岩浆型高地温隧道热水涌水量推算方法_王帅.pdf

DOI：10.19645/j.issn2095-0144.2022.10.006收稿日期：2022-08-22基金项目：四川省科学技术厅2019年科技计划重点项目（2019YFG0460）；2022年成都理工大学研究生质量工程项目（2022YAL005）；2022年度成都理工大学校级科技项目（CX2022-003）作者简介：王帅（1999-），男，四川达州人，硕士研究生，主要从事水文地质与地热地质研究，E-mail：W。通信作者：漆继红（1975-），女，四川绵阳人，副教授，博士，主要从事水文地质与地热地质研究，E-mail：。岩浆型高地温隧道热水涌水量推算方法王帅1，漆继红1，许模1，易磊1，李潇1，梁敬沿1，张强1，刘杰2（1.成都理工大学，四川 成都 610059；2.四川电力设计咨询有限责任公司，四川 成都 610041）摘要：岩浆热源型水热系统分布于我国藏南、川西、滇西及台湾地区，这些地区的隧道热水涌水量预测是高地温隧道热害分析所面临的重要问题。以地下水动力学法和水热系统的冷热水混合理论为基础，提出了高地温隧道热水涌水量推算方法。研究结果表明：隧道将面临三种热水涌突类型：高岩温型、断裂涌水型和裂隙导水型，其中后两者疏排的热水受深部热水混合影响；高岩温型直接应用浅层冷水预测公式推算热水量，而断裂涌水型和裂隙导水型热水具备从岩浆物质交换的高焓和高恒量元素特征，可采用热水混合比及利用地下水动力学法求得的冷水量进行热水量推算；西南某深埋隧道遭遇高温水热灾害，热水涌突类型为断裂涌水型，稳定热水涌水量为3 206 m3/d，水温约为74.0。提出的推算方法对其他类型的高地温隧道热水涌水量预测的普适性尚需讨论。关键词：高地温隧道；热水涌水量；岩浆热源；焓-质关系中图分类号：P314；U45文献标志码：A文章编号：2095-0144（2022）10-0023-051前言我国川西至藏南、滇西及台湾地区发育众多中高温水热系统，其地表水热活动强烈1-3。这些地区的交通设施建设受区内地形地貌特征和工程特点的影响而呈现出长大深埋隧道的工程形式4-5。深埋隧道穿越水热活动区时，易遭遇热水涌突等灾害6-7。高温热水携带大量的热和水汽，易造成人员受伤、设备损坏及施工进度缓慢8-9，这类由热水对流传热导致热害的高地温隧道可称之为湿热型隧道10。在高地温隧道中，热水涌水量预测是正确评判隧道热害的关键环节。被广泛应用的隧洞涌水量预测方法可总结为四类：经验公式法、解析公式法、数值计算法和物理模拟法11。现有的热水涌水量预测主要采用上述方法与地温进行匹配，其分析对象为浅层地下冷水，忽视了上溢热水带来的影响。近地表的大型断裂及其分支断裂组合形成的局部水热结构控制着上溢热水的渗流及分布，而高温地热系统的热储埋深远大于隧道埋深12，所以隧道面临的热水热害与近地表的局部水热结构密切相关。此外，一些研究结果表明，下伏岩浆热源（岩浆囊）释放的岩浆流体进入上覆地热系统，使得热储温度较高、地热水含有较高的恒量组分，如Cl-、B等。地热水上溢将深部物质和热量带到地表，造成地表活跃的水热显示13，这类水热活动区称为岩浆型水热活动区。在水热系统中，溶解组分（溶质）的含量与水热系统的温度（焓值）呈现一定的关系，称之为热焓-溶质关系（简称焓-质关系），其随着地热水上溢发生改变。通过恒量组分的焓-质关系可分析地热水的上溢降温冷却过程，并预测深部热水与冷水的混合比及热储温度14-16。因此，地热水的焓-质关系能很好地将深部热水与浅层冷水联系起来，有望在岩浆型水热活动区隧道热水涌水量预测中取得突破。综上所述，隧道在穿越局部水热结构时，深部热水与浅层冷水混合形成高温热水，造成热水涌突灾害，影响施工安全和进度，但热水涌水量的预测第 58 卷 第 10 期2022 年 10 月GANSU WATER RESOURCES AND HYDROPOWER TECHNOLOGY甘 肃 水 利 水 电 技 术Vol.58，No.10Oct.