基于三維非穩(wěn)定滲流分析的隧洞開(kāi)挖地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)

周人杰++沈振中+徐力群魯劍

摘要：水利工程中隧洞施工通常采用全部開(kāi)挖完成再襯砌的方法。如針對(duì)開(kāi)挖施工的短暫狀態(tài)采用穩(wěn)定滲流計(jì)算分析其對(duì)地下水環(huán)境的影響，并不符合實(shí)際，且往往會(huì)夸大地下水位降落的幅度和影響范圍，因此采用非穩(wěn)定滲流數(shù)值模擬技術(shù)來(lái)評(píng)價(jià)將更為合理。以某水電站發(fā)電引水隧洞施工為例，采用飽和非飽和非穩(wěn)定滲流理論，建立了引水隧洞區(qū)域的三維有限元模型，對(duì)隧洞開(kāi)挖過(guò)程中區(qū)域地下水非穩(wěn)定滲流場(chǎng)進(jìn)行了數(shù)值模擬，總結(jié)分析了隧洞從開(kāi)始挖掘到貫通過(guò)程的地下水變化規(guī)律并進(jìn)行地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：采用三維非穩(wěn)定滲流分析預(yù)測(cè)隧洞開(kāi)挖過(guò)程中地下水位降落和降落漏斗擴(kuò)大的過(guò)程是可行的；該工程引水隧洞開(kāi)挖對(duì)該區(qū)域地下水影響較小，地下水補(bǔ)排關(guān)系總體無(wú)變化。

關(guān)鍵詞：隧洞開(kāi)挖；非穩(wěn)定滲流；地下水環(huán)境；環(huán)境影響評(píng)價(jià)；三維有限元法；降落漏斗

中圖分類號(hào)：TV671文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：

16721683（2016）06013506

Effect of tunnel excavation on groundwater environment based on threedimensional unsteady seepage flow analysis

ZHOU Renjie1，2，SHEN Zhenzhong1，2，XU Liqun2，LU Jian3

（1.State Key Laboratory of HydrologyWater Resources and Hydraulic Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.The College of Water Conservancy and Hydropower，Hohai University，Nanjing 210098，China；3.Yichun Water Conservancy Bureau，Yichun 336000，China））

Abstract：During the construction process of tunnel excavation in a hydroproject，the method of all excavation completed before lining was commonly used.As for the seepage flow stability calculation on tunnel excavation temporary state to impact groundwater environment，which is not in line with the actual situation，and often amplifies the water level fluctuation and effective range.In view of this，adopting the technique of unsteady seepage numerical simulation to assess the impact on groundwater environment will be more reasonable.Taking the construction process of a diversion tunnel as an example，based on unsteady saturated and unsaturated seepage theory，the threedimensional finite element numerical model was established to calculate the transient seepage field of tunnel excavation area.The tunnel groundwater variation from commencement to completion of works was summarized.Groundwater environmental impact assessment on the process of tunnel excavation was done.The results showed that （1） it was feasible to predict the process of water level falling and affective range enlarging by threedimensional unsteady seepage flow analysis；（2） the groundwater in this region was less effected by excavation of diversion tunnel and groundwater recharge and discharge relations remained unchanged.

Key words：tunnel excavation；unsteady seepage flow；groundwater environment；environmental impact excavation；threedimensional finite element method；cone of depression

[JP2]水利工程隧洞開(kāi)挖過(guò)程中不可避免地會(huì)引起周邊地下水流場(chǎng)變化和地下水水位下降，導(dǎo)致周邊地區(qū)民用井、生產(chǎn)井等供水設(shè)施枯竭，甚至產(chǎn)生地面沉降、地裂縫、巖溶塌陷、濕地退化、土地荒漠化等環(huán)境水文地質(zhì)問(wèn)題，地下水環(huán)境問(wèn)題具有極強(qiáng)的隱蔽性、滯后性及難恢復(fù)性，應(yīng)引起足夠的重視[15]。隧洞施工過(guò)程[6]有邊開(kāi)挖邊襯砌與全洞開(kāi)挖完再襯砌兩種，前者對(duì)開(kāi)挖區(qū)域周邊滲流場(chǎng)影響較小，但由于隧洞開(kāi)挖工作區(qū)域小，采用開(kāi)挖和襯砌交叉作業(yè)不可避免的會(huì)造成施工干擾[7]，故當(dāng)平洞沿線地質(zhì)條件較好，斷面不大，洞線不長(zhǎng)時(shí)，大多采用一次或分部開(kāi)挖成洞[89]，然后進(jìn)行襯砌支護(hù)的方式。當(dāng)采用全段開(kāi)挖完再襯砌的施工方式時(shí)，隧洞周邊地下水位大幅度下降[1012]，隧洞貫通后會(huì)立即進(jìn)行襯砌，若取全段貫通時(shí)刻作為最不利工況計(jì)算其穩(wěn)定滲流狀態(tài)進(jìn)行分析，往往擴(kuò)大了隧洞開(kāi)挖對(duì)周邊地下水位的影響。

