尚彥軍， 金維浚， 肖 剛， 何萬通， 楊 朋， 白云翔

(1.中國科學院地質與地球物理研究所， 北京 100029； 2.中國科學院大學， 北京 100049； 3.中國科學院高能物理研究所，北京 100049； 4.水電水利規(guī)劃設計總院， 北京 100120； 5.中國地質調查局天津地質調查中心， 天津 300170)

1 研究背景

稻城縣以高海拔亞丁和海子山為主的香格里拉文化生態(tài)旅游而聞名，對其水文地質研究主要在溫泉的水文地球化學[1]、同位素組成及其冰雪消融來源[2]、旅游經(jīng)濟開發(fā)[3]等方面。作為世界海拔最高的民用機場，亞丁機場設立了氣象站開展了多年的觀測，得到該地多年降水變化特征[4]。為更好地開發(fā)利用水資源而建設的水電站多集中在稻城河下游地區(qū)[5-6]。不同于受斷裂構造控制而流量大、動態(tài)變化小的溫泉，河谷上游地區(qū)大片花崗巖分布區(qū)受古冰川作用而發(fā)育眾多海子，堆積了大量第四紀冰磧物。受控于大氣降水、冰雪融水及地表徑流補給，地下水賦存和轉化形式多樣，顯示出高原花崗巖區(qū)獨特的水質和水量變化特點。

高海拔宇宙射線觀測站(Large High Altitude Air Shower Observatory, LHAASO)觀測基地位于四川省甘孜州稻城縣桑堆鄉(xiāng)的稻城-理塘公路100 km道班附近、亞丁機場東偏北約10 km處。LHAASO占地面積135.96 hm2，分布在直徑1 270 m的大圓范圍內，場地平均海拔4 410 m。項目核心科學目標是探索高能宇宙線起源以及宇宙演化、高能天體演化和暗物質研究[7]。中部布置3個凈深5 m的大型水池(水切倫科夫探測器陣列(water Cherenkov detector array, WCDA))，有效總面積78 000 m2。周邊有裝配大廳(水池西473 m)、變配電室、凈水站、超純水站、凈水循環(huán)站(4個)、標定室(2個)等一層建筑，總建筑面積4 204.76 m2。工程要求場地開闊平整以減少工程開挖量，但保有一定量天然水源供給以滿足水池充注需求，同時考慮防洪需要合理截排水。影響場區(qū)工程條件優(yōu)劣、對設計和施工有重要影響的是廣布的地表水、尺寸大而分布廣的冰磧塊石和濕地沼澤等3類對象。主要工程地質問題為河道岸坡沖刷和地下水潛蝕、表層土凍融以及盆地內不同成因和結構地質體接觸帶、不同埋深基巖面起伏所產(chǎn)生的地基差異沉降變形等問題。

2014年選定巴隆曲上游的場地[8]，2016年開展工程地質詳勘，范圍為上述水池及建筑物區(qū)域[9]?？辈旖Y果表明其水文地質條件基本滿足工程需求。2020年2月以來該觀測站科學觀測數(shù)據(jù)獲取穩(wěn)定，LHAASO工程設計和施工取得成功，說明對觀測基地的水文地質條件勘察結果和建議科學可行。因此，有必要對其進行分析總結，以便為高海拔區(qū)類似工程建設和水資源科學利用提供參考。

2 研究區(qū)域氣象地理條件

2.1 氣候和氣象特征

稻城縣6-9月處于雨季，10-次年5月處于干季，干雨季節(jié)分明，具有典型高原干-雨季氣候特征[10]，亞丁機場氣象站2009-2011年及2012年1-10月氣象參數(shù)統(tǒng)計見圖1。根據(jù)圖1中的2009-2011年氣象數(shù)據(jù)可知，場址區(qū)年均降水量為652.8 mm，月均最大降水量為204.4 mm，出現(xiàn)在7月，占年均降水量的31.3%，月均最小降水量為0.1 mm，出現(xiàn)在12月(圖1(a))；降水集中在5-9月，此間降水量占全年總量的93%以上，10-次年4月降水量極少，僅占全年總量的7%，6-9月降水量為575.0 mm，占全年總量的88.1%，2-5月春季降水量不大，但蒸發(fā)量較大(圖1(a))；全年日降雨量≥5.0 mm的平均降水日數(shù)為41 d，其中35 d集中在6-8月，其天數(shù)占全年降水日數(shù)的85.4%，6-9月天數(shù)占90.2%(圖1(c))。

全年平均降雪日數(shù)(含雨夾雪)為42 d，主要集中在3-5月上旬。全年積雪日為28 d，集中在1-4月和11-12月。全年最大積雪深度為35 cm。10-次年1月為寒冷而干旱的冬季。

