李 琦，楊 旭，由丹丹，劉 威

(哈爾濱師范大學(xué),寒區(qū)地理環(huán)境監(jiān)測(cè)與空間信息服務(wù)黑龍江省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室)

0 引言

在“十二五”到“十三五”的10年中，中國(guó)投資超過(guò)4萬(wàn)億集中用于建設(shè)超長(zhǎng)超深高風(fēng)險(xiǎn)隧道工程和世界級(jí)大型水利水電工程，并在“十四五”規(guī)劃綱要中強(qiáng)調(diào)要加快建設(shè)交通強(qiáng)國(guó)，加快推動(dòng)鐵路項(xiàng)目建設(shè).近年來(lái)，中國(guó)鐵路行業(yè)迅猛發(fā)展，鐵路沿線(xiàn)的地形地質(zhì)復(fù)雜、氣候條件多變、生態(tài)環(huán)境脆弱等難題層出不窮，隧道建設(shè)逐漸成為了鐵路施工的重難點(diǎn).長(zhǎng)期以來(lái)，隧道涌水一直是隧道施工過(guò)程的水文難題[1].它影響著隧道的施工、運(yùn)營(yíng)及維護(hù)的全過(guò)程，且致災(zāi)機(jī)理復(fù)雜、量化分析困難[2].特別是由于山嶺地區(qū)鐵路隧道的水文地質(zhì)資料不易獲取以及隧址區(qū)復(fù)雜的地表和地下水系，使得隧道施工時(shí)刻面臨著突涌水風(fēng)險(xiǎn)[3].

突涌水風(fēng)險(xiǎn)是隧道施工中的主要地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)[4]，在國(guó)內(nèi)外重大隧道工程發(fā)生的特大事故中，突涌水事件在發(fā)生頻次和傷亡人數(shù)方面均居于前列[5].該文重點(diǎn)針對(duì)涌水從隧道口涌出后形成地表徑流這一事件，利用HEC-RAS水文模型對(duì)涌水排放徑流的動(dòng)態(tài)分布進(jìn)行估算.HEC-RAS模型可用于生成基于事件的河段規(guī)模水力過(guò)程，用更為詳細(xì)和有效的時(shí)空方程來(lái)模擬基于事件的河道水力學(xué)[6-8].以往研究通常將有效降雨量替代為地表徑流來(lái)進(jìn)行模型演算.例如，使用土壤保持服務(wù)曲線(xiàn)數(shù)(SCS-CN)方法估算有效降水量[9]，或使用更穩(wěn)健的水文建模系統(tǒng)(HEC-HMS)，用于生成二維模型(HEC-RAS)的流入邊界線(xiàn)，并進(jìn)一步模擬河網(wǎng)流量[10].除了SCS-CN方法，還可以利用HEC-HMS中的土壤水分核算方法，對(duì)連續(xù)模型下的地表徑流進(jìn)行模擬[11].雖然SCS-CN和HEC-HMS方法都已經(jīng)成功應(yīng)用，但用于模擬隧道涌水徑流事件仍需要理論驗(yàn)證[12-14].

1 研究區(qū)域與方法

該研究利用空間式水文模型對(duì)隧道涌水形成的地表徑流事件進(jìn)行模擬，并對(duì)隧址區(qū)的影響范圍及程度進(jìn)行預(yù)報(bào)預(yù)警，目的是提出一套切實(shí)可行的隧道涌水徑流模擬和水量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，以減輕涌水對(duì)隧址區(qū)的水環(huán)境造成的影響.為此，選擇HEC-RAS(美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)，2014)和ArcGIS(ESRI，ArcGIS Desktop，2007)軟件作為識(shí)別關(guān)鍵要素和模擬徑流的有效工具組合.

1.1 研究區(qū)域

朝陽(yáng)湖火車(chē)站隧道位于成都市浦江縣朝陽(yáng)湖鎮(zhèn)，全長(zhǎng)98 km，是川藏鐵路起點(diǎn)站.隧道最大埋深約為27.57 m，海拔536 m(如圖1所示)，雙線(xiàn)設(shè)計(jì).隧址區(qū)圍巖巖質(zhì)較硬，性脆，地處硬質(zhì)巖的應(yīng)力聚集帶，且區(qū)內(nèi)地表水系較發(fā)育，加上大氣降雨補(bǔ)給，在隧道建設(shè)過(guò)程中經(jīng)常遇到溶洞和地下暗河，這些豐富的地表水和地下水極易造成隧道涌水事件發(fā)生.

圖1 研究區(qū)域

在不考慮施工抽排水的情況下，經(jīng)模型調(diào)參測(cè)試出隧道涌水自然涌出后形成的地表徑流量約為1000cfs，該研究只考慮自然狀態(tài)下涌水徑流對(duì)隧址區(qū)產(chǎn)生的潛在風(fēng)險(xiǎn).

