖山區裂隙富水性評價的方法，對富水性和地下水徑流模數進行綜合評判，以水文圖分割得到的流域平均地下水徑流模數為定量分析的主要依據；用單泉流量反映不同區域富水性的差異；用實測流量計算的地下水徑流模數參照實測當月地表水與地下水徑流比(由水文圖得到)和地表水入滲性差異，對水文圖分割進行校核。該種以遙感解譯為基礎的地下水徑流模數綜合評價方法，彌補了各種單一方法評價的缺陷，使評價結果適合于工程應用。

 

  2.4 鉆孔示蹤同位素測試技術與鉆孔壓水試驗資料分析相結合研究巖體透水性鉆孔示蹤同位素試驗，是近年來國內外水文地質學發展起來的一項新技術，可以進行鉆孔地下水流速、流向及垂向流的測定，分析研究不同深度、不同巖性的巖石滲透系數及涌漏水段的位置。為進一步深入研究巖體透水性，利用現場鉆孔壓水試驗資料，針對巖體物理風化和卸荷裂隙發育的特點，建立反映透水性隨深度減小變化規律的透水性模型。

 

  2.5 水化學分析研究地下水水質特征

 

  在水化學分析方面，除對野外地面調查水點的流量、溫度、pH 值、電導、礦化度、含鹽度、阻抗值、酸堿電位值等基本參數進行現場測試外，還進行水樣水化學簡分析、全分析及專項分析，以便研究地下水水質類型、各類地下水的水化學特征及其對工程的影響，繪制地下水礦化度等值線圖及侵蝕性分布等值線圖，基本確定較高含鹽度區域和環境水對混凝土侵蝕性分布區域。

 

  2.6 環境同位素與水化學分析相結合研究裂隙承壓水分布與成因環境同位素技術是近年來所發展起來的一門先進技術，它可以提供地下水的演變過程和機理的重要信息，分析地下水的起源及補徑排水文地質特征。根據試樣地下水環境同位素δD 和δ18O 的分析，研究雨水、地表水、淺層地下水和高礦化度含氣裂隙承壓水等不同類型和不同流域的水之間的相關性，并結合水中稀有氣體等成分的測試和水化學分析，探求高礦化度含氣裂隙承壓水的來源。

 

  2.7 水文地質專題評價圖編制及隧洞涌水量評價在已有地質資料整理與分析的基礎上，綜合反映遙感和野外水文地質調查的成果，編制水文地質專題評價圖件。在含水巖組和水文地質單元劃分上，充分考慮工程特點，以有別于國內外傳統的以水資源為目的的區域水文地質調查方法，使之更能貼近水利工程運用的目的和要求。綜合運用水均衡法、地下水動力學法、規范經驗法及數值有限元法等多種方法，根據引水隧洞沿線水文地質條件的不同特點，分段估算引水隧洞涌水量。

 

  3 工程區水文地質基本特征

 

  3.1 地下水類型

 

  工程區地處高寒的高原之上，巖性以淺變質砂板巖為主，由于強烈的物理風化造成的風化裂隙帶和物理風化物質搬運堆積而形成的砂礫堆積層是本區主要的賦水層，地下水徑流強度大；風化裂隙帶中豐富的地下水，使構造裂隙帶具有較強的富水性，沿構造裂隙帶(以巨大的斷裂帶為主，包括節理密集帶、層間裂隙帶等各類構造裂隙)發生活躍的地下水深循環活動。因此，地下水可劃分為松散巖類孔隙水與基巖裂隙水兩類。

 

  松散巖類孔隙水分布于第四系松散堆積層中，主要受大氣降水及洪水期河水補給，徑流條件好，途徑短，其動態變化受氣象因素的控制。

 

