滇西公路特長隧道越嶺方案水文地質(zhì)比選分析

袁荷娟 李窈靚 宋 平

（云南省交通規(guī)劃設計研究院有限公司，云南 昆明 650200）

老營特長隧道位于滇西保山市境內(nèi)，是保山至瀘水高速公路的重大控制工程。老營隧道穿越橫斷山脈南端的保山壩“西山梁子”，為超特長隧道。隧址區(qū)地質(zhì)構造復雜，穿越多條區(qū)域性斷裂。隧址區(qū)周邊分布有多個飲用水源取水口，影響居民人口眾多，環(huán)境影響較敏感。老營隧址路線方案根據(jù)技術經(jīng)濟的合理性以及水源保護區(qū)分布情況，隧道穿越是否對該地區(qū)地下水環(huán)境產(chǎn)生大的影響，是否導致與地下水有關的環(huán)境地質(zhì)問題，是隧道設計施工以及運營管理不可避免的問題。在認識老營隧址區(qū)水文地質(zhì)條件基礎上，對越嶺段擬選3 種方案（K、K1、K2） 進行水文地質(zhì)比選，分析隧道施工可能存在涌突水風險，同時預測工程建設可能產(chǎn)生的地下水環(huán)境影響，評價其影響程度和范圍及其可能導致的地下水環(huán)境變化趨勢。

1 隧址區(qū)水文地質(zhì)特征概要

老營隧址區(qū)越嶺段K、K1、K2 線方案均穿越較多斷裂構造（大風口壓扭性斷裂、紅木嶺干張扭性斷裂、阿石寨斷裂、票柴壩斷裂和巖箐斷裂），斷裂構造影響較大；穿越圍巖有砂巖、粉砂巖、頁巖、灰?guī)r、泥灰?guī)r、白云巖、鈣質(zhì)泥巖等。受斷裂構造影響，巖體破碎，穩(wěn)定性差，主要地質(zhì)災害及施工風險有高地應力、高壓涌突水、斷層破碎帶及巖溶等。三個方案工程地質(zhì)條件基本相當。

老營隧址區(qū)地下水水系統(tǒng)，根據(jù)巖性、構造以及區(qū)域分水嶺特征進行水系統(tǒng)劃分，重點對隧道穿越區(qū)不同水文地質(zhì)單元進行分析，可分為淺表松散巖類孔隙水含水帶、淺層碎屑巖類裂隙孔隙水含水帶及深部巖溶承壓水含水帶。淺層地下水含水帶主要受地表分水嶺以及風化裂隙發(fā)育深度控制，具有潛水含水層特征，一般30～50m，這種類型的含水系統(tǒng)主要分布于隧道進出口段以及地表淺部循環(huán)帶。深部巖溶承壓水含水帶主要受斷裂帶以及巖性分布控制，這種類型的含水帶區(qū)內(nèi)零星分布，巖溶不甚發(fā)育。

同樣，隧址區(qū)地下水流動系統(tǒng)包括淺循環(huán)和深循環(huán)流動系統(tǒng)。研究區(qū)域的水系統(tǒng)分為3 個大區(qū)，9 個亞區(qū)，每個區(qū)的淺部循環(huán)模式基本相同，地下水都是接受大氣降水以及冰雪融水補給后沿淺部風化裂隙向深切河谷以及溪流排泄，在特殊的地層以及構造區(qū)淺循環(huán)不發(fā)育。深循環(huán)的主要控制因素為構造，斷裂帶中泥巖、泥質(zhì)粉砂巖灰?guī)r互層，巖溶弱發(fā)育，地下水具有局部承壓性，隧道穿越該帶埋深較大，裂隙不發(fā)育，因而與淺部地下水系統(tǒng)水力聯(lián)系不密切。隧道施工建設中，大泉流量以及溝水的減少將不同程度的出現(xiàn)，但不會產(chǎn)生地面陷落沉降等現(xiàn)象。

