西香高速小高山隧道地下水環(huán)境影響評價

王梓龍 張御陽 林華章 王雅雯

(1. 西南科技大學城市學院 四川綿陽 621000； 2. 成都理工大學地質災害防治與地質環(huán)境保護國家重點實驗室 四川成都 610059； 3. 四川省公路規(guī)劃勘察設計研究院有限公司 四川成都 610059； 4. 中國電建集團成都勘察設計研究院有限公司 四川成都 610072)

隨著我國經濟建設的不斷發(fā)展，基礎設施建設特別是高速公路建設日益加快。隧道作為公路的重要組成部分，其施工建設大大縮短了高速公路里程，但同時也帶來了日益嚴重的環(huán)境問題，主要表現為對地下水環(huán)境的影響。因此，研究和預測隧道工程建設對水環(huán)境的影響具有重要意義[1-7]。

關于隧道工程建設對地下水環(huán)境的影響，國內外諸多學者開展了一系列研究工作。郭淑娟等[8]運用GMS軟件中Modflow模塊對地下水流場數值模擬,經過驗證后的模型較好地反映了地下水系統(tǒng)的運動特征；Yang等[9]運用Modflow和Femwater軟件研究了臺灣曾文水庫跨流域引水工程隧道開挖對地下水滲流場的影響。Shin[10]基于有限元法，通過滲透系數折減，對隧道排水系統(tǒng)堵塞進行非線性耦合模擬分析，研究結果表明，隨著襯砌滲透系數減小，孔隙水壓力會增加，但圍巖荷載不會增加。Li等[11]利用有限差分法模擬研究了雙連拱隧道和雙線隧道滲流量和周邊孔隙水壓力分布規(guī)律，確定了兩種隧道可能發(fā)生漏水的位置，并提出一種新型的隧道集水系統(tǒng)。Raposa 等[12]基于現場監(jiān)測數據，運用地下水平衡模型分析了地下水環(huán)境現狀，優(yōu)化了隧道施工方法和防排水措施，并對地下水進行了再補給，通過一系列控制措施減小了隧道對地下水環(huán)境的影響。Vincenzi 等[13]對意大利 Firezuola 特長隧道施工的環(huán)境負效應開展了研究，結果表明隧道排水對周邊生態(tài)環(huán)境造成了嚴重破壞，致使大量地表水和泉點枯竭。Li 等[14]研究了日本松本市隧道施工對地下水位和化學成分的影響，基于地下水位和化學成分的變化規(guī)律分析了隧道施工對水文地質環(huán)境的影響，結果表明隧道施工排水導致部分泉水干涸，進而造成河水流量大幅減小。

本文基于Modflow軟件，分析西香高速小高山隧道施工建設對地下水環(huán)境的影響，并分析地下水位變化，預測評價其影響范圍及影響程度。

1 工程地質條件

1.1 地形地貌

小高山隧道位于涼山彝族自治州，是在建高速公路西昌直達香格里拉中最長的隧道，全長近13 km，其最大埋深約1 000 m，屬于深埋超特長隧道。

隧道穿越山體地形起伏較大，溝谷發(fā)育，隧道段相對高差最大1 100 m，在這種懸殊的地形條件下，地表水流有著較強的切割能力，屬于典型的高山侵蝕地貌(圖1)。

圖1 小高山隧道穿越區(qū)地貌

1.2 地層巖性及構造

隧址區(qū)穿越地層較多，巖性變化大，主要有白山組(T2b)灰?guī)r、鹽塘組(T2y)粉砂巖和白云巖、樂平組(P2l)砂巖和礫巖、峨眉山玄武巖(P2β)以及上博大組(T3jb)泥灰?guī)r，巖體整體厚度較大，比較完整(圖2)。

圖2 隧道進口附近T1q砂巖地層

構造上，隧址區(qū)受多次構造運動影響，巖石裂隙較發(fā)育，面裂隙率一般在1%～10%之間。在地質構造發(fā)育地段，巖石地層往往傾角較大、節(jié)理裂隙發(fā)育，致使巖體穩(wěn)定性變差，這成為地下水流動的活躍場所。

2 地下水類型及徑流特征

2.1 地下水類型

根據地下水的賦存條件和水動力條件，分為第四孔隙水、碎屑巖裂隙水、基巖裂隙水和碳酸鹽巖溶洞水。

2.1.1 第四系松散堆積層孔隙水

含水層以礫卵石層為主，水位埋深較淺，賦存孔隙潛水，地下水以地表水補給為主，其次為大氣降水入滲補給，因含水層較薄，且補給來源也不足，所以地下水不豐富。

2.1.2 基巖裂隙水

基巖裂隙水分布較少，含水層主要為峨眉山玄武巖，柱狀節(jié)理發(fā)育，賦存裂隙水，在斷裂外帶或與圍巖接觸帶較大。

2.1.3 碎屑巖孔隙裂隙水

廣泛分布于隧址區(qū)，含水層穿越地層較多，巖性為砂巖及礫巖，有少量碳酸鹽巖夾層。構造裂隙和風化裂隙發(fā)育，面裂隙率達1%～3%。

2.1.4 碳酸鹽巖類巖溶裂隙水

按泉、暗河發(fā)育程度分為富水性強和中等兩大類。富水性強的巖溶水含水層主要為厚層塊狀灰?guī)r、白云質灰?guī)r，巖溶發(fā)育，暗河流量100～1 000 L/s。富水性中等的巖溶水含水層主要以灰?guī)r居多，賦存裂隙水及巖溶裂隙水，一般泉流量<1 L/s。