  基巖裂隙水主要有構造裂隙水和風化帶網狀裂隙水。構造裂隙水主要分布于達曲—泥曲、色曲—杜柯河、杜柯河—瑪柯河、瑪柯河—若果郎一帶中～深切割的高山、高原區。這些地區巖石裂隙頗為發育，表面支離破碎，從而為地下水的形成創造了良好的條件。砂巖是主要的含水層，除地形地貌及巖性對構造裂隙水富集具有明顯影響外，構造對地下水的富集控制作用主要表現在構造復合部位、褶皺傾沒端、向斜的軸部等部位。風化帶網狀裂隙水主要分布于高原丘陵、寬谷地區的色達、阿壩及壤塘西北地區，這些地帶年降雨較少，氣候干寒，物理風化作用十分強烈，地表巖石露頭差，主要為強風化帶的核桃狀碎石，巖石破碎，巖性有砂板巖、花崗巖等。

 

  由于高寒地區強烈的融凍風化作用，工程區基巖受強烈的物理風化作用，風化帶和卸荷裂隙十分發育，其強烈風化裂隙帶的厚度達40～50 m，風化裂隙發育的深度可達100 m。但因為高寒和巖性的原因，化學風化作用微弱，因此風化裂隙水十分發育，降水入滲系數很高，表現在許多地方的山坡上地表一、二級(初級)沖溝非常稀疏，有的地方甚至幾千米的山坡上沒有一條沖溝，說明這些地方的降雨大部分滲入地下，很少直接成為地表水。根據水文圖分析，工程區的地下水徑流模數很高，也表明了此規律。

 

  3.2 地下水富水性變化規律

 

  基巖地下水富集規律主要受構造條件控制，第四系的形成及其富水性變化規律亦是受構造控制，并與時代、成因類型、含水層厚度、地貌條件等密切相關；而基巖巖性互層式結構和壓性斷裂占絕對優勢的特點，決定了地下水富集程度不高。因此，基巖裂隙水一般流量較小，對工程影響不大，而在主干斷裂影響帶、斷裂交匯地段、張性分枝斷裂等部位，富水性強，對工程影響較大。

 

  (1) 斷裂對富水性的影響

 

  主干及分支斷裂帶泉水明顯富集，顯示斷裂帶與地下水關系密切。一般地，晚近活動性強的斷裂富水性強，阿壩斷裂帶、色達斷裂帶由于第四系以來多次發生強烈活動，沿斷裂帶泉水出露十分密集，是工程區兩個最為富水的斷裂帶；而同是主干斷裂的上杜柯斷裂帶，第四系以來活動相對較弱一些，沿斷裂帶泉點出露相對少一些。其次，分枝斷裂比主干斷裂富水性強。主干斷裂多為壓性或壓扭性斷裂，雖然破碎帶寬，但擠壓緊密，而分枝斷裂的應力較弱，也往往是應力釋放的部位，因此，裂隙相對較開啟，富水性較強，特別是張性、張扭性分枝斷裂，富水性更強。此外，斷裂密集、交匯地段富水性強；壓性斷裂影響帶富水性強；在斷裂兩側一定寬度內，受斷裂影響而節理裂隙特別發育，富水性較好，泉點一般都出露在影響帶中。

 

  (2) 第四系富水性變化規律

 

  第四系各時代層位中，晚更新世由于厚度較大，巖性以沖洪積、沖積砂卵石、砂層為主，所以富水性相對較好。全新世由于厚度較小，因此，富水性一般低于上更新統。中、早更新世巖性以黃土為主，隔水不含水。同樣，同一水文地質體的不同微地貌部位，富水性也不同，近岸地段、古河道、河道交匯處、山區支谷與主谷匯合口等地段是相對富水地段。

 

  3.3 水文地質單元劃分及補徑排特征

 

  根據水文地質特征和地形地貌，工程區可劃分為如下水文地質單元：

 

  (1) 達曲流域單元

 

  達曲流域的基本地質背景為以雜谷腦組地層為核部的奪多復背斜，又正處于鮮水河斷裂帶。鮮水河斷裂與然充寺—丘洛斷裂構成的菱形結環覆蓋了該區的大部分，斷裂構造十分發育。由于構造的影響，水系呈菱形格狀。水文地質條件具有以下特點：

