黃土梁隧道對自然保護區(qū)地下水環(huán)境的影響及防治措施

闞艷伶，李 曉，席呈虎

(成都理工大學(xué)環(huán)境與土木工程學(xué)院，四川成都610059)

隧道工程的建設(shè)對地下水環(huán)境的影響已經(jīng)開始受到越來越多人的關(guān)注。隧道開挖將可能破壞區(qū)域內(nèi)的地下水系，改變地下水賦存狀況，并成為地下水排出的天然通道，直接導(dǎo)致地下水位下降、地表水和井泉干涸、地面沉降及生態(tài)環(huán)境惡化。而自然保護區(qū)的地下水環(huán)境更為脆弱，一經(jīng)破壞，就會影響珍稀動植物的生存環(huán)境，甚至?xí)斐晌锓N的滅絕。黃土梁隧道是擬建綿九高速公路平武縣到九寨溝縣穿越摩天嶺山脈的深埋長大隧道，由于隧道緊鄰?fù)趵屎臀鸾莾蓚€自然保護區(qū)，地下水環(huán)境敏感度較高，隧道穿越對該地區(qū)地下水環(huán)境造成了一定的影響。

1 黃土梁隧道概況

擬建黃土梁隧道(AK169+800～AK182+810)位于九環(huán)東線平武縣與九寨溝縣交界處的黃土梁，進口位于平武縣白馬鎮(zhèn)NW約30 km的一溝谷內(nèi)，高程為2336.13m，出口位于九寨溝縣至綿陽二級公路邊上，高程為2131.05m，全長13 010m，最大埋深1 112m，進出口均有公路通往，交通極為便利。黃土梁隧道處于四川盆地向青藏高原過渡的東緣地帶，地勢由西北向東南傾斜，屬于中高山切割型山地，峰巒疊嶂，區(qū)內(nèi)溝谷縱橫，深切，地形陡峻，山頂以駝峰、馬鞍狀為主，局部呈長恒狀。區(qū)內(nèi)海拔駝、馬鞍～3 400m，相對高差高"擬～2 000m，具有山高谷深的特點，屬剝蝕構(gòu)造高中山地貌[1]。

2 隧址區(qū)地下水環(huán)境現(xiàn)狀

2.1 隧址區(qū)地質(zhì)背景

2.1.1 地層巖性

黃土梁隧道穿越區(qū)出露地層主要為古生界泥盆系中統(tǒng)三河組地層(S1+2)，(S3)段。隧址區(qū)大部分是S1+2)地層，在隧道出口段古生界泥盆系中統(tǒng)三河組3)地層出露，在隧址及附近地區(qū)溝谷分布有全新統(tǒng)沖積層()及崩坡積層()。

2.1.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)發(fā)育的斷層為文縣弧形構(gòu)造的分支斷裂，總體表現(xiàn)為北西向發(fā)育。隧道附近發(fā)育近3條大斷層，其中F1位于隧道進口外1 000m處，走向近NNW向，傾向SW;F2斷層位于隧道進口外約200m，走向近NNW向，傾向SW;F3斷層位于隧道出口段AK182+170附近，走向近 NNW向，傾向NE，傾角約為50°～60°。受區(qū)域斷裂的影響，次級褶皺發(fā)育，巖層產(chǎn)狀變化在 20°～45°∠40°～61°，優(yōu)勢產(chǎn)狀為 30°∠50°。

2.1.3 水系

隧址區(qū)以黃土梁作為分水嶺，分水嶺以南屬于長江的二級支流涪江水系的下級支流奪補河流域，以北為嘉陵江水系支流白水江的下級支流湯珠河流域。隧道進口位于奪補河色納路段，進口左邊為奪補河支溝羅結(jié)術(shù)溝，右側(cè)為螞蝗溝。隧道從進口越嶺后，穿山脊緊靠葫蘆溝順勢而下，隧道出口位于嘉陵江上游湯珠河水系的支溝—葫蘆溝與湯珠河交匯處上方，隧道口左邊另有湯珠河支流石罐子溝。各水系統(tǒng)計表見表1。

