基于MODFLOW的某高速公路隧道涌水量預(yù)測(cè)研究

蔡 磊 田學(xué)軍

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽(yáng) 550081)

0 引言

隧道涌水突泥是隧道施工中常見(jiàn)的地質(zhì)災(zāi)害，當(dāng)隧道通過(guò)富水洞段地層時(shí)，易產(chǎn)生較嚴(yán)重的涌水、突泥等工程問(wèn)題。隧道開挖過(guò)程中產(chǎn)生很大的涌水量和較強(qiáng)的滲水壓力，嚴(yán)重威脅洞室的安全，若該問(wèn)題處理不當(dāng)直接決定著隧道的工程安全、施工進(jìn)度、工程投資等。

隧道涌水與地質(zhì)環(huán)境條件密切相關(guān)，地質(zhì)體中巖層的發(fā)育特征、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)史和隧道穿越地區(qū)的地下水補(bǔ)給、徑流、排泄也是控制隧道涌水的重要因素。隧道涌水預(yù)測(cè)主要是指涌水量評(píng)估預(yù)測(cè)，為有效進(jìn)行隧道涌水量的預(yù)估，各國(guó)學(xué)者經(jīng)過(guò)幾十年的努力，取得了豐碩的成果。學(xué)者們依據(jù)隧道環(huán)境地下水所處的具體地質(zhì)體特性、水文地質(zhì)條件的復(fù)雜性、施工方法和生產(chǎn)要求等，通過(guò)定性、定量的方法系統(tǒng)研究隧洞涌水量。

隧道涌水量預(yù)測(cè)方法包括解析法、數(shù)值法、相關(guān)分析法等。其中應(yīng)用數(shù)值法預(yù)測(cè)涌水量已經(jīng)成為主要的技術(shù)方法之一[1]。在地下水?dāng)?shù)值模擬技術(shù)的發(fā)展和完善過(guò)程中，許多地下水模擬軟件被廣泛使用，Visual MODFLOW軟件是應(yīng)用最廣泛的一種[2]，它是目前國(guó)際上經(jīng)常用到的三維地下水流和溶質(zhì)運(yùn)移模型評(píng)價(jià)的可視化專業(yè)軟件系統(tǒng)[3]。本文在收集隧址區(qū)地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造及水文地質(zhì)條件等資料的基礎(chǔ)上，利用解析法計(jì)算隧道涌水量，再利用數(shù)值模擬軟件Visual MODFLOW對(duì)研究區(qū)地下水系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)值模擬，并將兩種方法預(yù)測(cè)的涌水量進(jìn)行對(duì)比分析，可將預(yù)測(cè)結(jié)果用于指導(dǎo)隧道施工。

1 工程地質(zhì)概況

該公路隧道全長(zhǎng)2795m，進(jìn)口標(biāo)高1886m、出口標(biāo)高1910m，最大埋深457m。場(chǎng)區(qū)地處云貴高原烏蒙山脈北段，地貌類型屬溶蝕—侵蝕型低山地貌，地表受溶蝕、侵蝕作用強(qiáng)烈，地勢(shì)起伏大，隧址區(qū)地面高程為1891～2537m。

場(chǎng)區(qū)屬中亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，年平均降雨量1253.5mm，最大年降雨量1682.8mm，日最大降水量154.8mm，場(chǎng)區(qū)溝谷內(nèi)分布有季節(jié)性溪流，流量受大氣降雨控制。

場(chǎng)區(qū)地層巖性為第四系殘坡積層含碎石粉質(zhì)黏土、三疊系下統(tǒng)永寧鎮(zhèn)組灰?guī)r及飛仙關(guān)組泥質(zhì)粉砂巖。其中，含碎石粉質(zhì)黏土，灰黃色，可塑狀，碎石粒徑2～5cm，含量約25%；灰?guī)r，深灰色，薄至中厚層狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體較破碎；泥質(zhì)粉砂巖，紫紅色，薄至中厚層狀，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖體較破碎。

場(chǎng)區(qū)無(wú)區(qū)域性斷層及褶皺構(gòu)造發(fā)育，地層產(chǎn)狀整體較平穩(wěn)呈單斜產(chǎn)出，巖層傾向110°～135°之間，傾角20°～30°。主要節(jié)理為196°∠83°、292°∠84°，節(jié)理面起伏粗糙，可見(jiàn)泥質(zhì)充填。

2 場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)條件

2.1 地下水埋藏特征

補(bǔ)給區(qū)地下水以垂直入滲為主，埋深較大；徑流區(qū)地下水主要為水平方向運(yùn)動(dòng)，埋深較淺；排泄區(qū)水位接近河流基面，甚至出露地表。隧道進(jìn)口段埋深約50～150m，隧道出口段地下水水位埋藏淺，一般小于50m，地下水水力坡度小于10‰。