1.2 研究方法

HEC-RAS水文模型被廣泛用于地表徑流的模擬和安全管理研究，它包括文件存儲(chǔ)、徑流分析、結(jié)果輸出和圖像展示等功能[15-17].該文利用HEC-RAS軟件中的動(dòng)波模型對(duì)隧道涌水徑流排放情景進(jìn)行一維模擬.考慮到DEM是地表水流路徑的主要自然表示，當(dāng)隧址區(qū)的土壤達(dá)到飽和時(shí)，超過(guò)土壤滲透能力的徑流會(huì)通過(guò)地表水流路徑分流到附近的河網(wǎng).在數(shù)據(jù)不易獲取的山嶺地區(qū)，HEC-RAS中的動(dòng)波模型是較好的選擇，因?yàn)閯?dòng)波模型是HEC-HMS地表徑流模型中的概念模型[18-19]，此模型所需的數(shù)據(jù)主要為DEM數(shù)據(jù)，且可以直接從哨兵二號(hào)高分辨率遙感影像中解譯獲取.采用HEC-RAS建立的一維隧道涌水水文模型可以準(zhǔn)確地模擬隧道涌水在隧道外的徑流排放演變規(guī)律和分布情況.構(gòu)建水文模型是隧道涌水徑流生態(tài)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)的基礎(chǔ)[20-21]，因此利用水文模型模擬隧道外涌水徑流的排放路徑是十分必要的.

HEC-RAS是美國(guó)陸軍工程兵團(tuán)水文工程中心開(kāi)發(fā)的水面線(xiàn)計(jì)算模型,適用于河道一維恒定流和非恒定流的水力計(jì)算.其中，非恒定流計(jì)算基于連續(xù)方程和動(dòng)量方程.

連續(xù)方程：

(1)

動(dòng)量方程：

(2)

式中：ρ為徑流水體密度；u為流速；x為橫向坐標(biāo)；t為時(shí)間；p為壓力；f為質(zhì)量力.

2 涌水徑流模擬

基于1∶1000地形圖，利用HEC-RAS地表徑流模型構(gòu)建朝陽(yáng)湖火車(chē)站隧道口涌水徑流線(xiàn)的水文模型.通過(guò)Arcview3.3的拓展模塊HEC-GeoHMS3.3對(duì)徑流DEM數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，提取徑流的地形參數(shù)及河道特征參數(shù)，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建HEC-RAS工程，最終得到涌水徑流排放的概化河道如圖2所示.

圖2 涌水徑流排放概化河道

3 結(jié)果與討論

將ArcGIS軟件中的圖層數(shù)據(jù)均轉(zhuǎn)換為數(shù)值形式錄入HEC-RAS軟件，在HEC-RAS水面線(xiàn)計(jì)算軟件中進(jìn)行水量演進(jìn)運(yùn)算，最終得到隧道涌水徑流排放的模擬結(jié)果(如圖3所示).其中10、9、8、7和6分別代表涌水徑流的5、4、3、2和1號(hào)橫斷面.

圖3 水文模型模擬結(jié)果

朝陽(yáng)湖火車(chē)站隧道口涌水徑流的水位剖面線(xiàn)圖如4所示，圖中展示了涌水徑流水位的變化情況，J1點(diǎn)位于隧道口處的5號(hào)橫斷面，J5點(diǎn)在徑流1號(hào)橫斷面上，PFK1點(diǎn)為涌水徑流末端端點(diǎn).

朝陽(yáng)湖火車(chē)站隧道涌水徑流的HEC-RAS工程提供河道三維立體圖(如圖5所示).其中，綠色線(xiàn)為涌水徑流河道河岸線(xiàn)，紅色線(xiàn)為涌水徑流水面線(xiàn)，黑色線(xiàn)表示涌水徑流河道底部.