表1 隧道穿越區(qū)水系統(tǒng)計表

2.2 隧址區(qū)水文地質(zhì)條件

2.2.1 含水巖組及富水性評價

2.2.2 地下水類型及補徑排特征

按隧址區(qū)地下水含水介質(zhì)特征，隧址區(qū)地下水類型分為第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水及碳酸鹽巖巖溶水三大類。該區(qū)地下水以大氣降雨補給為主，以黃土梁一級分水嶺為界，東坡主要補給湯珠河西岸含水巖組，西坡主要補給奪補河?xùn)|岸含水巖組。地下水主要以隱伏排泄方式向奪補河和湯珠河及支流排泄，奪補河及湯珠河為測區(qū)地表水侵蝕和地下水排泄的最低基準面。

2.2.3 地下水水化學(xué)特征

研究區(qū)地下水化學(xué)類型為HCO3－Ca型水，主要離子含量見表2，地下水礦化度均在1.0g/L以下，pH值在7.0～8.0之間，其中礦化度小可能與地形、地下水的交替強度有關(guān)，與水質(zhì)類型有關(guān)。

表2 主要離子含量值統(tǒng)計表

2.3 水資源開發(fā)利用調(diào)查

2.3.1 隧址區(qū)地下水資源及利用狀況

隧址區(qū)居民少，無工廠分布，沒有大量集中用水的需求，無供水水源地，地下水僅少量利用山泉作居民及牲畜飲水。黃土梁隧道從勿角自然保護區(qū)和王朗自然保護區(qū)西側(cè)穿過，隧址區(qū)地下水主要為生態(tài)用水。

2.3.2 隧址區(qū)居民及生活用水情況調(diào)查

對隧址區(qū)進口段林場、麻古扎20戶約60人進行調(diào)查訪問，本地居民飲用水來源主要為奪補河水，隧道開挖造成的污水若直接排放并流入奪補河，將對附近居民的健康造成較大的影響。因此，在隧道施工過程中必須采取有效地排水措施，盡量避免施工廢水污染奪補河水。

2.4 地下水水質(zhì)現(xiàn)狀評價

研究區(qū)由于其地形、地質(zhì)及水文地質(zhì)因素，地下水的形成主要與地層巖性有關(guān)，地下水水質(zhì)普遍良好，一般無色、無味、澄清透明。礦化度小于1.0g/L，PH值在6.0～8.0之間，多屬軟水和微硬水，極少數(shù)為硬水，其化學(xué)組分均未超過飲用水水質(zhì)標準，對于飲用及灌溉是適宜的。區(qū)內(nèi)沒有工礦企業(yè)，居民較少，地下水主要用于居民及牲畜飲水，土地灌溉等方面，這些地下水利用方式一般不會對地下水造成污染。

圖1 區(qū)域水文地質(zhì)圖

3 隧道施工對自然保護區(qū)地下水環(huán)境影響分析

3.1 隧道涌水量預(yù)測

隧道涌水量的預(yù)測方法較多，包括水理統(tǒng)計法、水均衡法(地下水徑流深度法，地下水徑流模數(shù)法，降水入滲法)、解析法(地下水動力學(xué)法)、水文地質(zhì)比擬法、數(shù)學(xué)方法、同位素氚法、非線性理論方法。本次采用計算誤差相對較小的地下水徑流模數(shù)法預(yù)測隧道涌水量[2][4]。

結(jié)合本隧道的勘察現(xiàn)狀、水文地質(zhì)條件，現(xiàn)選用地下水徑流模數(shù)法預(yù)測涌水量。采用《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》中計算公式:Qs=86.4MA。式中:Qs為預(yù)測隧道正常涌水量(m3/d);86.4為換算系數(shù);M為地下徑流模數(shù)(L/s·km2);A為隧道通過含水體地段的集水面積(km2)。

