基于岩溶演化模型的隧道突水危险性评价

岩溶隧道是否发生涌突水,主要取决于洞身岩溶发育程度和岩溶系统结构类型,而这与岩溶系统的演化过程密切相关。岩溶系统的发育演化始于具有侵蚀性的水对可溶性岩体中裂隙的溶蚀扩展。基于此,本研究耦合了渗流模型和溶蚀扩展模型,并结合鸡公岭隧道区水文地质背景资料,建立了隧道区岩溶系统岩溶演化模拟模型,模拟再现了隧道区岩溶含水介质的发育情况。结果显示:随着岩溶系统的发育演化,整个系统中裂隙不断被溶蚀扩展,差异性溶蚀越来越显著,岩溶含水介质的非均质性越来越强;同时随着埋深的增加,岩溶发育程度及非均质性越来越弱;浅部和深部裂隙的平均溶蚀扩展率相差近1 500倍;鸡公岭隧道洞身标高处岩溶发育微弱,裂隙溶蚀扩展较小,仍为裂隙岩体,其等效渗透系数为0.51m/d,岩溶突水概率极低,隧道发生涌水时的涌水量为127.9m3/d,对隧道施工影响较小。      

山东峄城盆地岩溶发育的基本规律及与水源地形成的关系

山东省枣庄市峄城水源地是个典型的北方埋藏型岩溶水水源地。峄城盆地出露的岩溶地貌有干谷、溶洞、岩溶准平原、溶蚀裂隙、溶沟、溶槽、溶痕等 ,地下岩溶形态主要为溶洞、溶蚀裂隙和溶孔 ,岩溶的发育具有层控性、水平分带和垂直分带等特点和规律。该盆地岩溶水系统的含水介质为寒武系、奥陶系的灰岩、白云岩 ,以溶隙、溶孔为主加少量小型溶洞构成了一个统一的互相连通的地下水空隙网络系统 ,为地下水的运移、储存提供了通道和空间。岩溶水流在此空隙网络系统内具有渗流性质 ,流态以层流为主 ,形成一个基本统一的单斜扇形水动力网 ,并具有统一的水化学场。该盆地分间接补给、直接补给、汇集排泄和汇集四个输导功能区。并在汇集区形成了具有供水意义的大型岩溶水水源地     

基于圆盘概化模型的岩溶裂隙渗流路径构建算法

岩溶裂隙网络的识别与重构,一直是岩溶地下水资源和岩溶区地质环境保护研究的热点与难点。基于地表原始裂隙数据、经过克里格插值后的地表裂隙数据、以及通过蒙特卡洛预测得到的地下裂隙数据,本文针对三维裂隙构造中的水流通路识别模块,提出了一种基于圆盘模型的渗流路径构建方法,采用有向图的数据结构来模拟圆盘模型概化后水流沿裂隙的渗流路径,并以邻接矩阵的形式存储其渗流路径数据。同时,为满足大规模裂隙数据快速求交的需要,本文给出了三维R树索引算法缩减遍历各个采样点所用的时间,提高了整套算法运行的效率。最后,以北京市房山区张坊地区地表采样裂隙数据为基础,借助遥感地质调查、重点岩溶区精细地质测量及取样分析等手段,开展三维裂隙空间网络分布模型研究,对岩溶裂隙渗流路径构建算法进行计算机仿真实现,为张坊地区岩溶发育机理的研究及岩溶水裂隙数值模拟提供可视化的分析手段。     

