鲜水河断裂热水焓–质关系对隧道工程热害的指示

利满霖 徐正宣 漆继红 许模 易磊 李潇

利满霖, 徐正宣, 漆继红, 等. 鲜水河断裂热水焓–质关系对隧道工程热害的指示 [J]. 工程科学与技术, 2022, 54(4): 20-28. doi: 10.15961/j.jsuese.202100932
引用本文: 利满霖, 徐正宣, 漆继红, 等. 鲜水河断裂热水焓–质关系对隧道工程热害的指示 [J]. 工程科学与技术, 2022, 54(4): 20-28. doi: 10.15961/j.jsuese.202100932
LI Manlin, XU Zhengxuan, QI Jihong, et al. Indication of Enthalpy–Mass Relationship of Xianshuihe Fault Zone to Thermal Damage in Tunnel Engineering [J]. Advanced Engineering Sciences, 2022, 54(4): 20-28. doi: 10.15961/j.jsuese.202100932
Citation: LI Manlin, XU Zhengxuan, QI Jihong, et al. Indication of Enthalpy–Mass Relationship of Xianshuihe Fault Zone to Thermal Damage in Tunnel Engineering [J]. Advanced Engineering Sciences, 2022, 54(4): 20-28. doi: 10.15961/j.jsuese.202100932

鲜水河断裂热水焓–质关系对隧道工程热害的指示

基金项目: 中国国家铁路集团有限公司科技研究开发课题(P2018G047–07);四川省科学技术厅2019年科技计划重点项目(2019YFG0460);地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室自主研究课题(SKLGP2015Z013)
详细信息
    • 收稿日期:  2021-09-15
    • 网络出版时间:  2022-07-08 02:05:50
  • 作者简介:

    利满霖(1997—),男,硕士生. 研究方向:水文地质与地热地质. E-mail:Limanlin0620@foxmail.com

    通信作者:

    漆继红, E-mail: qijihong@cdut.cn

  • 中图分类号: P314

Indication of Enthalpy–Mass Relationship of Xianshuihe Fault Zone to Thermal Damage in Tunnel Engineering

  • 摘要: 川藏铁路雅安至康定段穿过鲜水河断裂带,该断裂带不仅构造发育,且水热活动强烈,隧道穿越断裂带面临复杂多变的水热灾害问题。为准确预测热害问题,需要对水热循环过程、运移通道特征进行深入分析。由于水热系统的复杂性,尚无法将目前对该断裂带内热储特征、热水运移模式的研究成果较好地应用于隧道工程热害预测中。本文对该水热系统的水岩平衡、硅–焓特征、氯–焓特征等多种焓–质关系进行综合分析,推断水热体系的多级热储特征,分析热储间的关联并推算热储温度,建立榆林宫至道孚段热水运移与冷却过程的概念模型。考虑非平衡及冷水混合因素,采用阳离子温标及硅–焓关系推算,得出榆林宫、二道桥、中谷热水的直接热储温度比较接近,为228~242 ℃,八美与道孚则明显偏低;氯–焓关系显示二道桥、中谷热水升流分离位置浅于八美、道孚热水,且二道桥热水体系的混合程度最高。分析认为:榆林宫至道孚段水热体系以榆林宫为中心,热水经过绝热冷却、热传导及混合的复合过程,沿北西方向不同深度的通道运移、冷却,在榆林宫至道孚形成多个热害类型和程度不同的隧道工程热害危险区。隧道从不同部位穿越鲜水河断裂带时,涉及的水热活动特征不同,遭遇的热害类型、危险程度存在差异。选择二道桥与中谷之间的区域Ⅲ作为铁路穿越鲜水河断裂带的位置具有合理性,但需要避开冷热水混合的含水岩层,施工时要注意配合疏排大量热水。

     

    Abstract: The section from Ya’an to Kangding of the Sichuan—Tibet railway passes through the Xianshuihe fault. The fault zone develops not only geological structure, but also hydrothermal activity strongly, which makes the construction process of the tunnel crossing the fault zone face complex and changeable problems of hydrothermal disasters. To accurately predict the heat damage, it is necessary to deeply analyze the characteristics of the hydrothermal cycle and migration channel. However, due to the complexity of the hydrothermal system, the research results of thermal reservoir characteristics and hot water migration mode in the fault zone cannot be applied to the prediction of heat damage in tunnel engineering. Based on the comprehensive analyses of water-rock balance, silicon-enthalpy characteristic, chlorine-enthalpy characteristic, and other enthalpy and mass relations of the hydrothermal system, the multistage thermal reservoir characteristics of the hydrothermal system were deduced, the correlation between the thermal reservoirs was analyzed, the thermal reservoir temperature was calculated, and the conceptual model of the migration and cooling process of the hot water from Yulingong to Daofu section was established. The cationic temperature scale and silicon-enthalpy relationship was used to calculate the direct thermal reservoir temperatures of Yulingong, Erdaoqiao, and Zhonggu hot water, which were close in the range of 228~242 ℃, while the temperature of Bamei and Daofu was obviously low. The chlorine-enthalpy relationship showed that the upwelling separation position of Erdaoqiao and Zhonggu hot water was shallower than that of Bamei and Daofu hot water. The mixing degree of the Erdaoqiao hot water system was the highest. The analyses showed that the hydrothermal system from Yulingong to Daofu takes Yulingong as the center, and the hot water moved and cooled along the passage at different depths in the northwest direction through the compound process of adiabatic cooling, heat conduction and mixing, forming multiple thermal hazard areas of tunnel engineering with different types and degrees of thermal damage. When the tunnel passes through the Xianshuihe fault zone from different parts, the characteristics of hydrothermal activity involved were different, and the types of thermal damage encountered and the degrees of danger were different. It is reasonable to choose area Ⅲ between Erdaoqiao and Zhonggu as the location where the railway crosses the Xianshuihe fault zone, but it is necessary to stay clear of the water-bearing rock stratum mixed with cold and hot water and pay attention to the drainage of plenty of hot water during engineering construction.