2.2 地下水類型

根據(jù)地層巖性及其組合特征、地下水賦存條件、水理性質(zhì)和水力特征，將區(qū)內(nèi)地下水類型分為碳酸鹽巖巖溶水、基巖裂隙水和第四系松散層孔隙水。碳酸鹽巖巖溶水主要賦存于碳酸鹽巖地層中，以灰?guī)r為主，富水性中等—強(qiáng)?；鶐r裂隙水含水巖組為泥質(zhì)粉砂巖，富水性弱—中等。第四系松散層孔隙水，賦存于山間洼地及第四系殘坡積層中，富水性差，水量貧乏。

2.3 地下水補(bǔ)、徑、排特征

(1)地下水補(bǔ)給。大氣降雨是場(chǎng)區(qū)地下水的主要補(bǔ)給源，其次部分地段接受外圍地下水越層補(bǔ)給。補(bǔ)給方式為降水形成的片流、地表徑流通過(guò)裂隙、溶隙、溶槽、落水洞(漏斗)下滲補(bǔ)給。雨季水量大，枯季水位下降、流水量小。

(2)地下水徑流。地下水徑流部位一般為斜坡地帶，排泄區(qū)為溝谷、谷地及河流，受地貌、巖溶、地質(zhì)構(gòu)造、水網(wǎng)展布控制，地段性差異較大，但一般與巖層走向一致。地下水接受補(bǔ)給后少部分貯存于土層孔隙內(nèi)，大多向下伏基巖節(jié)理、風(fēng)化裂隙及巖溶裂隙運(yùn)移，徑流類型以隙流、層面流及暗河狀態(tài)自南西向北東運(yùn)移，多集中于隧道出口的溝谷排出。

(3)地下水排泄。區(qū)內(nèi)排泄區(qū)為山間溝谷和河谷，隧道左側(cè)較遠(yuǎn)處的河流為最終排泄基面。地下水排泄以泉點(diǎn)及地下伏流出口等形式排泄，區(qū)內(nèi)地下水大都沿巖層面相間分布，一般集中于橫切溝谷排泄。

2.4 水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐旨疤卣?/h3>

場(chǎng)區(qū)地表分水嶺與地下分水嶺總體一致，依據(jù)地表分水嶺及水文網(wǎng)所起的控制作用[4]，將區(qū)內(nèi)分為姑開和引底河兩個(gè)水文地質(zhì)分區(qū)，又根據(jù)含水巖組的不同，將姑開水文地質(zhì)分區(qū)劃分為黑龍井(Ⅰ1)及甘家寨(Ⅰ2)兩個(gè)亞區(qū)；將引底河水文地質(zhì)分區(qū)劃分為仡佬寨(Ⅱ1)及巖腳寨(Ⅱ2)兩個(gè)亞區(qū)，水文地質(zhì)單元分區(qū)如圖1所示。隧道主要位于黑龍井(Ⅰ1)、仡佬寨(Ⅱ1)及巖腳寨(Ⅱ2)3個(gè)亞區(qū)內(nèi)。

圖1 場(chǎng)區(qū)水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐?/p>

3 解析法預(yù)測(cè)隧道涌水量

3.1 計(jì)算方法

解析法又叫地下水動(dòng)力學(xué)法，利用地下水動(dòng)力學(xué)的原理，用數(shù)學(xué)解析的方法給已有初值條件和邊界條件的地下水運(yùn)動(dòng)建立數(shù)學(xué)表達(dá)式，從而達(dá)到預(yù)測(cè)隧道涌水量的目的[5]。根據(jù)隧道的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，在結(jié)合勘察鉆孔的基礎(chǔ)上，對(duì)地下水水位進(jìn)行推測(cè)，選用地下水動(dòng)力學(xué)方法，對(duì)隧道涌水量進(jìn)行分段初步預(yù)估，計(jì)算方法及公式見(jiàn)表1。

表1 涌水量計(jì)算公式

3.2 計(jì)算參數(shù)選取

該隧道穿越不同類型水文地質(zhì)單元，根據(jù)鉆孔及水文地質(zhì)試驗(yàn)確定計(jì)算以及模擬所需滲透系數(shù)(K)、重力給水度(μ)；降雨補(bǔ)給強(qiáng)度(W)依據(jù)隧道所在地年平均降雨量；含水層厚度(H)根據(jù)隧道縱剖面取平均值；排水時(shí)間(t)計(jì)劃隧道開工到施工結(jié)束約3年[6]。

4 涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果分析

根據(jù)《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則地下水環(huán)境》(HJ 610-2011)指出狹長(zhǎng)坑道線性類項(xiàng)目的地下水水位影響區(qū)域半徑計(jì)算公式如公式(1)和(2)[7]：

(1)

(2)

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d。

由公式(1)、(2)計(jì)算隧道地下水水位影響區(qū)域半徑，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 隧道影響半徑分段預(yù)測(cè)結(jié)果

