八姑阿莫隧道地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)

王梓龍，吳昊宇，林華章，劉 浩

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

0 引 言

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(yáng)子準(zhǔn)地臺(tái)西側(cè)，橫跨康滇臺(tái)隆和滇黔川鄂臺(tái)拗兩個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元，區(qū)域內(nèi)山體山勢(shì)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(duì)地下水環(huán)境產(chǎn)生較大的影響，因此有必要查明工程區(qū)域水文地質(zhì)條件，詳細(xì)調(diào)查和了解項(xiàng)目可能影響區(qū)域地下水的因素，找出項(xiàng)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(duì)環(huán)境地下水影響最小[1-4]。

目前，在預(yù)測(cè)隧道工程建設(shè)對(duì)水環(huán)境的影響方面已有諸多學(xué)者展開(kāi)研究。如郭淑娟等[5-6]運(yùn)用GMS軟件中MODFLOW模塊對(duì)地下水流場(chǎng)數(shù)值模擬，經(jīng)過(guò)驗(yàn)證后的模型較好地反映了地下水系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)特征。董迎雯等[7-9]構(gòu)建地下水?dāng)?shù)值模擬模型,利用觀測(cè)水位校正模型，耦合污染物運(yùn)移方程模擬預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)濱海地區(qū)地下水環(huán)境影響。趙瑜等[10]對(duì)中梁山隧道水文地質(zhì)進(jìn)行分析，采用遺傳算法優(yōu)化BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)并對(duì)滲透參數(shù)進(jìn)行反演，研究隧道工程不同埋深、排水量對(duì)地下水環(huán)境的影響規(guī)律,并探究隧道施工期和運(yùn)行期地下水環(huán)境隨時(shí)間的演變規(guī)律。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

1.1 地形地貌

八姑阿莫隧道位于四川省涼山彝族自治州鹽源縣，隧道全長(zhǎng)約8 km，進(jìn)出口高程約2 700 m，最大埋深約990 m，為深埋特長(zhǎng)隧道，由東向西近直線穿越。隧址區(qū)受挽近期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，屬于深切割頂平坡陡高中山地貌，山脊一般為2 800～3 700 m，最高點(diǎn)高程為3 700 m，脊頂較為平滑圓緩(圖1)。

圖1 隧址區(qū)地貌

1.2 地層巖性及構(gòu)造

隧址區(qū)出露第四系、三疊系和二疊系地層，各地層特征由新到老依次為第四系沖洪積層，三疊系長(zhǎng)石砂巖、灰?guī)r、二疊系砂巖、礫巖。

構(gòu)造上隧址區(qū)屬于鹽源山字型構(gòu)造體系，位于旱船背斜東側(cè)，斷裂構(gòu)造發(fā)育，主要為麥加坪壓扭性斷裂、霍兒坪壓扭性斷裂及棉埡張扭性斷裂(圖2、圖3)。

圖2 隧道進(jìn)口附近花崗巖

圖3 隧址區(qū)構(gòu)造略圖

1)麥加坪壓扭性斷裂。斷裂與隧道小角度相交，區(qū)內(nèi)出露長(zhǎng)16 km，走向北40°～50°東，斷層面南東傾，傾角60°～70°，斷層斜切上二疊統(tǒng)和三疊系。局部斷層破碎帶寬十余米，南東盤(pán)巖層均相對(duì)向北東移錯(cuò)，水平斷距達(dá)數(shù)百米。斷層的伴生成份以南北、東西兩組扭節(jié)理最常見(jiàn)，沿破碎帶多發(fā)育有小湖沼或山間小洼地。

2)霍兒坪壓扭性斷裂。斷層由南東向延入隧址區(qū)，走向北20°～35°西，向北東傾斜，傾角60°～65°，為一逆斷層。其發(fā)生于三疊系中，破碎帶寬十余米?；魞浩阂粠?，斷層崖沿北北西向展布，下盤(pán)灰?guī)r中走向北25°西，以15°傾角緩緩向南西傾斜的張節(jié)理十分發(fā)育，指示對(duì)盤(pán)為仰沖盤(pán)；糯米嘴東，斷層發(fā)生于中三疊統(tǒng)鹽塘組中，上盤(pán)引捩褶皺極清晰。該斷層與其再次構(gòu)造棉埡斷層相伴而生，于梅雨公社南并為其交切，對(duì)鹽源盆地的形成起控制作用，使該盆地西緣出現(xiàn)兩級(jí)階梯，形似地塹。