     

  • 川藏铁路建设是中国交通强国策略中拓展投资空间的重要举措之一[1],其穿越的鲜水河断裂带不仅是中国著名的活动性强震带,也是川西最强烈的地热活动带之一[2-3],其中,康定至道孚段分布有30个以上的温泉群。水热活动会对铁路施工及后续的运行产生不利影响,是川藏铁路穿越鲜水河断裂带需要考虑的重要因素之一。研究鲜水河断裂带的水热活动模式、运移过程及理化性质不仅可为隧道选线提供依据,也能为该地区未来地下工程建设的热害预测及防治提供一定的参考。

    目前,大部分观点认为鲜水河断裂带上的热水不是相互孤立的水热系统。众多学者通过不同方法对鲜水河断裂带的热水成因做出了一定判断。赵庆生[4]通过分析康定榆林宫至道孚段的热水水质,总结出该段热水具有地球化学分带性,认为该段的热水来自共同热储。陈喜昌[5]通过热水理化性质分析,认为康定地区热水属于柱状汇流型成因机制。罗来麟[6]和梁云甫[7]等分析温泉出露位置及构造部位,认为川西温泉主要出露于主断裂与次级断裂交汇处。此外,刘艳明[8]通过可控源音频大地电磁法推测康定驷马桥小热水地区存在一个分布不均匀的带状热储;Zhang[9]、李午阳[10]等利用重力异常、航磁异常及地震S波进行分析,得出鲜水河断裂带康定地区深部约17.5 km处存在一个东西向的大型侵入岩浆囊,可能是鲜水河断裂带热水成因的重要热源之一。李晓等[11]通过水化学和氢氧同位素分析,总结出康定至道孚段的热水水化学规律和水热活动强弱特征,认为热源与岩浆侵入有关。

    上述对鲜水河断裂水热系统的分析,多数都离不开对水热系统热焓–溶质关系的研究。焓的物理表征为水热系统的温度;溶质体现在水中组分的含量,如阴、阳离子含量,偏硅酸浓度等。热焓–溶质关系的研究即为使用Na–K–Mg平衡关系图解判断热水达到平衡状态后,运用阳离子温标推算热储温度,以及使用硅–焓特征推算冷、热水混合程度的过程[12-18]。除此之外,在其他水热系统特征研究中,使用氯–焓特征绕过温标法受化学平衡条件的限制,以及冷水混合的影响,对热水冷却过程进行分析[19-22]。如:Mutlu[23]、Guo[24-25]等使用氯–焓图分别对土耳其阿菲永地区、中国西藏羊易地区、中国西南地区的热水冷却过程和热储温度进行分析。

    目前,尚无综合运用上述多类热焓–溶质关系,分析鲜水河断裂水热运移过程、水热通道特征的研究。本文通过鲜水河断裂带水热活动中热焓–溶质的内在联系,剖析热水冷却过程及运移模式,讨论热水汇流特征,建立康定至道孚段多级次、多类型热水运移、冷却的概念模型,识别工程区热害类型和特征,探讨川藏铁路隧道选址的合理性,为隧道施工提供建议。

    研究区位于中国西南部,地处四川西部与西藏东部交界。鲜水河断裂带位于青藏高原东缘,大致呈北西走向,与东侧北东走向的龙门山断裂及南侧南北走向的安宁河断裂共同构成了“Y”字型构造。鲜水河断裂是一条板块内大型左旋走滑活动断裂带,大地构造上位于松潘—甘孜地槽褶皱系内部,其北东侧和南西侧分别为巴颜喀拉块体和川滇块体[26-28],如图1(a)所示。鲜水河断裂带分为北西段、中段及南东段。研究区展布的次级断裂有鲜水河断裂北西段的左旋次级断裂—乾宁断裂(F1);鲜水河断裂中段近于平行展布的3条北西向次级断裂,分别为雅拉河断裂(F2)、色哈拉断裂(F3)和折多塘断裂(F4),以及鲜水河断裂南东段(F5[29-31],如图1(b)所示。

    图  1  研究区构造纲要及水热活动区分
    Fig.  1  Tectonic outline and hydrothermal activity division of the study area
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    鲜水河断裂带是川西地热活动最强烈的地区之一,如图1(b)所示。康定至道孚温泉出露频繁,热水沿断裂带与次级断裂交汇部位出露,形成康定、中谷、八美和道孚4个水热活动区,呈串珠状分布,且各水热活动区之间无典型温泉群出露。康定水热活动区处于雅拉河断裂(F2)和色哈拉断裂(F3)交汇处,南北大致以榆林宫和二道桥为界,温泉多于河谷谷底出露;中谷水热活动区位于康定水热活动区西北方,处于雅拉河断裂(F2)上,该活动区温泉多出露于雅拉河两侧河谷;八美水热活动区处于鲜水河断裂带北西段乾宁断裂(F1)和中段交接部位,热水平均出露高程相对前两个活动区较高,且温泉出露的数量明显减少;道孚水热活动区温泉主要沿次级北东向张扭性断层分散出露,平均出露高程最高。各水热活动区内热水出露特征大致相同,均表现为活动区内含多个温泉群,且各温泉群内有泉眼若干[11,32]