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，影響范圍相對較小。在斷裂帶或者灰?guī)r分布的區(qū)域，屬于深部巖溶承壓水含水帶，雖然施工可能造成一定范圍內(nèi)潛水位下降，加大表層地下水與深層地下水之間的聯(lián)系，但是深部巖溶區(qū)域受非可溶巖限制，且越嶺帶埋深較大，超過1000m 以上，影響也相對較小。在隧址區(qū)其它地下水深循環(huán)帶的碎屑巖類，地下水含水性較差，隧道施工對地下水循環(huán)影響較小?？梢?，老營隧道施工對隧址區(qū)地下水系統(tǒng)有一定的影響。

圖1 隧址區(qū)水文地質(zhì)簡圖

2 隧道方案水文地質(zhì)比選

2.1 隧道涌水風險影響寬帶

地下水動力學法又稱解析法，是根據(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，而達到預測隧道影響范圍的目的。本次計算采用公式如下.

式中：R—影響半徑，m；H—潛水含水層厚度，m；K—含水層滲透系數(shù)，m/d；W—降水補給強度，m/d；μ—重力給水度，無量綱；t—排水時間，d。本次計算排水時間（t） 預計隧道開工到施工完成約5 年（1825 天）。

表1 預測K 線施工涌水的影響半徑

限于篇幅，以K 線影響范圍列表說明，K 線隧道穿越含水層厚度較大的∈3b 地層，預測影響范圍較大，為1155m；穿越O2-3地層，預測影響范圍中等，為581～716m。

由于3 種擬選方案，總體位于相同水文地質(zhì)單元，預測影響半徑并無數(shù)量級差異，在此基礎上考慮影響面積，以隧道穿越不同富水性巖層組的里程長度為計，如圖2 所示。

圖2 不同隧道方案影響面積累計

2.2 預測隧道施工涌水量

隧道涌水量除受水文地質(zhì)條件控制外，具有季節(jié)性變化大的特點。因此預測隧道涌水量時，分別計算正常涌水量與雨季最大涌水量值。涌水量預測可適性，主要取決于對隧道充水條件的充分分析及計算參數(shù)和計算方法的合理選用。隧道處于分水嶺交界處，隧道涌水的主要來源為影響半徑內(nèi)的地下水，在此處假設影響范圍內(nèi)地下水為互相流通，計算影響半徑為最大影響半徑，即1155m 范圍內(nèi),同時對隧道涌水量進行分段評價。限于篇幅，以圖3 匯總說明。

1） 大氣降水入滲法

式中：Q—地下水涌水量（m3/a），W—年降水量（m），α—降水入滲系數(shù)，F(xiàn)—影響區(qū)域面積（m2）。按隧道穿越不同地下水類型分段計算，降水量取1072.9mm，面積為影響范圍內(nèi)各地層面積。

2） 地下水徑流模數(shù)法

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

根據(jù)徑流模數(shù)法計算，K 線方案正常涌水量為11630m3/d。隧道正常涌水量計算結果兩種方法相差不大，同時，大氣降水入滲法計算涌水量Q 是年平均量，實際區(qū)域降水存在時間與空間的分布不均，降水主要集中在5～10 月份，如果選擇雨季施工涌水量比值會更大。

圖3 不同隧道方案各段落計算涌水量

2.3 對水源保護區(qū)可能影響

北廟水庫水源保護區(qū)水源主要補給有：東河北廟水庫水文單元地表雨水匯集；水文單元上游溪溝和泉點補給；人工引水渠補給。K 線隧道地下水影響區(qū)域在北廟水庫單元內(nèi)面積為3.5km2，即北廟水庫地下水資源減少量為該面積內(nèi)隧道涌水量，通過大氣降水入滲法計算結果為48.8 萬m3/a。該隧道排水出口不在北廟水庫單元內(nèi)，涌水無法正?；嘏诺奖睆R水庫單元內(nèi)，占北廟水庫年均來水量的0.5%，即隧道修建后會導致北廟水庫每年的來水量減少約0.50%；

K1 線隧道地下水影響區(qū)域在北廟水庫單元內(nèi)面積為0.9km2，對北廟水庫地下水資源減少量為12.55 萬m3/a，占北廟水庫年均來水量的0.13%；K2 線隧道地下水影響區(qū)域在北廟水庫單元內(nèi)面積為8.7km2，對北廟水庫地下水資源減少量為121.35 萬m3/a，占北廟水庫年均來水量的1.24%，但K2方案隧道排水出口在北廟水庫單元內(nèi)，涌水可通過一定工程措施正常回排到北廟水庫單元內(nèi)。