亞丁機場新氣象站僅記錄了2012年305 d(2012年1月1日至10月31日)的氣象數(shù)據(jù)。由圖1(d)可知，2012年降水集中在6-9月，該期間降水強度大、天數(shù)多，大雨(24 h降水量≥25.0 mm)數(shù)為5次，分別出現(xiàn)在6、7、8月，其中最大日降水量為48.3 mm，出現(xiàn)在8月。從2012年不完全氣象記錄結果來看，年降水量大于等于663.8 mm，年蒸發(fā)量大于等于1 083.8 mm。

圖1 亞丁機場氣象站2009-2011年及2012年1-10月氣象參數(shù)統(tǒng)計

2.2 湖泊和河流

稻城河為水洛河上游段，后者又名沖天河、無量河，是金沙江左岸一級支流，全長321 km， 流域面積13 720 km2。本研究區(qū)河流主要為稻城河上游的巴隆曲，發(fā)源于稻城縣北部海子山，源頭海拔高程在4 600 m 以上。

圖2顯示了巴隆曲上游海子山花崗巖區(qū)地形地質狀況及水系和冰蝕湖盆(海子)分布。第四紀冰川作用塑造了稻城古冰帽區(qū)1 145個冰蝕盆地，密度為0.3個/km2，以面積2～3 km2的為數(shù)最多[11]，較大的有興伊錯等冰蝕-冰磧湖。冰川作用形成多條冰磧壟和2個古堰塞湖，呈小盆地狀。

圖3為LHAASO場區(qū)地質條件、河流分布及測流點位置。由圖3可見，穿過場區(qū)的西小河和東小河在場地內呈曲流狀，與場地外部南小河在西南處匯合形成巴隆曲河；河流兩側河曲洼地發(fā)育有季節(jié)性湖泊和沼澤地，河流沖刷及湖沼沉積作用改變了場地多條冰磧壟；在低洼匯水盆地或河溪交匯處發(fā)育有河曲型沼澤，可見河流在洪水期改道而形成的大量牛軛湖。

注：圖中虛線框內為LHAASO場區(qū)，詳見圖3。

圖3 LHAASO場區(qū)地質條件、河流分布及測流點位置

2.3 地形地貌

LHAASO場址地處稻城縣城北部高原臺地，屬青藏高原東南緣丘狀高原向高原峽谷過渡的山原地帶。川西山地西北高、東南低，據(jù)切割深度可分為高山原和高山峽谷區(qū),主要山脈為沙魯里山。沙魯里山平面海子山高度最高，中心部位是夷平面上殘留的蝕余山，曾為冰川作用中心。受區(qū)域構造和第四紀冰期冰川、間冰期湖泊和河流作用影響，形成了典型的冰川侵蝕和堆積地貌，成為青藏高原最大的古冰體遺跡，有稻城“古冰帽”之稱，覆蓋于海子山海拔高程4 500～4 700 m的山頂夷平面之上，冰磧末端基本分布在海拔高程3 750～3 800 m[12]。稻城冰帽以中更新世倒數(shù)第3次冰期規(guī)模最大，冰川厚度超過500 m。全新世高溫時期稻城古冰帽絕大部分消失，在海子山道班附近發(fā)現(xiàn)底磧表面的黑褐色古土壤層[13]。

海子山為典型的丘狀高原，向南漸變?yōu)樯皆透呱綅{谷地貌。海拔高程多在4 400～4 500 m，高出場區(qū)河流120～400 m。山頂面波狀起伏，高差20～30 m，為中等強度侵蝕和堆積帶，發(fā)育冰蝕丘陵和冰蝕盆地以及冰磧壟和鼓丘。低洼地常見含巨大漂礫和厚度不等的底磧。在地形低洼帶以堆積作用為主，屬于冰川中等侵蝕和堆積帶，發(fā)育大片冰蝕巖盆、羊背巖群和寬淺的水下槽谷，在出口處停積了大片低矮終磧壟[13]。在低洼盆地中發(fā)育海子和沼澤(圖2)。

LHAASO場區(qū)規(guī)模巨大的冰磧壟后期遭受河流侵蝕狀況見圖4。S217省道0+100 km樁號附近可見與NE向河流走向近垂直的多條冰磧壟。壟長200～300 m，寬30～40 m，可見高度5～20 m。現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)約8 km2范圍內曾發(fā)育有7條冰磧壟、4個堰塞湖盆(圖3)，中間2個面積較大的盆地為現(xiàn)代草場，它們之間被冰川作用而殘留的橫穿側磧壟所分隔，后期河水突破這些冰磧壟堵塞而從某豁口處流出(圖4(a))。部分冰磧壟斷續(xù)延伸很長，形狀上或呈弧形終磧，或呈長條形側磧變化。