    研究区内大面积出露变质岩,岩性以变质砂岩为主。以侵入岩为主的岩浆岩包括晋宁期康定杂岩、印支期黑云母花岗岩和燕山期黑云母花岗岩与混合岩,主要以块状–带状分布,大面积出露在鲜水河断裂带各次级断裂两侧。此外,志留系的灰岩、大理岩及泥盆系的结晶灰岩沿二道桥至大渡河流域呈条带状分布,如图1(b)所示。

    表1为鲜水河断裂带康定榆林宫至道孚热水水化学数据。

    表  1  鲜水河断裂带康定榆林宫至道孚热水水化学数据
    Table  1  Hydrothermal hydrochemical data from Yulingong to Daofu in Kangding, Xianshuihe fault zone
    地点 热水点编号 位置 出露温度/℃ 矿化度/
    (mg·L–1)
    常量元素含量/(mg·L–1) 水化学类型
    Ca2+ Mg2+ Na+ K+ ${\rm{HCO}}_3^{-} $ ${\rm{SO}}_4^{2-} $ Cl SiO2
    榆林宫 S01 榆林村白湾 84 1 002.4 4.0 0.6 340.0 40.0 530.9 25.1 223.4 101.0 HCO3·Cl–Na
    S02 灌顶温泉 81 1 430.8 40.1 14.6 400.0 55.0 720.0 75.8 294.3 178.3 HCO3·Cl–Na
    S03 龙头沟温泉 70 1 649.6 12.0 29.2 550.0 56.0 1 019.0 0.1 260.6 93.6 HCO3·Cl–Na
    S04 榆林村温泉 64 1 949.7 7.0 7.3 650.0 75.0 1 304.3 16.4 340.4 95.6 HCO3·Cl–Na
    ZK05 老榆林 209 2 868.0 3.5 1.9 954.0 96.5 895.4 22.2 875.1 171.2 HCO3·Cl–Na
    ZK06 老榆林 172 2 958.0 0.2 0.6 963.0 100.1 909.2 24.4 895.7 175.3 HCO3·Cl–Na
    ZK07 老榆林 210 2 427.0 0.1 1.9 840.1 86.5 1 006.9 39.9 705.7 154.0 HCO3·Cl–Na
    二道桥 S08 清泉村温泉 40 1 147.1 320.6 30.4 74.0 12.0 1 281.4 11.5 46.1 93.1 HCO3–Ca
    S09 二道桥 44 903.7 251.0 35.0 98.8 13.6 953.0 10.2 53.3 50.9 HCO3–Ca
    S10 二道桥 42 1 306.5 368.5 41.5 99.6 13.4 1 432.0 11.8 54.5 54.9 HCO3–Ca
    中谷 S11 热水塘1 47 1 009.3 71.1 16.4 270.0 30.0 897.0 6.5 64.9 96.5 HCO3–Na
    S12 热水塘2 62 1 315.8 80.2 13.4 340.0 32.0 1 128.8 5.0 83.3 114.5 HCO3–Na
    S13 亚拉乡1 45 1 297.5 98.2 20.7 390.0 38.0 1 281.4 10.0 99.3 96.2 HCO3–Na
    S14 亚拉乡2 50 1 222.0 90.2 21.3 370.0 36.0 1 305.8 2.9 85.1 85.2 HCO3–Na
    S15 大盖1 37 805.4 34.1 9.1 280.0 31.0 762.7 8.9 58.5 81.5 HCO3–Na
    S16 大盖2 46 1 132.0 45.1 7.9 290.0 34.0 915.3 8.6 76.2 104.5 HCO3–Na
    八美 S17 热水塘 48 584.1 40.1 4.3 185.0 12.0 549.2 3.0 35.5 75.0 HCO3–Na
    S18 亚拉神山 66 706.1 13.0 1.2 158.0 6.6 344.8 8.7 16.0 129.7 HCO3–Na
    道孚 S19 道孚二村温泉 54 640.8 46.1 7.3 165.0 16.5 616.3 9.4 9.2 78.8 HCO3–Na
    S20 七其沟温泉 32 1 188.9 182.4 35.3 195.0 20.0 1 080.0 146.4 23.8 40.6 HCO3–Ca·Na
    S21 新江沟温泉 49 1 446.6 28.1 20.7 530.0 20.0 1 543.8 22.2 0.4 50.2 HCO3–Na
    S22 龙晋沟1号温泉 42 956.2 61.1 18.2 280.0 15.0 1 012.9 4.5 16.7 52.8 HCO3–Ca·Na
    S23 苍龙沟温泉 41 777.7 84.6 48.0 130.0 20.0 863.0 14.0 3.9 44.5 HCO3–Na·Ca·Mg

    表1所示,榆林宫热水类型为HCO3·Cl–Na型,矿化度最高为2 968 mg/L,Cl含量最高为895.7 mg/L,最高出露温度为84 ℃;二道桥热水类型为HCO3–Ca型,Ca2+含量最高,最高矿化度为1 306 mg/L,Cl含量最高为54.5 mg/L,出露温度最高为44 ℃;中谷热水类型为HCO3–Na型,矿化度最高为1 315 mg/L,Cl含量最高为99.3 mg/L,出露温度最高为62 ℃;八美热水类型为HCO3–Na型,最高矿化度为706 mg/L,Cl含量最高为35.5 mg/L,出露温度最高为66 ℃;道孚热水水化学类型多变,但以HCO3–Na型为主,最高矿化度为1 447 mg/L,Cl含量最高为23.8 mg/L,出露温度最高为54 ℃。总体上,榆林宫至道孚的热水出露温度和Cl含量由南至北逐渐减小,呈现出水热活动由南至北逐渐减弱的特征。

