巖溶隧道對地下水環境影響分析及涌水量預測研究

胡 顥,王超林*,黃小龍,黨 爽,劉騰龍

(1.貴州大學 土木工程學院,貴州 貴陽 550025;2. 湖南省城市地質調查監測所,湖南 長沙 410007)

地下水是影響隧道安全施工的一個重要影響因素。尤其在巖溶發育的區域,地下水不僅危及施工安全、影響施工進度,而且在隧道施工期大量輸排地下水情況下極大地惡化當地環境[1]。為減少或進一步消除隧道開挖對生態、地質環境和人類社會負面影響,充分認識巖溶地下水系統在隧道工程干擾下的行為和恢復能力是十分必要的。胡偉等[2]以重慶主城擬建鹿角隧道為例,通過科學分析及現場調查,對擬建隧道的影響范圍及易引起的地下水環境效應進行評價。劉志春等[3]研究了多種工程因素對地下水資源流失量及水位變化的影響規律。康小兵等[4]采用Visual Modflow可視化三維軟件,模擬3種方案(天然條件、隧道開挖、隧道運營)下5種不同工況隧道建設對地下水環境的影響;羅云菊等[5]依據重慶南山地勘資料,研究了巖溶槽谷區既有多條隧道條件下擬建隧道施工(不考慮和考慮防水措施)時的區域滲流特征。

隧道開挖除了對地下水環境造成影響,涌水問題也是隧道建設施工過程中的一項重大安全問題,為了保證隧洞施工的工程安全和生態與經濟效益,在隧道開挖前對涌水量進行預測與計算是至關重要的。以前學者主要運用水文地質比擬法[6-7]、水均衡法去預測隧道涌水量。但是水均衡法只適用于地質結構簡單的地區,水文地質類比法預測的精度主要是取決于兩工程的相似性。巖溶地區地質結構復雜,而且每個地區巖溶發育情況不盡相同,多數情況下以上兩種方法并不適用。隨著計算機技術的提高,數值法在隧道涌水量預測方面得到了廣泛應用。江思珉等[8]利用有限差分程序Modflow模擬計算基巖裂隙含水介質中深長隧道開挖的涌水量。王純祥等[9]利用地理信息系統(geographic information system,GIS)和三維快速拉格朗日有限差分法(fast lagrangian analysis of continua,FLAC3D)對日本九州地區新干線筑紫隧道涌水及其對地下水位的影響進行分析。郭純青等[10]采用流量衰減分析法、物理模擬和反向傳播(back propagation,BP)神經網絡模型三者相結合的方法,對巖溶隧道涌水量進行綜合預測研究。盡管迄今為止對隧道施工造成的地下水環境影響和隧道涌水兩個方面已開展了大量研究[11-17],但由于各個地區水文地質條件相差甚遠,隧道開挖過程中對地下水環境的影響也并不相同。因此,對即將開挖隧道的地區進行隧道涌水量、影響范圍等預測分析是必不可少的。

本文以重慶主城區擬建鹿角隧道為例,運用水文地質分析和數值模擬的方法分析其隧址區在鹿角隧道擾動下的地下水行為,并采用地下水徑流模數法、數值模擬法對隧道進行最大涌水量預測。為隧道地下水環境影響科學評價及隧道設計、施工提供理論基礎,也可為巖溶地區隧道開挖實踐中的地下水、生態和地質環境保護提供重要參考。

1 隧址區概況

1.1 工程概況

鹿角隧道為分離式雙洞雙向六車道隧道,凈寬13.0 m,凈高8.0 m,洞間距42 m,設計速度60 km/h,雙向6車道。設計起點路面高程252.056 m,終點路面高程336.266 m,設計終坡2.5%。

1.2 自然地理及工程地質條件

鹿角隧道位于重慶市巴南區和南岸區交界的南山山脈,西起重慶市南岸區重慶市交通大學,東至重慶市巴南區內環快速路鹿角立交附近,如圖1所示。隧址區屬亞熱帶季風性濕潤氣候,降雨多集中在5—9月,約占全年降雨量的70%;年最大降雨量1 544.8 mm,年最小降雨量740.1 mm。隧址區內支流主要有花溪河、苦溪河,大體上沿北東—南西向發育,受季節性降雨影響較大。

