圣蓮島過江隧道工程降水對(duì)地下水環(huán)境影響研究

黃　蕓，孟春曉，彭道平

(1. 四川省環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，成都　610091；2. 西南交通大學(xué)，地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都　611756)

圣蓮島過江隧道工程降水對(duì)地下水環(huán)境影響研究

黃蕓1，孟春曉1，彭道平2

(1. 四川省環(huán)境監(jiān)測(cè)總站，成都610091；2. 西南交通大學(xué)，地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院，成都611756)

根據(jù)圣蓮島旅游區(qū)項(xiàng)目規(guī)劃的要求，采用明挖法修建過江隧道連接遂寧市區(qū)及圣蓮島。隧道場(chǎng)區(qū)地下水較為豐富，為確保施工進(jìn)度和施工安全，采用管井井點(diǎn)降水方案進(jìn)行工程降水。為將降水對(duì)區(qū)域地下水環(huán)境影響將至最低，文章從地下水環(huán)境保護(hù)的角度對(duì)工程降水后的區(qū)域地下水滲流場(chǎng)進(jìn)行了分析。通過設(shè)計(jì)3種不同的降水方案，對(duì)工程降水可能造成的地下水環(huán)境影響進(jìn)行了分析，確認(rèn)了方案三對(duì)區(qū)域地下水環(huán)境影響最小，并同時(shí)能夠滿足施工需求。在此基礎(chǔ)上，對(duì)隧道進(jìn)出口500m范圍內(nèi)的地下水水位下降值進(jìn)行了計(jì)算，分析了隧道周圍可能發(fā)生的地表沉降情況和區(qū)域地下水資源量的影響。

圣蓮島過江隧道; 降水; 地下水環(huán)境; 影響評(píng)價(jià)

1　工程概況

擬建觀音湖圣蓮島下穿隧道工程位于四川省遂寧市船山區(qū)涪江流域，連接河?xùn)|新區(qū)和圣蓮島，是遂寧市圣蓮島旅游區(qū)項(xiàng)目的控制性工程。工程起點(diǎn)為河?xùn)|新區(qū)的靈云路，終點(diǎn)為圣蓮島規(guī)劃修建的道路。場(chǎng)地地形較為平坦，左岸平均地面高程279.14m，右岸平均地面高程278.07m；河床平均地面高程270.22m。工程區(qū)域地貌單元屬涪江河床及河漫灘。工程全長(zhǎng)1110.00m，其中隧道段長(zhǎng)約710.00m，船槽段總長(zhǎng)400.00m。擬建隧道寬度9.00m，高6.00m，最大埋深約18.00m，最大坡率6.70%。

2　工程區(qū)域水文地質(zhì)條件

圖1　項(xiàng)目工程相對(duì)位置Fig.1　Relative location of project

圣蓮島內(nèi)地下水的主要補(bǔ)給形式為大氣降雨滲入補(bǔ)給；另還有地表水滲漏補(bǔ)給、其他含水層地下水互通補(bǔ)給以及灌溉、生活、生產(chǎn)用水入滲等。地下徑流總體流向具有島心向兩邊進(jìn)而向南或南東向的特點(diǎn)。同時(shí)工程區(qū)地下水的主要排泄形式為補(bǔ)給涪江水、島上內(nèi)湖，排泄方式為自然滲流；其次有少部分以蒸發(fā)蒸騰及供給島上居民生活用水等形式排泄。

3　隧道施工方案

圣蓮島隧址區(qū)工程地質(zhì)條件簡(jiǎn)單，地層緩傾，地質(zhì)應(yīng)力作用較弱，涉及隧道建設(shè)的基巖主要為遂寧組強(qiáng)、中風(fēng)化泥巖為軟質(zhì)巖體；且涪江流域水面無航運(yùn)，隧址區(qū)河段可以實(shí)現(xiàn)工程截流，截流最長(zhǎng)時(shí)間達(dá)6～7個(gè)月，且河道段隧道僅為560m，為明挖施工創(chuàng)造了非常有利的條件，因此工程采用明挖法進(jìn)行施工。

