滇西老營特長隧道水文地質(zhì)特征及數(shù)值模擬分析

袁荷娟，藍宇騁，李窈靚

（云南省交通規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，云南 昆明 650200）

老營特長隧道是保瀘高速公路的控制性工程，為分離式隧道，左幅隧道長11505m，最大埋深1259.03m；右幅隧道長11515m，最大埋深1255.01m，隧道橫穿怒山山脈。保瀘高速的修建對完善國家高速公路網(wǎng)布局、提高云南省干線公路網(wǎng)主骨架技術(shù)等級結(jié)構(gòu)、發(fā)揮高速公路在綜合運輸系統(tǒng)中的功能，具有重要意義。

老營隧道穿越的主要以沉積巖類地層為主，大多呈帶狀展布，以巖層傾向與坡向一致為主要特征，分布有第四系（Qp）、泥盆系（D1）、志留系（S2）、奧陶系（O1、O2、O3）、寒武系（∈3b），以砂巖、粉砂巖、頁巖、泥巖、灰?guī)r、白云巖為主，其中D2、S3及∈3b為碳酸鹽巖地層，如圖1所示。隧道進口段西北側(cè)及出口段西側(cè)巖溶中等發(fā)育，洞身段穿越地層巖溶弱發(fā)育，總體淺表多發(fā)育溶溝、溶槽，局部少量溶隙、溶孔及小規(guī)模溶洞。

隧址區(qū)地質(zhì)構(gòu)造強烈發(fā)育，位于瀾滄江斷裂帶和怒江斷裂帶之間，兩大斷裂構(gòu)成了隧址區(qū)外圍邊界。區(qū)內(nèi)斷層亦發(fā)育，多見SN向及其伴生的NE和NW向斷層，受NNW向構(gòu)造帶右行扭力疊加的影響，NW向斷裂多呈壓扭性，NE向斷裂多呈張扭性質(zhì)。此外，尚有EW向構(gòu)造發(fā)育，其活動時期跨度也較大，形成與上述NNW及SN向斷裂相互切割破壞的局面，對巖體結(jié)構(gòu)影響大，特別在斷層破碎帶及影響帶裂隙發(fā)育，連通性良好，地下水存儲空間大。因此，查明隧址區(qū)的水文地質(zhì)特征，分析隧道開挖發(fā)生涌水災(zāi)害風險十分重要[1]。

1 隧址區(qū)水文地質(zhì)特征

隧址區(qū)內(nèi)在斷裂帶鄰近處和核桃坪復(fù)式背斜，未揭露呈規(guī)模發(fā)育的泉群或暗河，泉水流量一般為1～20l/s，最大為50l/s。隧址區(qū)地下水化學(xué)成分陰離子以HCO3-為主，含量一般＜150mg/l，SO42-和Cl-離子含量較少，一般2～7mg/l；陽離子以Ca2+離子為主，含量一般為10～60mg/l，Mg2+、Na+次之，含量＜30mg/l。地下水化學(xué)類型以HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg型為主。隧道西側(cè)泉水pH值較東側(cè)及北廟水庫稍高。北廟水庫上游溪溝及隧道入口處溪溝補給北廟水庫，水質(zhì)與北廟水庫水質(zhì)大致一樣，均為中性低礦化淡水。

隧址區(qū)水文地質(zhì)單元劃分：一級單元以怒江水系與瀾滄江水系的地表分水嶺為邊界；二級單元主要以構(gòu)造形跡控制，由于區(qū)內(nèi)NNW向、NW向及SN向斷裂，具有壓性及壓扭性，兩盤巖體破碎，多見糜棱巖，具有較好的阻水作用，但由于擠壓作用強烈，斷裂上盤（上升盤）裂隙較下盤（下降盤）發(fā)育，地下水相對富集；三級水文地質(zhì)單元根據(jù)含水層組富水性劃分。隧址區(qū)地下水多賦存于沿斜坡的淺表部風化裂隙帶內(nèi)，除局部深埋構(gòu)造裂隙富水外，厚度一般不超過120m，以潛水為主，在該帶內(nèi)地下水賦存貧富特征與巖性組合狀況相關(guān)。頁巖等軟質(zhì)巖石以風化裂隙密集發(fā)育為特征，但裂隙多閉合，延伸短促，切層性差，不利于地下水的賦存和運移；而砂巖、灰?guī)r等硬質(zhì)巖石，雖裂隙發(fā)育不密集，但裂隙延伸遠，切層性好，且有一定的開啟程度，有利于地下水的存儲，所以該類巖層富水性一般較好。

圖1 隧道地質(zhì)縱斷面示意圖（圖左為進口端，保山方向）

隧道區(qū)地下水主要受大氣降水（包括冰雪融化水）入滲補給，局部箐溝等地表水入滲補給。大氣降水到達地表后，被地表植被及松散覆蓋層涵儲，部分在地形低洼處流出，匯入溪溝；部分通過裂隙、溶裂滲入下伏巖體，向下游地區(qū)運移，在較遠處再排入溝底。同時受EW向、SN向及環(huán)狀構(gòu)造體系的影響，多種改造形跡明顯，如所形成的多處棋盤狀巖溶斷塊，各水文地質(zhì)單元并非孤立的絕對水系統(tǒng)，局部呈現(xiàn)一定的水力聯(lián)系特征。