岩溶含水层饱和-非饱和流动与污染物运移数值模拟

岩溶含水层中的地下水是重要的可饮用水来源, 由于其复杂的水文地质特征, 采用数值模型分析和评价含水层中地下水环境极具挑战性。采用变饱和度流动方程描述含水层基质中的饱和-非饱和流动, 采用管道流方程描述岩溶管道中的层流及紊流流动, 基于流动解采用对流弥散方程分别描述基质与管道中的溶质迁移过程。根据相关实验数据以及MODFLOW-CFP程序的模拟结果对流动模拟的准确性进行验证, 并基于此开展了岩溶管道以及非饱和参数对地下水流动及污染物迁移影响的模拟。结果显示, 数值模型能很好地重现含水层中饱和区与非饱和区以及岩溶管道的地下水动态, 岩溶管道对含水层的渗流场产生了较大的影响。管道中快速流动的特性使得周围的水向其中汇集, 影响了局部流动场, 进而使得泄露的污染物质随水流进入管道, 快速向管道出口处(泉点)迁移, 突破曲线显示管道出口处的污染物浓度响应速度远快于基质中对应的位置, 非饱和参数对管道中污染物浓度的响应速率有着不同程度的影响。建立的模型完善了岩溶含水层中非饱和区地下水流动、污染物运移以及基质-管道流动与溶质运移耦合模拟等方面的工作, 加深了对岩溶含水层地下水动力学以及污染物迁移过程的认识, 对岩溶水文地质及地下水环境等方面具有重要意义。      

烟台市水文地质条件与含水层电性特征分析

在前人取得的水文地质资料的基础上,以水文地质调查、物探勘查、综合分析研究为手段,对烟台市水文地质条件进行了详细的分析研究,根据含水层岩性及地下水类型将研究区划分为松散岩类孔隙含水岩组、碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组、碳酸盐岩类岩溶含水岩组、喷出岩类孔洞裂隙含水岩组和岩浆岩、变质岩类裂隙含水岩组。依据地形地貌及岩性构造差异,将研究区划分为山地丘陵和滨海平原2个典型区,分别描述地下水的补给、径流、排泄条件。含水岩组的电性特征与地下水的赋存介质有关,根据赋存介质的不同将研究区地下水类型分为孔隙水、裂隙水和岩溶水三类,并分别总结其电性特征。该文对烟台市含水岩组进行划分,总结不同含水层电性特征,为水资源的进一步开发利用提供科学依据。     

新型地下水流速流向测量技术及其在岩溶区调查中的应用

我国南方岩溶区往往水文地质条件复杂，含水层的渗透性具有较强的非均一性。为探究岩溶含水层矢量渗透系数的分布规律，识别多级次岩溶水流系统的特征，利用新型地下水流速流向测量技术，在鄂西香溪河流域的典型水文地质钻孔进行了试验研究。结合地面调查、抽水试验和压水试验等方法，对流速流向测试与分析结果进行了水文地质解释及探讨。结果表明:所选典型钻孔岩溶含水层的垂向渗透系数不均一性较强，新型流速流向测量方法计算得出的渗透系数与抽水试验的计算结果相差５％；与压水试验相比，在钻孔２个不同深度的含水段，２种方法计算的渗透系数分别相差４４％和２％；不同深度的地下水流向测量结果表明，钻孔在垂向上揭示了２个不同层次的岩溶水流系统。新型地下水流速流向测量与分析方法能够较准确地识别岩溶水的优势径流方向和径流层位，对于岩溶含水层渗透性非均一性的定量刻画具有良好的应用前景。      

地表水与地下水相互作用带中氮素污染物的反应迁移机理及模型研究进展

在地表水－地下水作用带内，水流途径、流速、滞留时间的差异及地表水－地下水的交换量从不同方面控制着氮素污染物的反应迁移过程，并影响污染物在地表水与地下水间的通量。因此，精细刻画地表水－地下水作用带内的水流模式是研究氮素污染物反应迁移及归宿的关键问题。受含水介质异质性、水流模式的复杂性及其与地球化学和生物地球化学过程的耦合作用影响，地 表 水－地下水作用带内氮素污染物的反应迁移和归宿极为复杂，研究十分困难。水流和污染物反应迁移耦合模型可将地下水流、污染物的物理迁移过程及其地球化学和生
物化学过程有机整合在一起，能更好地揭示氮素污染物反应迁移的过程和机理，预测其发展趋势，可 为 研 究 地 表水－地下水作用带内氮素污染物的反应迁移和归宿提供有力工具。      