4　降水方案研究

4.1降水方案設(shè)計(jì)目的[1～5]

① 有效防止基坑兩側(cè)和基底的滲水，使隧道在開挖期間保持干燥狀態(tài)，有利于機(jī)械化施工；

② 增加明挖隧道邊坡的穩(wěn)定性和基底的穩(wěn)定性，防止邊坡上或基底土層的流失；

③ 減少土體濕度，有效提高物理力學(xué)性能指標(biāo)，減少支護(hù)體系的變形，提高土體固結(jié)強(qiáng)度，增加土體有效應(yīng)力。

④ 防止因開挖形成集水廊道產(chǎn)生的地下水涌突水災(zāi)害，減少對(duì)區(qū)域地下水環(huán)境的破壞，保護(hù)地下水資源和地表植被的完整。

4.2降水方案設(shè)計(jì)思路

① 綜合場(chǎng)地水文地質(zhì)條件，采用管井井點(diǎn)降水方案；

② 隧道施工段兩側(cè)布設(shè)降水井，實(shí)施抽水降低地下水位；

③ 根據(jù)開挖深度設(shè)計(jì)抽水量：淺挖段(隧道進(jìn)口、出口)抽水量小，深挖段(隧道中部)抽水量較大。

4.3降水方案的設(shè)置

通過設(shè)計(jì)幾組降水方案，采用數(shù)值模擬法，應(yīng)用Visual MODFLOW軟件模擬不同方案實(shí)施下地下水滲流場(chǎng)的變化情況，分析項(xiàng)目施工期間降水對(duì)地下水環(huán)境的影響，并優(yōu)選出既滿足施工要求且對(duì)地下水環(huán)境影響相對(duì)更小的最佳方案。

降水前在隧道南北側(cè)分別設(shè)置圍堰對(duì)涪江進(jìn)行截流，使江水繞過施工區(qū)域和圣蓮島。降水井位置沿隧道兩側(cè)對(duì)稱布置18組，共36眼，依隧道進(jìn)口至出口，井點(diǎn)對(duì)稱編號(hào)為1～18。通過對(duì)井位、抽水量、圍堰與隧道距離的調(diào)整，組成了3種不同的降水方案，見表1，抽水井位布置見圖2。項(xiàng)目的推薦方案為方案三，其中北側(cè)圍堰距隧道600m，南側(cè)圍堰距隧道800m；開挖范圍為沿隧道軸線兩側(cè)各10m，每組降水井橫向間距為50m，縱向間距為30m。

表1　隧道施工降水方案對(duì)比

井管及濾管均為273mm、壁厚6mm 的鋼管；濾管為外包80 目錦綸濾網(wǎng)的圓孔式濾管；濾管底部設(shè)置1m長(zhǎng)沉淀管；為便于降水井后期封井，在開挖底板以上均設(shè)置實(shí)管，開挖底板2m 以下設(shè)置濾管(其中加固區(qū)段濾管設(shè)置在加固區(qū)底)。

圖2　降水方案降水井布置及隧道相對(duì)位置圖Fig.2　Relative location of pumping wells layout and tunnel

5　降水方案模擬研究

5.1水文地質(zhì)概念模型

5.1.1含、隔水層概化

工程區(qū)主要為第四系沖洪積層及侏羅系遂寧組泥巖。第四系沖洪積層分層明顯，介質(zhì)類型分布較為均勻；遂寧組泥巖為緩傾地層，傾角為1°～3°，概化模型可水平分層。根據(jù)巖土工程詳細(xì)勘察鉆孔剖面，該區(qū)域內(nèi)可將含水介質(zhì)按5層劃分(圖3)，分別是粉土～粉砂，厚度0～4.0m；卵石層，厚度0.5～8.0m；強(qiáng)風(fēng)化，厚度1.5～7.0m；中風(fēng)化，厚度4.0～14.0m；泥巖基底，為隔水層。

