九盤寺隧道地下水環(huán)境影響研究

王梓龍，吳昊宇，林華章，劉 浩

（1.西南科技大學 城市學院，四川 綿陽 621000；2.四川省公路規(guī)劃勘察設(shè)計研究院有限公司，成都 610059；3.中國三峽建設(shè)管理有限公司，成都 610000）

1 概述

西昌至香格里拉（四川境）高速公路工程，地處四川南部至云南的揚子準地臺西側(cè)，橫跨康滇臺隆和滇黔川鄂臺拗兩個二級構(gòu)造單元，區(qū)域內(nèi)山體山勢陡峻，屬于典型的高中山峽谷地貌，沿線主要水系為雅礱江及其支流。在地質(zhì)條件復(fù)雜地區(qū)修建隧道工程可能對地下水環(huán)境產(chǎn)生較大影響，因此有必要查明工程區(qū)域水文地質(zhì)條件，詳細調(diào)查和了解項目可能影響區(qū)域地下水的因素，找出項目建設(shè)的地下水環(huán)境制約因素，從而保證隧道建設(shè)對環(huán)境地下水影響最?。?-4］。

目前在預(yù)測隧道工程建設(shè)對水環(huán)境的影響方面已有諸多學者展開研究。郭淑娟等［5-6］運用GMS軟件中MODFLOW模塊對地下水流場數(shù)值模擬，經(jīng)過驗證后的模型較好地反映了地下水系統(tǒng)的運動特征；董迎雯等［7-9］構(gòu)建地下水數(shù)值模擬模型，利用觀測水位校正模型，耦合污染物運移方程模擬預(yù)測評價了濱海地區(qū)地下水環(huán)境影響。趙瑜等［10-11］對中梁山隧道水文地質(zhì)進行分析，采用遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并對滲透參數(shù)進行反演，研究了隧道工程不同埋深、排水量對地下水環(huán)境的影響規(guī)律，并探究了隧道施工期和運行期地下水環(huán)境隨時間的演變規(guī)律。

2 研究區(qū)地質(zhì)背景

2.1 地形地貌

九盤寺隧道位于涼山州西昌市境內(nèi)，隧道全長9km，其最大埋深900m，屬于深埋隧道，隧道近直線穿越磨盤山，穿越段最高點位于九盤寺山頂，高程2450m，最低點位于隧道進口處，高程1500m，由于侵蝕作用居主導地位呈現(xiàn)出高谷深切又支離破碎的侵蝕構(gòu)造高中山地貌類型，山嶺海拔2600～3400m，相對高差1000～1500m。隧道進口段為巖漿巖，植被發(fā)育，山頂山脊較為圓緩，溝谷呈放射狀。

2.2 地層巖性及構(gòu)造

隧址區(qū)出露地層主要為：第四系砂礫卵石層、白堊系飛天山組砂巖、侏羅系粉砂巖和三疊系巖漿巖如圖1。

圖1 隧道進口附近花崗巖

區(qū)域位于安寧河斷陷褶斷帶與雅礱江寬緩褶皺斷帶之間，發(fā)育有多條近南北方向的壓性或壓扭性斷裂。其白塔溝斷裂、九溪頭斷裂等。隧址區(qū)構(gòu)造如圖2。

圖2 隧址區(qū)構(gòu)造略

2.2.1 褶皺

隧址區(qū)主要位于煌猶—德力鋪向斜東翼，巖層走向近南北，傾角30°～50°，向斜核部為三疊系白果灣組巖層，兩翼地層出露有白堊系飛天山組（K1f）長石石英砂巖，侏羅系新村組（J2x）粉砂巖、泥巖，牛滾凼組（J2n）鈣質(zhì)泥巖。

2.2.2 斷裂

隧址區(qū)位于磨盤山斷裂帶，主要發(fā)育斷裂為安寧河斷裂、白塔溝斷裂、九溪頭斷裂及其次級斷裂。

2.2.2.1 安寧河斷裂（F1）

在研究區(qū)范圍內(nèi)長達130km，由3～4條正斷層組成地塹構(gòu)造，斷裂帶寬2～5km，破碎帶寬200～300m，略傾東，傾角80°；靠近主斷裂斷續(xù)分布有1～2條正斷層，破碎帶寬15～25m，傾角75°～80°。