3)棉埡張扭性斷裂。斷層延伸、規(guī)模均與霍兒坪壓扭性斷裂相仿，由南東向北西橫貫全區(qū)，斷面亦向北東傾斜，傾角60°～65°，為一正斷層，屬于霍兒坪壓扭性斷裂的再次構(gòu)造斷裂。

2 地下水類(lèi)型及徑流特征

根據(jù)地下水的賦存條件和水動(dòng)力條件等，隧址區(qū)地下水可分為第四系松散堆積層孔隙水、碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙水和碳酸鹽巖類(lèi)裂隙溶洞水，以碳酸鹽巖類(lèi)裂隙溶洞水為主(圖4、圖5)。

圖4 八姑阿莫隧道水文地質(zhì)平面圖

圖5 八姑阿莫隧道水文地質(zhì)剖面圖

2.1 第四系松散堆積層孔隙水

主要分布于鹽源盆地內(nèi)，含水層以黏土質(zhì)礫卵石層為主。地下水以地表水補(bǔ)給為主，其次為大氣降水入滲補(bǔ)給，因含水層較薄，且補(bǔ)給來(lái)源也不充裕，所以地下水不甚豐富。由于隧址區(qū)含水層分布面積較小，四周被切割，地下水難于儲(chǔ)存，很少有水點(diǎn)出露，歷經(jīng)短途徑流以面狀隱伏片流形式排泄到浩水河，因而通常具有徑流途徑短和就近補(bǔ)給、就近排泄的特點(diǎn)。

2.2 碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙水

主要分布于盆地外圍山區(qū)，巖性為長(zhǎng)石砂巖、長(zhǎng)石石英砂巖及礫巖，間有少量碳酸鹽巖夾層。隧址區(qū)碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙水主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給，其次為高山融雪補(bǔ)給。據(jù)地層裂隙統(tǒng)計(jì)，構(gòu)造裂隙和風(fēng)化裂隙發(fā)育，面裂隙率達(dá)1%～3%，構(gòu)造帶高達(dá)7%，賦存裂隙水。碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙水接受補(bǔ)給后，向附近溝谷及河流排泄，主要排泄方式為隱伏裂隙流，因而通常具有徑流途徑短和就近補(bǔ)給、就近排泄的特點(diǎn)。

2.3 碳酸鹽巖類(lèi)裂隙溶洞水

碳酸鹽巖類(lèi)裂隙溶洞水廣泛分布，為隧址區(qū)主要的地下水類(lèi)型，按富水性分為大泉暗河強(qiáng)發(fā)育和中等發(fā)育兩級(jí)。

1)大泉暗河發(fā)育的。含水層巖性主要為厚層塊狀灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，顯微粒-細(xì)粒結(jié)構(gòu)。巖溶發(fā)育，暗河流量普遍大于10 L/s，地下徑流模數(shù)大于3 L/s·km2，礦化度一般0.1～0.2 g/L，屬于重碳酸鈣鈉型水。

2)大泉暗河中等發(fā)育的。含水層巖性以粉砂巖為主夾泥質(zhì)灰?guī)r、白云巖，碳酸鹽巖厚約占30%，其厚度與巖相變化特大。但碳酸鹽巖夾層巖溶發(fā)育，尤其中上部在隧址區(qū)棉埡一帶出露多層質(zhì)地較純的灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，層厚50～150 m不等，而使灰?guī)r在地表廣泛出露，為巖溶發(fā)育創(chuàng)造了良好的條件。因此，隧址區(qū)面裂隙率高達(dá)9.8%，較有利于地表水滲入。