場地處在NE 走向的狹長溝谷中間，平均海拔高程約4 400 m，平均高差約20 m，地勢較為開闊。整體地形為南北高中間低，東高西低。場地中心點與WCDA 所處區(qū)域地形較平緩，整體為一小型低平平臺(巖盆)。據(jù)現(xiàn)場地質調查分區(qū)，場地中部以受河流沖積形成的砂礫區(qū)、濕地沼澤區(qū)為主，場地周邊及外圍主要為冰川堆積的大孤石區(qū)。其中沼澤濕地區(qū)面積約占19%，砂礫區(qū)約33%，大孤石區(qū)約占48%[8]。

現(xiàn)代河流沖刷和堆積作用塑造著當今地貌。河流縱坡降較緩，以側蝕作用為主，留下了巨石分布的河流切穿的豁口，在地形低洼地帶以堆積作用為主。場地西部近S217公路停車場曾發(fā)育大弧形終磧壟。測流斷面DC44西面的大冰磧壟在場地東部，該壟豁口即為西小河穿越而形成(圖3)。

3 水文地質條件

3.1 含水層與隔水層

從地震構造看，場地位于兩條第四紀活動斷裂，即西部德格-鄉(xiāng)城活動斷裂和東部理塘-德巫活動斷裂之間，場地避開了活動斷層和區(qū)域性大斷裂。穩(wěn)定的構造地塊使得場地區(qū)域花崗巖較完整，只有規(guī)模不大的NE向老斷層發(fā)育[14]。

場地區(qū)域位于義敦島弧帶，出露大片印支期到燕山期花崗巖[15]，可劃分為四期六幕。印支期花崗巖呈北西-南東展布、略向西弧形凸出的巖基狀，局部夾有細晶花崗巖脈、花崗正長巖脈等。與本工程密切相關的是侵入于早期冬措黑云二長花崗巖體中的海子山花崗閃長巖[14]。海子山場區(qū)出露主要為印支晚期中粒黑云母花崗閃長巖(γδ51-1)(圖2)。海子山花崗巖呈淺肉紅色，為中粗粒結構、塊狀構造。零星發(fā)育細晶巖脈、石英脈等中酸性巖脈，與原巖呈熔融接觸，結合緊密。

厚幾米至數(shù)百米的第四系主要分布在河谷、山麓等地帶，包括冰磧層、冰水堆積及河流沖洪積等松散堆積物。冰磧層主要由厚薄不均的含碎石砂土及漂礫組成，總體呈壟崗薄、坳地厚的變化特征。冰川冰水堆積為漂塊石、含碎石砂土。河流沖洪積堆積物為砂卵石等。

場區(qū)水文地質條件較簡單，主要為覆蓋層孔隙潛水和基巖裂隙水兩類，其受大氣降水和冰雪融水的補給，向西小河、東小河、巴隆曲河和低洼地帶排泄。巴隆曲河為場區(qū)最低侵蝕基準面。第四系松散堆積物發(fā)育，致使孔隙水發(fā)育而接受鄰近河水補給。完整堅硬的花崗巖為隔水層，基巖裂隙水不發(fā)育。覆蓋層孔隙潛水和基巖裂隙水特征分述如下：

(1)湖濱相細碎屑(砂)大孔隙含水層。在間冰期發(fā)育一定規(guī)模冰磧湖，或冰磧壟圍限而成堰塞湖，發(fā)育湖相地層?，F(xiàn)多見殘留在河谷盆地邊緣高處的成片裸露粗砂，分選相對好而級配差，多為2～4 mm細礫和大部分粗砂，其內摩擦角一般為25°～35°，內聚力基本為零。在湖濱或河流洼地，淺表發(fā)育厚約10 cm的黑色高原草甸，其后緣高處分布環(huán)帶片狀、環(huán)繞盆地的草場或“砂灘”。在表層草甸破壞后，其下松散粗砂易出現(xiàn)流沙或水土流失(圖4(c))。

(2)沼澤相粉砂小孔隙含水層。在幾個盆地中河曲發(fā)育的鄰近低洼部位多為灌木和水草發(fā)育的沼澤濕地。草甸多為孤立分布，其間多細流和滯留清水。在局部殘留的牛軛湖中多見粉黏粒物質，少有泥碳沉積(圖4(d))。衛(wèi)星影像顯示沼澤地冬季多為結冰的積水洼地，曲流河岸呈常年性積滯水，是高原面上自然的蓄水和調水池。沼澤下面多為粉砂組，黏粒組份較少。沼澤洼地中一些小型牛軛湖發(fā)育反映出雨季洪水沖刷的改道作用。

圖4 LHAASO場區(qū)規(guī)模巨大的冰磧壟后期遭受河流侵蝕狀況

(3)花崗巖裂隙水。淺表風化裂隙水發(fā)育，向深部一般為隔水巖層，只有在節(jié)理密集帶或斷層帶才呈現(xiàn)導水特性。完整的微風化花崗巖構成孔隙含水層之下大范圍的隔水層。地下水埋深一般較淺，淺部富水性好。在夷平面高地形成的冰蝕巖盆構成了儲水而底部隔水的小型湖泊(海子)和水體，在低洼盆地中易形成曲流河沼澤。

