引大濟岷工程千池山隧洞涌水及地下水襲奪與恢復

中圖法分類號：TV554；P641.69 文獻標志碼：A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2025.06.012

0 引言

擬建的引大濟岷工程西起瀘定大渡河取水口，整體位于四川盆地西南緣，橫斷山系與龍門山斷裂帶東南側。工程沿線地勢高差懸殊，地形條件十分復雜，因此需修筑多條深埋的長引水隧洞穿越高山峻嶺地區[1-2]。隧洞建設將形成新的臨空面直接襲奪并疏排地下水，在巖溶地區將可能引發嚴重的涌突水災害，威脅工程建設安全并造成社會負效應[3-4]。隧洞若持續涌突水還將使影響半徑內的地下水位急劇下降，造成泉（井）點斷流或地下水資源枯竭[5]。準確預測隧洞涌突水量并合理評價隧洞建設對地下水環境造成的影響，對隧洞安全施工及地下水資源保護具有重要指導作用[6-7] 。

目前，水均衡法與解析法的研究已進入成熟階段，可通過多種計算公式對天然泉點的水源組成及隧洞涌突水量進行宏觀、快速、有效的分析預測，在工程與環境水文地質領域具有較高普適性[8-10]。數值模擬法形成了以Visual-MODFLOW為代表的有限差分類主流軟件，軟件可將含水層均勻概化為等效多孔介質，假設地下水的運動為達西流[1]。應用Visual－MODF-LOW軟件可以計算水均衡原理下隧址區、壩址區及水電站的滲流量，有效模擬泉點流量與隧洞涌水量，預測隧洞施工過程中的地下水滲流場變化，確定水位降深與隧洞影響半徑[12-13]。利用反演軟件調參來刻畫關鍵地質結構，還可指示隧洞涌水量的衰減規律及泉點流量的恢復趨勢，展現隧洞建設與地下水環境變化的相互關系[14-15] 。

千池山隧洞從響水溪泉北側通過，距響水溪泉的最短平面距離僅 735m ，揭露了泉點巖溶含水層。本次研究嘗試通過水均衡法與解析法定量計算響水溪泉的水源組成及隧洞涌水量，討論二者間的流量變化關系，并建立地下水滲流數值模型來預測隧洞建設對地下水環境的影響，與解析法計算結果互相驗證，以期為千池山隧洞涌突水災害防治及以響水溪泉流量恢復為代表的地下水資源保護工作提供參考。

1 研究區地質環境概況

研究區位于雅安市天全縣西北側，地處四川盆地西側邊緣與龍門山斷裂帶山前過渡區，地貌主體呈構造侵蝕中一高山地，地形起伏較大，分水嶺為杉木山，東西側形成小河子與拉塔河，屬天全河流域，多發育“V\"形河谷。氣候類型為亞熱帶季風性氣候，年平均氣溫 15.1^°C ，多年平均降雨量 1603mm 。

研究區出露大面積碳酸鹽巖地層，以杉木山頂的陽新組（ （P₂y） 灰巖及環山分布的燈影組 （Z₂'∈，d） 白云巖與泥盆系（ D_2-3 ）灰巖為主。斷裂構造密集發育使 白云巖的空間分布呈現出褶曲條狀的特點，成為地下水富集的良好空間。地下水主要接受杉木山頂范圍的大氣降水補給，在山頂地表的陽新組與泥盆系灰巖中直接形成巖溶洼地，向深部含水層徑流，與地表溝水在斷裂帶附近匯集，通過層面裂隙與巖溶裂隙運移，最終向天全河排泄

根據巖溶發育程度、巖溶含水介質及地下水徑流特征可將區域地下水分為2組巖溶含水系統，即陽新組灰巖強巖溶水系統與泥盆系灰巖、燈影組白云巖中一強巖溶水系統（圖1）。

（1） P₂y 水系統。巖溶含水層為厚層狀灰巖，在杉木山分水嶺范圍形成數個巖溶洼地，發育埋藏型巖溶裂隙與巖溶管道，儲水性強，通過地表巖溶泉排泄地下水，巖溶發育程度強

