運(yùn)用三維非穩(wěn)定流數(shù)值模型解決工程地下水影響的實(shí)例
--鼎湖山隧道開挖對(duì)地下水的影響

■唐發(fā)明（廣東核力工程勘察院廣東廣州510800）

運(yùn)用三維非穩(wěn)定流數(shù)值模型解決工程地下水影響的實(shí)例
--鼎湖山隧道開挖對(duì)地下水的影響

■唐發(fā)明
（廣東核力工程勘察院廣東廣州510800）

高速公路隧道的建設(shè)和生產(chǎn)過程中可能會(huì)對(duì)當(dāng)?shù)氐牡叵滤h(huán)境產(chǎn)生一定影響，主要是隧道施工及運(yùn)行期地下水水位下降和施工期間生活污水和生產(chǎn)廢水對(duì)地下水污染的地下水環(huán)境問題，根據(jù)擬建工程所在場(chǎng)地的文地質(zhì)條件和水文氣象資料，建立了鼎湖山1號(hào)和2號(hào)隧道的三維非穩(wěn)定流數(shù)值模型，分析隧道開挖時(shí)，涌水量的變化規(guī)律和地下水水位的影響范圍，為隧道的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，1號(hào)隧道建設(shè)期左線涌水量最大值155.81m3/d，右線涌水量最大值146.68m3/d，隧道排水側(cè)向影響寬度最大值約為634m；2號(hào)隧道建設(shè)期隧道右3段排水量最大，最大值為2552.20m3/d，隧道排水側(cè)向影響寬度左右最大值約為1235m。

工程水文地質(zhì)模型模型建立隧道涌水量

1　工程概況

擬建的鼎湖山1號(hào)隧道位于穿越近東西向北嶺山脈的鼎湖山群，隧道進(jìn)口位于肇慶市鼎湖區(qū)桂城鎮(zhèn)鼎湖山近東西向南坡；出口位于肇慶市鼎湖區(qū)坑口鎮(zhèn)西部山坡。隧道穿越低山區(qū)而建設(shè)，總體走向呈近東西向。隧道采用分離式，其中：左洞總長(zhǎng)680m，右洞總長(zhǎng)720m。

擬建的鼎湖山2號(hào)隧道位于肇慶市鼎湖區(qū)坑口街道辦迪村境內(nèi)，周邊為肇慶市鼎湖規(guī)劃區(qū)鼎湖國(guó)家級(jí)風(fēng)景區(qū)，地面建筑物密集，線路南西227o展布。隧道進(jìn)口位于位于鼎湖規(guī)劃區(qū)蓮花山腳向南伸出的山嘴，出口位于僅東西向山坡南坡腳下。隧道總體走向呈北東南西向向，全長(zhǎng)1190.00m，屬淺埋明挖隧道。

2　計(jì)算區(qū)水文地質(zhì)模型

計(jì)算區(qū)南部和西北部邊界為分水嶺，可將這些邊界概化為零流量邊界；計(jì)算區(qū)西部邊界為南北山峰之間的溝谷地帶，存在一定量的地下水側(cè)向徑流排泄，可概化為定流量邊界；計(jì)算區(qū)東部邊界為西河，概化為河流邊界；計(jì)算區(qū)底部在隧道以下較深的地下水流態(tài)受隧道影響較小，可概化為零流量邊界；對(duì)于計(jì)算區(qū)頂部邊界，在該處主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給，概化為潛水面邊界。未來隧洞施工期間，1號(hào)、2號(hào)隧道及其輔助工程處將成為地下水的排泄通道，可概化為排水溝邊界。區(qū)內(nèi)地下水運(yùn)動(dòng)符合達(dá)西定律，且三維特征顯著。

區(qū)內(nèi)的地下水滲透介質(zhì)為粉質(zhì)粘土、碎石土、花崗巖、粉砂巖及砂巖等以及破碎帶，區(qū)內(nèi)滲透介質(zhì)可概化為多孔介質(zhì)，具非均質(zhì)性，各滲透介質(zhì)內(nèi)部滲透性能變化不大，可視為均質(zhì)介質(zhì)。

區(qū)內(nèi)地下水主要接收大氣降水入滲補(bǔ)給和西部的側(cè)向徑流補(bǔ)給，主要排泄方式為向西河的排泄，在潛水面上存在少量的蒸發(fā)排泄。在隧道施工過程中，隧道涌水量將成為區(qū)內(nèi)地下水的主要排泄方式之一。水文地質(zhì)概念模型示意圖見圖1。