鉆孔揭示花崗巖多呈中、弱風化，部分呈強風化。強風化花崗巖厚為1.0～7.8 m，進入中風化深度5.9～20.3 m，未揭穿中風化花崗巖。場區(qū)基巖頂面起伏變化較大，埋深為4.6～25.4 m不等，頂面高程為4 368.1～4 395.1 m，總體呈北高南低、東高西低[9]分布。

3.2 匯水補給條件

本區(qū)屬于高原夷平面(4 400 m)上的多樣微地貌(盆壟溝崗)區(qū)。場地中發(fā)育有近南東走向的7條冰磧壟和呈串珠狀排列的4個橢圓形盆地。場地處于區(qū)域分水嶺中間，北東走向的河流洼地系多處被冰磧壟和冰蝕鼓丘分割的盆地，河流匯水主要來自北東和南東方向。盆地中水力坡度小，曲流河側蝕作用明顯，發(fā)育I級堆積階地和河流沖洪積以及沼澤淤積。

場區(qū)微地貌主要為冰磧壟崗、冰磧臺地、河流階地、殘留湖盆、堰塞湖、刨蝕溝、鼓丘和高臺崗地等。場地內部北東方向為兩條近平行的小河，即西小河和東小河，呈蜿蜒曲流，而南東方向為第3條河流，即南小河，其流向由近平行于前兩條河流的NE向急轉為近南北向，在場地外圍匯合形成巴隆曲河。上游被沖溝深切割，高差30～70 m。在架空石塊山坡分布地帶，常見地下水溢出和漫流。盆地中部河曲在低洼處形成湖沼，在高臺地支溝上部呈現(xiàn)水流滯緩的濕地或儲匯水洼地(圖4(e))。在高出河面約4 m的范圍較大的I級階地中，發(fā)育有淺水湖泊，多為季節(jié)性過水湖泊，湖水清澈而水深一般小于0.5 m(圖4(f))。其上游接納高處淺谷或濕地匯水，下游出口為漫流回返河道。場地區(qū)域地表為現(xiàn)代河曲發(fā)育的殘留冰磧湖盆地形，從地表水和地下水循環(huán)系統(tǒng)來看屬于地下水溢出帶和地表水局部儲匯水-總體徑流帶，具有較好的匯水補給條件(圖2、3)。

據(jù)地質勘察時(2016年8月)的實測地表水位，中心場地區(qū)域東、西小河水深0.3～0.8 m，一般為0.5～0.6 m，水位高程4 393～4 396 m，水位最低高程4 393 m位于場地東南部西小河與東小河交匯處，最高高程4 396 m位于場地北部的東小河入場地處。據(jù)調查，東、西小河最高洪水位比調查時的地表水位高出1 m左右，故場地區(qū)域最高設計洪水位高程為4 397 m[9]。

4 河流徑流量及水質

結合現(xiàn)場多處測流斷面監(jiān)測數(shù)據(jù)和流域面積、大氣降水分布和地表徑流系數(shù)，實測并計算河流及S217公路過路涵洞流量。

4.1 測量點所屬河溪

在場地中選取流量測點和水樣采集點共11個(其中8個為溪流流量測點和水樣采集點，3個為S217公路涵洞流量測點，見圖3)。測流點D44和D53屬西小河，測流點D58和D70屬東小河。西小河與東小河首先在場地中部交匯，在其匯成的干流處選取測流點D83進行流量測計，此干流最終與南小河在南部交匯，形成一條向場地南西流出的總干流巴隆曲。在南小河下游選取測流點D24、在總干流選取測流點D81進行流量測計。沿S217公路自南向北對于3處涵洞(測流點D163、D130和D164)進行過流量測。圖3中同時標出了水樣采集點D58、D9。

4.2 測量方法簡述

選取河道較平直、水流較平穩(wěn)的河段，采用傳統(tǒng)流速面積法測量河流各測點處的流量(圖4(b)為測量場景)。對于3處涵洞，因其水流量較小，采用易操作的量杯法進行流量測量。

流速面積法是在垂直于流向的河道橫斷面上進行相關水力要素的測量和流量計算。在斷面垂線上用測深桿測量水深，并通過纜索測定垂線與岸邊起點的間距。兩相鄰垂線的間距乘以其間平均水深為部分過流面積，其總和為斷面過流面積，斷面流速與斷面過流面積的乘積即為測點處斷面流量。

采用流速面積法進行流量測量時，在測量斷面上、下游選取間距約為5 m的兩個斷面，測量斷面的選取遵照以下原則：兩測量斷面所在河道寬度變化較小，兩斷面間水流較平穩(wěn)，避開水流過于湍急或漩渦處，避開河床上石塊或卵礫石過大過多處。另外，量測盡量選擇在無風時段進行。