（2） D_2-3-Z₂?_-d 水系統。巖溶含水層為白云巖與碎屑灰巖，相較于 P₂y 灰巖溶蝕速率稍慢，靠近杉木山的高海拔地區存在少量巖溶洼地，巖溶發育程度中一強。 D_2-3 灰巖主要發育地表溶孔與溶隙，零星排泄數股 0.1L/s 的泉水進入小河子； Z₂'∈₁d 白云巖在與非可溶巖接觸帶發育溶洞與溶腔，滲水 0.02～5L/s ，向小河子及天全河排泄，巖溶泉是地下水在巖層中循環的最終表現形式，也是巖溶水的重要排泄方式[16-17]。巖溶水系統受區域排泄基準面控制，地下水整體向南徑流至天全河，在F₅ 與 F₆ 斷裂的導水作用下于響水溪泉共同排泄，呈現“多源同匯\"特征[18]。隧洞全長 12km ，大部分段落揭露基巖裂隙水與構造裂隙水，涌突水風險較小，中后段揭露的燈影組白云巖與陽新組灰巖富含碳酸鹽巖類巖溶水，且存在導水斷裂，具有較高涌突水風險（圖1）。

燈影組白云巖含水層是響水溪泉的直接補給水源，與陽新組（ （P₂y） ）灰巖含水層同為泉點的重要徑流排泄通道，千池山隧洞直接揭露該兩套含水巖組，將對響水溪泉形成截流，導致泉流量急劇衰減。

2 響水溪泉水源分析與隧洞涌水量預測

2.1 響水溪泉水均衡分析

響水溪泉長期接受巖溶地下水補給并穩定排泄，直接反映出杉木山區域的地下水資源處于動態平衡狀態，通過水均衡法可分析泉點的水源組成并驗證區域地下水的均衡狀態[8]。響水溪泉域的主要補給來源為大氣降水，排泄方式為泉點及地表溪溝側流，采用大氣降雨入滲法對各巖層選取差異化降雨入滲系數并進行分區計算[19]。公式如下：

式中： Q 為降雨補給量， m³/d;α 為降雨入滲系數；A為研究區多年平均降雨量， mm;F 為巖層分布面積， km² 。

根據表1計算結果，杉木山區域降雨入滲補給總量約為 59037m³/d ，地表溪溝的實測排泄量為26196m³/d ，龍門電站發電尾水實測排泄量為 8122m³/d ，剩余約 24719m³/d 的地下水通過泉點排泄，與實測響水溪泉流量 23674m³/d （2022年2月）基本吻合。P₂y 灰巖與 D_2-3 灰巖及白云巖地層是主要地下水補給來源，約占區域總量的 65% ; Z₂'∈₁d 白云巖巖溶水約占20% ;其余基巖裂隙水與構造裂隙水補給量占比約15% 。區域巖溶含水層人滲量達 85% ，基本驗證了響水溪泉的直接補給來自 P₂y 水系統與 D_2-3-Z₂'E₁d 水系統的巖溶地下水。

2.2 隧洞涌水量計算

千池山隧洞穿越巖溶含水層將襲奪響水溪泉的正常排泄量，為規避隧洞涌突水災害并研究隧洞建設對泉域的影響程度，選取大島洋志公式、科斯加科夫公式、鐵路經驗公式計算隧洞涌水量。隧洞受地表地形、地層巖性、斷裂構造影響，水頭與滲透系數存在差異，依據隧洞剖面進行分段計算。

隧洞全線正常涌水量為 45525～49426m³/d ，最大涌水量為 130553～146165m³/d ，涌水段集中于巖溶含水層與斷裂（表2）。其中 Z₂'∈，d 白云巖及 P₂y 灰巖的預測正常涌水量為 9208～12561m³/d ，占響水溪泉正常流量的 23%～31% ；最大涌水量為 27960～ 36907m³/d ，占響水溪泉豐水期流量的 47%～62% 。巖溶含水層作為響水溪泉域的主要補給徑流通道，隧洞施工揭露并疏排巖溶水，將使響水溪泉流量減少23%～62% 。

3 隧洞建設對地下水環境的影響

3.1 數值模型建立與驗證

模型東西長 17.5km ，南北寬 13.2km ，高程為700～3400m ，面積共 231km² （圖2）。天全河、拉塔河及小河子為常年河流，概化為河流邊界（River）；北側杉木山分水嶺為隔水邊界。隧洞采用排泄邊界（Drain）概化。模型內的主要含水層為陽新組（ {P₂y 灰巖、泥盆系中上統 （D_2-3） ）灰巖夾生物碎屑灰巖、震旦系 （Z₂'E₁d） 白云巖；主要隔水層為奧陶系、志留系、部分泥盆系（ 0+S +D₁ ）砂頁巖及晉寧-澄江期（ ξγZ_?1 ）花崗巖（圖3）。

