九盤寺隧道地下水環境影響研究

王梓龍，吳昊宇，林華章，劉 浩

（1.西南科技大學 城市學院，四川 綿陽 621000；2.四川省公路規劃勘察設計研究院有限公司，成都 610059；3.中國三峽建設管理有限公司，成都 610000）

1 概述

西昌至香格里拉（四川境）高速公路工程，地處四川南部至云南的揚子準地臺西側，橫跨康滇臺隆和滇黔川鄂臺拗兩個二級構造單元，區域內山體山勢陡峻，屬于典型的高中山峽谷地貌，沿線主要水系為雅礱江及其支流。在地質條件復雜地區修建隧道工程可能對地下水環境產生較大影響，因此有必要查明工程區域水文地質條件，詳細調查和了解項目可能影響區域地下水的因素，找出項目建設的地下水環境制約因素，從而保證隧道建設對環境地下水影響最小［1-4］。

目前在預測隧道工程建設對水環境的影響方面已有諸多學者展開研究。郭淑娟等［5-6］運用GMS軟件中MODFLOW模塊對地下水流場數值模擬，經過驗證后的模型較好地反映了地下水系統的運動特征；董迎雯等［7-9］構建地下水數值模擬模型，利用觀測水位校正模型，耦合污染物運移方程模擬預測評價了濱海地區地下水環境影響。趙瑜等［10-11］對中梁山隧道水文地質進行分析，采用遺傳算法優化BP神經網絡，并對滲透參數進行反演，研究了隧道工程不同埋深、排水量對地下水環境的影響規律，并探究了隧道施工期和運行期地下水環境隨時間的演變規律。

2 研究區地質背景

2.1 地形地貌

九盤寺隧道位于涼山州西昌市境內，隧道全長9km，其最大埋深900m，屬于深埋隧道，隧道近直線穿越磨盤山，穿越段最高點位于九盤寺山頂，高程2450m，最低點位于隧道進口處，高程1500m，由于侵蝕作用居主導地位呈現出高谷深切又支離破碎的侵蝕構造高中山地貌類型，山嶺海拔2600～3400m，相對高差1000～1500m。隧道進口段為巖漿巖，植被發育，山頂山脊較為圓緩，溝谷呈放射狀。

2.2 地層巖性及構造

隧址區出露地層主要為：第四系砂礫卵石層、白堊系飛天山組砂巖、侏羅系粉砂巖和三疊系巖漿巖如圖1。

圖1 隧道進口附近花崗巖

區域位于安寧河斷陷褶斷帶與雅礱江寬緩褶皺斷帶之間，發育有多條近南北方向的壓性或壓扭性斷裂。其白塔溝斷裂、九溪頭斷裂等。隧址區構造如圖2。

圖2 隧址區構造略

2.2.1 褶皺

隧址區主要位于煌猶—德力鋪向斜東翼，巖層走向近南北，傾角30°～50°，向斜核部為三疊系白果灣組巖層，兩翼地層出露有白堊系飛天山組（K1f）長石石英砂巖，侏羅系新村組（J2x）粉砂巖、泥巖，牛滾凼組（J2n）鈣質泥巖。

2.2.2 斷裂

隧址區位于磨盤山斷裂帶，主要發育斷裂為安寧河斷裂、白塔溝斷裂、九溪頭斷裂及其次級斷裂。

2.2.2.1 安寧河斷裂（F1）

在研究區范圍內長達130km，由3～4條正斷層組成地塹構造，斷裂帶寬2～5km，破碎帶寬200～300m，略傾東，傾角80°；靠近主斷裂斷續分布有1～2條正斷層，破碎帶寬15～25m，傾角75°～80°。