黄河流域长孝岩溶水系统水文地质特征及蓄水模式分析

基于在黄河流域长孝岩溶水系统开展的1:5万水文地质调查工作,系统总结了该水文地质单元的边界条件、含水岩组分布及富水性空间分布特征,分析了区内地下水补给、径流、排泄条件与地下水动态变化特征,探讨了黄河长孝单元与周边地下水的相互作用。黄河向北侧补给孔隙水,向南侧补给孔隙水及岩溶水,其中对孔隙水侧渗补给带范围至王营村-庞道口-太平庄-姚河门村一带,对岩溶水补给主要发生在望口山村至柳河圈村一带、孝里镇胜利村附近。圈定了以朱砂洞组为含水岩组的双泉镇段店村裂隙岩溶水富水地段、以三山子组-马家沟群为含水岩组的归德-孝里-马集裂隙岩溶水富水地段,分析其富水机理,总结了层间岩溶-断层阻水型及单斜-断裂型两种基岩蓄水构造模式,可为该区域找水定井提供参考。     

岩溶洼地内涝蓄水量与不同级次裂隙对溶质迁移影响的室内实验与模拟

岩溶洼地在西南地区分布广泛,岩溶地下水为当地居民生产和生活的主要水源,研究岩溶洼地内涝条件下裂隙系统中的溶质迁移及响应规律可为峰丛洼地区岩溶地下水的污染防控提供科学依据。基于相似原理构建了岩溶洼地-裂隙系统物理模型,采用对流-弥散模型和脉冲响应模型对溶质迁移过程进行了模拟分析,探讨了不同级次裂隙和内涝蓄水量大小对溶质迁移的影响。结果表明:大裂隙作为优先水流通道,对溶质迁移起主要的控制作用;小裂隙对溶质迁移起暂时储存和缓慢释放的调蓄作用,其溶质迁移的叠加过程使总出口溶质迁移的"拖尾"效应更加明显;随着内涝蓄水量的增加,稀释作用增强,导致溶质峰值质量浓度降低、溶质质量浓度回归至本底值的时间延长、延缓释放溶质的质量增加。该物理模型是对复杂岩溶洼地系统内污染物迁移研究的一种新探索,其模拟结果进一步深化了对洼地内涝条件下面源污染物在岩溶水系统中迁移规律的认识。      

黄陵穹隆周缘岩溶水流系统特征及成因

岩溶水流系统特征研究有助于地下水资源的合理评价和开发利用。借鉴水文学的研究方法，统计并量化了典型岩溶水流系统的空间特征以及其水文动态响应、温度场和电导率特征。划分了扇状、树枝状、平行状、梳状4种地下水系来综合反映岩溶水流系统的地表-地下岩溶特征，前两者主管道垂直于地层走向，构造裂隙起汇水作用，后两者主管道平行于地层走向，层面裂隙起汇水作用。黄陵穹隆西北翼、西翼和南翼以平行状和树枝状为主，东翼和北翼则以扇状水系和平行状水系为主。不同地下水系结构的形成及区域差异与含水系统和水系的空间关系和级次性密切相关，并表现出不同的动态特征。扇状和平行状岩溶水流系统对降雨响应最为敏感，而梳状水系岩溶水流系统响应和衰减过程最慢；基于岩溶地下水温度与出露高程和循环深度显著相关的关系建立了鄂西山区地下水温度线。这一基础性研究可为岩溶地下水流系统研究和当地工程实践提供一定的理论支持。      

滇中高原岩溶关键带典型含水系统水化学特征及成因分析

岩溶关键带水文地球化学过程的研究对于科学认识其内部的演化环境与结构特征具有重要意义。岩溶水是水-岩作用后主要的信息载体, 定量分析其水化学特征及成因是揭示岩溶关键带含水系统介质环境与水动力条件的有效手段。以滇中高原岩溶关键带3个典型岩溶含水系统为研究对象, 通过对不同含水系统出露的岩溶泉进行野外采样与室内测试, 综合采用数理统计分析、水化学图解、离子比例系数与水文地球化学模拟等方法, 深入剖析了各含水系统岩溶水水化学组分特征、成因作用和含水层介质特性, 并对关键带中水循环与水化学的内在联系及规律进行了探讨。结果表明: ①HCO₃-、Ca2+是各含水系统岩溶水中含量最高且来源稳定的离子组分, Mg2+是控制各含水系统水化学类型异化的关键因素; ②碳酸盐岩类的岩石风化、矿物溶解是各含水系统内岩溶水化学组分特征的主要成因作用, 岩溶水对华宁水系统含水层的溶蚀作用仍在发生, 阳离子吸附交替与硅酸盐岩类的风化溶解是区域岩溶水中Na+、K+的重要来源; ③区域岩溶的发育强度、岩溶含水层的出露条件及含水介质岩性与连通性共同塑造了滇中高原岩溶关键带不同含水系统地下水化学特性。研究成果丰富了对滇中高原岩溶关键带水文地球化学过程的认识, 为区域岩溶水资源的开发、利用与保护提供基于水化学的证据支撑。      