空間單元分水平與垂直離散計算，平面剖分為175列 ×132 行，每層23100個單元格；垂向共劃分17層，每層最大值為 200m ，最小值為 20m 。區域雨季為5＼～9月，降雨量占全年的 70% ，枯季為10月至次年4月，年均蒸發量為 825.2mm 。人滲系數參考《水文地質手冊（第二版）》及《康定-寶興地區區域水文地質普查報告》，按地層巖性劃分。

模型預設模擬時間為1a，考慮兩種狀況：天然條件下1個水文年的穩定流模擬校驗與評價，模擬天然地下水滲流場;在隧洞施工影響下進行1個水文年的非穩定流模擬，探究區域地下水滲流場演化及響水溪泉流量的變化。

模型水文地質參數依據經驗值與區域水文地質報告綜合取值，確定滲透系數與給水度初始值，輸入模型進行計算（表3）。將模擬結果與實測數據進行對比分析，基于鉆探壓水試驗的實測水文地質參數校正模型參數，降低誤差。

模型擬合精度通常采用現場地下水位及水均衡法進行驗證[20]。區域出露的5個天然泉點及野外調查的4個鉆孔、民井作為水位校驗點（圖2）。模型計算所得的各觀測孔水位與實際觀測水位的誤差百分比均小于 1% （表4、圖4）。水量均衡模擬可反映模型在各個含水層的模擬精度，進一步校驗模型精度，取響水溪泉實測流量 23674m³/d （2022年2月）作為校驗值，與模型中所計算的響水溪泉流量為 24000m³/d 基本吻合。

模型基于ZoneBudget模塊輸出了響水溪泉流量的水源組分，其中 P₂y 與 D_2-3 巖溶水對響水溪泉的補給量為 15170m³/d，Z₂e₁d 巖溶水及其余基巖裂隙水的補給量約為 8824m³/d ，分別占響水溪泉流量的63% 以及 37% （圖5）。響水溪巖溶大泉水源組成模擬結果與水均衡計算結果基本一致，模型準確性得到驗證，可用于進一步的地下水滲流場演化規律研究與響水溪泉流量受千池山隧洞施工影響的評價。

3.2 地下水襲奪與恢復分析

杉木山一響水溪天然地下水位為 750～2 200m ，地下水等值線分布受地形地貌條件控制，溝谷段地下水位變化劇烈，等水位線分布密集，水力梯度增大（圖6）。拉塔河、小河子及天全河為區域的3個排泄基準面，顯示為等水位線凸起部分，地下水由分水嶺向東西兩側徑流，向小河子與拉塔河排泄，最終匯入天全河。

千池山隧洞施工1a左右，由于洞身前段大部分里程處于花崗巖地層，深部裂隙并不發育，賦存少量基巖裂隙水與構造裂隙水，地下水流通性差，隧洞施工前段所造成的地下水位降深不明顯，隧洞沿線地下水位在 850～1250m 。巖溶發育較強的隧洞出口段，由于P₂y 灰巖與 白云巖滲透系數較大且賦存大量巖溶水，可見明顯的地下水位下降趨勢。響水溪泉北側隧洞軸線附近地下水位由 1150～1350m 降至1050～1 200m ，響水溪泉附近地下水位由 900m 降至890m （圖7）。杉木山頂部雖廣泛分布 P₂y 灰巖，但距離隧洞較遠，地下水滲流場變化幅度小，區域整體地下水位并無明顯變化趨勢。

從千池山隧洞施工所造成的地下水襲奪趨勢來看，隧洞對于滲透性能較好的可溶巖地區的地下水位影響較大。隧洞后段穿越大面積的巖溶含水層并疏排地下水，形成的影響范圍主要由地下水排泄區向地下水徑流途徑的上游方向延伸擴展，因此響水溪泉附近展現出明顯的地下水降落漏斗。千池山隧洞從進入Z₂'∈₁d 白云巖段落開始，受到北東一南西向的導水斷層（ F₅/F₆ 及 P₂y 灰巖條帶影響，降深明顯增加，最大降深達 180m ，位于花崗巖與白云巖的交界面。千池山隧洞在白云巖與灰巖段落造成的影響范圍約為1＼～1.5km ，覆蓋響水溪泉點位置，所造成的降深為 10m 左右（圖8）。