圖1 隧道位置圖Fig.1 Tunnel location map

鹿角隧道隧址區構造屬剝蝕條帶狀低山地貌,海拔高程在280～580 m范圍內。受構造的控制和巖性的制約,形成了“一山兩槽三嶺”的地貌景觀。圖2為隧道穿越地層的地質剖面圖,核部為三疊系下統飛仙關組(T1f),兩翼依次為三疊系中統雷口坡組(T2l)、下統嘉陵江組(T1j)、上統須家河組(T3xj)、侏羅系中下統自流井組(J1-2z)、中統新田溝組(J2x)。

圖2 地質剖面圖Fig.2 Geological profile map

1.3 水文地質條件

根據地下水賦存條件,可將隧址區內地下水分為潛水和承壓水兩類,以下伏飛仙關四段(T1f4)為界,下部飛仙關組三段(T1f3),屬可溶巖類含水巖組,為承壓含水層。上部嘉陵江組一段(T1j1)灰巖和雷口坡組(T2l)的白云質灰巖具有強富水性,屬可溶巖類含水巖組,為潛水含水層,地下水埋深淺;兩翼含水巖組主要為分布厚度較大的三疊系上統須家河組(T3xj)砂巖,富水性中等,屬碎屑巖類裂隙含水巖組,為潛水含水層。侏羅系下統珍珠沖組(J1z)、中下統自流井組(J1-2z)、中統新田溝組(J2x)的泥巖、頁巖、砂巖、介殼灰巖、泥質灰巖富水性較弱,為弱富水的碎屑巖類裂隙含水巖組,相對須家河組砂巖含水層為相對隔水層。

在隧址區特定的構造條件下,東西方向上,由于須家河組地層構成山脊所隔,須家河組一段(T3xj)頁巖起隔水作用,隧址區可溶巖地下水主要沿雷口坡(T2l)和嘉陵江地層(T1j)分布。南北方向上,由于南山隧道修建,南山隧道位于水平徑流帶內,改變了地下水的徑流條件,成為一個排泄通道,在南山隧道兩側形成降落漏斗,造成地下水分水嶺南移,根據地表調查推測現地下水分水嶺位于重慶郵電大學附近。隧址區在北側分水嶺、槽谷兩側隔水層控制下,地下水在巖溶槽谷中沿地下河或溶隙由北向南縱向徑流,向區域地下水排泄基準面(花溪河)排泄。

2 模型的建立

2.1 水文地質概念模型

2.1.1模擬范圍及邊界條件概化

鹿角隧道地下水三維數值模型的范圍為整個鹿角隧道沿線,北至地下水分水嶺,南至花溪河,如圖3所示。模型的東、西兩側為低水位邊界且與核部區域存在水力聯系,因此,將東、西兩側概化為定水頭邊界。而模型的北側為地下水分水嶺,作為零流量邊界;南側為花溪河排泄基準面,作為定水頭邊界處理。隧址區內鉆孔多分布在隧道兩側,為了建立與實際地質情況相符的三維地質模型,根據隧址區水文地質圖及鹿角隧道地質斷面圖插入適量的虛擬鉆孔,通過地下水模擬系統(groundwater modeling system,GMS)中Boreholes、Solid等模塊生成了隧址區的三維地質模型,如圖3所示。

圖3 模擬區域和三維地質圖Fig.3 Simulation area and 3D geologic map

2.1.2含水層及初始條件概化

隧址區內主要的含水地層為三疊系中統雷口坡組(T2l)和下統嘉陵江組(T1j),為潛水含水層。三疊系下統飛仙關組(T1f3)地層具有承壓性,但富水性中等,含水并不豐富,為承壓含水層。而山體東、西兩側的三疊系上統須家河組(T3xj)地下水活動性相對可溶巖較差,可視為中弱透水層。鹿角隧道修建之前,東西兩槽谷內出露地表的水點眾多,因此,整體上為高水位槽谷,在隧道所經過的含水系統內可以近似的認為地表高程與地下水位十分接近。