嘉祥县红运水源地岩溶发育特征及富水规律研究

红运水源地地处嘉祥断块北部,主要含水层为奥陶纪三山子组中细晶白云岩,且岩溶发育,在岩性上中细晶白云岩细晶白云岩泥灰岩灰岩和豹皮灰岩微晶白云岩。区域断裂构造发育,多以张性断裂为主,一般为带状岩溶发育,深度143～330m,与断裂构造的走向基本一致,为地下水的富存和运移提供了良好的场所和通道。奥陶系顶板不同埋藏深度形成的高差,为岩溶地下水径流提供了强烈的地下水动力条件。通过研究岩溶发育特征,对比区域地质、水文地质条件,证实岩溶发育与地层岩性、地质构造、地下水动力条件、埋藏深度等关系密切。通过对比钻孔地层资料,分析了红运水源地富水性条件,地层岩性是岩溶发育的物质基础,地质构造是岩溶发育的控制因素,水动力条件是岩溶发育的外在因素,对指导北方覆盖型岩溶地下水勘查及寻找覆盖型岩溶水富集区具有借鉴意义。     

沂蒙山区典型断陷盆地岩溶地下水系统特征: 以莱芜盆地为例

2011年以来，中国地质调查局在沂蒙山区组织实施了1:5万标准图幅水文地质调查4万余km2，并在严重缺水村镇开展了大量的找水打井示范工作，获得了较为丰富的地质数据，对断陷盆地地下水流系统取得了新认识。受中新生代构造影响，沂蒙山区发生断裂褶皱、伸展滑脱及岩浆侵入活动，形成一系列"南超覆北断陷"的地堑-半地堑盆地，并最终形成现今典型的"盆-山"岩溶水文地质结构，及以盆地为单元的相对独立的岩溶地下水流系统。为研究沂蒙山区地下水流系统发育特征，选择莱芜盆地为典型研究区，基于野外地质调查，通过综合分析盆地南北两侧地貌单元、含水岩组立体空间分布及地下水水位、水化学及同位素结果等，探讨了沂蒙山区典型"盆-山"结构塑造的多级岩溶地下水流系统特征。结果表明，莱芜盆地岩溶地下水由盆地外围向盆地中心呈"向心式"径流；受人类活动影响、地质构造控制和含水层分布制约，盆地南北两侧地下水流系统特征存在差异:盆地南部发育中间和局部两级地下水流系统；盆地北部则仅发育单一的局部地下水流系统，但占有已勘查论证的近1/2的地下水水源地。此外，研究发现在大汶河最低侵蚀基准面，区域滑脱构造及热液混合作用拆离的空隙，与岩层面、层间裂隙、顺层溶蚀空隙等共同构成立体的岩溶地下水网络，影响着岩溶水循环途径及深度。以此认识为指导，实施的探采结合井成井率达到86%，强化了地下水流系统理论在北方基岩山区水文地质工作中理论与实践的结合。      

基于系统空间特征识别的岩溶地下水污染成因分析

岩溶地下水系统空间结构复杂, 含水层渗透性强、防污性能差, 一旦发生污染, 污染物扩散迅速且修复难度较大。以南方某岩溶大泉为例, 在水文地质调查的基础上, 结合水化学图解及多元示踪技术, 分析岩溶地下水系统边界及暗河管道分布, 识别岩溶泉的主要污染物、来源及污染途径, 探索岩溶地下水污染成因模式。研究结果表明, Q₁岩溶地下水系统为典型的"多源单汇"地下水循环模式, 存在南北2条主要径流通道; 其主要污染物质为锰、菌落总数、氨氮、总磷, 分别为地下水质量标准阈值的17, 14, 7.2, 3.8倍; 建筑垃圾堵塞原有的暗河通道, 工程勘察和强夯活动破坏了垃圾堆场下部天然黏土防渗层, 生活垃圾及渗滤液进入岩溶管道, 两者共同导致了岩溶地下水的污染。该研究对于岩溶地下水系统污染防治工作具有重要的借鉴意义。      