在模型中添加水均衡模塊（Zonebudget），以觀測隧洞與響水溪泉的水量變化情況。隧洞施工1a后，隧洞涌水量為 89180m³/d ，處于解析法計算的正常涌水量及最大涌水量之間。響水溪泉受千池山隧洞施工影響，1a后的流量由天然狀態下的 24000m³/d 衰減至 17751m³/d ，縮減率為 26% 。隨著隧洞施工時長增加，采取相應封堵疏排措施后，隧洞涌水量將逐漸減小。千池山隧洞1a建設完成，模型設置隧洞完成封堵后排水量減至 500m³/d ，在此滲流場的基礎上模擬響水溪泉點恢復。區域降水量豐沛，施工結束后隨著大氣降水持續補給，模擬結果顯示區域地下水位與響水溪泉域流量將在 120d 后逐漸恢復至正常水準，響水溪泉流量將增加至 21902m³/d ，恢復到天然流量的91% （圖9）。

4結論

（1）響水溪泉主要接受 $＼mathrm { P } _ { 2 } ＼mathrm { y } ＼ 、 ＼mathrm { D } _ { 2 - 3 } ＼hphantom { . } ＼mathrm { Z } _ { 2 } ＼epsilon _ { 1 } ＼mathrm { d }$ 所形成的兩套巖溶含水層的地下水補給，水源組成為 P₂y 與D_2-3 巖溶水，占比 63%～65%;Z₂e₁d 巖溶水，占比20%～22% ;其余基巖裂隙水與構造裂隙水補給量占比約 15% 。

（2）解析法預測千池山隧洞正常涌水量為45525～49426m³/d ，最大涌水量為 130 553～ 1461 65m³/d 。隧洞在巖溶含水層中的涌水量為 9 208～ 36907m³/d ，隧洞施工排水將干擾響水溪泉的補給與排泄，使響水溪泉流量減少 23%～62% 。

（3）天然狀態下區域地下水位值在 750～2 200 m 。千池山隧洞施工1a后，隧洞沿線的地下水位值在850～1250m ，可溶巖段落地下水位由 1150～1350m 降為 1 050～1 200m ，最大降深達 180m ，響水溪泉降深達 10m 。

（4）千池山隧洞施工1a后，響水溪泉流量由24000m³/d 衰減至 17751m³/d ，衰減率為 26% 。模擬結果顯示隧洞封堵后 120d 響水溪泉流量恢復至21902m³/d ，達天然流量的 91% 。在隧洞建設過程中應監測響水溪泉的流量變化，針對其流量恢復工作采取相應的措施。

參考文獻：

[1］劉長升，劉南廷，高連慶.引大濟岷工程與都江堰灌區的關系分析[J].四川水利，2023，44（1）：39-41，58.

[2]徐國鋒，楊建鋒，陳侃福.臺縉高速公路蒼嶺隧道水文地質勘察與涌水量預測[J].巖石力學與工程學報，2005（增2）：5531-5535.

[3]LIU J，SHEN L，WANG Z，et al. Response of plants water uptake pat-terns to tunnels excavation based on stable isotopes in a karst troughvalley[J]. Journal of Hydrology，2019，571：485-493.

[4]LV Y，JIANG Y，HU W，et al.A review of the effcts of tunnel excava-tion on the hydrology，ecology，and environment in karst areas：Currentstatus，challenges，and perspectives[J]. Journal of Hydrology，2020，586：124891.

[5]肖競，萬軍偉，成建梅，等.MODFLOW-CFPv2模型在巖溶隧道突涌水及對地下水環境影響中的應用：以云南鶴慶錳礦溝巖溶水系統為例[J].地質科技通報，2024，43（3）：301-310.

[6］李強.重慶中梁山地區近鄰隧道建設地下水環境效應研究[D].成都：成都理工大學，2017.

[7]唐運剛.基于解析法的隧洞施工對地下水環境影響預測[J].人民長江，2018，49（8）：67-71，87.