    利用焓–质关系对热水数据进行筛选后,可估算热水的热储温度、混合程度及冷却过程,具体思路如下:1)利用Na–K–Mg平衡关系筛选处于部分平衡状态以上的热水,并利用阳离子温标估算其直接热储温度;2)使用硅–焓关系估算处于非平衡状态的热水的直接热储温度及混合程度;3)将前两步估算的直接热储温度与氯–焓关系相结合,推测热水的冷却过程及热水系统的深部热储温度。数据分析路线如图2所示,其中,直接热储为离地表热水最近的热储,深部热储为母地热流体来源的热储。

    图  2  数据分析路线
    Fig.  2  Data analysis roadmap
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    图3为研究区热水点Na–K–Mg三角平衡图解。如图3所示:康定榆林宫ZK05、ZK06、ZK07这3个钻孔的热水达到部分平衡;康定榆林宫S01处于部分平衡区下边界,其余热水点均为不平衡水。在Na–K–Mg三角平衡图中[33],大部分热水集中分布在三角图的Mg2+端,说明研究区大部分热水受到较多的冷水混合作用;此外,从Na–K–Mg三角平衡图中可大致读出处于平衡状态的热水热储温度约为240 ℃。

    图  3  研究区热水点Na–K–Mg三角平衡图解
    Fig.  3  Diagram of Na–K–Mg triangular equilibrium of hot water points in the study area
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    Na–K温标公式如式(1)所示:

    $$ t = \frac{{1\;390}}{{1.75 + \lg ({{\mathop c\nolimits_{{\text{Na}}} } \mathord{\left/ {\vphantom {{\mathop c\nolimits_{{\text{Na}}} } {\mathop c\nolimits_{\text{K}} }}} \right. } {\mathop c\nolimits_{\text{K}} }})}} - 273.15 $$ (1)

    式中:t为温度,℃; $\mathop c\nolimits_{{\text{Na}}} $ $\mathop c\nolimits_{\text{K}} $ 分别为Na+和K+浓度,mg/L。

    相比于其他温标公式,式(1)的计算结果受稀释和蒸汽分离的影响很小[34]。在已知研究区热水均来自高温热储环境的情况下,Na–K温标法的计算结果相对较好。ZK05、ZK06、ZK07这3个钻孔的钻孔深度依次为267、109和2 010 m,运用式(1)[33]估算平衡热水热储温度,结果见表2

    表  2  平衡热水Na–K温标热储温度及焓值
    Table  2  Equilibrium hot water Na–K temperature scale thermal reservoir temperature and enthalpy values
    编号 出露温度/℃ 孔深/m Na–K温标热储温度/℃ 焓/(kJ·kg−1
    S01 84.00 245.62 1 064.5
    ZK05 209.00 267 233.24 1 005.2
    ZK06 172.00 109 235.43 1 015.6
    ZK07 210.00 2 010 234.67 1 012.0

    因大部分热水受到冷水不同程度的混合而未达到新的水–岩平衡,故无法使用阳离子温标法对其热储温度进行估算。本文使用二氧化硅混合模型[14],即硅–焓图解对未平衡热水的热储温度进行估算。当热水满足混合后,无传导冷却且混合前后二氧化硅都未曾发生过沉积现象时,二氧化硅混合模型得到的结果合理,但即使不满足上述条件,该模型的应用结果仍然较好[34]。因为高温水热体系存在一定蒸汽损失,热储温度应处于石英溶解线和最大蒸汽损失线之间,但取样热水未达到当地沸点,热水蒸汽损耗的比重较低,故利用石英溶解曲线估算热储温度,得到榆林宫、二道桥、中谷、八美和道孚的热储温度分别为234、228、242、219、184 ℃,如图4所示。从图4可以看出,二道桥地区的温泉冷水混合比例最大,约为82%。

    图  4  热水硅–焓图解
    Fig.  4  Silicon–enthalpy diagram of hot water
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    图5为康定至道孚地热系统氯–焓图。如图5所示:A~F代表各处温泉氯、焓数据分布,I点为深部热储水汽分离点,线段AI表示深部热储通过绝热冷却形成钻孔热水的过程。冷水点G、榆林宫温泉B点和榆林宫钻孔A点在同一混合线上,榆林宫温泉相比钻孔热水表现出明显的混合作用,与Na–K–Mg三角图中表现出的冷水混合的结果一致,认为榆林宫钻孔A为深部热水经绝热冷却而得,其热储位置应处于线AI上。

    图  5  康定至道孚地热系统氯–焓图
    Fig.  5  Chlorine–enthalpy diagram of geothermal system from Kangding to Daofu
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    榆林宫热水的硅–焓图和Na–K地热温标的计算结果显示,其直接热储的温度约为235 ℃(对应焓值为1 014 kJ/kg),在图5中用水平直线①表示,直线①与AI的交点H代表榆林宫热水的直接热储位置。

    同理,由二道桥、中谷、八美和道孚的硅–焓图解可求出其直接热储温度,依次对应图5中的水平直线②、③、④和⑤。在图5中做出各地温泉点与冷水点G的连线,GJ、GK、GL、GM表示热水上溢至地表时与冷水混合的过程。研究认为,各系统温泉来自榆林宫下部的共同热储[4,35],二道桥热水在混合前可能与榆林宫钻孔水有一段相同的绝热冷却过程,在地壳某深度处从榆林宫热水通道分离,分离点位置分析如下。