根據(jù)徑流模數(shù)法計算，本隧道正常涌水量為42 966m3/d，最大涌水量為1.5×涌水為42=64 449m3/d，見表3。

表3 地下徑流模數(shù)法涌水量計算表

3.2 隧道開挖致使疏干漏斗擴大

隧洞涌水可能會疏干地下水，或者引起地下水位下降和形成疏干漏斗并擴大，還可能因地下水通道被疏通而使含水層滲透性增大，導(dǎo)致疏干漏斗范圍內(nèi)的地表水干涸，引發(fā)水環(huán)境災(zāi)害。

3.2.1 公式選取

1)疏干漏斗范圍

因隧道襯砌時地下水尚處于非穩(wěn)定狀態(tài)，故疏干半徑R(t)應(yīng)以非穩(wěn)定流公式為基礎(chǔ)來計算。

設(shè)u=r2s/(4Tt)地下水徑向非穩(wěn)定流泰斯公式的雅各布適用于u≤0.05的情況。而隧洞在襯砌前的涌水時段不長，故u值較大，在距隧洞的平面距離r較大處，u值更大，前人研究證明，當u值較大時，最貼合泰斯曲線近似式為[3]:

W(u)=10.9504u－0.06575－ 10.85

由此導(dǎo)出水位降深s與地面影響半徑R'分別為:

s= [q/(4πT)](10.9504u－0.06575－ 10.85)

q為t1時刻的流量;s為水位降深;r為距隧洞壁的平均距離。

R'=2.145(HKt1/μ)1/2

根據(jù)上式求得的影響半徑，進而繪出地面的橢圓形疏干范圍為

橢圓長徑(沿隧道走向):R1=2R'+L

橢圓短徑(垂直隧道走向):R2=2R'+B 2)疏干漏斗體積

標準的倒圓錐體疏干漏斗的體積V'為:

V'=1.0455(q1/T)(Tt/S)0.06575R2.8685－0.9042q1R3

隧道含水層疏干漏斗體積V可近似地分解為兩個倒半圓錐體漏斗體積V'加上其間“V”形槽體積V″。V″=AL，A=A'+A″。A'為倒圓錐體疏干漏斗的橫截面積(m2)，A″為洞壁降深 s0。

在上述計算降深s的公式中q與平均涌水量q2，即q2=同時，因為q與倒圓錐漏斗相對應(yīng)，q1與單寬“V”形槽相對應(yīng)，在忽略兩種形態(tài)側(cè)向補給面積的比例從而忽略側(cè)向補給水量的差異后

3.2.2 成果計算

為確定疏干漏斗的影響范圍，對各涌水段的影響半徑及疏干漏斗的空間形態(tài)特征進行分析，并計算距離涌水段20、30、40、60、80m處的地下水位降深見表4。3號點位置含水層厚度最大，且水頭值最高，隧道工程在此位置揭穿時，形成漏斗區(qū)范圍最大。

斷層帶和灰?guī)r段的單位長度涌水量4.31～11.94m3/(d·m)，計算的影響半徑200～420m，在距斷層或灰?guī)r段道地下水位降深一般在1～12m，具有一定的影響范圍，建議在隧道施工中在上述可能涌水段采用“以堵為主”的方法，減少對環(huán)境的負面影響。

3.3 隧道施工對地下水的影響

3.3.1 對地下水系統(tǒng)的影響

隧道進口段，位于淺層地下水含水系統(tǒng)，隧道施工可能疏干一定范圍內(nèi)的地下水[5]。在斷層帶或灰?guī)r條帶分布帶，隧道施工可能對地下水循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生一定影響，但由于隧址區(qū)斷裂總體不發(fā)育，灰?guī)r呈條帶或透鏡狀分布，巖溶發(fā)育深度受非可溶巖限制，越嶺帶埋深超過1 000m，屬地下水深循環(huán)帶，地下水總體不發(fā)育，因此在越嶺帶隧道穿越灰?guī)r帶時，隧道施工對地下水循環(huán)的影響也較小。在隧址其它處于地下水深循環(huán)帶的泥質(zhì)巖類，地下水含水性差，隧道施工對地下水循環(huán)影響很小(見圖2)。