2.2.2.2 白塔溝斷裂（F2）

走向近南北方向，傾角70°，發育長達75km，且該斷裂有次生有多條高角度斷裂。該斷層西側主要發育侏羅系地層，東側大量分布巖漿巖。

2.2.2.3 九溪頭斷裂（F3）

走向近南北方向，為一逆斷層，傾角60°～70°，發育長度達24km。斷裂帶附近巖石破碎，且常伴有陡坎等現象出現。

3 地下水類型及補給排特征

3.1 地下水類型

根據地下水賦存條件和含水介質，隧址區地下水類型以基巖裂隙水和碎屑巖類孔隙裂隙水為主。

3.1.1 基巖裂隙水

主要分布在隧道進口及中部大片區域，為侵入巖裂隙含水地層，巖性為花崗巖。在結構上大多以中粒為主，風化網狀裂隙較發育，風化帶厚度一般5～30m，裂隙率3%。泉流量0.01～0.1L/s，枯季地下徑流模數0.14～1.67L/s·km2。

3.1.2 碎屑巖類孔隙裂隙水

（1）以砂巖為主。主要分布在隧道出口段、泥巖夾砂礫巖、礫巖、泥灰巖，裂隙率3%～9%。

（2）以泥巖為主。基巖裂隙主要分布在隧道出口至中部，巖性為泥巖、砂巖夾泥灰巖、礫巖，裂隙率1.05%～5.5%，富水性弱，泉流量0.01～0.1L/s，枯季地下徑流模數0.65～1.2L/s·km2。

3.2 地下水補給排特征

隧址區水文地質條件較復雜，根據含水層特征、地下水流動特征，將九盤寺隧道隧址區分為兩個地下水系統來分析隧址區地下水的補給、徑流、排泄特征及其對隧道的影響如圖3。

圖3 九盤寺隧道水文地質剖面圖

3.2.1 碎屑巖裂隙水含水系統

該類型為粉砂巖、砂巖、泥巖地層，地下水主要接受大氣降水補給，區內主要有雅礱江和安寧河為最低侵蝕基準面，主要為地下水補給河水，部分地段河水補給地下水。區內的補給條件與降雨量、地形地貌、地層巖性等條件相關。

隧址區位于川滇南北向構造體系的中段，隧道穿越南北走向的磨盤山，為兩條大水系的地表分水嶺，分水嶺兩側受河流橫向切割強烈，地表徑流途徑較短，多沿溝谷滲透匯集，由于該類型地層以網狀小裂隙發育為主，地表滲入地下多以坡面片流滲入為主。該區日照劇烈，蒸發作用強。

3.2.2 巖漿巖裂隙含水系統

該類型地下水主要接受大氣降水補給，補給條件受地形地貌、地層巖性控制，在下水的埋藏和分布情況較為簡單，受巖石裂隙和地形地貌的影響，該巖層地下水主要分布在磨盤山分水嶺東側，地下水主要向東側徑流，沿區域溝谷沖溝徑流排泄，最終匯入安寧河。此外蒸發、蒸騰作用也是其排泄途徑之一。

4 地下水資源量計算

4.1 水文地質單元劃分

隧址區水文地質單元劃分依據地表分水嶺及地層巖性進行。水文地質單元主要沿地形展布，地下水分水嶺與地表分水嶺一致，評價區內地下水最終往九盤寺隧道兩側雅礱江、安寧河排泄，匯水面積為各溪溝的地表匯水面積，如圖4。

圖4 九盤寺隧道水文地質單元劃分

4.2 水資源量

地下水匯水量計算主要為隧道沿線區域，包括Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ所有區域，計算時以降雨入滲系數法確定其地表徑流量及滲流量。

九盤寺隧道地表徑流量及地下匯流量的計算如式（1）、式（2）：

式中 Q1為地表徑流量（L/s）；Q2為地下匯流量（L/s）；α為降雨入滲系數；W為每小時降雨量（mm/h）；F為流域面積（km2）。

4.2.1 各水系統匯水量

降雨入滲系數與降水量的大小、強度、地層巖性、地質構造、地形地貌及植被等因素有關。

本次參考TB10049—2004《鐵路工程水文地質勘查規程》，并考慮計算流域的巖性、形態、植被發育情況，確定降雨入滲系數計算值如表1。

表1 降水入滲系數經驗數據

隧址區出露較多砂巖、泥巖地層，第四系松散巖層降雨入滲系數取值0.24～0.3之間，侏羅系砂巖地層降雨入滲系數取值0.05～0.08之間；侏羅系粉砂巖、泥質粉砂巖、白堊系砂巖、粉砂巖地層降雨入滲系數取值0.10～0.15之間；三疊系石英砂巖、粉砂巖降雨入滲系數取值0.12～0.18之間；三疊系花崗巖降雨入滲系數取值0.01～0.10之間，各區入滲系數具體取值如表2。

