隧道施工擾動條件下郭達山隧道溶礦水的成因機制研究

郭宏洋，李 曉，趙亞茜

(成都理工大學環境與土木工程學院，四川 成都 610059)

0 引言

溶礦水是由于隧道施工擾動作用，使還原或弱還原環境轉變為氧化或強氧化環境，加速含礦段中的金屬離子氧化，隨之產生的一種低pH，高TDS并含大量金屬離子的酸性水。隧道施工所形成的溶礦水可類比為礦山開采形成的礦山酸性水，兩者都是由于工程影響，改變了原生氧化環境，在氧氣、水量充足的情況下，地下水與礦巖產生水巖作用，從而產生廢水。但兩者的區別在于隧道開挖揭露礦帶的段位是不確定的，且涌水量更大，產生的污染容易被忽略(Lupankwa et al.，2006；Lin et al.，2007)。

目前，國內仍未對隧道施工過程中的含礦地下水疏排所造成的生態環境影響引起足夠重視，因而相關研究并不完善。但溶礦水造成生態污染現象已多次發生。例如渝懷鐵路白沙坨4號隧道穿越煤系地層，產生具有侵蝕性的酸性水，影響隧道施工質量，造成隧道的使用壽命縮短。同時，未經處理的酸性水疏排造成小范圍內地下水水質嚴重惡化；華鎣山隧道由于隧道施工穿越煤系地層，形成硫酸根離子富集的高礦化度地下水，經水循環排泄至附近水體，破壞水體生態環境。重慶禮讓隧道穿越位于明月山背斜軸部的膏巖地層，形成有強腐蝕性的酸性水，嚴重危害隧道工程穩定性。同時造成區域地下水水質嚴重惡化。鑒于此，有必要開展隧道施工溶礦水形成機制的研究，為地下水生態環境保護提供科學依據。

新建川藏鐵路貫穿川西高原，工程以隧道、橋梁為主，當隧道工程經過成礦帶時，易形成溶礦水，其滲入含水層或直接排放至地表水體中，會造成嚴重的生態問題。川藏鐵路郭達山隧道穿越康定-會理多金屬成礦帶中的康定金礦，礦體中含有大量的含硫化合物。依據已掌握的地質、鉆孔、水化學等資料，開展溶礦水成因研究，為郭達山隧道施工過程中溶礦水污染防治提供理論支撐。

1 郭達山隧道區域概況

1.1 自然條件及地質概況

擬建川藏鐵路郭達山隧道位于四川省甘孜藏族自治區東部康定市北東側的郭達山，距成都市332 km，位于四川西藏交界處。區域呈現中高山-高山峽谷地貌。東側的大渡河深切使隧道區域地表破碎，地形陡峭，相對高差為1 000～2 350 m。 由于隧址區海拔高，受復雜多樣的地形影響，形成了獨特的高原型大陸性季風氣候，月平均最高氣溫20.4℃，最低溫度-14.7℃。降雨多集中在5-9月，年平均降水量832.2 mm。

在區域構造上，隧道位于鮮水河構造帶，龍門山構造帶及川滇構造帶三大構造帶的交接地帶。鄰近隧址區發育有郭達山斷裂、蓮花山斷裂、孟清斷裂、魚司通斷裂、雅拉河斷層。區域地層主要分布第四系松散堆積物、三疊系變質砂巖、二疊系灰巖、石炭系灰巖、泥盆系灰巖、志留系灰巖、震旦系大理巖、千枚巖等。

區域地下水可分為四種類型：松散巖類孔隙水、碎屑巖孔隙裂隙水、基巖裂隙水和巖溶水。松散巖類孔隙水在區內普遍分布，主要賦存于第四系覆蓋層之中，多由大氣降水、融雪水等補給，垂直入滲進入孔隙含水層或水平徑流后就近排泄于溪溝或以泉形式出露。巖溶水在區域中大量存在，主要賦存于區域碳酸鹽巖地層中。由大氣降水、融雪水等補給，垂直下滲至可溶巖中，以淺循環和深循環的形式在可溶巖中的溶洞、溶隙、溶孔富集運移，徑流，最終以溪溝或巖溶泉形式出露，排泄至區域最低基準面。碎屑巖裂隙水主要賦存于區域砂巖、變質砂、板巖裂隙中，基巖裂隙水賦存于近地表風化巖體裂隙中，主要受大氣降水補給，緩慢垂直下滲并順坡徑流，大部分以泉形式或蒸發方式排泄。

區域礦床屬于典型的石英脈型金礦床，其金礦床成礦流體在早期受擠壓后期拉張貫入斷裂或者裂隙中(陳穎等，2014)。輝綠巖呈脈狀與礦體相伴產出，或被含金石英脈和花崗巖巖脈切割產出，常作為礦體的頂板和底板(彭小東，2017)。通過現場鉆探結果，淺層地表未見石英礦脈，其主要發育在埋深300～500 m的地下，隧道正好穿過石英礦脈。

2 采樣與分析方法

2018年11月期間，在郭達山隧址區共先后采集了26組水樣樣本作為原生環境的水樣。其中包括3個熱水樣品、13組地表水(包括泉水形成的地表溪流)和10組地下水，采樣點位見圖1。