隧址區(qū)可溶巖地層裸露，地表垂直巖溶形態(tài)發(fā)育，為地下水的滲入提供了良好的條件，降雨絕大部分迅速滲入地下轉(zhuǎn)化為地下水。地下水的運(yùn)動(dòng)往往受構(gòu)造所控制，埋藏于溶隙與無(wú)壓孤立管道中，順構(gòu)造線向河谷作紊流運(yùn)動(dòng)。在隧址區(qū)中部一帶，因巖溶水處于補(bǔ)給徑流地帶及排泄地帶，地下水以垂直運(yùn)動(dòng)為主兼具水平運(yùn)動(dòng)，即屬巖溶水的垂直循環(huán)帶兼水平循環(huán)帶運(yùn)動(dòng)。水力坡度較大、交替循環(huán)積極，流速快，水流暢通，地表嚴(yán)重缺水，這一地區(qū)地下水的埋深變化大。

區(qū)內(nèi)巖溶地層與非可溶巖相間分布，斷裂縱橫發(fā)育，巖溶水以巖溶裂隙泉水、巖溶大泉、暗河形式主要沿?cái)嗔褞?、斷裂交叉處及可溶巖與非可溶巖接觸帶及溪溝兩側(cè)出露。

3 地下水資源量計(jì)算

3.1 水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐?/h3>

隧址區(qū)穿越地層主要為灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r及粉砂巖地層，考慮到隧址區(qū)主要為碳酸鹽巖地層，并根據(jù)水文地質(zhì)調(diào)查、流域流量測(cè)定、區(qū)域資料類(lèi)比等方法，結(jié)合地層巖性特征，將隧址區(qū)水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐譃椴煌乃牡刭|(zhì)單元(圖6)。根據(jù)隧道水文地質(zhì)單元分區(qū)圖，圈定隧址區(qū)匯水面積為175.86 km2。

圖6 八姑阿莫隧道水文地質(zhì)單元分區(qū)圖

3.2 水資源量計(jì)算

地下水匯水量計(jì)算區(qū)域主要為隧道沿線區(qū)域，包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的所有小區(qū)，計(jì)算時(shí)以降雨入滲系數(shù)法確定地表徑流量及滲流量。計(jì)算公式如下：

(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(shù)；W為每小時(shí)降雨量，mm/h；F為流域面積，km2。

1)各水系統(tǒng)匯水量計(jì)算。降雨入滲系數(shù)與降水量的大小、強(qiáng)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《鐵路工程水文地質(zhì)勘查規(guī)程》(TB10049-2004)(表1)，并考慮計(jì)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)的計(jì)算值。

根據(jù)勘察，隧址區(qū)出露第四系砂礫卵石層降雨入滲系數(shù)取值0.24～0.30；三疊系砂巖、粉砂巖地層降雨入滲系數(shù)取值0.05～0.08；白山組灰?guī)r地層降雨入滲系數(shù)取值0.20～0.50，鹽塘組粉砂巖地層降雨入滲系數(shù)取值0.15～0.20；青天堡組長(zhǎng)石砂巖地層降雨入滲系數(shù)取值0.08～0.12。各區(qū)入滲系數(shù)具體取值見(jiàn)表2。

表1 降水入滲系數(shù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表2 各區(qū)計(jì)算結(jié)果表

2)匯流面積確定。本次計(jì)算以地形圖為參考，按水文地質(zhì)塊段分區(qū)圖中以分水嶺和巖性圈定匯流面積計(jì)算匯流量。各區(qū)的匯流面積見(jiàn)表2。

3)降雨量的確定。根據(jù)隧址區(qū)多年的氣象資料，該區(qū)平均降雨量963 mm/a，即0.11 mm/h。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。從表2中可以看出，本次劃定水資源量計(jì)算范圍262.32 km2，該區(qū)總水資源約8 015.33 L/s；地表總徑流量(Q1)7 147.34 L/s；地下水徑流量(Q2)867.99 L/s。由圖6可知，隧道穿越段(主要影響塊段)含水層主要為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)域，該類(lèi)型含水該區(qū)域地下總資源量為273.54 L/s，平均地下水徑流模數(shù)均值約為1.5 L/s·km2。