在現(xiàn)場采用秒表、漂浮物等測量河道斷面流速。通過計算時間t內漂浮物位移L便可求得水流流速V，再采用公式(1)求得該河道斷面流量Q河。

Q河=S·V

(1)

式中：Q河為河道斷面流量，m3/s；S為過流斷面面積，m2;V為斷面流速，m/s。

因涵洞測流點D164和D130處的水流量較小，故選擇量杯法測量流量。通過反復測計量杯中的水達到某個量程M時所需時間t，由公式(2)求得涵洞過流流量。

Q涵=M/t

(2)

式中：Q涵為涵洞過流流量，m3/s；M為量杯中水的體積，m3；t為測流歷時，s。

4.3 測量結果匯總

對某測點上、下游兩個斷面分別量取過流面積和計算流量，則該段河流流量為兩個斷面流量的面積加權和平均值，即(上游斷面各分段流量乘以面積+下游斷面各分段流量乘以面積)/ 2個斷面面積之和。

為降低測點流量的人為測量誤差，需對所測數(shù)據(jù)進行核檢。通過計算得出總體取平均值與剔除極大或極小值之后取平均值的結果相差不大，表明2014年9月現(xiàn)場考察中人為測量的地表水流量的計算結果較為可信。將場地各測流斷面的流量計算結果列于表1。自上游流入場區(qū)的地表水為：西小河(測點D44)+東小河(測點D58)+2個涵洞(測點D164和D130)，其總流量為0.782 m3/s。三者之和小于上游兩河交匯處(D83測點)干流流量0.948 m3/s，說明地表徑流對盆地中地下水有補給作用。下游有南小河水匯入，總干流流量達1.295 m3/s。將所測流量用于雨季150 d、旱季215 d折減30%作為年徑流量，結果為23 999 976 m3，取整為2 400×104m3。

表1 LHAASO場地各測流斷面現(xiàn)場測流計算結果

2014年9月現(xiàn)場測量時發(fā)現(xiàn)河岸洪水跡線高出水面約0.5 m?？紤]到非汛期水量有所減少，故該次現(xiàn)場所測流量不是洪峰流量，水流清且流速不大，基本代表正常豐水季地表徑流量。

另外采用降水產(chǎn)流方法計算徑流量。根據(jù)1∶100 000地形圖和Google衛(wèi)星影像圖計算出西小河、東小河、南小河流域面積分別為10.13、7.23、15.96 km2。S217公路西側的涵洞進入場區(qū)之前的匯水面積按5 km2計算?？紤]到高原地形和稻城冰帽發(fā)育特征，花崗巖完整性較好，且植被不發(fā)育，灌木持水能力差，徑流系數(shù)取0.9[16-17]。結合年降水量650 mm，計算得到3條河流年地表徑流量分別為：西小河5 926 050 m3；東小河4 229 550 m3；南小河9 336 600 m3，公路西側經(jīng)由涵洞匯入的年徑流量約為2 925 000 m3。因而每年匯入和流經(jīng)本場地的地表徑流量約為2 241.72×104m3，取整后為2 242×104m3。

4.4 地表水質

對東小河和西小河水樣的化學全分析結果見表2。由表2可見，礦化度、硬度、陰離子和陽離子濃度均很低。礦化度約為0.085 g/L，小于1.0 g/L，屬淡水；硬度(以CaCO3計)小于75 mg/L，屬極軟水。從水化學分析結果計算的離子毫克當量數(shù)及毫克當量百分數(shù)看，陰離子HCO3-的值最高，陽離子K++Na+的值最高。河水pH值略高于7.0。

表2 東小河和西小河河水水質的化學全分析結果

用分式形式表示水化學成分的庫爾洛夫式表明，兩河均為HCO3-Cl-(Na+K)-Ca型水，屬中性的低礦化度、低硬度的I型水(阿廖金分類法)。西小河的水化學庫爾洛夫式如下：

兩河的總陽離子當量濃度為0.675 meq/L,低于世界河流平均值0.725 meq/L[18]。 總陰離子當量濃度1.16 meq/L，pH=7.2，偏中性。該結果與花崗巖為主的贛南小流域23個河水樣品相應參數(shù)平均值[19]較接近，尤其是K++Na+含量較高，反映大范圍裸露花崗巖對水質離子成分的影響。

受人類活動影響，地表水水化學類型雖可改變,但相對穩(wěn)定。例如，史欒生等[20]對花崗巖廣泛分布的廣東省主要河流2005年調查成果與第一次水資源調查成果對比表明：礦化度本次和第一次一、二級水調查占比分別為97.57%和100%，總硬度本次和第一次一、二級水分別為84.04%和100%。從水化學類型來看，兩次調查評價均以重碳酸鹽類水為主。