圖3　施工期隧道周邊區(qū)域概化模型Fig.3　Conceptual model of tunnel areas during the construction period

5.1.2邊界條件

根據(jù)水文地質(zhì)勘察資料，確定預(yù)測(cè)范圍向西南距隧道出口1km，向東北距隧道進(jìn)口1km，沿涪江向上、下游距隧道1km為界，模擬區(qū)范圍約為3060m×2000m，每個(gè)單元格10m×10m，中間隧道部分加密為5m×5m(圖4)。由于隧道頂部為過軍渡水電站控制水位區(qū)，把隧道頂部的涪江水概化的定水頭邊界。

5.1.3地下水滲流模型

根據(jù)以上建立的概念模型，在不考慮水的密度變化的前提下，可以給出相應(yīng)的地下水流數(shù)學(xué)模型[6]：

體的厚度，m；K為滲透系數(shù)，m/d；H為點(diǎn)(x，y，z)在t時(shí)刻的水位值，m；W 為源匯項(xiàng)，m3/d。

初始條件：

第一類邊界條件：

第二類邊界條件：

5.1.4模型參數(shù)

地下水流數(shù)學(xué)模型涉及的模型參數(shù)主要為滲透系數(shù)。根據(jù)《圣蓮島旅游區(qū)過江隧道建設(shè)項(xiàng)目巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告》，各層水平方向滲透系數(shù)選取見表2，豎直方向取水平方向值的1/10。地下水初始水頭標(biāo)高為275.5m，給水度為0.3[7]。

圖4　隧道降水施工預(yù)測(cè)模型概化網(wǎng)格平面圖Fig.4　Grid ichnography of prediction conceptual model during tunnel dewatering construction

(m/d)

5.2模型運(yùn)行研究

5.2.1初始滲流場(chǎng)模擬

在隧道施工前，河流受下游水壩控制時(shí)，水位標(biāo)高基本穩(wěn)定于275m，略低于周邊地下水位，呈現(xiàn)地下水補(bǔ)給地表水的特征(見圖5)。在水壩開閘放水后，涪江水位下降。根據(jù)設(shè)計(jì)資料，隧道施工期間涪江的水位約為270m。根據(jù)對(duì)工程區(qū)水文地質(zhì)的調(diào)查，區(qū)域主要含水層為砂卵礫石層，滲透性較好，地表水系與地下水聯(lián)系緊密。涪江水位下降至270m時(shí)，周圍地下水位也會(huì)迅速降至270m左右，故施工期以270m作為涪江定水頭邊界。

圖5　隧道所在區(qū)域的初始滲流場(chǎng)Fig.5　Initial seepage field of tunnel area

5.2.2降水方案運(yùn)行模擬

通過設(shè)置降水井、圍堰等工程措施，模擬隧道進(jìn)行降水施工時(shí)場(chǎng)區(qū)的地下水滲流場(chǎng)變化情況。由于論文篇幅限制，本文只對(duì)第三套降水方案的模擬結(jié)果進(jìn)行分析。該方案抽水共計(jì)24400m3/d，北面設(shè)置的圍堰與隧道相距600m，南面設(shè)置的圍堰與隧道相距800m。降水方案實(shí)施后，隧道所在區(qū)域的地下水滲流場(chǎng)情況和地下水等水位線圖分別為圖6、圖7。

圖6　降水方案實(shí)施后地下水滲流場(chǎng)Fig.6　Seepage field after dewatering project

從圖7可知，受北側(cè)、西側(cè)和南側(cè)涪江定水頭邊界的影響，隧道地區(qū)的地下水主要由北至南、由西至東和由南至北向隧道匯集，并形成了以隧道為中心的地下水位降落漏斗。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在模型北側(cè)、西側(cè)和南側(cè)距涪江邊300～400m的地方，地下水位下降幅度約2～4m，而在模型東側(cè)，水位降深更大，隧道進(jìn)口以東區(qū)域地下水位最大下降值為10m，在隧道開挖基坑段，地下水位下降約18～20m，水頭標(biāo)高252～250m，低于隧道基底高程(約256m)。