2.1.3源匯項的概化

隧址區內主要接受大氣降雨補給,區域內多年平均降雨量1 163.3 mm,降雨主要分布在雨季(5—9月),約占全年降雨降雨量的70%。排泄項主要包括蒸發、暗河和地表溪流。

2.2 三維數值模型的建立

2.2.1網格剖分及參數選取

根據前文中所描述的水文概念模型將模擬區剖分為150×150×1共22 500個網格,其中,有效單元格為10 181個。各地層滲透系數K取值基于水文地質試驗,結合重慶地區經驗及相似工程的參數取值結果進行一定的概化,在模型參數取值時,由于巖溶發育的各向異性,將滲透系數賦值盡量符合南山地區實際水文地質情況,并通過軟件自帶的PEST模塊對參數進行校正,最終得到的參數如表1所示。

表1 隧址區滲透性模擬計算參數Tab.1 Simulation calculation parameters for permeability of tunnel site area

2.2.2模型的校驗

通過隧址區的七個觀測孔的實測水位對模型進行的校驗,擬合情況如表2所示。由表2可知,經過模型模擬計算所得的觀測井水位與實測觀測井水位存在誤差,但是誤差在一個合理的比例范圍之內(0.01%～0.22%)。模型擬合精度較高,所建模型和實際地下水滲流情況較為相符,后續研究分析將在此模型基礎上進行。

3 隧道對地下水環境的影響分析

3.1 隧道修建對地下水環境影響規律

3.1.1天然滲透場模擬

根據前述參數以及邊界條件設置,得到隧址區的天然狀態下地下水滲流場,如圖4所示。其中,雷口坡和嘉陵江地層(T2l+T1j)可溶巖地層出露的背斜核部地下水水位較高,兩翼非可溶巖地層水位高于核部可溶巖地層。區域內地下水主要流向為自北向南,核部局部存在由東槽谷向西槽谷的跨核部徑流,根據模擬情況來看,東西槽谷普遍存在水頭差,東側槽谷水位一般高于西側槽谷水位,在槽谷兩側發育的溪溝為局部排泄基準面,花溪河為區域內排泄基準面,地下水水位相對較低。

圖4 隧址區天然狀態下滲流場Fig.4 Natural seepage field in the tunnel site area

3.1.2隧道開挖過程中滲流場模擬

考慮到隧道的實際長度,設定隧道施工工期為2年,分為8個應力期,將每個應力期分3個時間步長,每個時間步長為30 d。兩端同時掘進,模擬隧道開挖后到結束時地下水滲流場的變化。隧道概化為Drain邊界導入模型,綜合水力傳導系數根據地層境況賦值。隧道開挖一年后,兩翼地下水水位已明顯受到隧道開挖的影響,局部地區已經開始形成地下水位降落漏斗,如圖5(a)所示。隧道開挖兩年后,隧道完全貫通,以隧道中線為中心形成影響范圍較大的地下水位降落漏斗;隧道附近地下水水位下降明顯,形成了以隧道為排泄基準的新的補徑排系統,如圖5(b)所示。

圖5 隧道施工階段滲流場變化圖Fig.5 Diagram of seepage field changes during tunnel construction stage

與天然狀況下滲流場相比,隨著開挖時間的增加,以隧道開挖面為中心形成的降落漏斗影響范圍逐漸增加,在開挖一年時,由于掘進段主要為非可溶巖,所以影響半徑較小,背斜核部地下水水位變化較小;開挖一年過后,掘進到隧址區主要含水層為雷口坡和嘉陵江地層(T1j+T2l)灰巖,所以以隧道開挖面為中心,形成了影響范圍較大的降落漏斗,開挖的隧道成為了局部的排泄基準面,而背斜核部地下水水位亦有下降;隧道貫通后,此時隧道段已成為了局部排泄基準,原本由北自南的地下水流動方向,已變成以隧道為中心匯流,背斜核部區域地下水水位進一步下降,降落漏斗影響范圍分布并不對稱,西側大于東側,這與兩側隧道高程有關,隧道西側進口隧道高程為252.1 m,東側進口隧道高程為336.3 m,所以隧道西側影響范圍大于東側。

