基于GMS數(shù)值模型的隧洞施工對地下水環(huán)境影響預測研究

李銀泉 陳長生 張海平

摘 要 ?工程隧洞施工不僅可能存在因突涌水導致的安全隱患問題，而且還會在一定程度上破壞工程區(qū)地下水滲流場平衡，影響地下水的正常循環(huán)，存在影響或疏干地下水而導致的環(huán)境影響問題，處置不當還可能造成嚴重的環(huán)境影響及社會穩(wěn)定問題。本文以滇中引水工程某深埋長隧洞為依托，采用GMS數(shù)值模型對不同施工工況下隧洞涌水量、地下水水位變化、主要泉點影響程度、運行期水位恢復情況等進行預測研究，為合理評價隧洞工程建設可能導致的地下水環(huán)境影響程度、研究制定滲控標準等提供合理、準確、可行的依據(jù)。

關鍵詞 ?地下水環(huán)境影響;GMS;隧洞施工;預測 ;滇中引水工程

中圖分類號：X523 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： Tunnel construction is not only the safe potential risk that may be caused by sudden flood water problems，but also to a certain extent，destroy the existing groundwater seepage field balance，affect the normal cycle of the groundwater，influence or drainage of groundwater environmental impact caused by the problem，improper disposal can also cause serious problems of environmental impact and social stability. This paper，taking a deep water diversion project in Yunnan long tunnel as the backing，the GMS numerical model is adopted to different construction conditions influence radius of tunnel water inflow，water level changes of main stream points influence degree，operation period were used to predict the water level recovery，etc，for reasonable evaluation of tunnel engineering construction may lead to groundwater seepage control standards in the environmental impact，the research provides the basis of a reasonable， precise and feasible.

Keywords： groundwater environmental impact; GMS; tunnel construction; prediction; water diversion project in Yunnan

隨著國家實施西部大開發(fā)戰(zhàn)略進程的加快，西南地區(qū)的水利水電工程建設項目越來越多。其中水利工程中為了引調水，常以水工隧洞的型式穿越山體，水工隧洞總體呈現(xiàn)出“長、大、深”的特點，代表性的有引大入秦工程、引黃入晉工程、新疆ABH隧洞等引調水工程[1-3]。工程隧洞施工，特別是巖溶富水隧洞施工極易引起周圍區(qū)域的地下水環(huán)境改變。隧洞開挖形成地表水及地下水匯流新的排泄通道，不但造成施工涌突水隱患，而且擾動天然地表水及地下水環(huán)境[4] [5]。因此，國內外專家學者一直在對工程建設引發(fā)周圍地下水環(huán)境影響進行預測研究。一方面從宏觀上以現(xiàn)狀和長期預測的思路橫向指出隧洞施工可能引發(fā)的地下水環(huán)境改變問題，另一方面以具體隧洞實例進行分析，縱向系統(tǒng)的研究其引發(fā)的地下水環(huán)境影響[6]。地下水環(huán)境影響預測方法國內外專家學者也提出了一系列的評價和研究方法，主要包括數(shù)學模型法和類比預測法。數(shù)學模型法中的數(shù)值法是目前地下水環(huán)境預測主要的發(fā)展趨勢。數(shù)值法以其直觀、全方位、精度高、靈活性高的特點被廣泛運用于地下水相關領域。

本文以滇中引水工程某深埋長隧洞為依托，以GMS為平臺，結合其地下水含水介質特性、巖體水文地質結構、地下水流動系統(tǒng)特征、地下水化學及其環(huán)境特點建立三維滲流場數(shù)值模型，對隧洞涌水量及對地下水環(huán)境影響程度進行預測研究，為合理評價隧洞工程建設可能導致的地下水環(huán)境影響程度、研究制定滲控標準等提供合理、準確、可行的依據(jù)。

1 ?工程及地質背景條件概況

滇中引水工程是云南省經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略性基礎工程，擬從金沙江干流石鼓河段取水，工程多年平均引水量34.03億m3。本文所涉及的深埋隧洞全長約62km，最大埋深約1450m，埋深大于600m洞段占隧洞總長的67.38%，屬于典型的深埋長隧洞。