圖7　隧道施工期地下水等水頭線圖Fig.7　Contour map of groundwater in tunnel construction period

5.2.3地下水位下降趨勢(shì)預(yù)測(cè)

受井位布置、抽水量及邊界條件控制制，地下水位降幅最大區(qū)域?yàn)樗淼来┰胶拥蓝?，最大降幅約20m。河道內(nèi)部分洞段，在距隧道軸線垂直距離約20m處，地下水位降幅18.0m；垂直隧道距離100m處，地下水位降幅16m；垂直隧道距離200m處，地下水位降幅14m；垂直隧道距離400m處，地下水位降幅8m；垂直隧道距離600m處，地下水位降幅2～4m；垂直隧道距離800m處，地下水位降幅小于2m。受圍堰距離限制，隧道河道段至圍堰處等水頭線緊密，水力梯度較大，說明該段的主要補(bǔ)給為河流繞壩滲流補(bǔ)給，隧道河床段影響范圍為上游600m，下游800m。

隧道出口沿隧道走向距離50m處，地下水位下降12m；隧道出口沿隧道走向距離100m處，地下水位下降6m；隧道出口沿隧道走向距離200m處，地下水位下降4m；隧道出口沿隧道走向距離300m處，地下水位下降2m；隧道出口沿隧道走向距離400m處，地下水位下降1m；出口端縱向影響范圍約500m。從而使項(xiàng)目對(duì)島上內(nèi)湖的水位及水量影響降到最低。

沿隧道進(jìn)口方向?yàn)榈貏?shì)起伏較為平緩的河?xùn)|新區(qū)，此處抽排地下水呈現(xiàn)的流場(chǎng)變化不同于隧道出口及隧道河道洞身段，流場(chǎng)表現(xiàn)為倒V字型，即表示該處為周邊區(qū)域的匯點(diǎn)，且主要補(bǔ)給來自含水層的疏干，由于抽水量及井位布置的控制，該段地下水位下降幅度較小，但影響區(qū)域較大。沿隧道走向東側(cè)距離隧道進(jìn)口10m處，地下水位下降14m；隧道出口沿隧道走向距離50m處，地下水位下降12m；隧道進(jìn)口沿隧道走向距離100～500m處，地下水位下降6～10m。

綜合上述分析，距隧道不同位置的地下水水位下降情況如表3所示。

5.3降水施工對(duì)地下水環(huán)境影響分析

5.3.1地表沉降分析

從上述預(yù)測(cè)結(jié)果可以看出，隨著降水方案的實(shí)施，隧道周圍的地下水水位將逐漸降低。隧道進(jìn)口段的地下水水位降幅較大，該區(qū)域范圍內(nèi)發(fā)生地表沉降的可能性較大，而隧道出口端的居民點(diǎn)也受降水影響會(huì)產(chǎn)生沉降。根據(jù)彈性變形一維固結(jié)公式計(jì)算地表沉降量，可知在距離隧道進(jìn)口北側(cè)20m處變形量為9.4～10.6 mm；距離隧道進(jìn)口南東側(cè)變形量為8.2～10.6 mm；距離隧道進(jìn)口北西側(cè)變形量為8.2～9.4 mm；隧道出口處變形量為1.2～3.5 mm。因此，施工期間進(jìn)行地表沉降監(jiān)測(cè)，以確保周圍建筑的安全是十分必要的。

5.3.2區(qū)域地下水資源量分析

隧道施工期間抽水量為24400 m3/d，抽出的這些地下水主要來自涪江補(bǔ)給，少部分為兩岸地下水。為避免資源浪費(fèi)，可將抽出的地下水一方面用作施工用水、防塵用水，另一方面也可用于居民生活和生產(chǎn)用水，剩余部分返入涪江。因此，隧道施工不會(huì)對(duì)區(qū)域地下水資源造成大的影響。