圖5 涌水徑流河道三維立體圖

由朝陽(yáng)湖火車(chē)站隧道涌水徑流的水文模型模擬結(jié)果(如圖3所示)可見(jiàn)，隧道涌水徑流的平均流速(第10列)顯示出上下波動(dòng)的變化趨勢(shì)，在徑流末段平均流速為6.16ft/s，流速較慢，在隧道口流速最快，最大值達(dá)到18.04ft/s，說(shuō)明徑流的流速變化受到土地利用因素的影響.徑流的有效流動(dòng)面積(第11列)最大值出現(xiàn)在徑流中段(居民住宅區(qū))，說(shuō)明涌水徑流的水量風(fēng)險(xiǎn)在住宅聚集區(qū)域影響范圍最大，程度最高.在住宅區(qū)，地面坡降小，自然狀態(tài)下的徑流河道淺，相同涌水量的地表徑流就會(huì)呈現(xiàn)出更大的水面寬和更大的流域面積.同樣，徑流的水面寬度(第12列)與流速和流動(dòng)面積呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，水面寬度從隧道口涌出后先增加后減少，最大值出現(xiàn)在2號(hào)橫斷面(6.68ft)，這是由于此橫斷面的河道較淺，在相同的涌水量條件下，呈現(xiàn)出相對(duì)更大的徑流水面寬度.徑流流速快和流動(dòng)面積大的區(qū)段，可能會(huì)影響隧址區(qū)的植被生長(zhǎng)和居民正常生活，并對(duì)地下水系造成擾動(dòng)，間接影響附近居民用水和土壤中動(dòng)植物需水.為了減少涌水徑流對(duì)隧址區(qū)生態(tài)環(huán)境的影響，隧道管理人員應(yīng)依據(jù)涌水徑流的水量模擬結(jié)果，著重考慮如何構(gòu)建隧道突涌水防治優(yōu)化路徑.

由圖4可以看出，朝陽(yáng)湖火車(chē)站隧道涌水徑流從5號(hào)橫斷面至徑流末端的水位呈不斷下降的趨勢(shì).由河道三維立體圖(如圖5所示)可以看出，涌水徑流的水面線(xiàn)呈上下波動(dòng)趨勢(shì)，但高度一直未超出兩側(cè)河道線(xiàn).

圖4 涌水徑流水位剖面線(xiàn)圖

涌水徑流對(duì)隧址區(qū)造成潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)，原因之一是缺少可供施工人員和管理人員使用的決策支持工具.除了目前隧道廣泛使用的在隧道口處設(shè)置沉淀池、蓄水池等對(duì)隧道涌水進(jìn)行處理，包括與施工廢水進(jìn)行清污分流預(yù)處理，該研究建議采用多目標(biāo)優(yōu)化策略，將綠色基礎(chǔ)設(shè)施(GI)納入隧道管理辦法，以最大限度地減少?gòu)搅鞯沫h(huán)境風(fēng)險(xiǎn).以隧道坐標(biāo)地圖為底圖，利用高分辨率遙感DEM高程影像，搭建隧址區(qū)GIS地圖，覆蓋隧址區(qū)的地表水系和附近地物.借助隧道管理平臺(tái)編制“一隧一檔”電子基礎(chǔ)信息，展示隧址區(qū)管理區(qū)域、建設(shè)單位信息、涌水處理設(shè)施數(shù)據(jù)、涌水量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)景照片等內(nèi)容，并基于GIS地圖實(shí)現(xiàn)徑流的多維度測(cè)量和計(jì)算，大大提高徑流排放估算的工作效率.

綜上所述，水文模型、衛(wèi)星影像和對(duì)隧道現(xiàn)場(chǎng)熟悉度的綜合分析結(jié)果對(duì)于徑流模擬至關(guān)重要.有必要監(jiān)測(cè)隧址區(qū)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境指標(biāo)變化情況并實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)部狀態(tài)實(shí)時(shí)分析.隧道相關(guān)人員對(duì)涌水徑流進(jìn)行模擬后，應(yīng)立即實(shí)行能有效減少涌水徑流的措施，并構(gòu)建對(duì)隧址區(qū)擾動(dòng)最小的輸水渠道，將涌水徑流的影響降到最小化.

4 結(jié)論

水文模型模擬結(jié)果表示，隧道涌水徑流的流速顯示出上下波動(dòng)的變化趨勢(shì)，在徑流末段平均流速為6.16ft/s，流速較慢，在隧道口流速最快，最大值達(dá)到18.04ft/s.徑流的有效流動(dòng)面積最大值出現(xiàn)在徑流中段.同樣，徑流的水面寬度與流速和有效流動(dòng)面積呈現(xiàn)出相同的變化趨勢(shì)，水面寬度從隧道口涌出后先增加后減少，最大值出現(xiàn)在2號(hào)橫斷面.由涌水徑流水位剖面線(xiàn)圖可以看出，朝陽(yáng)湖火車(chē)站隧道涌水徑流從5號(hào)橫斷面至徑流末端的水位呈不斷下降的趨勢(shì).由河道三維立體圖可以看出，涌水徑流的水面線(xiàn)呈上下波動(dòng)趨勢(shì)，但高度一直未超出兩側(cè)河道線(xiàn).該技術(shù)方法可用于短期涌水徑流水量模擬，以較少的模型指標(biāo)輸入量就可以準(zhǔn)確模擬涌水徑流排放演變規(guī)律，隨著HEC-RAS技術(shù)開(kāi)發(fā)人員繼續(xù)推進(jìn)HEC-RAS模型對(duì)二維涌水徑流的模擬能力，未來(lái)可嘗試從多維視角對(duì)隧道涌水徑流事件進(jìn)行排放演變模擬.