    图5所示,假设二道桥热水分离位置为N点或位于N点与O点之间,热水需要经过混合作用才可到达J点,而NO也为榆林宫热水的上升途经,这说明榆林宫的热水在到达榆林宫分离点前已发生冷水混合,与图5显示的榆林宫热水从A点开始发生混合不符。所以,二道桥热水经过的点应在OI之间或重合于点O。假设二道桥的分离点V为OI之间的任意一点,V点与O点重合与不重合的区别在于,后者代表更深的分离深度,且在后者情况下,可能存在一段热水上溢的绝热冷却过程,即图5中的UJ段。两种情况下,热水均在J点与二道桥可溶岩层中的冷水混合。二道桥热水的分离点V是在榆林宫绝热冷却通道中浮动的点。

    与二道桥分析同理,中谷热水在线HI上的分离点不在线段PO之间,应在V点之上,或与V点重合。假设中谷的分离点R与V点重合时,图5表示中谷和二道桥的热水经过相同传导冷却后,中谷热水将先于二道桥热水上溢,这与两地实际位置关系矛盾。故中谷的分离点不会与二道桥的分离点重合,两个水热系统的分离点处于不同深度。

    八美和道孚的热水循环运移距离长,热储点在AI上应处于一个较高的位置,两地热水水化学特征相近,Cl和Na+含量不高,绝热冷却过程较短;同时,长距离运移使其温度较低,推测八美和道孚的热水均自S点,经传导冷却,先后在L和M点上溢与冷水混合,分别形成八美温泉和道孚温泉,此时中谷的分离位置R点可能位于V与S点之间,或与S点重合,两种情况的不同之处在于中谷热水分离点的位置不同。八美、道孚热水可能来自于相似的分离位置,但位置不能确定。

    分析显示,榆林宫存在沟通地表与深部热储的通道,通道的不同部位存在北西向的传导冷却通道;榆林宫地区的温泉直接来自深部热储,其他地区热水则是由该深部热储热水上溢时,自榆林宫通道分离、运移形成。

    如上所述,二道桥与中谷的分离点是浮动的,以二道桥分离位置V点与O点重合,以及中谷分离位置R点与S点重合的情况为例进行分析,对康定榆林宫至道孚段的热水运移过程进行推测,如图6所示。

    图  6  鲜水河断裂带榆林宫至道孚水热运移模式
    Fig.  6  Model of hydrothermal migration in Xianshuihe fault zone from Yulingong to Daofu
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    过程①:热水从榆林宫之下的深部热储S沿深大断裂经绝热冷却上升至浅部热储O点,随后继续沿断裂上升至榆林宫地表B,上溢至浅层时受到冷水混合作用;过程②:过程①的热水在上升至B点过程中,在O点以传导冷却方式向北西方向运移至J,接着由J点沿可溶岩含水层向上运移至二道桥形成温泉,该地的温泉受到冷水混合的比例最大,约为82%;过程③:热水从热储S往北西方向以传导冷却运移至T,然后,一部分热水由T点沿次级断裂以绝热冷却方式上溢至K点,继续上溢至中谷地表D的过程中受到冷水混合;过程④:运移至T的另一部分热水继续以传导冷却方式向北西运移至L,随后沿八美地区次级断裂上溢至地表E,上溢过程中受到冷水混合;过程⑤:过程④运移至L点的热水向北西方向以传导冷却方式运移至M后沿断裂上溢至道孚地表F点,上溢过程中受冷水混合。由于问题的复杂性,热储深度难以推测,更准确的信息需要更多资料才能确定,此运移过程仅为概念模式。

    图6所示,据上述对水热系统热水运移过程的推断,将康定榆林宫至道孚段分为6个区域(Ⅰ~Ⅵ)。结合热水运移特征,分析隧道穿越各区域时的工程热害条件及热害特征,并对热害危险程度进行判断。

    参考冯涛等[36]对隧道热害分析评估的标准,通过热水冷却方式推断热水通道的导热水能力,结合冷水混合程度,得到研究区内各假设穿越区域热害危险程度的相对高低,如表3所示。表3中:Ⅲ和Ⅵ区为隧道热害风险相对低的区域;隧道选择穿越区域Ⅲ具有合理性;区域Ⅵ为榆林宫至道孚段浅层热害危险程度最低的区域,未来有其他工程建设需要从北面穿越鲜水河断裂带,线路设计可优先考虑区域Ⅵ。