對于巖溶水，總體上隧址區(qū)在分水嶺地帶和Ⅰ、Ⅱ級剝夷面上，即高程2800m以上地帶，地表多見溶芽、溶溝、溶蝕裂隙及少量的漏斗等垂直的巖溶形態(tài)分布。地下水位埋藏深，極少見泉水出露，為巖溶水的補給區(qū)。Ⅲ、Ⅳ級剝夷面分布在2300～2800m的高程上，相對保存完整，地表見有洼地、漏斗及落水洞等，地下水位埋深較淺，在沖溝及坡腳等低洼部位，地下水以泉水或散流形式排泄，為巖溶水的補給徑流區(qū)。在1700～2300m地帶，分布Ⅴ級剝夷面，地表見有裂隙型溶洞和溶蝕裂隙，地下水在剝夷面或地勢有利部位以泉水形式排泄，泉水流量大，為巖溶水的主要排泄區(qū)，也是巖溶地下水的富集地帶。而1700m以下巖溶不甚發(fā)育，反映了近期地殼上升強烈的狀況，致使巖溶發(fā)育速度滯后于河流下切速度，未能使大量的泉點位置隨侵蝕基準面的下降而降低，仍高懸于1700m以上，此為該隧址區(qū)巖溶發(fā)育的獨特之處。

2 隧道涌水量數(shù)值模擬

2.1 模擬區(qū)的概化及離散

根據(jù)老營隧址區(qū)的水文地質(zhì)條件，將模擬區(qū)東側(cè)范圍擬定在隧道進口東河，西側(cè)范圍擬定在隧道出口紅木嶺斷裂，南側(cè)范圍為北廟水庫，北側(cè)外擴約1km，建立空間三維模型，如圖2所示。根據(jù)隧址區(qū)巖土體介質(zhì)不同的滲透特性對其賦值。

圖2 隧址區(qū)地下水滲流場的空間三維概念模型

模型X方向取隧道軸線走向方向，長約17000m；Y方向取構(gòu)造線走向方向（近于垂直于隧道線走向），寬約10000m；Z方向為隧道垂向埋深方向，以0m為基準點。模型平面上范圍為（17000×10000）m2，采用等間距100m網(wǎng)格進行剖分，局部網(wǎng)格加密，垂向分層30層，離散化模型如圖3所示。

2.2 模擬區(qū)邊界條件

巖土體中地下水滲流的特點通過滲透介質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)特征來描述，其概念模型是建立巖土體滲流數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)。在實際工作中，有些單元水頭值已知，而有些單元可能位于所研究的問題邊界之外，為此，Modflow將計算單元分成了3大類：定水頭單元、無效單元和變水頭單元[2-4]。

圖3 隧址區(qū)地下水滲流場的空間三維模型離散化

文章模擬區(qū)東側(cè)東河為地下水的排泄邊界，東河以東的區(qū)域與研究區(qū)的地下水沒有直接的水力聯(lián)系，設(shè)置為無效單元區(qū)，南、西、北三側(cè)為地下水的滲流邊界，如圖4所示。

圖4 模擬區(qū)邊界條件

2.3 含水介質(zhì)的滲透特性取值

本次模擬采用穩(wěn)定流的模擬計算方案。因此，需重點確定的是含水介質(zhì)的滲透特性，參數(shù)取值參考了區(qū)域水文資料，同時考慮到地表覆積物、地質(zhì)構(gòu)造等對本區(qū)地層滲透性的影響，在平面上做了滲透系數(shù)不同分區(qū)，在垂直方向上對滲透系數(shù)做了一定的修正。模擬區(qū)不同含水介質(zhì)的滲透特性取值如表1所示。

表1 巖土體滲透特性取值表 單位：m/d

2.4 模擬結(jié)果分析

（1）初始地下滲流場的擬合及參數(shù)反演。首先對地下水的初始滲流場進行穩(wěn)定流運算，模擬計算了7300d。在該區(qū)高山峽谷地貌條件控制下，地下水快速運移，并向東西兩側(cè)的地表河流邊界處發(fā)生排泄，如圖5所示。該區(qū)斷裂構(gòu)造多為逆斷層，具有明顯的阻水作用，表現(xiàn)為等勢線在斷裂部位較集中。隧道中部高山一帶，地下水埋藏較深，最大可達1400m，局部以承壓水形式賦存，最高水頭約2800m。圖5中顯示無地下水滲流通過的干單元分布區(qū)，以及靠近地表溝谷一帶的地表水流單元。從地下潛水位與隧道的位置關(guān)系來看，隧道大部分洞段位于地下水位以下。可見，地下水的埋藏、徑流及排泄等特征受地形及斷裂構(gòu)造控制明顯，符合地下水滲流場的一般規(guī)律，參數(shù)選取較可靠[2-3]。

（2）隧道排水條件下地下水滲流場模擬分析。隧道底板高程為1688～1834m，大部分洞段位于地下水位以下，施工過程中，隧道的進出口淺埋段及穿越以灰?guī)r、白云巖為主的01、02地層洞段易發(fā)生涌突水害。通過20年（7300d）的穩(wěn)定流模擬計算，隧道施工期產(chǎn)生涌突水災(zāi)害的洞段達到穩(wěn)定排水時，總涌水量約為11904m3/d。老營隧道各段涌水量預(yù)測如表2所示。

表2 隧道涌水量數(shù)值模擬法預(yù)測結(jié)果

圖5 擬合初始滲流場中隧道位置處地下水流網(wǎng)特征

3 結(jié)束語

老營隧址區(qū)地下水受構(gòu)造控制明顯，局部受富水巖層影響，呈現(xiàn)一定水力聯(lián)系。隧道施工期穩(wěn)定總涌水量為11904m3/d，在無封堵條件下，隧道排水經(jīng)過2.66年達到穩(wěn)定，降位漏斗在縱向上的擴展受阻水斷裂影響，地表小型溝谷水流局部被疏干，但對北廟水庫總體影響微弱。