劉昌軍等[13]對(duì)隧洞襯砌后的地下水位恢復(fù)過(guò)程進(jìn)行了非穩(wěn)定三維滲流場(chǎng)數(shù)值模擬，蔣歡歡等[14]、盧錕明等[15]對(duì)隧洞開(kāi)挖完成后長(zhǎng)期運(yùn)行對(duì)地下水的影響做了分析。但是，考慮施工過(guò)程的短暫性，采用非穩(wěn)定滲流分析評(píng)估隧洞開(kāi)挖對(duì)地下水環(huán)境的影響的研究成果極少。結(jié)合某水電站工程，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和鉆孔取樣資料，確定引水隧洞區(qū)域的地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造以及天然狀態(tài)下地下水水位及補(bǔ)排關(guān)系；采用數(shù)學(xué)模型法[16]建立地下水水流模型，模擬實(shí)際開(kāi)挖進(jìn)度進(jìn)行區(qū)域地下水三維非穩(wěn)定飽和非飽和滲流計(jì)算[1718]，得到施工過(guò)程中各階段地下水流場(chǎng)受開(kāi)挖影響的程度和范圍，評(píng)價(jià)工程施工過(guò)程對(duì)地下水環(huán)境的影響。

3隧洞開(kāi)挖過(guò)程中地下水位變化規(guī)律

根據(jù)資料，施工開(kāi)挖由進(jìn)水口和下游上平段施工支洞兩個(gè)工作面進(jìn)入，采用鉆爆法分層開(kāi)挖，全洞[CM（22]開(kāi)挖完成后立即進(jìn)行襯砌，隧洞開(kāi)挖總歷時(shí)20個(gè)因隧洞穿越位置絕大部分為微風(fēng)化地層，故假設(shè)兩端勻速推進(jìn)，將引水隧洞按長(zhǎng)度等分為10段，利用三維有限元模型，計(jì)算步長(zhǎng)共分5步，每步時(shí)間為4個(gè)月，每一時(shí)步每個(gè)工作面開(kāi)挖148 m，模擬隧洞開(kāi)挖由上、下游兩個(gè)工作面按相同效率同時(shí)掘進(jìn)的施工過(guò)程。由此計(jì)算各時(shí)段的非穩(wěn)定地下水滲流場(chǎng)，分析其變化規(guī)律。

從最大降深樁號(hào)0+705 m位置水位降落歷時(shí)曲線圖3中可以看出，隧洞開(kāi)始挖掘后山體內(nèi)浸潤(rùn)線迅速降落，隨著開(kāi)挖工作面向山體內(nèi)部進(jìn)發(fā)，浸潤(rùn)線降落速度逐漸加快，開(kāi)始開(kāi)挖4個(gè)月后最大降深為534 m，開(kāi)挖8個(gè)月后為1792 m，12個(gè)月后為3352 m，16個(gè)月后為5055 m，開(kāi)挖20個(gè)月后隧洞全線貫通時(shí)樁號(hào)0+705 m位置降深為9197 m。

圖4為最大降深樁號(hào)0+705 m位置引水隧洞橫剖面位勢(shì)分布圖，樁號(hào)0+705 m位置見(jiàn)圖1和圖5。由圖可以看出，隨著開(kāi)挖過(guò)程水位逐漸降落，開(kāi)挖各時(shí)步浸潤(rùn)線與天然期水位線相交位置逐漸遠(yuǎn)離隧洞所在位置，即樁號(hào)0+705 m位置的降落漏斗范圍在逐漸增大，至開(kāi)挖20個(gè)月后隧洞全線貫通時(shí)，地下水位下降范圍距離中心分別為9368 m和8627 m。

圖5為引水隧洞軸線方向水位降落過(guò)程線，對(duì)下游開(kāi)挖面掘進(jìn)過(guò)程（圖中分水嶺左側(cè)）進(jìn)行分析，開(kāi)挖初始過(guò)程（0～8個(gè)月）時(shí)，上下游已開(kāi)挖位置的地下水水頭均較小，浸潤(rùn)線在當(dāng)前時(shí)步直接降至隧洞位置；開(kāi)挖一定距離后，新開(kāi)挖位置地下水水頭較大，山體內(nèi)浸潤(rùn)線在當(dāng)前時(shí)步明顯下降，并在之后的時(shí)步中繼續(xù)下降，直至降至隧洞位置為止，如第3時(shí)步（9～12個(gè)月）開(kāi)挖的區(qū)域直到開(kāi)挖接近尾聲時(shí)浸潤(rùn)線才完全降至隧洞位置。