    表  3  热水冷却特征与工程热害关系
    Table  3  Relationship between hot water cooling characteristics and engineering heat damage
    水热体系 冷却途经 隧道穿越时热害分析 危险程度 选线建议及防控措施
    榆林宫水热系统 $\text{S}\overset{\text{①} }{\mathop{\to } }\,\text{O}\overset{\text{②}}{\mathop{\to } }\,\text{A}\overset{\text{③}}{\mathop{\to } }\,\text{B}$
    ①绝热冷却;②绝热冷却;③混合。
    ①→②的冷却过程为深度绝热冷却过程;表明水热通道贯通,强对流对传热有利,在断裂通道两侧地温高,热害程度呈断裂中心最强,向四周稍微弱。③为混合冷却过程。热水水化学类型为HCO3·Cl–Na型,特征保留了深部热水高Cl含量的特征,混合程度弱,混合后热水温度依然较高,围岩热害程度较大。若隧道从区域Ⅰ穿越,在断裂通道附近,可能会遭受高温热水带来的高岩温;若隧道揭露导水导热断裂,还会出现高温蒸汽引起的热害。 区域Ⅰ–高 不建议隧道从此区域穿越
    二道桥水热系统 $\text{S}\overset{\text{①} }{\mathop{\to } }\,\text{O}\overset{\text{②}}{\mathop{\to } }\,\text{J}\overset{\text{③}}{\mathop{\to } }\,\text{C}$
    ①绝热冷却;②传导冷却;③混合。
    ①的绝热冷却过程与榆林宫水热系统一致。②为一个缓慢流动、冷却程度很高的热传导过程,表明该过程通道不畅通,围岩导热能力较强,过程中氯含量没有变化,该过程可能仅有传热过程。③的混合冷却程度高,由水化学类型、硅–焓图解、氯–焓图均能获得此结论,混合程度为82%~85%,这与二道桥岩体破碎、分布碳酸盐地层有关。若隧道从区域Ⅱ穿越,热害程度比区域Ⅰ稍小,但是热害特征表现为分布面积较大,且热水水量大。 区域Ⅱ–中等 不推荐隧道从此区域穿越
    中谷水热系统 $\text{S}\overset{\text{①} }{\mathop{\to } }\,\text{T}\overset{\text{②}}{\mathop{\to } }\,\text{K}\overset{\text{③}}{\mathop{\to } }\,\text{D}$
    ①传导冷却;②绝热冷却;③混合。
    ①为一个缓慢流动、冷却程度小的热传导过程,表明该段围岩导热性可能较差。②为热水的快速减压绝热冷却过程,冷却幅度较大,断裂相交部位形成利于热水运移的良好导水导热通道,距离该通道越远,通道周围的热害程度越低。若隧道从区域Ⅲ穿越,由于底部围岩导热性差,浅层冷水混合较强,底部加热弱,浅层范围热害主要受次级导水导热断裂中热水影响。③为冷水混合冷却过程,硅–焓图和氯–焓图显示,冷水混合程度仅次于二道桥水热活动区。若隧道穿越区域Ⅳ,即穿越中谷地区的导水导热断裂,比起二道桥水热活动区,可溶岩不发育,冷水混合比较小,但热水温度较高,区域Ⅳ受高温热水影响。 区域Ⅲ–较低 隧道可穿越此区域。1)建议减少隧道埋深,避开含水岩层,绕开主要导热水断裂影响范围;2)加强隧道通风,高温段可采取人工制冷降温,做好疏排大量热水的准备;3)通过监测做好热害超前预报,合理规划施工人员作业时长。
    区域Ⅳ–中等 不推荐隧道从此区域穿越
    八美水热系统 $\text{S}\overset{\text{①} }{\mathop{\to } }\,\text{T}\overset{\text{②}}{\mathop{\to } }\,\text{L}\overset{\text{③}}{\mathop{\to } }\,\text{E}$
    ①传导冷却;②传导冷却;③混合。
    ①过程与中谷水热系统一致。②过程同为传导冷却,但是冷却程度远超过①,表明在T与L点之间的围岩导热能力要强于S与T点之间的围岩导热能力。③为混合冷却过程,冷水混合比在各水热系统为中等,约为74%,热水的温度相比前3个地区较低。若隧道从区域Ⅴ穿越,不仅受到两侧次级导水导热断裂中热水影响,也会受到下部热水向围岩传热的影响,虽然热水水量相对较小,但是围岩温度偏高,且分布范围较广。 区域Ⅴ–中等 不推荐隧道从此区域穿越
    道孚水热系统 $\text{S}\overset{\text{①} }{\mathop{\to } }\,\text{T}\overset{\text{②}}{\mathop{\to } }\,\text{L}\overset{\text{③}}{\mathop{\to } }\,\text{M}\overset{\text{④}}{\mathop{\to } }\,\text{F}$
    ①②③为传导
    冷却;
    ④混合。
    ①②③为传导冷却过程,热水埋深大,运移距离长,冷却程度高,对浅部围岩热害影响低。④为冷水混合过程,冷水混合量偏低,由于距离原始热储较远,热水温度较低。若隧道从区域Ⅵ穿越,整体热水水量不大,热水温度最低,热害主要发生在次级导水导热断裂附近,且热害程度低。 区域Ⅵ–低 隧道可从此区域穿越。1)建议减少隧道埋深,远离导热断裂;2)加强隧道通风降温措施及热水疏排准备。3)通过监测做好热害超前预报,合理规划施工人员作业时长。

    通过剖析热焓–溶质关系,加深了对鲜水河断裂带水热体系特征的认识,主要结论如下:

    1)探讨了研究区热水的化学平衡,梳理出可利用阳离子温标估算热储温度的对象。

    2)运用硅–焓模型估算不平衡水热体系的热储温度,判断热水与冷水的混合比例,得到榆林宫至道孚温泉的热储温度分别为234、228、242、219、184 ℃,二道桥地区冷水混合比例最大,榆林宫最小,分别为82%和68%。

    3)通过氯–焓关系讨论热水的冷却过程,建立康定至道孚段的热水运移模式。探讨康定至道孚段隧道穿行区域的热水汇流、运移通道特征及热水冷却过程,认为区域Ⅲ的热害主要来自可溶岩中的热水,热水受冷水混合比例大,温度偏低且集中在可溶岩层中,隧道从区域Ⅲ穿越鲜水河断裂带具有合理性;区域Ⅵ的热害主要是围岩的岩温,但其与热源距离远,围岩受传热影响较小,围岩温度相对低,可作为未来交通工程穿行的优先考虑区域。