表2 各區計算結果

4.2.2 匯流面積確定

本次計算以九盤寺隧道地質、地形圖為參考，按水文地質塊段分區圖中分水嶺和巖性圈定匯流面積計算匯流量。

4.2.3 降雨量確定

根據九盤寺隧道隧址區多年的氣象資料，該區平均降雨量963mm/a，即0.11mm/h。計算結果如表2。從表2可看出，本次劃定水資源量計算范圍262.32km2，該區總水資源量8015.33L/s；地表總徑流量（Q1）7147.34L/s；地下水徑流量（Q2）867.99L/s；九盤寺隧道穿越段（主要影響塊段）含水層主要為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ區域，該區域地下水總資源量273.5L/s，平均地下水徑流模數均值1.5L/s·km2。

5 地下水計算分析

5.1 隧道涌突水量

隧道涌水量除受水文地質條件控制外，還具有季節性變化大的特點。因此預測隧道涌水量時，需分別計算正常涌水量與雨季最大涌水量值。本次擬選取大氣降雨入滲系數法、地下水徑流模數法及地下水動力學法對隧道涌水量進行分段評價。

5.1.1 大氣降水入滲法

根據實際調查和區域水文地質資料，該區降雨入滲系數平均值取0.07，該區多年平均降水量963mm，集水面積根據河流邊界等條件圈定為25.7km2。

本次計算涌水量Q為4746.9m3/d，其計算的年平均日量，實際區域降水存在時間與空間分布不均，降水主要集中在6～8月份，如果選擇雨季施工涌水量比值會更大。

5.1.2 地下水徑流模數法

根據TB10049—2004《鐵路工程水文地質勘察規程》［12］規定，結合隧道現狀、水文地質條件，選用地下水徑流模數法預測涌水量。

經計算，預測隧道正常涌水量Qs=86.4MA，其中，MA為地下徑流模數（L/s·km2），本次計算隧道正常涌水量3330.72m3/d，最大涌水量4996.08m3/d。

5.1.3 地下水動力學法

采用TB10049—2004《鐵路工程水文地質勘察規程》計算：

預測隧道正常涌水量：

Qs=LKH（0.676-0.06K）

隧道初期可能最大涌水量：

Q0=L（0.0255+1.9224KH）

地下水動力學法計算九盤寺隧道穩定涌水量2041.4m3/d，最大涌水量6041.08m3/d。計算結果如表3。

表3 地下水動力學法隧道涌水量

5.2 隧道影響半徑

利用解析法計算影響半徑，根據地下水動力學原理，用數學解析的方法對給定邊界值和初值條件下的地下水運動建立解析式，而達到預測隧道影響范圍的目的。

依據HJ610—2011《環境影響評價技術導則—地下水環境》［13］，推薦排水渠和狹長坑道線性類建設項目的地下水水位變化區域半徑計算，如式（3）～式（4）：

式中 R為影響半徑（m）；H為潛水含水層厚度（m）；K為含水層滲透系數（m/d）；W為降水補給強度（m/d）；μ為重力給水度，無量綱；t為排水時間（s）。

本次滲透系數、重力給水度等參數的選取參照區域水文地質報告中的相關資料并結合隧道附近已有鉆孔資料及巖石試驗確定；降雨補給強度依據隧道穿越區區域內西昌市多年平均降雨量；含水層厚度從各隧洞縱剖面量取平均值；排水時間預計隧道開工到施工完成，如表4。