 

  ① 地下水除受大氣降水的補給外，兩側高山區的永久凍土層，以及季節性的融凍，對大氣降水的補給也有一定的影響。

 

  ② 地形切割深，山坡陡，潛水的徑流強度大，水質好，礦化度多小于0.3 g/L，一般為HCO3-Ca型水。

 

  ③ 眾多規模巨大的斷裂帶，成為地下水的主要通道。在較大的斷裂帶中，裂隙水多為裂隙承壓水，有的以上升泉的形式出露地表。

 

  ④ 因為補給區到排泄區的水力梯度相當大，通過斷裂帶形成了較活躍的地下水深循環活動。深循環的地下水常溶解了較多的礦物質，并有可能通過礦化帶，或與巖漿活動的殘余熱液相互作用，礦化度較高；水質以HCO3-Ca·Mg·Na 型為主。

 

  (2) 泥曲流域單元

 

  所處的位置與以兩河口組下段為核部的泥曲復向斜位置一致。其西南翼以然充寺—丘洛斷裂帶為邊界；東北翼以塔子鄉—色達斷裂系為邊界。向斜核部，在西北端有NW 向的康勒斷裂帶；中部和南部未發現大的斷裂帶，但從航片上見到有一系列以NWW 和NE 向為主的斷裂現象，在南部可能存在隱伏巖體。

 

  基于上述地質地貌環境，該流域水文地質條件的特點是：

 

  ① 寬闊的流域被近SN 向的平行斷裂切割后，形成一系列河間地塊。該區地下水的補徑排特征符合多個基巖河間地塊的補徑排規律。在某些河間地塊也存在永久凍土層影響的問題，但該流域的島狀永久凍土層的規模很小。

 

  ② 由于河間地塊中地下水的徑流路徑短，地下水的水質在總體上礦化度較小，屬HCO3-Ca 型水。

 

  ③ 該區突出的水文地質問題是，在向斜核部，有一個北偏西方向的長條形水化學異常區，礦化度較高，分布了一系列礦泉。此異常帶局部范圍內侵蝕性CO2 濃度較高，引水線正穿過此異常帶。該異常帶的形成，可能和與隱伏巖體有關的隱伏斷裂有關。

 

  (3) 色曲流域單元

 

  該區處于壤塘復背斜的 SW 向次級復背斜和核部次級復向斜，出露地層主要為侏倭組砂板巖互層地層。在次級復向斜的核部為新都橋板巖地層。該區SW 向次級復背斜的西南翼，即分水嶺區，發育了塔子鄉—色達斷裂系。該斷裂系除色達—洛若斷裂由于較新的活動，具有壓扭特性外，其余的4 條大斷層基本上都屬于背斜的翼部沖斷裂。復背斜核部有中酸性巖侵入。該區地下水補徑排的特點是：

 

  ① 窄長的流域的右側正處在塔子鄉—洛若斷裂系。由于沖斷層具有較寬的上盤影響帶，巖體破碎，右側分水嶺呈現低矮破碎的特點。此處巖體的透水性較強，地下徑流活躍。

 

  ② 該流域的地勢總體上較低平，支流水系發育，具有地下水徑流途徑短的特點。但由于斷裂發育和侵入巖的影響，地下水的礦化度普遍大于0.3g/L。

 

  ③ 該流域的左側為較寬的平行狀支流水系，靠近色曲(干流)，地下水補徑排具有基巖河間地塊的補徑排特點；上游靠近分水嶺處多為冰川谷轉化而成的溪谷，分水嶺有較連續的永久凍土層。地下水的補徑排受永久凍土的影響。

 

  (4) 杜柯河流域單元

 