  • 图  1   研究区构造纲要及水热活动区分

    Fig.  1   Tectonic outline and hydrothermal activity division of the study area

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    图  2   数据分析路线

    Fig.  2   Data analysis roadmap

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    图  3   研究区热水点Na–K–Mg三角平衡图解

    Fig.  3   Diagram of Na–K–Mg triangular equilibrium of hot water points in the study area

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    图  4   热水硅–焓图解

    Fig.  4   Silicon–enthalpy diagram of hot water

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    图  5   康定至道孚地热系统氯–焓图

    Fig.  5   Chlorine–enthalpy diagram of geothermal system from Kangding to Daofu

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    图  6   鲜水河断裂带榆林宫至道孚水热运移模式

    Fig.  6   Model of hydrothermal migration in Xianshuihe fault zone from Yulingong to Daofu

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    表  1   鲜水河断裂带康定榆林宫至道孚热水水化学数据

    Table  1   Hydrothermal hydrochemical data from Yulingong to Daofu in Kangding, Xianshuihe fault zone

    地点 热水点编号 位置 出露温度/℃ 矿化度/
    (mg·L–1)
    常量元素含量/(mg·L–1) 水化学类型
    Ca2+ Mg2+ Na+ K+ ${\rm{HCO}}_3^{-} $ ${\rm{SO}}_4^{2-} $ Cl SiO2
    榆林宫 S01 榆林村白湾 84 1 002.4 4.0 0.6 340.0 40.0 530.9 25.1 223.4 101.0 HCO3·Cl–Na
    S02 灌顶温泉 81 1 430.8 40.1 14.6 400.0 55.0 720.0 75.8 294.3 178.3 HCO3·Cl–Na
    S03 龙头沟温泉 70 1 649.6 12.0 29.2 550.0 56.0 1 019.0 0.1 260.6 93.6 HCO3·Cl–Na
    S04 榆林村温泉 64 1 949.7 7.0 7.3 650.0 75.0 1 304.3 16.4 340.4 95.6 HCO3·Cl–Na
    ZK05 老榆林 209 2 868.0 3.5 1.9 954.0 96.5 895.4 22.2 875.1 171.2 HCO3·Cl–Na
    ZK06 老榆林 172 2 958.0 0.2 0.6 963.0 100.1 909.2 24.4 895.7 175.3 HCO3·Cl–Na
    ZK07 老榆林 210 2 427.0 0.1 1.9 840.1 86.5 1 006.9 39.9 705.7 154.0 HCO3·Cl–Na
    二道桥 S08 清泉村温泉 40 1 147.1 320.6 30.4 74.0 12.0 1 281.4 11.5 46.1 93.1 HCO3–Ca
    S09 二道桥 44 903.7 251.0 35.0 98.8 13.6 953.0 10.2 53.3 50.9 HCO3–Ca
    S10 二道桥 42 1 306.5 368.5 41.5 99.6 13.4 1 432.0 11.8 54.5 54.9 HCO3–Ca
    中谷 S11 热水塘1 47 1 009.3 71.1 16.4 270.0 30.0 897.0 6.5 64.9 96.5 HCO3–Na
    S12 热水塘2 62 1 315.8 80.2 13.4 340.0 32.0 1 128.8 5.0 83.3 114.5 HCO3–Na
    S13 亚拉乡1 45 1 297.5 98.2 20.7 390.0 38.0 1 281.4 10.0 99.3 96.2 HCO3–Na
    S14 亚拉乡2 50 1 222.0 90.2 21.3 370.0 36.0 1 305.8 2.9 85.1 85.2 HCO3–Na
    S15 大盖1 37 805.4 34.1 9.1 280.0 31.0 762.7 8.9 58.5 81.5 HCO3–Na
    S16 大盖2 46 1 132.0 45.1 7.9 290.0 34.0 915.3 8.6 76.2 104.5 HCO3–Na
    八美 S17 热水塘 48 584.1 40.1 4.3 185.0 12.0 549.2 3.0 35.5 75.0 HCO3–Na
    S18 亚拉神山 66 706.1 13.0 1.2 158.0 6.6 344.8 8.7 16.0 129.7 HCO3–Na
    道孚 S19 道孚二村温泉 54 640.8 46.1 7.3 165.0 16.5 616.3 9.4 9.2 78.8 HCO3–Na
    S20 七其沟温泉 32 1 188.9 182.4 35.3 195.0 20.0 1 080.0 146.4 23.8 40.6 HCO3–Ca·Na
    S21 新江沟温泉 49 1 446.6 28.1 20.7 530.0 20.0 1 543.8 22.2 0.4 50.2 HCO3–Na
    S22 龙晋沟1号温泉 42 956.2 61.1 18.2 280.0 15.0 1 012.9 4.5 16.7 52.8 HCO3–Ca·Na
    S23 苍龙沟温泉 41 777.7 84.6 48.0 130.0 20.0 863.0 14.0 3.9 44.5 HCO3–Na·Ca·Mg

    表  2   平衡热水Na–K温标热储温度及焓值

    Table  2   Equilibrium hot water Na–K temperature scale thermal reservoir temperature and enthalpy values

    编号 出露温度/℃ 孔深/m Na–K温标热储温度/℃ 焓/(kJ·kg−1
    S01 84.00 245.62 1 064.5
    ZK05 209.00 267 233.24 1 005.2
    ZK06 172.00 109 235.43 1 015.6
    ZK07 210.00 2 010 234.67 1 012.0

