海東隧洞施工過程中地下水動態(tài)變化預(yù)測

呂晶日，張 強，韓曉磊，張志強，竹 娜，胡元進

(成都理工大學(xué)，四川 成都610059)

近年來我國經(jīng)濟建設(shè)迅速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)也在日益加快。隧洞作為基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分大大縮短了施工建設(shè)的里程，但同時也帶來了不少環(huán)境問題。隧洞施工排水改變了地下水的徑流和排泄條件，導(dǎo)致地下水位降低，甚至井泉干涸。在干旱少雨的地區(qū)或季節(jié)影響當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活用水。因此，預(yù)測隧洞施工工程中地下水位變化規(guī)律，為工程設(shè)計和建設(shè)提供依據(jù)就顯得意義重大。本文利用Visual Modflowd地下水三維數(shù)值模擬軟件對海東隧洞施工過程中地下水滲流場的動態(tài)變化進行了模擬預(yù)測。

1 海東隧洞萂村段三維數(shù)值模擬

1.1 隧址區(qū)概況

賓川縣大營鎮(zhèn)萂村地處大理白族自治州賓川縣大營鎮(zhèn)西北邊，距縣城28 km，轄東莊、黑家營、茅草坪等21個村民小組。全村國土面積81.99 km2，海拔1 860 m，年平均氣溫20.4℃，年降水量600 mm，現(xiàn)有人口5 784人。全村供水來源于井水、泉水和地表水。

海東隧道萂村段位于大理白族自治州賓川縣大營鎮(zhèn)境內(nèi)，隧址區(qū)出露多種地層，包括第四系全新統(tǒng)(Qh)、二迭系下統(tǒng)(P1)、玄武巖系(Pβ1)、石炭系中上統(tǒng)(C2+3)、下統(tǒng)(C1)、中統(tǒng)長育村組(D2ch)、下統(tǒng)蓮花曲組(D1l)、青山組(D1q)、康廊組(D1k)(見圖1)。

圖1 海東隧洞萂村段模型范圍

靠近黑家營馬頭山至大黑山地表巖溶發(fā)育，溶蝕現(xiàn)象強烈，發(fā)育大型巖溶洼地，降雨后，地表水通過洼地的匯聚，再由落水洞對地下水巖溶管道進行落入式補給，在斷裂帶及地層分界附近以串珠狀泉點形式出露地表。

表1 研究區(qū)監(jiān)測點情況

泉水和地表水是隧址區(qū)內(nèi)村民的重要生產(chǎn)生活用水。而隧洞施工影響到地下水滲流場，地下水位降低，形成地下水降落漏斗，導(dǎo)致局部區(qū)域地表水疏干等，會給部分村民用水帶來困難，所以預(yù)測隧洞施工工程中，地下水位的動態(tài)變化預(yù)測就顯得非常重要。

1.2 三維地下水?dāng)?shù)值模型建立

通過Visual Modflow對隧址區(qū)地質(zhì)模型的模擬，實現(xiàn)海東隧道萂村段概念模型的概化。建立一個既符合巖溶水滲流特點又符合實際水文地質(zhì)條件的滲流模型模擬，實現(xiàn)對天然狀態(tài)下的地下水水位的擬合，進而對隧道開挖進程不同時期的地下水滲流場的變化進行預(yù)測。

1.2.1 計算單元與邊界條件概化

根據(jù)研究區(qū)域大小及計算精度要求，采用矩形單元對模型進行剖分。模擬隧址區(qū)X方向總長度為7 900 m，Y方向總長度8 900 m，按照100×100 m網(wǎng)格將其剖分成89列，79行，層單元格數(shù)目為7 031個;垂向Z方向取760 m，劃分為16層，模型總共112 496個單元格;模擬選取模型底板為1 750 m高程，模型頂板高程由Sufer軟件插值萂村地形等高線生成GRD文件導(dǎo)入。

模型邊界:海東隧道萂村段地下水補給主要來源于大氣降水，研究區(qū)內(nèi)隧道北東方向的溝底河流為排泄基準(zhǔn)面;隧址區(qū)地表水系發(fā)育，萂頭至萂尾三個地表定水頭邊界，具體的模型邊界概化示意圖見圖2。

圖2 模型邊界概化示意圖

1.2.2 模型的參數(shù)取值與模擬校驗

模型參數(shù)的選取和確定，是模型建立過程中的一個重要步驟，主要包括滲透系數(shù)、巖土層給水度、貯水率、有效孔隙度和總孔隙度等指標(biāo)。

根據(jù)已有的鉆孔抽水、壓水試驗，經(jīng)過統(tǒng)計分析、篩選及整理。結(jié)合以往過程計算經(jīng)驗，在此范圍內(nèi)反復(fù)試算，初步確定模型參數(shù)，對模型進行多次反演、校驗最終確定模型參數(shù)如表2所示。