2.2.2.2 白塔溝斷裂（F2）

走向近南北方向，傾角70°，發(fā)育長達75km，且該斷裂有次生有多條高角度斷裂。該斷層西側(cè)主要發(fā)育侏羅系地層，東側(cè)大量分布巖漿巖。

2.2.2.3 九溪頭斷裂（F3）

走向近南北方向，為一逆斷層，傾角60°～70°，發(fā)育長度達24km。斷裂帶附近巖石破碎，且常伴有陡坎等現(xiàn)象出現(xiàn)。

3 地下水類型及補給排特征

3.1 地下水類型

根據(jù)地下水賦存條件和含水介質(zhì)，隧址區(qū)地下水類型以基巖裂隙水和碎屑巖類孔隙裂隙水為主。

3.1.1 基巖裂隙水

主要分布在隧道進口及中部大片區(qū)域，為侵入巖裂隙含水地層，巖性為花崗巖。在結(jié)構(gòu)上大多以中粒為主，風化網(wǎng)狀裂隙較發(fā)育，風化帶厚度一般5～30m，裂隙率3%。泉流量0.01～0.1L/s，枯季地下徑流模數(shù)0.14～1.67L/s·km2。

3.1.2 碎屑巖類孔隙裂隙水

（1）以砂巖為主。主要分布在隧道出口段、泥巖夾砂礫巖、礫巖、泥灰?guī)r，裂隙率3%～9%。

（2）以泥巖為主?；鶐r裂隙主要分布在隧道出口至中部，巖性為泥巖、砂巖夾泥灰?guī)r、礫巖，裂隙率1.05%～5.5%，富水性弱，泉流量0.01～0.1L/s，枯季地下徑流模數(shù)0.65～1.2L/s·km2。

3.2 地下水補給排特征

隧址區(qū)水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，根據(jù)含水層特征、地下水流動特征，將九盤寺隧道隧址區(qū)分為兩個地下水系統(tǒng)來分析隧址區(qū)地下水的補給、徑流、排泄特征及其對隧道的影響如圖3。

圖3 九盤寺隧道水文地質(zhì)剖面圖

3.2.1 碎屑巖裂隙水含水系統(tǒng)

該類型為粉砂巖、砂巖、泥巖地層，地下水主要接受大氣降水補給，區(qū)內(nèi)主要有雅礱江和安寧河為最低侵蝕基準面，主要為地下水補給河水，部分地段河水補給地下水。區(qū)內(nèi)的補給條件與降雨量、地形地貌、地層巖性等條件相關(guān)。

隧址區(qū)位于川滇南北向構(gòu)造體系的中段，隧道穿越南北走向的磨盤山，為兩條大水系的地表分水嶺，分水嶺兩側(cè)受河流橫向切割強烈，地表徑流途徑較短，多沿溝谷滲透匯集，由于該類型地層以網(wǎng)狀小裂隙發(fā)育為主，地表滲入地下多以坡面片流滲入為主。該區(qū)日照劇烈，蒸發(fā)作用強。

3.2.2 巖漿巖裂隙含水系統(tǒng)

該類型地下水主要接受大氣降水補給，補給條件受地形地貌、地層巖性控制，在下水的埋藏和分布情況較為簡單，受巖石裂隙和地形地貌的影響，該巖層地下水主要分布在磨盤山分水嶺東側(cè)，地下水主要向東側(cè)徑流，沿區(qū)域溝谷沖溝徑流排泄，最終匯入安寧河。此外蒸發(fā)、蒸騰作用也是其排泄途徑之一。

4 地下水資源量計算

4.1 水文地質(zhì)單元劃分

隧址區(qū)水文地質(zhì)單元劃分依據(jù)地表分水嶺及地層巖性進行。水文地質(zhì)單元主要沿地形展布，地下水分水嶺與地表分水嶺一致，評價區(qū)內(nèi)地下水最終往九盤寺隧道兩側(cè)雅礱江、安寧河排泄，匯水面積為各溪溝的地表匯水面積，如圖4。

圖4 九盤寺隧道水文地質(zhì)單元劃分

4.2 水資源量

地下水匯水量計算主要為隧道沿線區(qū)域，包括Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ所有區(qū)域，計算時以降雨入滲系數(shù)法確定其地表徑流量及滲流量。

九盤寺隧道地表徑流量及地下匯流量的計算如式（1）、式（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(shù)；W為每小時降雨量（mm/h）；F為流域面積（km2）。

4.2.1 各水系統(tǒng)匯水量

降雨入滲系數(shù)與降水量的大小、強度、地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地形地貌及植被等因素有關(guān)。

本次參考TB10049—2004《鐵路工程水文地質(zhì)勘查規(guī)程》，并考慮計算流域的巖性、形態(tài)、植被發(fā)育情況，確定降雨入滲系數(shù)計算值如表1。

表1 降水入滲系數(shù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)