，202223方法并不完善。作者基于相关文献等研究结果，针对隧道穿越局部水热结构这种特殊情况，划定隧道热水涌突类型并结合热水的焓-质关系给出了一种岩浆型水热活动区高地温隧道热水涌水量的预测方法。2隧道热水涌突类型及特征地层断裂是深部热水上溢的主要通道。但在热水排泄区，深部热水沿主干断裂（区域性大断裂）向地表上溢，同时通过导水导热分支断裂及其裂隙网络向四周渗流运移，致使周围的基岩也存在高温热水，故将受断裂及其裂隙网络影响的局部热水分布区定义为局部水热结构（图1）。通过以岩浆型水热活动区的局部水热结构为研究对象，划分隧道热水涌突类型，并作出以下假设：含水层为均质各向同性、低渗透性的潜水含水层；热水与围岩达到热平衡。对局部水热结构而言，断裂及其裂隙网络是深部热水的重要渗流通道和重要赋存空间。基于深部热水与浅层冷水是否混合，共划定两种热水：混合热水和非混合热水。非混合热水由地层增温加热或深部热水经围岩热传导间接加热浅层冷水而形成。根据热水类型、储水构造及导水通道等要素，隧道热水涌突类型可分为三类：高岩温型、断裂涌水型和裂隙导水型。图1高地温隧道热水涌突类型概念模型图冷热水混合区沿分支断层走向切线bc（a）局部水热结构与隧道空间布局图d温泉35 25 地层增温（b）高岩温型热水涌突示意图35 45 55 65 75 温泉45 25 75（c）断裂涌水型热水涌突示意图导水断层面冷热水混合带温泉25 35 45 55 65 45（d）裂隙导水型热水涌突示意图25 35 45 55 65 75 温泉35 主干断裂分支断裂裂隙密集带浅层冷水深部热水混合热水隧道温泉大地热流破碎带等温线，非实际等温线，仅起示意作用45 图例2022年第10期甘肃水利水电技术第58卷24高岩温型 图1（b）：隧道处于局部水热结构之外，热水类型主要为非混合热水，含水层中的热水通过导水裂隙涌入隧道。隧道热害风险较小，初始水温可由地温得到，而随着隧道疏排的进行，较冷的地下水涌入隧道，水温会逐渐下降。断裂涌水型 图1（c）：隧道处于局部水热结构的分支断层部位，热水类型为混合热水，通过断层导水涌入隧道。隧道易遭遇高温热水涌突危害，热水温度高、压力大。裂隙导水型 图1（d）：隧道处于局部水热结构内，热水以混合热水为主，受断裂及施工所引起的裂隙扩展的影响，热水通过导水裂隙涌入隧道。隧道可能发生高温热水涌突灾害，水温较高。3隧道热水涌水量预测方法3.1隧道热水涌水量预测流程隧道热水涌水量预测的流程如下：查清所研究区域的地热地质背景，通过热水的水化学、同位素特征及采用物探等手段判定研究区域是否为岩浆型水热活动区；考虑地质条件、热水分布特征、水化学特征等因素圈定局部水热结构，再根据局部水热结构特征确定隧道热水涌突类型及特征；针对不同的热水涌突类型，采取不同的预测方法，利用水化学组分的焓-质关系及冷水预测公式求得深部热水量；对热水涌水量预测结果进行验证，得到合理的稳定热水涌水量。3.2隧道稳定热水涌水量预测方法在低渗透潜水含水层中，潜水面处形成的降落漏斗不会下降至洞身顶板17。故深埋隧道所疏排的热水为洞身附近的混合热水，其通过裂隙及断层涌入隧道。为便于计算，在隧道顶板处建立一个虚拟的、等同潜水面实际情况的降落漏斗，并将混合热水涌入隧道概化为浅层冷水与深部热水自不同方向涌入隧道（图2）。根据热水涌突类型及特征，分别给出三种热水涌突类型的稳定热水涌水量推算方法。图2隧道热水涌水量计算示意图隧道潜水位潜水含水层降落漏斗影响半径R实际降深s降深s潜水位潜水含水层影响半径R假想降落漏斗隧道深部热水（a）（b）（1）高岩温型热水受深部热水混入的影响很小或无，其实质为浅层冷水，直接采用浅层冷水涌水量预测公式预测稳定热水涌水量Q稳，其水温根据TB 10012-2019铁路工程地质勘察规范 附表的地温带划分标准进行划定。（2）断裂涌水型根据图2（b），断裂涌水型隧道稳定热水涌水量推算公式如下：Q稳=Q冷/（1-）（1）Q深=Q冷/（1-）（2）式中：Q稳为隧道稳定热水涌水量（m3/d）；Q冷为冷水量（m3/d）；Q深为深部热水量（m3/d）；为深部热水的混合比。