    表  3   热水冷却特征与工程热害关系

    Table  3   Relationship between hot water cooling characteristics and engineering heat damage

    水热体系 冷却途经 隧道穿越时热害分析 危险程度 选线建议及防控措施
    榆林宫水热系统 $\text{S}\overset{\text{①} }{\mathop{\to } }\,\text{O}\overset{\text{②}}{\mathop{\to } }\,\text{A}\overset{\text{③}}{\mathop{\to } }\,\text{B}$
    ①绝热冷却;②绝热冷却;③混合。
    ①→②的冷却过程为深度绝热冷却过程;表明水热通道贯通,强对流对传热有利,在断裂通道两侧地温高,热害程度呈断裂中心最强,向四周稍微弱。③为混合冷却过程。热水水化学类型为HCO3·Cl–Na型,特征保留了深部热水高Cl含量的特征,混合程度弱,混合后热水温度依然较高,围岩热害程度较大。若隧道从区域Ⅰ穿越,在断裂通道附近,可能会遭受高温热水带来的高岩温;若隧道揭露导水导热断裂,还会出现高温蒸汽引起的热害。 区域Ⅰ–高 不建议隧道从此区域穿越
    二道桥水热系统 $\text{S}\overset{\text{①} }{\mathop{\to } }\,\text{O}\overset{\text{②}}{\mathop{\to } }\,\text{J}\overset{\text{③}}{\mathop{\to } }\,\text{C}$
    ①绝热冷却;②传导冷却;③混合。
    ①的绝热冷却过程与榆林宫水热系统一致。②为一个缓慢流动、冷却程度很高的热传导过程,表明该过程通道不畅通,围岩导热能力较强,过程中氯含量没有变化,该过程可能仅有传热过程。③的混合冷却程度高,由水化学类型、硅–焓图解、氯–焓图均能获得此结论,混合程度为82%~85%,这与二道桥岩体破碎、分布碳酸盐地层有关。若隧道从区域Ⅱ穿越,热害程度比区域Ⅰ稍小,但是热害特征表现为分布面积较大,且热水水量大。 区域Ⅱ–中等 不推荐隧道从此区域穿越
    中谷水热系统 $\text{S}\overset{\text{①} }{\mathop{\to } }\,\text{T}\overset{\text{②}}{\mathop{\to } }\,\text{K}\overset{\text{③}}{\mathop{\to } }\,\text{D}$
    ①传导冷却;②绝热冷却;③混合。
    ①为一个缓慢流动、冷却程度小的热传导过程,表明该段围岩导热性可能较差。②为热水的快速减压绝热冷却过程,冷却幅度较大,断裂相交部位形成利于热水运移的良好导水导热通道,距离该通道越远,通道周围的热害程度越低。若隧道从区域Ⅲ穿越,由于底部围岩导热性差,浅层冷水混合较强,底部加热弱,浅层范围热害主要受次级导水导热断裂中热水影响。③为冷水混合冷却过程,硅–焓图和氯–焓图显示,冷水混合程度仅次于二道桥水热活动区。若隧道穿越区域Ⅳ,即穿越中谷地区的导水导热断裂,比起二道桥水热活动区,可溶岩不发育,冷水混合比较小,但热水温度较高,区域Ⅳ受高温热水影响。 区域Ⅲ–较低 隧道可穿越此区域。1)建议减少隧道埋深,避开含水岩层,绕开主要导热水断裂影响范围;2)加强隧道通风,高温段可采取人工制冷降温,做好疏排大量热水的准备;3)通过监测做好热害超前预报,合理规划施工人员作业时长。
    区域Ⅳ–中等 不推荐隧道从此区域穿越
    八美水热系统 $\text{S}\overset{\text{①} }{\mathop{\to } }\,\text{T}\overset{\text{②}}{\mathop{\to } }\,\text{L}\overset{\text{③}}{\mathop{\to } }\,\text{E}$
    ①传导冷却;②传导冷却;③混合。
    ①过程与中谷水热系统一致。②过程同为传导冷却,但是冷却程度远超过①,表明在T与L点之间的围岩导热能力要强于S与T点之间的围岩导热能力。③为混合冷却过程,冷水混合比在各水热系统为中等,约为74%,热水的温度相比前3个地区较低。若隧道从区域Ⅴ穿越,不仅受到两侧次级导水导热断裂中热水影响,也会受到下部热水向围岩传热的影响,虽然热水水量相对较小,但是围岩温度偏高,且分布范围较广。 区域Ⅴ–中等 不推荐隧道从此区域穿越
    道孚水热系统 $\text{S}\overset{\text{①} }{\mathop{\to } }\,\text{T}\overset{\text{②}}{\mathop{\to } }\,\text{L}\overset{\text{③}}{\mathop{\to } }\,\text{M}\overset{\text{④}}{\mathop{\to } }\,\text{F}$
    ①②③为传导
    冷却;
    ④混合。
    ①②③为传导冷却过程,热水埋深大,运移距离长,冷却程度高,对浅部围岩热害影响低。④为冷水混合过程,冷水混合量偏低,由于距离原始热储较远,热水温度较低。若隧道从区域Ⅵ穿越,整体热水水量不大,热水温度最低,热害主要发生在次级导水导热断裂附近,且热害程度低。 区域Ⅵ–低 隧道可从此区域穿越。1)建议减少隧道埋深,远离导热断裂;2)加强隧道通风降温措施及热水疏排准备。3)通过监测做好热害超前预报,合理规划施工人员作业时长。
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图(6)  /  表(3)

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