隧址區(qū)出露較多砂巖、泥巖地層，第四系松散巖層降雨入滲系數(shù)取值0.24～0.3之間，侏羅系砂巖地層降雨入滲系數(shù)取值0.05～0.08之間；侏羅系粉砂巖、泥質(zhì)粉砂巖、白堊系砂巖、粉砂巖地層降雨入滲系數(shù)取值0.10～0.15之間；三疊系石英砂巖、粉砂巖降雨入滲系數(shù)取值0.12～0.18之間；三疊系花崗巖降雨入滲系數(shù)取值0.01～0.10之間，各區(qū)入滲系數(shù)具體取值如表2。

表2 各區(qū)計算結(jié)果

4.2.2 匯流面積確定

本次計算以九盤寺隧道地質(zhì)、地形圖為參考，按水文地質(zhì)塊段分區(qū)圖中分水嶺和巖性圈定匯流面積計算匯流量。

4.2.3 降雨量確定

根據(jù)九盤寺隧道隧址區(qū)多年的氣象資料，該區(qū)平均降雨量963mm/a，即0.11mm/h。計算結(jié)果如表2。從表2可看出，本次劃定水資源量計算范圍262.32km2，該區(qū)總水資源量8015.33L/s；地表總徑流量（Q1）7147.34L/s；地下水徑流量（Q2）867.99L/s；九盤寺隧道穿越段（主要影響塊段）含水層主要為Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ區(qū)域，該區(qū)域地下水總資源量273.5L/s，平均地下水徑流模數(shù)均值1.5L/s·km2。

5 地下水計算分析

5.1 隧道涌突水量

隧道涌水量除受水文地質(zhì)條件控制外，還具有季節(jié)性變化大的特點。因此預(yù)測隧道涌水量時，需分別計算正常涌水量與雨季最大涌水量值。本次擬選取大氣降雨入滲系數(shù)法、地下水徑流模數(shù)法及地下水動力學法對隧道涌水量進行分段評價。

5.1.1 大氣降水入滲法

根據(jù)實際調(diào)查和區(qū)域水文地質(zhì)資料，該區(qū)降雨入滲系數(shù)平均值取0.07，該區(qū)多年平均降水量963mm，集水面積根據(jù)河流邊界等條件圈定為25.7km2。

本次計算涌水量Q為4746.9m3/d，其計算的年平均日量，實際區(qū)域降水存在時間與空間分布不均，降水主要集中在6～8月份，如果選擇雨季施工涌水量比值會更大。

5.1.2 地下水徑流模數(shù)法

根據(jù)TB10049—2004《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》［12］規(guī)定，結(jié)合隧道現(xiàn)狀、水文地質(zhì)條件，選用地下水徑流模數(shù)法預(yù)測涌水量。

經(jīng)計算，預(yù)測隧道正常涌水量Qs=86.4MA，其中，MA為地下徑流模數(shù)（L/s·km2），本次計算隧道正常涌水量3330.72m3/d，最大涌水量4996.08m3/d。

5.1.3 地下水動力學法

采用TB10049—2004《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》計算：

預(yù)測隧道正常涌水量：

Qs=LKH（0.676-0.06K）

隧道初期可能最大涌水量：

Q0=L（0.0255+1.9224KH）

地下水動力學法計算九盤寺隧道穩(wěn)定涌水量2041.4m3/d，最大涌水量6041.08m3/d。計算結(jié)果如表3。

表3 地下水動力學法隧道涌水量

5.2 隧道影響半徑

利用解析法計算影響半徑，根據(jù)地下水動力學原理，用數(shù)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，而達到預(yù)測隧道影響范圍的目的。

依據(jù)HJ610—2011《環(huán)境影響評價技術(shù)導則—地下水環(huán)境》［13］，推薦排水渠和狹長坑道線性類建設(shè)項目的地下水水位變化區(qū)域半徑計算，如式（3）～式（4）：

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(shù)（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）。

本次滲透系數(shù)、重力給水度等參數(shù)的選取參照區(qū)域水文地質(zhì)報告中的相關(guān)資料并結(jié)合隧道附近已有鉆孔資料及巖石試驗確定；降雨補給強度依據(jù)隧道穿越區(qū)區(qū)域內(nèi)西昌市多年平均降雨量；含水層厚度從各隧洞縱剖面量取平均值；排水時間預(yù)計隧道開工到施工完成，如表4。

表4 九盤寺隧道影響半徑結(jié)果

6 地下水環(huán)境影響預(yù)測

對隧址區(qū)水文地質(zhì)條件、存在的環(huán)境水文地質(zhì)問題調(diào)查及隧道建設(shè)影響半徑、涌水量計算后，認為九盤寺隧道施工可能對隧址區(qū)地下水循環(huán)系統(tǒng)、隧址區(qū)居民生產(chǎn)生活用水及上部生態(tài)用水有影響。