其中Q冷为浅层冷水涌水量预测公式所得水量，在预测Q冷时，应将公式中的水头值H折减为降深s。因为热水涌水量的水温变化规律尚不明确，故从热量守恒角度对稳定热水涌水量水温按照式（3）进行估算：第10期王 帅，等：岩浆型高地温隧道热水涌水量推算方法第58卷25i=1n（Ti-T）QiiCi=0（3）式中：Ti为水的温度（）；Qi为涌水量（m3/d）；i为水的密度（kg/m3）；Ci为水的比热容J/（kg）；T为稳定热水涌水量水温（）。当i=1时，代表深部热水，当i=2时，代表冷水。（3）裂隙导水型其计算方法同断裂涌水型。3.3涌水量验证水热系统中，溶解组分的含量与水热系统的温度密切相关，形成特定的焓-质关系，而随着地热水向地表上溢，经历包括浅层冷水混合作用在内的降温冷却过程，其焓-质关系发生了改变。通过采集热水水样并分析热水的焓-质关系可定量得到冷热水的混合程度，获得深部热水的混合比。通过水均衡数据和钻孔监测数据对稳定热水涌水量进行验证。因为深部热水的水均衡数据难以获取，且隧道疏排的深部热水量在深部热水总排泄量中的占比未知，所以从深部热水量的角度不足以验证稳定热水涌水量的合理性。用大气降雨入渗法可以得到浅层冷水的补给量Q冷补，而通过分析现场钻孔的水量水温监测数据可以大致得出热水混合比值，若该比值与由焓-质关系得出的比值大体相符合且Q冷Q冷补，则认为所预测热水量较合理。4隧道工程案例4.1工程概况西南地区某深埋隧道穿越的地层岩性以变质岩为主，隧址区的构造活动和地壳中包含岩浆囊在内的综合热源是造成地表水热活动的内因。该隧道平行于区域性活动断裂带（概化为主干断裂）布设，与主干断裂的分支断裂呈大角度相交，深部热水沿主干断裂及其分支断裂上溢，与浅层冷水混合后形成高温热水。高温热水区长约3 km，隧道穿越该区时面临严重的热水涌突灾害。经过分析，位于高温热水区的隧道重点段的热水涌突类型为断裂涌水型。4.2热水涌水量预测隧道重点段的基岩渗透系数K值取0.06 m/d，重力给水度取0.02，在断裂影响带及裂隙密集带附近，K值取0.2 m/d，值取0.03。根据钻孔热水的氯-焓图，深部热水的混合比为33.06%，且深部热水来自同一个热储层，其热储温度为216.0。根据沿线地形、构造等进行分段预测，采用铁路勘察规范经验公式、式（1）和式（2）计算，Q冷、Q深和Q稳的值分别为2 179 m3/d、1 027 m3/d和3 206 m3/d。通过现场调查，地表冷水的温度为7.1，根据式（3）计算，稳定热水涌水量水温约为74.0。该隧段的集水面积约25 km2，研究区多年平均降雨量为650 mm，降雨入渗系数取经验值0.15。由大气降雨入渗法计算可得Q冷补为6 679 m3/d，该值大于隧段的Q冷，说明该隧段的Q冷满足水均衡。根据现场水平钻孔水温水量监测数据，估算出热水混合比为38.40%，该值与由氯-焓关系得到的混合比值相近，表明Q稳较为合理。5结论（1）高地温隧道穿越岩浆型水热活动区时面临高温水热灾害。根据热水类型、储水构造和导水通道等要素，划分出三种隧道热水涌突类型：高岩温型、断裂涌水型和裂隙导水型。对高岩温型，热水主要由地层增温或高温围岩加热浅层冷水形成，其实质为浅层冷水通过导水裂隙涌入隧道；对断裂涌水型和裂隙导水型，热水均受到深部热水的混入影响，前一种热水通过断层涌入隧道，后一种热水沿导水裂隙涌入隧道。（2）岩浆热源型地热水水化学组分的焓-质关系揭示了混合热水中深部热水与浅层冷水的定量关系，通过水化学组分的焓-质关系可得到热水的混合比。考虑热水涌突类型及特征，基于地下水动力学法和冷热水混合理论给出了不同类型的稳定热水涌水量的推算方法。（3）西南地区某深埋隧道重点段遭遇高温热水涌突，其热水涌突类型为断裂涌水型，稳定热水涌水量Q稳为3 206 m3/d，其水温约为74.0。作者所提出的热水量推算方法比较