2.2 地下水徑流特征

根據含水層特征、地下水流動特征，分為兩個地下水系統(tǒng)來分析地下水的補徑排特征及其對隧道的影響(圖3)。

圖3 小高山隧道水文地質剖面圖

2.2.1 淺風化帶裂隙水含水系統(tǒng)及補徑排特征

區(qū)域為砂巖、泥巖互層地層，包含均勻、密集、相互連通的網狀風化裂隙帶，這是裂隙水的主要儲水空間。由于地形坡度較大，降水多地表徑流，故補給條件差，僅少量沿裂隙下滲，屬淺表地下水。

2.2.2 巖溶含水系統(tǒng)及補徑排特征

地層屬于灰?guī)r，補給來源主要是大氣降雨和地表水通過巖溶洼地、漏斗、溶蝕裂隙直接補給，其次接受融雪水、斷裂帶水、基巖裂隙水補給。

巖溶水的埋藏、運動與巖溶地貌、巖溶發(fā)育規(guī)律密切相關，在槽谷與坡地水力坡度大，交替循環(huán)積極，流速快，水流暢通，地表嚴重缺水，因此地下水埋深變化大。同時，巖溶水以裂隙泉水、暗河形式排泄于地表，具有排泄集中、量大的特點。

3 地下水資源計算

3.1 地下水系統(tǒng)劃分

隧址區(qū)可劃分為可溶巖和非可溶巖水文地質單元。非可溶巖水文地質單元沿地形展布，地下水分水嶺與地表分水嶺一致。

3.2 水資源量計算

圖4 隧道水文地質單元劃分圖

(1)

(2)

式中，Q1為地表徑流量(L/s)，Q2為地下匯流量(L/s)，α為降雨入滲系數，W為每小時降雨量(mm/h)，F為流域面積(km2)。

3.2.1 各水系統(tǒng)匯水量計算

降雨入滲系數與降水量的大小、強度、地層巖性、地質構造等因素有關。本次參考《鐵路工程水文地質勘查規(guī)程》[15]，并考慮巖性、形態(tài)、植被發(fā)育情況，確定降雨入滲系數的計算值。

3.2.2 匯流面積確定

以地形圖為參考，按水文地質單元分區(qū)圖中以分水嶺和巖性圈定匯流面積計算匯流量。

3.2.3 降雨量的確定

根據氣象資料,該區(qū)年平均降雨量983.2 mm。地表總徑流量Q1=10 803.9 L/s，地下水徑流量Q2=3 128.5 L/s，約合270 302.4 m3/d，并由此可計算獲得該區(qū)地下水徑流模數均值約為6.12 L·s-1·km-2。

4 地下水環(huán)境影響預測

4.1 隧道涌突水計算

隧道涌水需分別計算正常涌水量與最大涌水量，選取地下水徑流模數法對涌水量進行分段計算評價。

凍干重組腦利鈉肽用法：采取連續(xù)靜脈滴注24小時的給藥方式，本品首先以1.5 μg/kg靜脈沖擊后，以0.0075 μg/kg/min的速度連續(xù)靜脈滴注。

采用《鐵路工程水文地質勘察規(guī)程》[15]中計算公式：

Qs=86.4MA

(3)

式中，Qs為預測隧道正常涌水量(m3/d)，86.4為換算系數，M為地下徑流模數(L·s-1·km-2)，A為隧道通過含水體地段的集水面積(km2)。

根據徑流模數法計算，本隧道正常涌水量為16 427.66 m3/d，最大涌水量為24 641.50 m3/d(表1)。

表1 地下水徑流模數法分段涌水量計算表

4.2 計算隧道影響半徑

用數學解析的方法對給定邊界值和初值條件下的地下水運動建立解析式，達到預測隧道影響范圍的目的。使用《環(huán)境影響評價技術導則——地下水環(huán)境(HJ 610—2011)》[16]選取區(qū)域半徑計算公式計算影響半徑：

(4)

(5)

式中：R為影響半徑，m；H為潛水含水層厚度，m；K為含水層滲透系數，m/d；W為降水補給強度，m/d；μ為重力給水度，無量綱；t為排水時間,s。

計算所需的參數選取參照區(qū)域水文地質相關資料并結合現場鉆孔資料以及巖石試驗確定；降雨補給強度依據隧道區(qū)域年平均降雨量；含水層厚度從各隧洞縱剖面量取平均值；排水時間按隧道開工到施工完成約4年(表2)。