由引水隧洞開(kāi)挖貫通時(shí)刻地下水位等值線圖6可見(jiàn)，等值線總體分布規(guī)律與天然期一致，僅在山體中部沿著隧洞軸線方向變得密集，地下水位急劇下降，而開(kāi)挖較早位置處等值線較為稀疏，說(shuō)明該處水力坡降小。

綜合結(jié)果表明，隧洞開(kāi)挖對(duì)地下水的影響是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，首先當(dāng)前位置開(kāi)挖后使得地下水位隨著時(shí)間的推移逐漸下降，垂直隧洞方向的影響范圍逐漸擴(kuò)大，與此同時(shí)，隨著開(kāi)挖過(guò)程的繼續(xù)進(jìn)行，新開(kāi)挖部分與之前開(kāi)挖部分的共同作用，使得地下水水位降深和降落漏斗不斷擴(kuò)大。因此縱觀整個(gè)開(kāi)挖過(guò)程，最初開(kāi)挖位置的地下水流場(chǎng)趨向于穩(wěn)定，而山體深處的部分仍處于非穩(wěn)定狀態(tài)，且最大降深位置位于山體內(nèi)分水嶺附近，因此，只有對(duì)隧洞開(kāi)挖過(guò)程進(jìn)行非穩(wěn)定滲流計(jì)算才能真實(shí)模擬隧洞開(kāi)挖對(duì)地下水環(huán)境影響的實(shí)際情況。

4區(qū)域地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)

依據(jù)《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則——地下水環(huán)境》（HJ 610-2011）進(jìn)行地下水環(huán)境影響的預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)。該工程屬于II類建設(shè)項(xiàng)目，應(yīng)重點(diǎn)依據(jù)地下水流場(chǎng)變化，評(píng)價(jià)地下水水位降低誘發(fā)的環(huán)境水文地質(zhì)問(wèn)題的影響程度和范圍。根據(jù)II類建設(shè)項(xiàng)目地下水環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作等級(jí)劃分條件，該工程地下水環(huán)境敏感程度等級(jí)為不敏感，環(huán)境水文地質(zhì)問(wèn)題分級(jí)為弱，預(yù)測(cè)建設(shè)項(xiàng)目引起的地下水位變化區(qū)域范圍中，綜合以上條件按二級(jí)評(píng)價(jià)等級(jí)開(kāi)展相應(yīng)的評(píng)價(jià)工作。預(yù)測(cè)結(jié)果表明：引水隧洞開(kāi)挖全線貫通未襯砌時(shí)，研究區(qū)域內(nèi)地下水總體補(bǔ)排關(guān)系不變，仍為山體補(bǔ)給河道，鄰近引水隧洞位置地下水位明顯下降，根據(jù)“導(dǎo)則”規(guī)定，狹長(zhǎng)坑道線性類建設(shè)項(xiàng)目的地下水水位變化區(qū)域半徑是以該工程中心線為中心的影響寬度，故確定引水隧洞施工期對(duì)地下水環(huán)境影響最大時(shí)刻的影響半徑為9368 m，影響范圍約為266 km2。由于該范圍的水位下降僅在隧洞開(kāi)挖施工期間短暫出現(xiàn)，導(dǎo)致土壤出現(xiàn)鹽漬化等現(xiàn)象的可能性較小，同時(shí)由于研究區(qū)域?yàn)橐还路澹車鷱澢暮拥拉h(huán)繞，是一個(gè)獨(dú)立的水文地質(zhì)單元，不存在具有直接補(bǔ)排關(guān)系的區(qū)域，因此隧洞開(kāi)挖施工對(duì)區(qū)域地下水環(huán)境影響較小。

5結(jié)論

[JP2]（1）隧洞開(kāi)挖過(guò)程中，當(dāng)前時(shí)步開(kāi)挖部分與之前、之后開(kāi)挖的部分存在相互作用。隧洞貫通時(shí)刻，最初開(kāi)挖位置地下水趨向于穩(wěn)定，山體深處部分仍處于非穩(wěn)定狀態(tài)，地下水位將隨著時(shí)間推移繼續(xù)降低。

（2）根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，隧洞開(kāi)挖使得沿線地下水位均有不同程度的降低，但影響范圍有限，不會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成永久影響。

（3）本次研究的電站引水隧洞位置山體為一座孤峰，沒(méi)有高山地下水補(bǔ)給，主要靠大氣降水維持地下水位，而建立的模型邊界為在分水嶺的指定水頭邊界，如能針對(duì)年降雨資料結(jié)合開(kāi)挖過(guò)程各時(shí)刻所處季節(jié)的降雨量，在模型地表給定不同的降雨流量邊界，會(huì)使模擬結(jié)果更加準(zhǔn)確。

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