4 隧道地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)

4.1 隧道涌突水計(jì)算與分析

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(diǎn)。因此預(yù)測(cè)隧道涌水量時(shí)，需分別計(jì)算正常涌水量與雨季最大涌水量值。涌水量預(yù)測(cè)正確性，主要取決于對(duì)隧道充水條件的正確分析及計(jì)算參數(shù)和計(jì)算方法的合理選用。根據(jù)取得的資料及對(duì)隧址區(qū)水文地質(zhì)條件的了解，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(dòng)力學(xué)法對(duì)隧道涌水量進(jìn)行分段評(píng)價(jià)。

4.1.1 大氣降水入滲法

根據(jù)實(shí)際調(diào)查，該區(qū)降雨入滲系數(shù)平均值取0.07，該區(qū)多年平均降水量為963 mm，集水面積根據(jù)河流邊界等條件圈定為25.7 km2。采用大氣降水入滲法計(jì)算公式帶入各項(xiàng)參數(shù)可得涌水量。

Q=2.74·λ·N·A

=2.74×963×0.07×25.7

=4 746.9 m3/d

(3)

式中：λ為降雨入滲系數(shù)；Q為預(yù)測(cè)隧道正常涌水量，m3/d；A為隧道通過(guò)含水體地段的集水面積，km2；N為年平均降雨量，mm/a。

此次計(jì)算的涌水量Q是年平均日量，實(shí)際區(qū)域降水存在時(shí)間與空間的分布不均，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(huì)更大。

4.1.2 地下水徑流模數(shù)法

根據(jù)《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》(TB10049—2004)的規(guī)定，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(cè)涌水量。

Qs=86.4MA

(4)

式中：Qs為預(yù)測(cè)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(guò)含水體地段的集水面積，km2。

根據(jù)徑流模數(shù)法計(jì)算，本隧道正常涌水量為3 330.72 m3/d，最大涌水量為1.5×3 330.72=4 996.08 m3/d。

4.1.3 地下水動(dòng)力學(xué)法

采用《鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程》中的計(jì)算公式：

Qs=LKH(0.676-0.06K)

(5)

Q0=L(0.0255+1.9224KH)

(6)

式中：Q0為隧道初期可能最大涌水量，m3/d；Qs為隧道經(jīng)常涌水量，m3/d；K為巖體的滲透系數(shù)，m/d；H為含水層中原始靜水位至隧道底板的距離，m。

4.2 解析法計(jì)算隧道影響半徑

地下水動(dòng)力學(xué)法計(jì)算隧道穩(wěn)定涌水量為2 041.36 m3/d，最大涌水量為6 041.08 m3/d。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 地下水動(dòng)力學(xué)法計(jì)算隧道涌水量表

地下水動(dòng)力學(xué)法又稱解析法，是根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)原理，用數(shù)學(xué)解析的方法對(duì)給定邊界值和初值條件下的地下水運(yùn)動(dòng)建立解析式，從而達(dá)到預(yù)測(cè)隧道影響范圍的目的?！董h(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則——地下水環(huán)境》(HJ610-2011)推薦排水渠和狹長(zhǎng)坑道線性類(lèi)建設(shè)項(xiàng)目的地下水水位變化區(qū)域半徑計(jì)算公式如下：

(7)

(8)

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(bǔ)給強(qiáng)度，m/d；μ為重力給水度，無(wú)量綱；t為排水時(shí)間，s。

隧道長(zhǎng)9 235 m，穿越不同類(lèi)型水文地質(zhì)單元，受地層巖性、構(gòu)造等因素的影響，不同單元參數(shù)各不相同。本次計(jì)算所需的滲透系數(shù)(K)、重力給水度(μ)等參數(shù)的選取參照區(qū)域水文地質(zhì)報(bào)告中的相關(guān)資料，并結(jié)合隧道附近已有鉆孔資料以及巖石試驗(yàn)確定；降雨補(bǔ)給強(qiáng)度(W)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(H)從各隧洞縱剖面量取平均值；排水時(shí)間(t)預(yù)計(jì)隧道開(kāi)工到施工完成約4年(表4)。