圖1　計(jì)算區(qū)水文地質(zhì)概念模型示意圖

3　模型建立

為了盡可能真實(shí)地反映斷層及巖層中地下水的滲流狀況，采用規(guī)則長(zhǎng)方體單元對(duì)研究區(qū)進(jìn)行了較細(xì)致的剖分。沿東西方向和南北方向，網(wǎng)格間距均為10m；這樣沿南北向?qū)⒂?jì)算區(qū)剖分為422列，沿南北向?qū)⒂?jì)算區(qū)剖分為525行。在垂直方向上，從計(jì)算區(qū)底面向上至標(biāo)高50m間，每隔5m剖分一層，共13層；從50m向上至200m間，每隔30米剖分一層，共5層；200m至300m，每隔50米剖分一層，共2層；300m以上剖分為一層，這樣將計(jì)算區(qū)在垂向上剖分為21層，在此基礎(chǔ)上，根據(jù)地面高程，將單元地面高于所在平面位置地面標(biāo)高的單元設(shè)置為非活動(dòng)單元。

研究區(qū)概化為7個(gè)參數(shù)區(qū)，其中模型第一層基巖區(qū)K為0.35m/d，給水度μ為0.04；溝谷區(qū)K為3m/d，給水度μ為0.1；第四系K為15m/d，給水度μ為0.3；中風(fēng)化基巖滲透系數(shù)K為0.031m/d，給水度μ為0.03；基巖破碎帶滲透系數(shù)K為0.3m/d，給水度μ為0.04。

根據(jù)多年平均降水量資料，通過建立隧道開挖前計(jì)算區(qū)多年平均條件下穩(wěn)定流模型計(jì)算得到初始流場(chǎng)，基本可以反映地下水流場(chǎng)趨勢(shì)。

根據(jù)所選定的施工進(jìn)度安排，1號(hào)隧道以每個(gè)單元格中的隧道施工所需的時(shí)間為單位，2號(hào)隧道以每段隧道的長(zhǎng)度在總長(zhǎng)中所占的比例為其依次分配相應(yīng)的施工時(shí)間為單位。正在施工的施工段，其隧洞排水標(biāo)高均為該段隧道底面標(biāo)高，隧道的滲透性能均為隧道施工時(shí)的滲透性能；當(dāng)某段已施工完并進(jìn)行襯砌后，其隧道排水標(biāo)高均為該段隧道底面標(biāo)高，隧道洞壁的滲透性能均為隧道襯砌后的滲透性能（施工時(shí)的滲透性能乘以0.1）；尚未施工的隧道位置，不設(shè)置隧道排水邊界。

本次模型采用美國(guó)地調(diào)局開發(fā)的地下水流三維有限差分計(jì)算程序MODFLOW—NWT法進(jìn)行求解。

4　隧道涌水量計(jì)算

4.11號(hào)隧道涌水量計(jì)算

1號(hào)隧道總工期為513天，1號(hào)隧道是由小里程至大里程方向施工。根據(jù)計(jì)算，施工結(jié)束3年末，左線總涌水量為138.73m3/d，右線總涌水量為128.68m3/d。施工結(jié)束10年末，隧洞總涌水量為142.62m3/d，右線總涌水量為132.92m3/d。由于所穿越的巖層、排水標(biāo)高、隧道長(zhǎng)度等不同，隧道各施工段施工期間涌水量也不盡相同。破碎帶對(duì)涌水量大小影響較為顯著，各施工段揭露破碎帶時(shí)，涌水量立即增大并出現(xiàn)一個(gè)峰值。施工結(jié)束時(shí)隧道的總涌水量達(dá)到最大值，之后立即衰減，涌水量逐漸減小并趨于穩(wěn)定(見表1)。

表1　1號(hào)隧道左右線各時(shí)刻涌水量統(tǒng)計(jì)表

4.22號(hào)隧道涌水量計(jì)算

2號(hào)隧道設(shè)計(jì)施工方案為明洞開挖。施工時(shí)分6段施工，依次命名為左（右）1～左（右）6，總工期786天。根據(jù)計(jì)算表明，施工期內(nèi)隧道左線左3段的涌水量最大，為2129.5m3/d，趨于穩(wěn)定時(shí)左3段的涌水量為383.4m3/d；右線右3段涌水量最大，為2552.2m3/d，趨于穩(wěn)定時(shí)右3段的涌水量為684.8m3/d。由于假定各施工段隧道的開挖在較短時(shí)間內(nèi)完工，在開挖完成時(shí)隧道的總涌水量達(dá)到最大值，之后不斷衰減，涌水量逐漸減小并趨于穩(wěn)定(如圖2)，最后各施工段隧道襯砌完工后，不再排水。