  該流域單元的西南側為壤塘復背斜的核部，發育了一些張斷層；東北側，過了烏吉溝斷層后，即為杜柯河復向斜和杜柯河斷裂系的分布區。杜柯河復向斜的核部是新都橋組地層；杜柯河斷裂系是規模巨大、斷裂眾多、且與巖漿活動有關的斷裂系。

 

  該流域單元地下水補徑排的特點是：

 

  ① 西南側因受永久凍土層的影響，潛水的補給帶可能比較集中。

 

  ② 受壤塘復背斜張斷裂的影響，深部裂隙水可能較發育。

 

  ③ 無論是在地下水的水量還是水質方面，杜柯河斷裂系對地下水的影響都是巨大的。在風化裂隙水發育的情況下，構造裂隙水十分發育，地下水的深循環作用強烈，多處可以見到上升泉。

 

  ④ 由于深循環作用，沿杜柯河斷裂帶地下水的水化學性質是全工區最復雜的。礦化度高，含有Fe，Mn 等多種元素，有時還含有H2S，CO2 等氣體。多處地下水顯示了對混凝土的侵蝕作用。

 

  (5) 瑪柯河流域單元

 

  該區處于阿壩復背斜的西南部，瑪柯河斷裂系通過該區的中部。該區地下水補徑排的特點是：

 

  ① 因地形平緩，風化層受沖刷破壞作用較少，風化裂隙水的徑流較大。

 

  ② 永久凍土層零星分布，其對地下水補給分布的影響較小。

 

  ③ 該區的地層以雜谷腦組變質砂巖為主，背、向斜頻繁交替，在疊加褶皺作用的影響下，裂隙、風化帶與構造裂隙水都較發育，地下水徑流較強。

 

  ④ 瑪柯河斷裂帶對地下水水質的影響不大。

 

  (6) 阿柯河流域單元

 

  該區位于阿壩復背斜核部，背、向斜頻繁交替，阿壩盆地斷裂系貫穿該區。阿柯河流域地下水補徑排的特點與瑪柯河流域類似：

 

  ① 基巖丘陵區地下水徑流較強，水質好。

 

  ② 阿壩斷裂系地下水深循環作用對水質的影

 

  響較小。

 

  ③ 永久凍土層分布更少，對基巖裂隙潛水影響小。

 

  ④ 阿壩盆地地下水的補徑排，符合盆地地下水補徑排的規律。克曲是阿壩盆地中的主要河流，克曲進入盆地后，與若曲匯合成阿柯河。阿壩盆地河床中第四系和現代堆積層中地下水的補給來源，除降水外，還受河流與周邊溝谷補給。阿壩盆地的南北兩側都受斷裂控制，盆地中央還有較新的斷裂，斷裂帶的構造裂隙水也與盆地地下水連通。沿盆地北側斷裂帶有泉，地下水活躍，是工程建設中需要注意的。

 

  (7) 賈曲高原沼澤單元

 

  為阿壩復背斜和齊哈瑪復向斜的過渡區，發育了一系列疊加褶皺作用形成的緊密的線形褶皺；斷裂以縱向斷層為主。現代沖積層以砂礫石層為主；洪坡積層為磨圓度差的砂礫層；沼澤廣泛分布。此區地下水補徑排特征與前述幾個單元有很大的差別，其主要特征為：

 

  ① 風化層發育，地表沖溝甚稀少，降水入滲系數大，地下水十分豐富。

 

  ② 地表坡度平緩，流動緩慢。

 

  ③ 由于徑流緩慢，地下水水位埋深淺(通常為1～5 m)，在河谷和坳谷中普遍形成沼澤。沼澤化作用的發展，影響了地下水的水質。

 

  ④ 沿一些斷層，地下水活躍，常形成線狀排列的泉，有的還具有承壓性。斷層帶一般富水性很好。

 

  ⑤ 該區無永久凍土層，季節性凍土活躍，每年10 月到來年4 月為冰凍期，融凍作用強，在某些坳谷中有融凍泥流現象。

 