5.3.3對(duì)隧道附近居民飲用水源的影響

隧道出口位置距貓兒洲村約150m，在本項(xiàng)目的影響范圍內(nèi)，故對(duì)該村居民分散供水水井產(chǎn)生影響。由于貓兒洲村施工期間實(shí)施逐步搬遷，對(duì)尚未完成搬遷的居民在施工期采取隧道施工抽出的地下水通過過濾和消毒后進(jìn)行供給。項(xiàng)目完成后，由于該島將納入市政管網(wǎng)進(jìn)行集中供水，因此工程運(yùn)營(yíng)期不會(huì)對(duì)居民用水產(chǎn)生影響且亦可防止對(duì)地下水源的影響。

5.3.4對(duì)島上自然植被的影響

島上荒地廣布，所長(zhǎng)植物類型主要為草甸、灌木，另有少量喬木。植物生長(zhǎng)所需水源主要為賦存與土層地下水，施工期地下水位下降，影響作物吸收水分，但周邊地表水豐富，可通過定期人工抽取涪江水灌溉，以滿足島上自然植被對(duì)水分的需求。待施工完成，涪江復(fù)流便不再影響。

6　結(jié)　論

本文以過江隧道工程降水方案設(shè)計(jì)為研究對(duì)象，采用數(shù)值模擬法對(duì)不同方案的地下水滲流場(chǎng)進(jìn)行了模擬，從環(huán)境影響的角度確定了最優(yōu)方案，該方案對(duì)地表沉降及區(qū)域地下水資源的影響最小。該方法既保證了隧道施工的順利進(jìn)行，又能最大限度的降低地下水環(huán)境影響，對(duì)于此類項(xiàng)目的環(huán)境影響評(píng)價(jià)具有一定的參考作用。

[1]張興立. 某下穿隧道工程基坑降水方案研究[J]. 公路交通科技, 2013, (2): 167-171.

[2]賈媛媛, 路軍富, 魏龍海, 等. 隧道降水施工對(duì)既有市政管線隧道影響研究[J].水文地質(zhì)工程地質(zhì), 2010, 37(6): 43-49.

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[6]HJ 610-2011, 環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則 地下水環(huán)境[S].

[7]深圳市工勘巖土工程有限公司. 圣蓮島旅游區(qū)過江隧道建設(shè)項(xiàng)目巖土工程詳細(xì)勘察報(bào)告[R]. 2012.

Study of the Impact on Groundwater Environment by the Dewatering during Construction of Shengliandao River-crossing Tunnel

HUANG Yun1, MENG Chun-xiao1,PENG Dao-ping2

(1.SichuanEnvironmentalMonitoringCenter，Chengdu610091，China; 2.FacultyofGeosciences&EnvironmentalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu611756,China)

According to the requirements in the project planning of Shengliandao tourism area, cut and cover method of building river-crossing tunnel were utilized and had connected downtown with the island. As the richness of groundwater, well-points dewatering method was used to reduce the groundwater table in the construction field to guarantee the construction progress and safety. In order to lower the impact on local groundwater environment, this study simulated the groundwater seepage field, in view of the protection of groundwater environment. Among three designs of dewatering programs, the program Three was confirmed to be the most suitable one. Based on these, this study also calculated the decreasing values of groundwater level and analyzed the possible surface subsidence and regional quantity of underwater resource.

Shengliandao river-crossing tunnel; dewatering; groundwater environment; impact assessment

2015-08-04

黃蕓(1977-)，女，湖南漢壽人，2007年畢業(yè)于德國(guó)克勞斯塔爾工業(yè)大學(xué)、環(huán)境保護(hù)技術(shù)(Umweltschutztechnik)專業(yè)，碩士，助理工程師，主要從事環(huán)境有機(jī)物的分析監(jiān)測(cè)。

彭道平，pdp0330@swjtu.cn。

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1001-3644(2015)06-0094-08