1-松散巖類孔隙含水巖組 2-碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組 3-碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組 4-巖漿巖變質巖類裂隙含水巖組 5-隧道 6-斷裂 7-河流 8-地表水取樣點 9-地下水取樣點 10-鉆孔水取樣點 11-溫泉水取樣點 12-銅礦 13-巖金礦 14-鎢礦

采用多功能參數測試儀對氣味、溫度、pH、色度、渾濁度等容易受到環境變化的參數進行現場測定并記錄。其他性質較穩定的測試指標，移至室內分析測試。隧址區原生地下水水化學測試數據見表1。

表1 隧址區原生地下水水化學簡分析表

3 郭達山隧道區域原生水化學特征分析

3.1 水化學特征及類型

由表1可知，區域整體水樣呈中性-弱堿性，平均pH值為7.66，除溫泉外，TDS均小于1 000 mg/L。其中溫泉水TDS較高，主要陽離子為Ca2+，主要陰離子為HCO3-。鉆孔水中SO42-含量較高，濃度高于其他類型水。Piper 三線圖能較好地反映地下水中各主要組分濃度之間的聯系，對地下水化學類型進行分類可以把不同水樣的水化學特征差異直觀展示出來。隧址區水樣Piper 三線圖見圖2。

圖2 隧址區水樣Piper 三線圖 圖3 隧址區水樣Durov圖

由圖所知，Ca2+、Mg2+為水中主導陽離子，HCO3-為主導陰離子，地下水類型以HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg型水為主，呈現低礦化度溶濾水特征。另外地下水類型有SO4·HCO3-Ca、SO4·HCO3-Ca·Mg、HCO3·SO4-Ca·Na型等。

Durov圖則能呈現出水樣pH及TDS，隧址區水樣pH普遍在6.5-8.5之間，呈中性-弱堿性。地下水 TDS 總體偏低，大部分地下水水樣點 TDS 小于1 000 mg/L，水質總體較好。由此可知隧址區內原生環境中未形成低pH、高TDS類型水。

3.2 地下水組分來源

為研究原生地下水組分來源，采用Gibbs圖反應地下水各化學組分的演化機制。地下水化學演化按控制因素可分為巖石風化成因控制、蒸發濃縮成因控制及降雨控制三大類。

圖4 隧址區水樣Gibbs圖

由圖4所知，水樣點中Cl-/(Cl-+HCO3-)和(K++Na+)/(K++Na++Ca2+)的毫克當量比值幾乎都小于0.6，顯示幾乎所有的水樣都受巖石風化成因控制。Cl-/(Cl-+HCO3-)聚集性良好，但是 (K++Na+)/(K++Na++Ca2+)未呈現明顯聚集性，表明地下水除巖石風化成因控制，控制因素可能還包括陽離子交換作用和人類活動等。

陽離子交換吸附作用會使地下水硬度從大變小，呈現低礦化度。γ(K++Na+-Cl-)表示除鹽巖外其他礦物溶解后Na+的變化量，而γ[(Ca2++Mg2+)-(HCO3-+SO42-)]則表示除石膏、白云石和方解石外其他礦物溶解帶來的Ca2+和Mg2+的變化量。

若發生陽離子交換作用，則水樣點主要集中在γ(K++Na+-Cl-)/γ[(Ca2++Mg2+)-(HCO3-+SO42-)]=-1。γ(K++Na+-Cl-)與γ[(Ca2++Mg2+)-(HCO3-+SO42-)]比例關系圖見圖5。如圖所示，證實了地下水中陰陽離子交換現象的存在。

除地下水中陰陽離子交換作用外，大部分地下水的水文地球化學指向水巖溶濾作用。通過分析主要離子比例，可以用來檢測地下水組分來源及溶濾巖石組成。

地下水中的Na+和K+主要的來源為鹽巖礦物的溶解，如果γ(Na++K+)/γCl-=1，Na+和K+的來源全部為鹽巖溶解。γ(K++Na+/Cl-)與TDS比例關系圖見圖6。從圖中可以看出，在同一地層中，隨著TDS的增加，γ(Na++K+)/γCl-也隨之增加，但γ(Na++K+)/γCl->1。說明鹽巖溶解并不是地下水中Na++K+的唯一來源，可能還包括硅酸鹽巖礦物的風化作用。

圖5 γ(K++Na+-Cl-)與γ[(Ca2++Mg2+)-(HCO3-+SO42-)]比例關系圖 圖6 γ(K++Na+/Cl-)與TDS比例關系圖

如果地下水水樣中γ(Ca2++Mg2+)/γHCO3-=1，說明 Ca2+、Mg2+全部來自于碳酸鹽巖和蒸發巖的風化溶解。γ(Ca2++Mg2+)與γ(HCO3-)比例關系圖見圖7，圖中地下水水樣點均落在γ(Ca2++Mg2+) / γ(HCO3-) >1，說明碳酸鹽巖溶解不是Ca2+、Mg2+的唯一來源，可能有硫酸鹽巖參與溶解反應。