黄陵背斜东北翼岩溶水系统特征及其对引调水隧洞工程的影响

陵背斜东北翼地层以碳酸盐岩和碎屑岩相间的组合形式出现,碳酸盐岩分布区岩溶发育强烈,岩溶突涌水是该区地下工程建设的重要影响因素。以某重大引调水工程黄陵背斜段为研究对象,综合采用岩溶水文地质调查、示踪试验、水文地球化学等多种方法对研究区岩溶水系统特征及隧洞突涌水条件进行了识别和分析。结果表明:区内存在4个子含水系统,垂向上构成了透水性强-弱相间的结构,发育了浅部快速循环、中间快速循环和深部慢速循环的多级水流系统,断裂构成各子含水系统间发生水力交换的垂向通道。工程输水隧洞主体在深部灯影组(Z₂dn)和天河板组-石龙洞组(∈₁t+sl)子含水系统中穿越,岩溶发育总体较弱,但在穿越店垭断裂时存在导通上部娄山关组-南津关组(∈₃l-O₁n)强岩溶子含水系统而发生较大规模高压突涌水的可能。施工支洞穿越∈₃l-O₁n子含水系统中白龙洞水流系统的排泄区,遭遇管道式突涌水事故的风险高。多种水文地质方法的联合解译可提高识别岩溶水系统特征和突涌水条件的精度。      

基于地下水流系统理论的岩溶隧道涌突水来源及路径分析

双龙洞是国家重点风景名胜区，拟建金华山隧道位于浙江省金华市双龙洞景区北东向约12 km处，金华山隧道的开挖将可能导致双龙洞景区岩溶水的疏干，同时隧道也可能遭受岩溶涌突水的安全隐患。基于地下水流系统理论，结合研究区水文地质条件调查成果，岩溶地下水流系统的划分，隧道出口段关键岩溶分布区地质结构的分析，以及水文地球化学测试分析结果，对双龙洞与隧址区之间各岩溶地下水流系统间的水力联系及涌突水可能性进行了分析。结果表明，隧道出口段开挖若揭露至其所处岩溶含水层并进行排水，影响的只是周边有限的岩溶水及裂隙水，不会直接连通研究区西侧大规模岩溶地下水流系统；隧道施工和运行期间对双龙洞景区的岩溶水基本不会产生影响，同时双龙洞岩溶水也不会对隧道出口段形成直接的涌突水威胁。在岩溶区隧道涌突水来源的研究中，基于地下水流系统理论合理划分岩溶地下水流系统并分析各系统间水力联系，是分析涌突水来源及防范涌突水灾害的必要前提。      

武汉两湖隧道岩溶水系统结构及水循环规律

武汉市两湖隧道是国内最长、世界规模最大的城市湖底隧道, 其东湖段穿越岩溶区, 识别其岩溶水系统结构对隧道建设和运营安全具有重要意义。为查明区内岩溶水系统结构及水循环特征, 综合利用地质及水文地质勘探、水文地球化学分析等方法刻画了岩溶含水系统边界, 总结了岩溶发育规律, 识别了洞穴沉积物来源, 分析了岩溶水与孔隙水和地表水之间的水力联系, 探讨了岩溶水循环模式。结果表明: 研究区可划分为南北2个岩溶含水系统, 北段岩溶含水系统的岩溶发育程度强于南段岩溶含水系统, 北段和南段岩溶含水系统由断层带连通而具有统一的水力联系。洞穴沉积物主要来源于第四系残积层和洞穴围岩风化。第四系冲洪积层孔隙水与下伏岩溶水的水力联系较弱, 而第四系残积层孔隙水与下伏岩溶水的联系紧密。本研究利用多种技术方法精细刻画湖底隧道的岩溶水系统结构, 可服务于隧道工程的涌突水风险评价和安全施工。