3.1.3隧道運營期地下水環境恢復模擬

分析隧道在進行有效的堵水措施之后隧址區地下水的恢復狀況。如圖6(a)所示,隧道運營五年后,隧址區地下水的恢復情況較好,水位已明顯恢復,隧道右側地下水恢復速度明顯大于左側,這與右側隧道埋深相對更淺有關;如圖6(b)所示,隧道運營十年后水位已趨于穩定,隧道右側地下水基本恢復至天然狀態下水位,但隧道左側地下水已難以恢復到天然狀態下水位。主要原因是隧道開挖改變了地下水循環系統,同時使得地表水徑流也受到影響,最終造成地下水位難以恢復到天然狀態,而隧道右側相對埋深較淺,影響較小。

圖6 隧道運營階段滲流場變化圖Fig.6 Changes in seepage field during tunnel operation stage

3.2 隧道工程因素對地下水環境影響規律

3.2.1隧道高程對地下水環境影響分析

如圖7所示,隨著隧道高程的增加,地下水降落漏斗的影響半徑減小,最大降深也隨之減少。隧道高程為250 m時,地下水環境變化最為明顯,地下水水位急劇下降,在隧道中線形成了較大的降落漏斗,水位降深也非常明顯,最大降深達92 m,影響半徑約為1.8 km;即使在運營期進行堵水措施后地下水也很難恢復至天然狀態;隧道高程為350 m時,地下水位略微變化,隧道開挖對地下水環境的影響十分局限,最大降深為16 m,影響半徑約為1 km;在進行有效堵水后,地下水位能完全恢復至天然狀態。隧道高程增加100 m,即隧道相對埋深減少100 m,最大降深減少了76 m,影響半徑減少了約0.8 km。由此可見,隧道位于地下水位以下時,為了降低隧道修建過程中對地下水環境和施工安全的影響,應當盡量淺埋。

圖7 地下水位沿隧道段隨高程變化剖面圖Fig.7 Profile of groundwater level changes with elevation along the tunnel section

3.2.2隧道水力傳導系數對地下水環境影響分析

軟件GMS中用水力傳導系數C表示含水層與隧道之間水量流動的效率,可以用以下表達式來描述[18]:

C=KLW/M

(1)

式中:K為滲透系數,m/d;M為隧道底部弱透含水層的厚度,m;L為隧道的長度,m;W為隧道的寬度,m。

隧道的水力傳導系數是根據地層境況進行賦值的,隧道兩側的水力傳導系數較小,改變兩側水力傳導系數,地下水環境變化并不明顯,因此,僅改變隧道核部地區水力傳導系數。在不改變其它參數的情況下,設定隧道高程為250 m,模擬水力傳導系數分別為0.8、0.6、0.4、0.2的地下水環境變化情況。如圖8所示,隨著水力傳導系數的減小,地下水水位上升,影響范圍減小。水力傳導系數C由0.8變化到0.2,最大降深從92 m減小到了46 m,影響半徑從1.8 km減小到1.4 km。水力傳導系數減小到原來的1/4,最大降深減小了一半,影響半徑減小了0.4 km。隧道水力傳導系數是一個由多因素綜合確定的系數。在隧道的長度、寬度、弱透含水層的厚度確定的情況下,一定程度上能反應隧道穿越不同含水巖組對地下水環境的影響。所以在隧道由弱透水性巖組掘進至強透水性巖組,應更加注意防水,避免突水危害。

圖8 地下水位沿隧道段隨水力傳導系數剖面圖Fig.8 Profile of groundwater level along the tunnel section with hydraulic conductivity coefficient