  4 主要水文地質問題

 

  4.1 涌水與突水問題

 

  工程區地處青藏高原東緣，砂板巖淺變質巖受多期強烈褶皺影響，由于強烈的物理風化作用，風化裂隙發育，地下水徑流較發育，地下水徑流模數較高，裂隙水較豐富。所以就總體而言，隧洞的涌水量會比較大。

 

  沿斷裂帶(包括斷層影響帶)的涌水和突水，是隧洞涌水的主要來源，特別是斷裂帶通過的溝谷淺埋段，是有突水危險的主要地段。除了大斷裂帶外，為數眾多的小斷裂和緊密褶皺虛脫的轉折端，特別是這些構造的交會處，也是不可忽視的地下水通道。

 

  位于高原丘陵沼澤區的洞段，因為地下水徑流模數高，隧洞埋深淺，涌水量也較大。

 

  隧洞通過的如年各組地層以火山巖夾石灰巖為主，由于構造斷裂帶的作用，沿其分布方向(即沿丘洛斷裂和格底村斷裂)巖性組合變化很大，灰巖呈透鏡體形式出現。當隧洞穿過此段時，如遇到灰巖透鏡體，則有可能發生突水。此段埋深大，巖體也較破碎。

 

  4.2 地下水誘發圍巖穩定問題

 

  引水隧洞全線基本與地層走向正交或高角度相交，但在瑪柯河—克曲隧洞的絕大部分，洞線與地層走向平行或小角度相交。該洞段穩定性較差，特別是遇到不同規模的斷層時，地下水的作用有可能影響圍巖的穩定。如年各組等若干地層中的火山巖和火山碎屑巖，有可能在次生作用中發生蒙脫石化，在施工中可能產生不利的影響。

 

  4.3 化學侵蝕性問題

 

  工程區內環境水質不具有結晶性侵蝕和分解結晶復合性侵蝕，主要為酸性侵蝕性和碳酸性侵蝕。

 

  具有碳酸性侵蝕的主要是區域內的裂隙承壓水分布區，分布范圍基本和裂隙承壓水區域重合，主要分布于西窮—朗浪溝、色達塔子鄉—西青寺區、丘洛—奪多鄉—納洛—奪多溝區。另見一些零星點分布區域。

 

  4.4 含氣裂隙承壓水問題

 

  工程區的鮮水河斷裂系、色達斷裂系和杜柯河斷裂系都與中生代末期的巖漿活動有關。沿斷裂帶地下水的深循環，使地下水的水質和水溫都可能發生變化，在深循環交替作用中產生汽化，含氣的裂隙承壓水可能加劇斷層帶的突水。水質的變化主要發生在杜柯河斷裂帶和泥曲—塔子鄉一帶，其次是鮮水河斷裂帶。

 

  5 主要認識和結論

 

  工程區地處高寒的高原，由于強烈的物理風化造成的風化裂隙帶和物理風化物質搬運堆積而形成的砂礫堆積層是本區主要的賦水層，地下水徑流強度大；風化裂隙帶中豐富的地下水，使構造裂隙帶具有較強的富水性，使沿構造裂隙帶(以巨大的斷裂帶為主，包括節理密集帶、層間裂隙帶等各類構造裂隙)發生活躍的地下水深循環活動，這是本區水文地質條件的基本特征。

 

  根據水文地質特征和地形地貌，將工程區劃分為達曲、泥曲、色曲、杜柯河、瑪柯河和阿柯河流域及賈曲高原沼澤7 個水文地質單元。研究了不同水文地質單元的水文地質特征，斷裂帶對富水性的影響以及深循環水與淺層地下水水化學性質形成的機制及其分布。

 

  對隧洞可能發生的主要水文地質問題進行了預測，隧洞的涌水和突水問題將是本工程的主要水文地質問題，其他還有地下水誘發的圍巖穩定問題、化學侵蝕性問題、含氣裂隙承壓水問題等。