6.1 地下水循環(huán)系統(tǒng)的影響

6.1.1 隧址區(qū)地下水系統(tǒng)分析

根據(jù)巖性、構(gòu)造及區(qū)域分水嶺特征，隧址區(qū)地下水可劃分為：淺層碎屑巖類裂隙孔隙水含水帶、深部塊狀裂隙含水帶。

（1）淺部含水帶。淺層地下水含水帶主要受地表分水嶺及風化裂隙發(fā)育深度程度控制，具有潛水含水層特征，一般水位埋深20～80m，這種類型的含水系統(tǒng)主要分布于隧道進出口段及地表淺部循環(huán)帶。

（2）深部含水帶。深部構(gòu)造裂隙裂隙水含水帶，隧道進口段穿越大片侵入巖及砂、泥巖地區(qū)，根據(jù)鉆孔資料花崗巖風化帶主要分布在淺表，在深部50～100m以下風化作用微弱，主要為構(gòu)造裂隙，隨深度增加裂隙發(fā)育減弱。但在隧道穿越斷裂帶附近，地下水在砂巖、泥巖為主的碎屑巖地區(qū)受斷裂及構(gòu)造的影響，裂隙較為發(fā)育，提供了一定儲水空間，利于地下水下滲補給，隧道揭露該地段可能出現(xiàn)涌水、突水現(xiàn)象。

6.1.2 隧道施工對隧址區(qū)地下水流場的影響

（1）隧道進出口段，位于地下水淺層含水帶，隧道施工可能疏干一定范圍內(nèi)的地下水，形成降位，但影響范圍有限。隨著隧道掘進，埋深增大，隧道穿越深部含水系統(tǒng)，因花崗巖地區(qū)地下水富水較差，故對花崗巖地區(qū)深部水循環(huán)系統(tǒng)影響較小。

（2）隧道穿越多條斷裂帶，在斷裂帶及斷裂帶附近，由于受斷裂影響，巖石破碎，提供一定儲水空間，隧道施工揭露斷層帶，可能引起涌水、突水，導致區(qū)域地下水位下降，形成降位漏斗。

（3）隧道出口段由于地層屬于弱含水系統(tǒng)，地下水含水性較差，隧道施工對地下水循環(huán)影響較小。

總之，九盤寺隧道施工對隧址區(qū)地下水系統(tǒng)有一定影響，但影響范圍較小。

6.2 隧道上部生態(tài)用水的影響

6.2.1 地表土流失

隨著隧道排水的延續(xù)，水循環(huán)加劇，將有更多的地表風化產(chǎn)物隨水帶入地下，會引起隧址區(qū)地表土壤的流失。

6.2.2 水資源流失

隧洞洞內(nèi)排水破壞地下水的原有平衡。地下水以排為主，則會造成地下水位下降，影響植被生長和生態(tài)平衡，使地下水資源大量流失。

6.2.3 環(huán)境

從保護環(huán)境目標出發(fā)，隧道工程的防排水應(yīng)以堵、排相結(jié)合的措施為主，改變以排為主的習慣做法，在地表有預(yù)見性的范圍內(nèi)進行地表排水、地表注漿堵水等措施，以防止地表水下滲。

6.3 居民生活生產(chǎn)影響

由于九盤寺隧道隧址區(qū)地處山區(qū)，無大型工業(yè)、企業(yè)，附近居民以農(nóng)業(yè)、畜牧業(yè)為主，且人數(shù)較少，該地區(qū)生產(chǎn)、生活用水，主要取山上泉水和溪溝水，也無大規(guī)模飼養(yǎng)場，對用水量消耗較小，水量基本滿足生活、生產(chǎn)用水，因此隧道施工對當?shù)鼐用裆a(chǎn)、生活用水影響較小。

7 結(jié)語

（1）隧址區(qū)地下水類型主要分為碎屑巖裂隙水和基巖裂隙水兩類，其中碎屑巖裂隙水主要巖性為粉砂巖、砂巖，富水性弱，泉流量一般為0.01～0.1L/s。

（2）地下水環(huán)境影響預(yù)測方法選擇解析和數(shù)值法，計算九盤寺隧道穩(wěn)定涌水量2041.36m3/d，最大涌水量6041.08m3/d。隧道進出口段可能會對淺部含水層造成一定疏干，形成一定降位，但影響程度有限，則本次計算出隧道影響半徑范圍23.29～156.72m，影響范圍較小。