表2 解析法計算小高山隧道影響半徑結果表

4.3 地下水環(huán)境影響數值模擬

本次模擬采用有限差分數值模擬軟件Modflow，能直觀反映地下水流場的變化，定量預測隧道施工排水對地下水環(huán)境的影響，從而分析隧道建設對地下水流場的改變特征，并模擬封堵措施對地下水環(huán)境的保護作用。

4.3.1 模擬區(qū)的概化及離散

對模型單元進行分區(qū)并簡化，玄武巖地層作為相對隔水層處理，灰?guī)r含水層和第四系沖洪積層作為含水層。

4.3.2 模擬結果分析

(1)初始地下水滲流場的擬合及參數反演

運用穩(wěn)定流運算對地下水的初始滲流場進行擬合，模擬了模擬區(qū)地下水7 300 d(20年)中地下水的滲流場特性，模擬結果如圖5所示。結果表明，地下水受到地形地貌及巖性條件控制明顯?；?guī)r段地下水、局部淺層地下水受地形控制，向兩側溪溝排泄；深部地下水以梅雨河為排泄基準面，順灰?guī)r溶蝕裂隙及溶洞以泉的形式向河流排泄，這與灰?guī)r和第四系沖洪積及冰磧層接觸帶泉十分發(fā)育基本吻合。非灰?guī)r段總體上為相對隔水層，地下水分別向兩側河流及溪溝排泄，深部轉為向滲透系數較大的灰?guī)r段徑流。區(qū)域最低地下水水位約2 400 m，最高約3 300 m。

圖5 滲流場特征模擬分析圖

(2)排水條件下滲流場特征模擬分析

在無封堵、全斷面排水條件下，排水60，360，720 d滲流流場特征如圖6所示。720 d后地下水滲流場基本達到穩(wěn)定，隧道排水造成地下水位顯著下降，隧道中部在縱向上最大降深可達500 m，平面上影響半徑約為4 km。

圖6 地下水位等值線圖

與初始滲流場比較來看，隧道施工排水造成地下水位下降，灰?guī)r地層中尤為明顯，降位漏斗在縱向上的擴展在一定程度上與巖層構造密切相關，沿灰?guī)r延伸影響半徑大，灰?guī)r兩側地層影響半徑小，直至趨于穩(wěn)定。

通過20年的非穩(wěn)定流計算，得出隧道初期涌水量可達117 391 m3/d，主要消耗灰?guī)r帶靜儲量；等隧道排水穩(wěn)定時，排水量約為45 330 m3/d。

(3)封堵條件下滲流場恢復特征模擬分析

采取相應的堵水措施及后期支護后，地下水位也將逐漸恢復。模擬隧道封堵一年后，地下水位具有顯著的回升。圖7(a)顯示了對隧道封堵后，地下水位在360 d時隧址區(qū)地下水流場形態(tài)特征，較之前隧道施工排泄相比，地下水位明顯抬升，降落漏斗顯著減小。經過兩年后，隧址區(qū)地下水流場已恢復大部分，如圖7(b)所示，10年后，地下水位基本恢復至天然狀態(tài)，如圖7(c)所示。

圖7 地下水位等值線圖

與隧道施工前模擬地下水滲流場相比，經過封堵后的地下水水位依然降低，這主要由于隧道施工對一定地質時期內地下水儲存靜儲量的消耗，使隧址區(qū)無法完全恢復原始狀態(tài)。

整體來看，隧道施工對該區(qū)地下水環(huán)境影響較大。施工過程中若全斷面施工無封堵時，將造成隧址區(qū)地下水位大大降低，可能造成大面積地表水枯竭、植被及生態(tài)環(huán)境破壞，若施工中采取地下水封堵措施，對隧址區(qū)地下水環(huán)境帶來的影響將減小。

5 結論

(1)通過模擬計算及分析，得出隧道施工期最大涌水量為117 391.2 m3/d (初期)，最小涌水量為45 330 m3/d (穩(wěn)定)；小高山隧道建設施工期間隧道排水量不大，不會導致區(qū)域地下水位下降，數值模擬計算表明，地下水降位漏斗最大影響半徑可達4 km。施工期間隧址區(qū)地下水循環(huán)將受到一定程度的影響，甚至局部改變地下水流向。

(2)隧道排水引起地下水位變化的影響半徑范圍灰?guī)r、白云巖地區(qū)較大，為699 m。砂巖、玄武巖地層，預測影響范圍較小，為230～576 m。隧道進出口段埋深較淺，主要地層為砂巖、粉砂巖地層，影響范圍較小。隧道在AK66+580至AK72+730段穿越灰?guī)r、灰質白云巖地層，隧道建設影響范圍較大，隧道建設過程中應加強防護，采取超前預報。

總體而言，小高山隧道建設不會產生較大的地下水環(huán)境問題，對隧道附近居民及上部生態(tài)的影響較小，因此，隧道建設是合理的、可行的。