圖7 γ(Ca2++Mg2+)與 圖8 γ(Ca2++Mg2+)與γ(HCO3-)比例關系圖 γ(SO42-)比例關系圖

當SO42-主要是源于硫酸鹽巖的溶解時，則 γ(Ca2++Mg2+)/γSO42-=1。γ(Ca2++Mg2+)與γ(SO42-)比例關系圖見圖8。從圖中可以看出部分花崗巖中水樣γ(Ca2++Mg2+)/γSO42-<1，所以SO42-還來自其他來源，如含硫金屬礦的氧化還原反應產生SO42-。

分析表明，雖然隧址區具有含硫金屬礦，其也進行小部分的氧化還原作用，但產生的水質并沒有達到溶礦水的標準。

4 郭達山隧道溶礦水成因及特征

4.1 隧道施工后水化學特征分析

2020年底，在1#橫洞施工后再次前往隧址區采集地下水及鉆孔水水樣，1#橫洞施工后地下水水化學簡分析見表2。

對比分析1#橫洞施工前后SO42-的變化，發現含礦段地下水樣中SO42-高于區域背景值，且比橫洞施工前有明顯的提升。證實了含礦段礦石中有含硫的金屬礦物，其氧化后產生大量的SO42-離子。同時pH、TDS也出現明顯的變化(見圖9和圖10)。

表2 1#橫洞施工后地下水水化學簡分析表

圖9 1#橫洞施工前隧址區 圖10 1#橫洞施工后隧址區SO42-分布圖 SO42-分布圖

原生環境下隧址區含礦帶中雖有含硫礦物，但未形成低pH、高TDS的溶礦水。但對比原生環境的地下水化學特征，1#橫洞施工后pH、TDS及SO42-三類指標均有向溶礦水形成的變化趨勢。說明溶礦水的形成與施工擾動有緊密聯系。

4.2 郭達山隧道溶礦水形成機制

結合礦體分布、施工擾動地質環境、溶礦水形成過程及溶礦水形成影響因素多個方面總結郭達山隧道溶礦水成因模式：天然環境下低含量的氧氣濃度不足以促進含硫礦物的氧化作用。當隧道穿越含礦段施工，在施工擾動地質條件的作用下，使原先的礦體裂隙增大，形成氧化環境。與此同時，隧道施工也改變了天然的滲流系統，使水和空氣快速向礦體裂隙中徑流，使地下水和氧化環境中的礦體形成水力聯系。加速礦體的水巖反應，使礦體中所含的金屬離子被催化氧化，造成地下水中重金屬離子富集，與此同時產生大量氫離子導致地下水酸化，使得地下水中礦化度升高。最終形成低pH，高礦化度，富集SO42-、Fe3+、Al3+、Mn2+及Cu2+等特征污染因子的酸性溶礦水(見圖11和圖12)。

圖11 隧道施工擾動作用示意圖

圖12 郭達山隧道溶礦水成因模式圖

4.3 郭達山隧道溶礦水形成段位及特征預測分析

根據溶礦水成因機制分析，郭達山隧道在施工過程中穿越含礦帶時，會產生溶礦水。根據隧道施工剖面圖可知，郭達山隧道施工過程中共穿越6處含礦帶，礦帶長度及控制邊界見表3。

表3 溶礦水產生段落統計表

圖13 隧道溶礦水產生段位示意圖

郭達山隧道溶礦水產生段位主要在D2K254至D2K257之間，恰好位于郭達山1#橫洞處。根據前文水化學數據，這些溶礦水主要含有SO42-、Fe3+、Al3+、Mn2+及Cu2+等特征污染因子，且具有低pH高TDS的特點，與原生水質有明顯差異(見圖13)。

隧道修建過程中所形成的溶礦水與正常的隧道涌突水一起排出，若不進行處理，富含重金屬的含礦廢水直接排入地表受納水體中，會對高原脆弱生態水環境造成嚴重破壞，應當引起注意。

5 結語

通過對郭達山隧道溶礦水成因機制研究，得到如下結論：

(1)隧址區水化學類型主要為HCO3-Ca·Mg型。雖然原生環境中有含硫礦物，但在1#橫洞施工前，水質總體較好未出現異常。1#橫洞施工擾動后，部分水樣中出現低pH高TDS的特征，并富集Fe3+、Al3+、Mn2+及Cu2+等重金屬離子。說明隧道施工擾動作用是溶礦水形成的必要條件。

(2)在天然狀態下，地層中的氧氣和水源的含量不足以為溶礦水的形成提供條件，隧道施工后，氧氣進入與礦帶接觸的巖石裂隙中，使得原來的還原環境轉化為氧化環境。礦體發生氧化生成酸性化合物，釋放出H+加速氧化過程，從而形成溶礦水。

(3)隧址區主要穿越康定金礦田，礦產類型為巖金礦。郭達山隧道施工過程中易形成溶礦水的段位為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礦水若未經過處理，由隧道排水設施直接排入地表受納水體中，可能會造成水體污染，破壞生態環境，因此，對于溶礦水的環境影響問題應當引起重視。