由于本場區(qū)淺表大孔隙土層透水性屬強-中等透水性地層，貫通性較好，且兩條小河從場地內流過。根據(jù)文獻[21]可知，場地環(huán)境類型屬于Ⅰ類，對本場區(qū)地下及地表水的侵蝕性CO2、pH值 、SO42-、Mg2+及總礦化度等分析成果指標表明，地下水及地表水對混凝土結構具微腐蝕性，對混凝土結構中的鋼筋具微腐蝕性。

5 地下水變化特征

5.1 地下水水位

場區(qū)水文地質條件較簡單，主要為覆蓋層孔隙潛水和基巖裂隙水兩類，受大氣降水和冰雪融水補給，向西小河、東小河、巴隆曲河和低洼地帶排泄。場地中部地形平緩開闊，西小河、東小河坡降較緩，切割較淺。盆地中透水性好的階地堆積厚度較大，地下水主要屬第四系孔隙潛水，礫砂和粗砂層為主要含水層。潛水面受河水位漲落影響較大。場地周邊多處見泉水出露，流量較小，在低洼地帶積水形成沼澤或濕地。

場地布置鉆孔31個(一般性孔26個，控制性孔5個)、探井15個。建筑物區(qū)勘察工程按周邊線及角點布置，間距15～40 m。考慮到WCDA水池區(qū)結構形式和技術要求，在水池區(qū)域邊角及中心線上按55～75 m布設勘察鉆孔。一般性勘察孔深度為10～15 m，控制性勘察孔深度為30 m。鉆孔揭示場地外圍大孤石區(qū)地下水位埋藏較深，多位于基巖頂面附近或以下。場地中部和南部沼澤濕地區(qū)和砂礫區(qū)地下水位較淺?？辈鞎r實測地下水位埋深0.1～10.8 m，水位高程為4 387.4 m(10號孔)～4 396.0 m(26號孔)(表3，鉆孔位置見圖3)。根據(jù)鉆孔揭露，在場地西部邊緣的中南側及場地中心靠近河流區(qū)域的覆蓋層中存在粉土軟弱層，埋深0～11.2 m，厚1.4～5.9 m，呈透鏡狀產(chǎn)出于砂土層中。分析應為堰塞湖相沉積形成，易受壓縮產(chǎn)生變形、地基承載力低。

表3 鉆孔水位測量結果表[9] m

5.2 含水層滲透性

為了解土層滲透性做覆蓋層抽水試驗5段，試驗段總長度15 m。根據(jù)鉆孔抽水試驗結果，場地區(qū)覆蓋層0.0～10.0 m土體以漂塊石、碎石土、礫砂和粗砂為主，滲透系數(shù)K=1.15×10-1cm/s，為強透水；10.0 m以下土體以粗砂和中砂為主，K=4.27～4.92×10-3cm/s，為中等透水[22]。

在稻城河水電規(guī)劃梯級開發(fā)第二級電站日霍水電站，壩址處覆蓋層厚度超過40 m，采用懸掛式防滲墻布置方案防滲，計算得到含漂砂卵礫石層的最大滲透坡度降I為0.13(允許坡降為0.10～0.15)[6]。LHAASO場區(qū)基巖頂面起伏較大，埋深4.6～25.4 m不等，頂面海拔高程4 368.1～4 395.1 m。鉆孔26到10號孔直線距離248 m，地下水位高差8.6 m(水位高程差=4 396.0 m-4 387.4 m)，平均水力梯度I=0.034 68。

如滲透系數(shù)K取值5×10-2cm/s(合43.2 m/d)，按達西定律地下水流速V=KI，得地下水流速V=1.5 m/d。根據(jù)文獻[23]和工程經(jīng)驗，建議采用管井降水。在進行降水方案設計時，降水深度應降至開挖面以下0.5 m。據(jù)已有工程經(jīng)驗及相關工程類比，本場地砂礫層滲透系數(shù)K值建議為30～40 m/d。施工宜選擇在降水少的旱季，地表徑流量較小，塊石中間少水而便于炸藥發(fā)揮作用。施工期應布置好排水系統(tǒng)，預降地下水位，保障施工干場作業(yè)。基坑開挖時難以完全有效排水，應以堵截排水措施為主。開挖深度控制在潛水位面以上，做好抗?jié)撍×蛢雒浟τ绊懙谋胤雷o。砂礫區(qū)和大孤石區(qū)部分基坑開挖或基礎施工前須先工程降水。人工挖孔樁施工進入基巖后滲透系數(shù)低3～4個數(shù)量級，裂隙水滲流較小，可坑內明排。