該隧洞地處橫斷山脈與滇中高原交接部位，跨越金沙江與瀾滄江分水嶺，地形起伏較大，隧洞區(qū)構造背景及巖溶水文地質條件均極其復雜，穿越多條活動斷裂、多段巖溶地層和多個巖溶水系統(tǒng)、以及泥頁巖等軟弱地層。涉及的工程地質、水文地質及環(huán)境地質問題眾多。其中線路地表涉及可溶巖地層分布長度29.703km，占比47.45%，隧洞穿越可溶巖地層長度17.866km，占比28.54%，沿線可溶巖地層分布有一系列巖溶泉，這些泉水是當?shù)厝嗣裆詈凸まr(nóng)業(yè)生產(chǎn)、以及生態(tài)補水的主要補給水源。

2 ?模型的建立

2.1 水文地質概念模型

水文地質模型評價區(qū)面積約1575km2，包含了5個巖溶系統(tǒng)：白漢場、拉什海、文筆海、清水江-劍川、鶴慶西山巖溶系統(tǒng)。地下水主要賦存于灰?guī)r和局部的第四系中，導水通道主要為導水性斷層和巖溶管道。淺層水的補給來源主要為降水，開采、蒸發(fā)、泉為主要排泄途徑。深層水補給來源主要來自上層下滲、區(qū)域地下水的循環(huán)，開采、泉和側向排泄為主要排泄途徑。將評價區(qū)地下水水流系統(tǒng)概化為非均值各項異性三維流動系統(tǒng)[7]。根據(jù)區(qū)內發(fā)育的主要泉水點、河流及主要斷層，對研究區(qū)進行了三維滲流模型概化，邊界區(qū)域與邊界類型設置如圖1。

2.2 數(shù)學模型

根據(jù)水文地質概念模型，研究區(qū)巖溶含水層含水介質以裂隙為主，地下水流符合達西定律。將研究區(qū)地下水概化為非均質、各向異性的穩(wěn)定三維地下水流系統(tǒng)?？捎萌缦挛⒎址匠痰亩ń鈫栴}來描述：

式中：H為地下水水頭，m;Kx，Ky，Kz，為x，y，z方向滲透系數(shù)，m/d;W為單位時間從單位體積含水層流入或流出的水量，1/d;ε為單位時間在垂向上從單位面積含水層自由面流入或流出的水量，m/ d;H1為各層邊界水位，m;q為含水層第二類邊界單位面積過水斷面補給流量，m/d;Ω為滲流區(qū)域;B1為水頭已知邊界，第一類邊界;B2為流量已知邊界，第二類邊界;B3為自由面邊界;n為滲流區(qū)邊界的單位外發(fā)線方向。地下水流場的初值設置為地表標高。

2.3 數(shù)值模型

此基礎上，地下水數(shù)值模型采用GMS10.2軟件進行數(shù)值離散（圖2）。巖體滲透系數(shù)根據(jù)壓水試驗和振蕩試驗結果進行取值。對于非飽和帶巖體的滲透系數(shù)以及鉆孔未揭示的巖體的滲透系數(shù)，需要采用類比和反演的方法來確定。利用隧洞區(qū)水位長觀孔的長期觀測資料、主要泉流量值和已經(jīng)開工建設的多條施工支洞涌水量監(jiān)測值等資料，對模型及參數(shù)進行調整與修改。通過擬合發(fā)現(xiàn)，總體上觀測值與計算值相差較小[8] [9]。

3 ?隧洞灌漿防滲不同工況擬定

模型擬結合以下三種工況預測不同工況下的隧洞涌水量、地下水水位變化和主要泉點影響程度等。

工況一：天然裸洞;

工況二：部分灌漿（對裸洞涌水量q>3m3/m*d 洞段實施普通灌漿，灌漿標準1×10-5cm/s）;

工況三：二次灌漿（對普通灌漿后涌水量q>3～5m3/m*d洞段修改為磨細水泥灌漿，灌漿標準5×10-6cm/s;對普通灌漿后涌水量q>5m3/m*d洞段修改為化學灌漿，灌漿標準1×10-6cm/s）。

4 ?隧洞施工對地下水環(huán)境影響預測

4.1 隧洞涌水量預測

隧洞施工貫通后全隧洞排水的情況，根據(jù)數(shù)值模擬計算結果，統(tǒng)計了隧洞各巖性分段在不同工況條件下的涌水量，隧洞在各工況條件下的總涌水量見表1。

裸洞工況下隧洞涌水量較大，總涌水量達到4.496m3/s（枯水期）、4.962m3/s（豐水期）。涌水量較大的洞段為巖溶水系統(tǒng)段、區(qū)域性斷層影響帶以及向斜（背斜）影響段;在二次灌漿后，涌水量明顯減小，總涌水量減小為1.398m3/s（枯水期）、1.426m3/s（豐水期），降幅達到60%以上。