[8]梁秀娟，遲寶明，王文科，等.專門水文地質學[M].北京：科學出版社，2016.

[9]甘靖軒，許模，李兆龍，等.優性組合預測模型在北天山隧道涌突水量計算中的應用[J].蘭州大學學報（自然科學版），2023，59（5） ：592 -600.

[10］江新，陳婧，趙力，等.巖溶隧洞突涌水災害風險評價研究［J].人民長江，2024，55（4） ：169-177.

[11］成勝.隧道工程作用下華山中部巖溶水流場演化歷程研究[D].成都：成都理工大學，2021.

[12]萬媛，夏強，張世殊，等.基于ZoneBudget的壩址區滲流量分析[J].人民長江，2016，47（15）：54-58.

[13］趙瑞，許模，范辰辰.隔擋式背斜區隧道群地下水滲流場模擬演化[J].現代隧道技術，2015，52（3）：69-74.

[14］夏強，王旭升，POETERE，等.錦屏二級水電站隧洞涌水的數值反演與預測[J].巖石力學與工程學報，2010，29（增1）：3247-3253.

[15]李豫馨，夏強，許模，等.隧道開挖過程涌水量的動態模擬［J].現代隧道技術，2015，52（5）：125－130，144.

[16] IVAN V，STEVENAZZI S，POLLICINO L C，et al. An enhanced ap-proach to the spatial and statistical analysis of factors influencingspring distribution on a transboundary karst aquifer[J].Water，2020，12（8） ：2133.

[17］黃靖宇，許模，許漢華，等.滇中高原巖溶關鍵帶典型含水系統水化學特征及成因分析[J].地質科技通報，2022，41（5）：347-356.

[18］蔣金沛，馮杰，張強，等.響水溪泉巖溶地下水水化學特征及成因[J].科學技術與工程，2023，23（27）：11522-11529.

[19］中國地質調查局.水文地質手冊（第二版）［M].北京：地質出版社，2012.

[20]唐紅，黃煜，李超，等.基于滲流-管流耦合的臨江地下滲流管設計[J].人民長江，2024，55（5）：150-156

（編輯：劉媛）

Abstract：Scientificpredictiononimpactsof tunnelconstructionsongroundwatercanefectivelyavoid tunnelwaterinrushdisastersandreasonably protectandalocategroundwaterresoures.TheQianchishantunnel tobebuiltintheDaduRiver-to-MinjiangRiver Water Diversion Project willdirectlyexposethekarstaquiferof XiangshuixiSpring.Thewatersourcecompositionof Xiangshuixi Springisanalyzedbywaterbalancemethod，andtherelationshipbetweentheamountofwaterinrushinthetueland theflowchangeofXiangshuixi Springispredictedbyanalyticalmethods.Athree-dimensionalgroundwatersepagenumerical modelisconstructedtosimulatetheevolutionofgroundwaterflowfieldduringthetunnelconstruction.Theresultsshowthatthe water of Xiangshuixi Spring is mainly from karst water，among which Yangxin Formation （ P₂y ）limestone and Devonian （δD_2-3"） limestone account for 63%～65% ，and Dengying Formation""dolomite accounts for 20%～22% .The water inrush of the tunnel in the karst section is predicted to be 9208～36907m³/d ，resulting in a 23%～62% reduction in the flow of the Xiangshuixi Spring. The groundwater level along the tunnel would reduced to 850～1250m after one year of construction，the soluble rock section would reduced to 1 050～1 200m ，the maximum drawdown would be 180m ，and the drawdown of Xiangshuixi Spring would be 10m .After one year of tunnel construction，the flow rate of Xiangshuixi Spring would decrease to 17 751m³/d，26% （204號 lowerthan thatofnatural state.After12O days since the tunnel closure，the flowof Xiangshuixi Spring would recover to 91% of the naturalstate.Theresearchresultscanprovidetheoreticalsupportforthepreventionandcontrolofwaterinrushdisastersin Qianchishan Tunnel and the protection of groundwater environment like Xiangshuixi Spring.

Key words：tunnel water gushing；groundwatercapture；groundwaterrecovery；waterbalance method；analyticalmethod；nu merical simulation analysis；Qianchishan Tunnel；Dadu River-to-Minjiang River Water Diversion Project