5.3 水位變化原因

鉆探揭示地下水面與地面高程及覆蓋層厚度或基巖面起伏存在相關關系。從12個鉆孔的孔口高程和地下水位高程關系曲線看，兩者大致呈正相關(圖5(a))，即地面高程大則地下水位高程大，且地下水位一般埋深在5 m以內，個別孔(ZK10)可大至10.8 m，異常偏低。據(jù)本場地10、19和29號3個鉆孔波速測試報告，場地等效剪切波速為339 m/s，場地土屬中硬場地土，覆蓋層厚15～20 m，一般大于5 m，故建筑場地類別為Ⅱ類。覆蓋層厚度與水位埋深無明顯相關關系。相反，如覆蓋層厚度小，即基巖埋深小，水位埋深變大(如孔ZK10覆蓋層厚約5 m)(圖5(b))。

圖5 鉆孔地下水位與地表高程及覆蓋層厚度關系圖

為更好掌握含水層厚度和基巖頂面起伏變化情況，在LHAASO工程場地中要求較高的300 m×300 m WCDA區(qū)，布置東西向和南北向各3條長300 m高密度電法勘探剖面(圖3)，采用意大利地震電法系統(tǒng)PASI勘探。參考1∶10萬地形圖和數(shù)字地圖提取物探剖面地表高程。勘探深度150 m，點距5～10 m，勘探線總長1.8 km。

根據(jù)不同巖性和特征電阻率差異判斷地質體分布特征[24]。不同巖性電阻率范圍如表4所示。由物探反演解釋結果可大致確定基巖頂面埋深變化，場地中心區(qū)基巖埋深變化情況見圖6。這里基巖指中(弱)風化花崗巖，埋深指其頂面位于地面以下深度。從圖6可見，WCDA基巖埋深(因其位于全風化和強風化層之下，因而大于由鉆探確定的覆蓋層厚度。后者鉆探揭露的堆積層深度一般為15～20 m，變化范圍為14～60 m。

表4 LHAASO場區(qū)巖土體電阻率變化范圍

3條東西向剖面方向指向東、從北向南排列，最北部W1剖面基巖埋深從西向東變淺，從超過40 m變化到20 m，剖面中部埋深最淺約10 m。中間W2剖面基巖埋深從西向東變深，剖面中部埋深最淺小于15 m(ZK10孔大致位于該部位)。南部W3剖面其基巖埋深西部是WCDA區(qū)域最深地區(qū)，埋深可達90 m。3條南北向剖面從西向東排列，總體從西向東基巖埋深從N1近50 m到N2和N3剖面的超過20 m。每條剖面基巖埋深從北向南逐漸變淺。在WCDA區(qū)域西北角有一條近東西走向的隆起帶(圖6)。

圖6綜合呈現(xiàn)WCDA區(qū)基底面。由圖6可以看出，藍色部分表示基底面較深區(qū)，紅色為基底面較淺區(qū)。結果顯示草場中間基巖面埋深較小，一般在30 m以內。高低起伏總體不大，局部埋深很小，鉆孔ZK10位于該處。這與其地表面平坦的草場外貌基本一致。在東、西和南側河流急拐彎處，顯示幾個厚度較大低阻坳陷帶。在WCDA場區(qū)地下水位埋深較淺，含水層主要為河流相粗粒砂、砂礫巖層。場地近鼓丘山體地帶，巖體含水量少，淺表存在不同厚度風化層。

圖6 高密度電法勘探的場地中心WCDA區(qū)基巖面埋深及電阻率變化情況

6 截排水方案對比

河流沖刷作用常引起岸坡滑塌，帶來邊坡不穩(wěn)定性問題。場地冰磧壟所在區(qū)上部巨塊石區(qū)架空結構發(fā)育，下部為充填砂礫的較密實塊石。在緩坡處架空的大塊石下部往往成為地下水溢出帶和徑流帶。為保證LHAASO場區(qū)施工和運行安全，需規(guī)劃實施截排水工程。

最早提出將上游東小河水通過長約200 m的導流明渠引入西小河，在場地北側疏直西小河同時兼具排涵洞來水之功效，向西直線引水穿過側磧壟坳口，直至匯入場地西側季節(jié)性湖，再沿草場與壟崗邊緣排泄至南小河。這一方案(方案一)似與場地最大限度布設觀測裝置的目標存在一定沖突(圖7(a))。

建設單位提出的方案二是上游修建SE向渡槽，將西小河的水引入東小河；在S217道路東側低洼處的過水涵洞下游開挖截排水溝渠，將開挖溝渠平行于公路和塊石邊坡布置，將過水涵洞上游來水引入下游湖泊的處理方案。方案二存在的問題是對上游濕地和局部匯水難以有效收集和處理，且涵洞側引水明渠的上游截水效果和開挖溝渠水位抬高對其西側路堤的浸潤破壞作用會成為突出問題(圖7(b))。