表2 模型水文地質(zhì)參數(shù)選取表

從表3可以看出模擬計算的觀測水位與實測水位存在一定的誤差，但誤差均在一個合理的比例范圍內(nèi)，差值比例范圍在0.09%～1.1%。創(chuàng)建物理模型成功，模擬結(jié)果所得滲流場可作為研究區(qū)的天然地下水滲流場，如圖3所示，為隧址區(qū)地下水三維滲流場。從圖3中可以看出:上新村、栽秧菁、冷水箐、萂頭村、萂中村、萂尾村均處于高山峽谷盆地，地下水位比較低;此外，萂村的三個水庫地下水揭示顏色都為藍(lán)色，地下水位最低。

模型中6個監(jiān)測點也都出露在地下水位較低的地方。其中，萂頭村的 DL-S04、萂尾村的 DL-S05和黑家營 DLS06的水位最低。

本次模型的模擬運行運用了非穩(wěn)定流對地下水的初始水頭進行擬合，模擬時間為十年。選取6個泉點，分別為DL-S01、DL-S02、DL-S03、DL-S04、DL-S05、DL-S06，目的在于初始水頭的校驗，以確定擬合準(zhǔn)確度，通過模型計算得出更貼近實際水位，來完成模型天然狀態(tài)滲流場的模擬。

表3 模型計算泉點水位與實際水位擬合情況

圖3 海東隧道萂村段天然地下水滲流場

2 施工條件下萂村段地下水動態(tài)變化

運行模型后得到萂村段天然地下水滲流場(如圖4所示)。從圖中可以看出:從圖4中可以看出局部地區(qū)滲流場發(fā)生變化，藍(lán)色區(qū)域明顯擴大，該區(qū)域的監(jiān)測點DL-S01、DL-S04和DL-S05的地下水位都有明顯降深;監(jiān)測點DLS01、DL-S02和DL-S06此時在三維地下水滲流場中還沒有發(fā)生明顯變化。

運行Visual MODFLOW模型后，將6個監(jiān)測點的每一年地下水位做一次記錄，得到6個監(jiān)測點十年內(nèi)地下水位的動態(tài)變化并整理如表4所示。

圖4 海東隧道萂村段地下水滲流場

圖5 地下水降落漏斗影響范圍

表4說明了:6個觀測點的地下水位均發(fā)生了明顯的降深，并呈現(xiàn)地下水位逐年遞減的趨勢。其中，監(jiān)測點DLS01和DL-S04的降深最為明顯，分別降低了51.52 m和59.56 m。此外監(jiān)測點 DL-S02、DL-S03、DL-S05、DLS06的地下水位也都有不同程度的降深，分別為40.25 m、36.14 m、50 m、41.8 m。

表4 萂村段地下水動態(tài)變化

隨著隧洞施工的進行，降落漏斗的影響范圍也逐漸擴大。從圖5可得知，隧洞引水工程施工后，沿引水線路3處出現(xiàn)降落漏斗，分別位于上新村、萂頭箐、黑家營一帶。地下水位有明顯降深，上新村受地下水形成影響面積為4.45 km的降落漏斗，降深也最為明顯，最大中心水位降達(dá)240 km;萂頭箐地下水形成影響面積為7.52 km的橢圓形降落漏斗，最大中心水位降達(dá)210 m;黑家營地下水形成影響面積為0.748 km的圓形降落漏斗，較其他兩個降落漏斗的影響范圍小，最大中心水位降達(dá)180 m。而隧址區(qū)的6個監(jiān)測點中，編號為DL-S01和DL-S04的監(jiān)測點均在降落漏斗的影響范圍內(nèi)，而編號為 DL-S02、DL-S05、DLS06的監(jiān)測點距離降落漏斗的最大距離也不過266.43 m。上新村、萂頭箐、黑家營地表水體滲流場已經(jīng)改變，可能導(dǎo)致地表水位下降，部分村落泉點局部疏干，影響到居民的生產(chǎn)生活用水。

3 結(jié)語

利用地下水?dāng)?shù)值計算模型建立巖溶地區(qū)萂村段三維地下水?dāng)?shù)值模型，模擬隧址區(qū)地下水水位變化，確定水文地質(zhì)參數(shù)，對模擬結(jié)果進行預(yù)測分析。分析表明:隨著隧洞施工的推進，隧址區(qū)滲流場逐漸受到干擾，水位逐漸降低。沿著隧洞線形成地下水降落漏斗，漏斗范圍逐年擴大，并且影響范圍已至上新村、栽秧箐、萂頭箐和黑家營村。其最大影響范圍達(dá)到7.52 km。地下水位的降低，地下水降落漏斗的形成，將導(dǎo)致部分村落的井和地表水干涸，部分泉點衰竭、枯竭或斷流，從而影響到當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活用水。隧洞開挖時采取合理的恢復(fù)水源措施，以保證當(dāng)?shù)鼐用竦纳a(chǎn)生活用水是非常必要的。

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