表4 解析法計(jì)算隧道影響半徑結(jié)果表

4.3 隧道施工對(duì)地下水循環(huán)系統(tǒng)的影響

4.3.1 隧址區(qū)地下水系統(tǒng)分析

根據(jù)巖性、構(gòu)造以及區(qū)域分水嶺特征，隧址區(qū)地下水系統(tǒng)可劃分為淺層碎屑巖類(lèi)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以及風(fēng)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20～80 m，這種類(lèi)型的含水系統(tǒng)主要分布于隧道進(jìn)出口段以及地表淺部循環(huán)帶。

2)深部含水帶。深部構(gòu)造裂隙水含水帶，隧道進(jìn)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(fēng)化帶主要分布在淺表，在深部50～100 m以下風(fēng)化作用微弱，主要為構(gòu)造裂隙，隨深度的增加裂隙發(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，提供了一定的儲(chǔ)水空間，利于地下水下滲補(bǔ)給，隧道揭露該地段可能出現(xiàn)涌水、突水現(xiàn)象。

4.3.2 隧道施工對(duì)隧址區(qū)地下水流場(chǎng)的影響

根據(jù)隧道穿越地下水水系統(tǒng)情況，結(jié)合對(duì)地下水環(huán)境影響預(yù)測(cè)的結(jié)果，分析隧道施工對(duì)地下水循環(huán)系統(tǒng)的影響。隧道進(jìn)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，但范圍有限。隨著隧道的掘進(jìn)，埋深增大，隧道穿越深部含水系統(tǒng)，因?yàn)榛◢弾r地區(qū)地下水富水較差，故對(duì)花崗巖地區(qū)深部水循環(huán)系統(tǒng)影響較小。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，提供一定的儲(chǔ)水空間，隧道施工揭露斷層帶，可能引起涌水、突水，導(dǎo)致區(qū)域地下水位下降，形成降位漏斗。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(duì)地下水循環(huán)影響較小。

總的說(shuō)來(lái)，八姑阿莫隧道施工對(duì)隧址區(qū)地下水系統(tǒng)有一定的影響，但影響范圍較小、可控。

5 結(jié) 論

八姑阿莫隧道隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造比較復(fù)雜，主要斷裂構(gòu)造有麥加坪壓扭性斷裂、霍兒坪壓扭性斷裂和棉埡張扭性斷裂，褶皺構(gòu)造不發(fā)育；斷裂對(duì)八姑阿莫隧道有一定影響。區(qū)內(nèi)裂隙主要為風(fēng)化裂隙和構(gòu)造裂隙，且具有一定的開(kāi)啟性，為地下水的儲(chǔ)存和運(yùn)移提供了良好的空間條件。

隧址區(qū)地下水類(lèi)型主要為第四系松散巖類(lèi)孔隙水、碎屑巖類(lèi)孔隙裂隙水和碳酸鹽巖類(lèi)裂隙溶洞水。

地質(zhì)背景比較復(fù)雜，隧址區(qū)發(fā)育白山組(T2b)、鹽塘組(T2y)巖溶地層，容易出現(xiàn)較大涌水，建議進(jìn)行封堵，以保護(hù)隧址區(qū)地下水環(huán)境。

隧址區(qū)地下水資源量計(jì)算得出地表水總徑流量(Q1)3 622.01 L/s；地下水徑流量(Q2)1 173.77 L/s，約合101 413 m3/d。解析法計(jì)算得出，隧道建設(shè)的影響半徑為5.33～880.93 m。隧道施工期最大涌水量為9 756.29 m3/d，正常涌水量為6 504.19 m3/d；隧道建設(shè)施工期間隧道排水量不大，對(duì)隧道施工及隧址區(qū)地下水環(huán)境產(chǎn)生的影響都較小，對(duì)隧道附近居民及上部生態(tài)的影響也較小。因此，隧道建設(shè)是合理的、可行的。