表4 九盤寺隧道影響半徑結果

6 地下水環境影響預測

對隧址區水文地質條件、存在的環境水文地質問題調查及隧道建設影響半徑、涌水量計算后，認為九盤寺隧道施工可能對隧址區地下水循環系統、隧址區居民生產生活用水及上部生態用水有影響。

6.1 地下水循環系統的影響

6.1.1 隧址區地下水系統分析

根據巖性、構造及區域分水嶺特征，隧址區地下水可劃分為：淺層碎屑巖類裂隙孔隙水含水帶、深部塊狀裂隙含水帶。

（1）淺部含水帶。淺層地下水含水帶主要受地表分水嶺及風化裂隙發育深度程度控制，具有潛水含水層特征，一般水位埋深20～80m，這種類型的含水系統主要分布于隧道進出口段及地表淺部循環帶。

（2）深部含水帶。深部構造裂隙裂隙水含水帶，隧道進口段穿越大片侵入巖及砂、泥巖地區，根據鉆孔資料花崗巖風化帶主要分布在淺表，在深部50～100m以下風化作用微弱，主要為構造裂隙，隨深度增加裂隙發育減弱。但在隧道穿越斷裂帶附近，地下水在砂巖、泥巖為主的碎屑巖地區受斷裂及構造的影響，裂隙較為發育，提供了一定儲水空間，利于地下水下滲補給，隧道揭露該地段可能出現涌水、突水現象。

6.1.2 隧道施工對隧址區地下水流場的影響

（1）隧道進出口段，位于地下水淺層含水帶，隧道施工可能疏干一定范圍內的地下水，形成降位，但影響范圍有限。隨著隧道掘進，埋深增大，隧道穿越深部含水系統，因花崗巖地區地下水富水較差，故對花崗巖地區深部水循環系統影響較小。

（2）隧道穿越多條斷裂帶，在斷裂帶及斷裂帶附近，由于受斷裂影響，巖石破碎，提供一定儲水空間，隧道施工揭露斷層帶，可能引起涌水、突水，導致區域地下水位下降，形成降位漏斗。

（3）隧道出口段由于地層屬于弱含水系統，地下水含水性較差，隧道施工對地下水循環影響較小。

總之，九盤寺隧道施工對隧址區地下水系統有一定影響，但影響范圍較小。

6.2 隧道上部生態用水的影響

6.2.1 地表土流失

隨著隧道排水的延續，水循環加劇，將有更多的地表風化產物隨水帶入地下，會引起隧址區地表土壤的流失。

6.2.2 水資源流失

隧洞洞內排水破壞地下水的原有平衡。地下水以排為主，則會造成地下水位下降，影響植被生長和生態平衡，使地下水資源大量流失。

6.2.3 環境

從保護環境目標出發，隧道工程的防排水應以堵、排相結合的措施為主，改變以排為主的習慣做法，在地表有預見性的范圍內進行地表排水、地表注漿堵水等措施，以防止地表水下滲。

6.3 居民生活生產影響

由于九盤寺隧道隧址區地處山區，無大型工業、企業，附近居民以農業、畜牧業為主，且人數較少，該地區生產、生活用水，主要取山上泉水和溪溝水，也無大規模飼養場，對用水量消耗較小，水量基本滿足生活、生產用水，因此隧道施工對當地居民生產、生活用水影響較小。

7 結語

（1）隧址區地下水類型主要分為碎屑巖裂隙水和基巖裂隙水兩類，其中碎屑巖裂隙水主要巖性為粉砂巖、砂巖，富水性弱，泉流量一般為0.01～0.1L/s。

（2）地下水環境影響預測方法選擇解析和數值法，計算九盤寺隧道穩定涌水量2041.36m3/d，最大涌水量6041.08m3/d。隧道進出口段可能會對淺部含水層造成一定疏干，形成一定降位，但影響程度有限，則本次計算出隧道影響半徑范圍23.29～156.72m，影響范圍較小。