總之，老營隧道K、K1 線在北廟水庫水源保護區(qū)北側通過，穿越區(qū)隧道埋深多在500～1150m，穿越地下水深部循環(huán)地帶，對淺部地下水系統(tǒng)影響較小，隧道穿越區(qū)所屬地下水系統(tǒng)的變化對保護區(qū)內(nèi)地下水系統(tǒng)較小。K2 線隧道通過北廟水庫水源保護區(qū)準保護區(qū)，其隧道排水影響水庫補給和水質(zhì)，改變保護區(qū)地下水流場，對北廟水庫水源保護區(qū)地下水環(huán)境有一定影響。

2.4 隧道方案水文地質(zhì)比選

1） 碳酸鹽巖地層出露情況，碳酸鹽巖長度增加隧道水文地質(zhì)的復雜程度。但三種隧道越嶺方案穿過地層基本一致，碳酸鹽巖地層出露大致相同。

2） 地表水系對隧道影響，老營隧道隧址區(qū)地表水系較發(fā)育，K1、K2 線進、出口段均有溪溝，K 線出口離最近的溪溝約200m。隧道在部分淺埋段，離地表水較近可能增加地表水轉化為地下水影響隧道施工的復雜性。K 線相對于K1、K2 線受地表水影響較小。

3） 巖溶及工程涌突水，隧址區(qū)巖溶總體不甚發(fā)育，從已有鉆探資料揭露巖溶發(fā)育隨深度增加逐步減弱，因此，隧道埋深對巖溶發(fā)育有較大影響。從埋深對巖溶發(fā)育影響看，K2 線方案巖溶發(fā)育相對較強。除K2 線涌水量稍小之外，K和K1 線涌水量基本相當。

4） 環(huán)境水文地質(zhì)問題，老營隧道建設可能引起的環(huán)境水文地質(zhì)問題主要是隧道施工排水引起的地下水水位下降，進而對北廟水庫水源保護區(qū)產(chǎn)生不利影響。K 線、K1 線方案從水源保護區(qū)準保護區(qū)外圍穿過，隧道施工地下水排水對環(huán)境影響較小，不會對水源保護區(qū)地下水環(huán)境產(chǎn)生不可控制的影響，其對北廟水庫來水量的影響K1 線相對K 線來說較小。K2 線方案進口至中段穿過準保護區(qū)，可能會導致隧道降深影響范圍內(nèi)的地下水位下降、隧道進口地表溪溝的干涸以及水質(zhì)惡化等問題。

5） 老營隧道水文地質(zhì)綜合比選，從地質(zhì)構造、地層及組合特征、巖溶發(fā)育特征、隧道埋深及地下水循環(huán)特征、隧道涌突水等水文地質(zhì)綜合比選，K 線地質(zhì)條件基本與K1、K2 線相當，但K2 線隧道巖溶相對發(fā)育、水文地質(zhì)條件較復雜，且在北廟水庫水源保護區(qū)準保護區(qū)范圍內(nèi)，就水文地質(zhì)條件比較，K、K1 線較可行，即K 與K1 線方案大致相同。K 線可能減少北廟水庫來水量的0.5%，K1 線為0.13%，從對北廟水庫的影響來說K 線稍遜于K1 線。

3 結語

1） 老營隧道建設導致的區(qū)域地下水影響半徑在581～1155m，影響范圍中等，K 線隧道正常涌水量為12422m3/d，隧道修建后會導致北廟水庫每年的來水量減少約0.50%。同時，在進出口段風化裂隙發(fā)育，地下水處于淺部循環(huán)帶，且分布居民較多，隧道施工會對居民用水有一定的影響。

2） K 線地質(zhì)條件基本與K1、K2 線相當，K、K1 方案老營隧道從水源保護區(qū)準保護區(qū)外圍穿過，隧道施工地下水排水對北廟水庫來水量的影響K1 線相對K 線相對較小。K2線方案進口至中段穿過準保護區(qū)，可能會導致隧道降深影響范圍內(nèi)的地下水位下降、隧道進口地表溪溝的干涸以及水質(zhì)惡化等問題。