為進一步分析隧洞開挖對隧洞區(qū)地下水總徑流量的影響，分別統(tǒng)計了隧洞開挖涌水量與地下水總徑流量占比（表2）。

在天然裸洞施工工況下，地下水徑流量變幅占比約18%。采用防滲灌漿措施后，徑流量變幅變小。二次灌漿（工況三） 后，徑流量變幅占比降到約5%。

4.2 地下水水位變化預測

為定量計算隧洞排水疏干可能引起的地下水位的變化，通過所建的地下水滲流模型，結合MapGis的高程疊加功能，分別計算了不同工況下的水位下降和影響范圍?？菟诤拓S水期不同工況下隧洞開挖地下水水位下降影響可見表3和圖3、4天然狀態(tài)（裸洞）下隧洞地下水位變化及影響寬度較大，地下水位降深最大范圍300～500m，最大影響寬度5～7km。隧洞在采取工況三防滲措施后，其地下水位降深范圍及影響寬度減小明顯，地下水位降深最大范圍減小為150～200m，減幅約50%，最大影響寬度減小為3～5km，減幅約40%。

4.3 主要巖溶大泉影響程度預測

隧洞區(qū)域可溶巖地層分布廣，地下水環(huán)境影響敏感，隧洞穿越的馬耳山兩側盆地（鶴慶盆地和劍川盆地）山腳巖溶大泉分布密集。根據(jù)隧洞穿越區(qū)水文地質結構，主要泉點的分布位置，以及隧洞與泉點在平面和垂向上的位置關系，通過數(shù)值模擬計算，預測了在不同工況下枯水期和豐水期主要巖溶泉點的影響程度。不同工況下主要泉點影響程度可見表4。

由預測結果可知，裸洞施工工況下對距離隧洞較近的泉點影響較大，會疏干部分泉點，如清水江村泉。其余影響較大的泉點有黃龍?zhí)叮ㄓ绊懗潭却笥?0%），東山寺泉、水鼓樓泉、蝙蝠洞等（影響程度大于10%）;二次灌漿工況下對各泉點影響顯著下降，影響較大的泉點有清水江村泉（影響程度大于20%），對于其它泉點影響均減小至5%以下。

4.4 運行期水位恢復情況預測

在開挖完成后，地下水位下降和地下水量的疏干或外排過程將結束，且會因為降雨入滲和側向補給等補給通道的輸入，進入地下水恢復過程。為計算區(qū)域地下水位恢復時間，建立相應區(qū)域地下水滲流場的非穩(wěn)定模型，以開挖后的滲流場為初始條件，計算地下水滲流場恢復的程度和時間，以枯水期為例展開說明。

圖5為隧洞地下水位分別恢復2年和5年后的地下水滲流場情況。 由計算預測結果可知，隧洞完全封堵后，在恢復5年后地下水滲流場可基本恢復至開挖前的狀態(tài)。需要說明的是，以上計算是基于最為理想的邊界條件和補給條件下的恢復時間，實際的地下水水位線很難100%恢復至初始狀態(tài)。

5 ? 結論

本文以滇中引水工程某深埋長隧洞為依托，通過建立GMS數(shù)值模型對不同施工工況下隧洞施工的涌水量、地下水水位變化、主要巖溶泉點影響程度、運行期水位恢復情況等進行了預測。

通過預測，在裸洞施工工況下對地下水環(huán)境影響較大，隧洞涌水量占比地下水總徑流量的18%左右，地下水位降深最大范圍300～500m，最大影響寬度5～7km，對距離隧洞較近的泉點影響較大，會疏干部分泉點。

在采用防滲灌漿措施后，效果明顯。二次灌漿（工況三） 條件下，預測隧洞涌水量占比地下水總徑流量減小到5%左右，地下水位降深最大范圍減幅約50%，最大影響寬度減幅約40%，對主要巖溶大泉的影響均降到了5%以下。

隧洞施工對地下水環(huán)境影響的研究貫穿于從勘察設計到施工、運行的整個過程，本次預測研究為制定滲控標準等提供了合理、準確、可行的依據(jù)。在施工過程中需要對設計階段的計算成果不斷地進行反饋修正，以完善預測的準確率，更好地服務于施工，為地下水環(huán)境保護和施工決策提供科學依據(jù)。

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