方案三是將場地邊界設在西小河河道，場地大圓環(huán)整體東移，即將場地中心向東移動到鼓丘地形基巖上。將基巖山削平而承載主體的WCDA場區(qū)。方案三優(yōu)點是可極大地避免地表常年性流水影響，充分利用基巖山丘周邊草場崗地，較好避開了西側道路涵洞來水的專門開渠引流問題。缺點是其南端有一條NE向的季節(jié)性水溝，且場地平整時對大面積基巖丘崗工程處理難度和費用較大，但可以用作排水(圖7(c))。

圖7 LHAASO場地截排水方案對比

上述3個方案各有優(yōu)缺點，從工程地質專業(yè)技術角度，將方案二與方案三綜合后作為預可研階段優(yōu)先推薦方案。

在詳細工程地質勘察和初步施工方案確定后，對這3個方案做經(jīng)濟、環(huán)保和施工安全綜合對比，基本選定方案二和方案三組合優(yōu)化。最終的實施方案優(yōu)化許多，但工程量增大不少。加之環(huán)保要求嚴格，對方案反復比選而保留場內兩條原有河道為天然排水溝系，修一條弧形排水溝引導北邊S217涵洞來水入原西小河，開挖一條聯(lián)通渠保持原東小河通暢(圖7(d))。

為防排北部的兩條小河，1#、2#截水堤修筑于沼澤濕地區(qū)，導流明渠主要位于大孤石區(qū)，場內附屬建筑物主要位于砂礫區(qū)，MCD水池基坑開挖(填方)在3個分區(qū)均有涉及。1#截水堤位于場地外圍北西側沼澤濕地區(qū)，地基持力層主要為沖洪積的粗砂及礫砂。1#導流明渠位于場地北西側西小河礫石區(qū)及大孤石區(qū)，渠基持力層主要為冰水沉積的含礫粉土及粗砂。2#截水堤位于場地外圍東側東小河沼澤濕地區(qū)，地基持力層主要為沖洪積的粗砂及礫砂。2#導流明渠位于場地外圍東側大孤石區(qū)，渠基持力層主要為冰水沉積的粗砂及含礫粉土。

1#和2#導流明渠路線借用東側南小河河道后與下游南小河匯合，充分利用了原有河道，節(jié)省了開挖明渠長度，減少了對原始地貌的改變。

為排泄公路3個涵洞來水的弧形排水溝效果不理想。排水應是往西直排場外即整體排向下游，但實際排水方向卻相反，結果水又回到西小河上游，穿過整個場地才能排出。再者，排水溝深度略有不足，大量的水由溝底下方順坡進入場地北部。

因當?shù)厮?、氣象資料不全等問題，難以對峰值洪水做可靠計算，截排水按50 a防洪標準設計。場區(qū)截排水系統(tǒng)于2016年底基本建成，2017年雨季前投入使用。從近幾年兩條堤壩和明渠行洪能力來看，對5倍于正常流量的洪水行洪沒有問題。場內來水現(xiàn)主要是其自身匯集的水量和公路西側坡面匯集經(jīng)涵洞來水，后者匯水面比現(xiàn)有場地大。實際上西小河上游截流后，場地基本排掉了這些匯水。從實際效果看，排水設計思路正確，主流繞過LHAASO場地，適度留生態(tài)流量通過場地；保持原河道為場內的排水通道，從而利用了自然水流通道，最終取得了很好的工程效果。雖然場地內仍有部分原先未預見到的積水區(qū)域，只需局部引排即可解決。

7 結 論

LHAASO場區(qū)冰磧物堆積物發(fā)育，基巖面埋深10～90 m變化較大，多種成因、結構不同的堆積物相接觸。匯水盆地范圍清楚，以孔隙水為主，地下水埋藏淺，水文地質條件簡單。地表水測流結果與降水產(chǎn)流計算結果基本一致，年水量約為2 200×104m3。地表水礦化度低、硬度低，水質為I型水，為極軟淡水。

盆地中透水性好的階地堆積厚度較大，潛水面受河水水位漲落影響較大。地下水埋深受基巖頂面埋深影響很大。松散堆積物透水性中等，平均水力梯度I=0.034 68。

場地潛在地質災害主要為雨季洪峰帶來的大流量洪水、河流側蝕引發(fā)的岸坡滑塌災害，以及地基土凍融破壞。觀測站基坑開挖深度要控制在潛水位面以上，做好抗?jié)撍×蛢雒浟τ绊懙谋胤雷o。場區(qū)基坑開挖時難以完全有效排水，而應以截排水措施為主。上游引流至南小河的方案二和方案三組合得到采納應用，取得了比較好的工程效果。

致謝 :工作得到中國科學院高能物理研究所曹臻研究員、何會海研究員、白云翔和李鯤鵬副研究員等的大力幫助和支持。參加野外工作的還有張文輝、楊長德等。秦大軍博士對水質部分結果給出了有益的修改建議。文中引用了中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司勘察報告中部分數(shù)據(jù)。審稿專家和編輯部老師對論文提出了很多有益的修改建議。在此謹致謝忱！