圖2　右3段涌水量歷時(shí)曲線

5　隧道涌水量對(duì)流場(chǎng)的影響

隧道施工對(duì)地下水滲流場(chǎng)的影響主要受各地層滲透性、隧道排水高差等控制。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，隨著隧道施工進(jìn)度的推進(jìn)，1號(hào)隧道地下水位下降幅度逐漸增大，降落漏斗除沿隧道方向隨施工進(jìn)度逐漸發(fā)展外，向隧道兩側(cè)也逐漸擴(kuò)展，側(cè)向影響寬度逐漸增大，在隧道施工10年時(shí)，地下水位下降5.56m，側(cè)向影響寬度為865m，影響范圍達(dá)479300.51m2(表2)。2號(hào)隧道地下水位變化規(guī)律與1號(hào)隧道相同，在隧道左（右）6段施工完成時(shí)，地下水位下降11.7m，側(cè)向影響寬度為1123m(表3)，2號(hào)隧道施工完成后，隧道不再排水，由2號(hào)隧道開挖引起的潛水面降深將逐步恢復(fù)。由于左（右）1段施工時(shí)受1號(hào)隧道影響，最大降深“異常”，與逐漸增大的規(guī)律不符。后期1號(hào)隧道與2號(hào)隧道的影響范圍重疊，表中短線表示未進(jìn)行影響范圍統(tǒng)計(jì)，地下水潛水面降深見圖3、圖4。

表2　1號(hào)隧道施工期和運(yùn)行期的預(yù)測(cè)結(jié)果

表3　2號(hào)隧道施工期和運(yùn)行期的預(yù)測(cè)結(jié)果

圖3　1號(hào)隧道施工結(jié)束時(shí)對(duì)地下水滲流場(chǎng)影響圖

圖4　2號(hào)隧道左（右）6段完工時(shí)對(duì)地下水滲流場(chǎng)影響圖

6　結(jié)論

將有關(guān)數(shù)據(jù)代入模型后即可計(jì)算出隧道開挖后隧道涌水量及其對(duì)地下水滲流場(chǎng)的影響。由計(jì)算結(jié)果可知：

（1）1號(hào)隧道建設(shè)期左線涌水量最大值155.81m3/d，右線涌水量最大值146.68m3/d，隧道工程在建設(shè)期和建成運(yùn)行期，排水量較小，對(duì)地下水水位影響較小。2號(hào)隧道建設(shè)期隧道右3段排水量最大，最大值為2552.20m3/d，隧道工程在建設(shè)期，排水量較小，對(duì)地下水水位影響較小，在運(yùn)行期，隧道工程為隔水體，不再排泄地下水。

（2）1號(hào)隧道地下水位下降幅度逐漸增大，降落漏斗除沿隧道

方向隨施工進(jìn)度逐漸發(fā)展外，向隧道兩側(cè)也逐漸擴(kuò)展，側(cè)向影響寬度逐漸增大，在隧道施工結(jié)束10年時(shí)，地下水位下降5.56m，側(cè)向影響寬度為865m，影響范圍達(dá)479300.51m2。2號(hào)隧道在建設(shè)期內(nèi)地下水位變化規(guī)律與1號(hào)隧道相同，在隧道左（右）6段施工完成時(shí)，地下水位下降11.7m，側(cè)向影響寬度為1123m，2號(hào)隧道施工完成后，隧道不再排水，由2號(hào)隧道開挖引起的潛水面降深將逐步恢復(fù)。

[1]HJ610-2011，環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則地下水環(huán)境[S].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2011.

[2]曹劍鋒、遲寶明、王文科等，專門水文地質(zhì)學(xué)(第三版)[M].科學(xué)出版社，2006.

[3]李俊亭，地下水流數(shù)值模擬[M].北京：地質(zhì)出版社,1989.

[4]盧錕明，引漢濟(jì)渭輸水隧洞（嶺北段）地下水環(huán)境影響研究[D].西安：長(zhǎng)安大學(xué)，2012.

[5]唐發(fā)明、任洪靖、李釗等，《廣佛肇高速公路肇慶大旺至封開江口段鼎湖山一號(hào)、二號(hào)隧道水文地質(zhì)專題評(píng)價(jià)》報(bào)告，2014.

P641[文獻(xiàn)碼]B

1000-405X（2016）-1-110-1

唐發(fā)明（1978～），男，2002年畢業(yè)于江西省撫州市東華理工學(xué)院（華東地質(zhì)學(xué)院），本科，研究方向?yàn)閹r土工程、水文地質(zhì)勘察。