表4 涌水點疏干范圍計算表m

圖2 隧道剖面水系統(tǒng)劃分

3.3.2 對地下水水質(zhì)的影響

隧道施工對周圍水質(zhì)的影響較大。一般來講，隧道施工污水主要污染物為SS、COD和石油類。隧道施工排出的廢水pH值較高，偏堿性，化學(xué)灌漿材料致使其具有毒性，廢水若直接排入河流等公共水域，下游居民的生活用水將會受到威脅。

3.4 隧道施工對上部生態(tài)用水的影響

隧道長期排水形成的降位漏斗可能造成自然保護區(qū)附近的地下水流失、地表水體污染、地下水水質(zhì)惡化及井泉枯竭等地下水問題，在隧道建設(shè)過程中應(yīng)充分考慮對保護區(qū)地下水環(huán)境的影響。

3.4.1 對王朗自然保護區(qū)的影響

黃土梁隧道在王朗自然保護區(qū)西側(cè)通過，隧道工程距離保護區(qū)內(nèi)各保護站點較遠，隧道施工涉及的地下水系統(tǒng)與王朗自然保護區(qū)地下水分屬不同地下水系統(tǒng)，因此隧道施工對王朗自然保護區(qū)地下水環(huán)境影響很小。

3.4.2 對勿角自然保護區(qū)的影響

黃土梁隧道在里程為AK177～AK179段穿越勿角自然保護區(qū)，其穿越區(qū)屬越嶺地帶，隧道穿越地下水深部循環(huán)地帶，對淺部地下水系統(tǒng)影響較小，施工排水形成的降位漏斗降深較小，因此黃土梁隧道施工對勿角保護區(qū)地下水環(huán)境影響小。

4 結(jié)語

西南山區(qū)特殊的地質(zhì)環(huán)境條件制約著地下水環(huán)境條件，隧道對自然保護區(qū)地下水環(huán)境的影響是隧道工程中較為復(fù)雜的問題，稍有不慎，就會造成嚴重的影響。因此，隧道選址要充分考慮到地下水的影響，盡量避開可溶巖地段和破碎帶，以減少地下水的涌出量與滲漏量。在隧道施工前后要做好地下水環(huán)境的保護措施。

(1)施工前應(yīng)查明區(qū)域地下水的分布、含水單元、補徑排、水質(zhì)及居民用水水源情況，在隧址區(qū)附近設(shè)置水位變化監(jiān)測點，能及時觀察地下水水量及水質(zhì)的變化情況。當預(yù)計地下水流失后會影響山頂居民生活時，則應(yīng)考慮尋找其他供水點或向山頂提供供水工程設(shè)施。

(2)施工期間，利用堵水或截流技術(shù)，封閉進水通道，減少涌水量。確保在出現(xiàn)地下水滲漏時，附近居民能通過引用其他水源來解決生活用水問題。

(3)施工過程中采取相應(yīng)的措施將被污染的地下水封閉于一定的范圍內(nèi)，進行簡單的沉降處理，不讓其擴散。

(4)施工后，要定期觀測隧道內(nèi)部是否出現(xiàn)滲水點、涌水點及附近居民用水量及水質(zhì)的變化情況，及時的預(yù)防可能出現(xiàn)的地下水環(huán)境問題，將隧道對自然保護區(qū)的危害降到最低。

圖3 隧道與景區(qū)相對位置關(guān)系

[1]四川省交通運輸廳公路勘察設(shè)計院.黃土梁隧道地下水環(huán)境影響評價報告.2011.1.

[2]山區(qū)特長隧道建設(shè)對地下水環(huán)境影響及防治對策——以銅鑼山隧道為例[J].價值工程.2010，(10).

[3]隧道工程與水環(huán)境的相互作用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報.2005，1.

[4]預(yù)測隧道涌水量的方法[J].工程勘察.2000，(4).

[5]雪峰山隧道淺埋段隧道涌水對生態(tài)環(huán)境影響研究[J].中南公路工程.2006.2.