4 鹿角隧道涌水量預測

工程中常用大氣降雨入滲法和地下水徑流模數法對涌水量進行預測,但因為擬建鹿角隧道穿過含水體時全部從地下水位以下通過,穿越水平徑流帶,故不采用大氣降雨入滲法計算隧道涌水量。本節采用地下水徑流模數法和數值模擬法兩種方法對鹿角隧道的最大涌水量進行分段預測,并對結果進行對比分析,根據隧道途經的地層巖性、構造不同,將隧道分為7段,分別以段為單位進行涌水量計算。

4.1 地下水徑流模數法

采用地下水徑流模數法進行涌水量計算時,計算精度主要取決于地下水徑流模數和地表流域范圍取值。應結合不同的水文地質情況,確定合適的地表流域區與地下水徑流模數,其計算公式如下[19]:

Q=86.4MA

(2)

式中,Q為隧道日正常涌水量,m3/d;M為地下水徑流模數,L/s·km2;此處M值確定主要根據1∶20萬重慶幅水文地質報告;A為隧道通過含水體地段的集水面積,km2;86.4為單位換算系數。計算結果見表3。

表3 涌水量計算結果Tab.3 Calculation results of water inflow

4.2 數值模擬法

根據所建模型和隧道通過地層巖性,將模型按里程分為七個分區并賦予分區代號。通過GMS中的Flow budget模塊讀取隧道各分段涌水量,隧道貫通時,即涌水量到達最大,此時模型中各個分區中排水溝的排水量就是最大涌水量,結果如表3所示。

4.3 隧道涌水量預測

由表3可知,運用地下水徑流模數法計算涌水量時,由于核部地區的飛仙關地層在地表未出露,地下水徑流模數法的涌水量預測結果不包括飛仙關地層的涌水量,最大涌水量合計為27 524.89 m3/d,在YK4+900—YK5+455和YK5+87—YK6+685的涌水量分別達到了10 324.8 m3/d和15 465.6 m3/d,約占整體涌水量的90%。當運用數值模擬的方法去計算涌水量時,在不考慮YK5+455—YK5+875這段里程的涌水量的情況下,兩種方法算出的涌水量非常接近,且兩種方法所計算的涌水量變化趨勢大致相同。

在采用地下水徑流模數法計算涌水量時,由于飛仙關地層在地表未出露,無法計算這一部分的涌水量,因此計算得到的最大涌水量低估了實際涌水量;而用數值模擬法計算涌水量時,由于在進行參數分區時,將核部地區的滲透系數和給水度概化為了一個參數,而實際情況是飛仙關組地層作為弱含水層其計算參數應小于概化值,所以數值模擬法計算的最大涌水量高估了實際涌水量。綜上所述,估測隧道實際最大涌水量介于27 524.89 m3/d～36 086.72 m3/d之間。

5 結論

1)通過分析鹿角隧道隧址區內工程地質和水文地質條件,建立了隧址區的水文概念模型,并應用GMS軟件建立了隧址區地下水水流數值模型,利用隧址區觀測孔實測水位對模型進行了驗證,結果擬合較好,能反應隧址區地下水實際滲流情況。

2)隧道施工對隧址區地下水環境影響巨大,在隧道貫通時水位降深達到最大值;在運營期進行堵水措施后,地下水位會很快恢復,但是大量輸排地下水使得隧道附近的地下水很難恢復至天然狀態下的地下水位。

3)模擬不同隧道高程和不同隧道導水系數對地下水環境的影響。結果表明,隧道高程越低,隧道水力傳導系數越大,對地下水環境影響越大。巖溶地區開挖隧道對地下水環境影響很大,建議隧道選線時應盡量選擇高位隧道,隧道穿越不同巖組應做好防水措施。

4)分別采用地下水徑流模數法、數值模擬法兩種方法對擬建鹿角隧道的最大涌水量進行分段預測,在各分段的涌水量有所差異,但總體的變化趨勢大致相同;兩種方法都揭示了YK5+875—YK6+685段為最大涌水量發生段,隧道施工過程中應特別注意這段里程的突水防治。