由表2可知，隧道施工對(duì)地下水的影響主要體現(xiàn)在飛仙關(guān)組(T1f)中，地下水的影響范圍較大，R=40.38m。永寧鎮(zhèn)組(T1yn)出露于隧道進(jìn)口段，地下水位以及隧道埋深較淺，影響范圍較小，R=36.52m。

由表1中的計(jì)算公式根據(jù)含水地層分段計(jì)算隧道涌水量，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 隧道涌水量分段預(yù)測(cè)結(jié)果

由表3計(jì)算結(jié)果可知，三疊系永寧鎮(zhèn)組飛仙關(guān)組(T1yn、T1f)灰?guī)r夾泥巖和砂巖夾泥巖作為富水性最好的含水巖組，隧道穿越該地層時(shí)，涌水量偏大，根據(jù)大島洋志公式計(jì)算的涌水量約7360.85m3/d，根據(jù)科斯加科夫公式計(jì)算的涌水量約18523.53m3/d，根據(jù)鐵路經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算的涌水量約5890.38m3/d～8195.57m3/d。隧道穿越三疊系飛仙關(guān)組T1f泥巖夾砂巖地層時(shí)，涌水量普遍偏小。通過(guò)計(jì)算結(jié)果分析研究，大島洋志和鐵路經(jīng)驗(yàn)計(jì)算出的涌水量接近，可作為預(yù)測(cè)隧道的正常涌水量(Qs:8195.57m3/d)；科斯加科夫計(jì)算出的涌水量偏大，可作為預(yù)測(cè)隧道的最大涌水量(Qmax:18523.53m3/d)。

5 基于MODFLOW軟件預(yù)測(cè)隧道涌水量

5.1 模型的建立

(1)模型范圍。據(jù)場(chǎng)區(qū)地下水類型、地下水的補(bǔ)給、徑流、排泄特征和水文地質(zhì)單元?jiǎng)澐值人牡刭|(zhì)條件，結(jié)合隧道的尺寸將模型范圍設(shè)定為一長(zhǎng)3100m、寬1400m的長(zhǎng)方形[8]。

(2)邊界條件的確定。場(chǎng)區(qū)不存在較大的水庫(kù)，考慮地表支溝體對(duì)地下水的影響，所以把模型范圍內(nèi)的支溝以及河流作為溪流邊界和河流邊界；在分析隧道對(duì)天然滲流場(chǎng)的影響時(shí)，將隧道概化為排水溝邊界[9]。排水溝邊界程序包：排水量正比于含水層的水頭與某一固定水頭或高程之差。如果含水層水頭低于排水溝的固定水頭，排水溝程序包假設(shè)排水就沒(méi)有效果。排水溝程序包要求包含這個(gè)邊界條件的每個(gè)單元具備輸入資料水頭標(biāo)高和水力傳導(dǎo)系數(shù)。

(3)模型的時(shí)空離散。由于本隧道地層巖性和含水巖組單一，結(jié)合隧道巖土體滲透系數(shù)取值，此外根據(jù)工程需求，在空間上按照50m網(wǎng)格將其剖劃為62行、28列，為更精準(zhǔn)地刻畫地層的空間展布，分為3層，其中，局部地區(qū)網(wǎng)格加密，共劃分5208個(gè)單元(圖2)。

圖2 模型網(wǎng)格剖分

預(yù)計(jì)隧道施工需要3年時(shí)間，所以模型模擬期定為3年，根據(jù)該區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)報(bào)告中降雨量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，長(zhǎng)期平均年降雨量約1240mm，其中11月—次年4月總降雨量約為340mm，5月—10月總降雨量為900mm。所以，按照季節(jié)將一年作為2個(gè)應(yīng)力期，每個(gè)時(shí)間段內(nèi)包括若干時(shí)間步長(zhǎng)，時(shí)間步長(zhǎng)由模型自動(dòng)控制，嚴(yán)格控制每次迭代的誤差。本文使用強(qiáng)隱過(guò)程程序包即SIP，是一種通過(guò)迭代求解一組大型聯(lián)立線性方程的方法，該迭代計(jì)算方法的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)果很穩(wěn)定以及有較好的收斂性，但求解速度較慢。

5.2 計(jì)算參數(shù)的選取

含水層滲透系數(shù)(K)依據(jù)鉆孔壓水試驗(yàn)換算確定，貯水系數(shù)(S)根據(jù)巖石力學(xué)試驗(yàn)孔隙度確定，以上參數(shù)在模型調(diào)試中通過(guò)進(jìn)一步修正，各參數(shù)取值如表4所示。

表4 水文地質(zhì)參數(shù)取值

5.3 模型及參數(shù)的校驗(yàn)

建立3D地質(zhì)模型后，首先擬合初始滲流場(chǎng)，校驗(yàn)?zāi)Ｐ偷某跏妓缓透鱾€(gè)參數(shù)。根據(jù)工程地質(zhì)勘察資料觀測(cè)的地下水位和模擬區(qū)域的地形地貌對(duì)其他模擬區(qū)域采取插值法以確定地下水的大致高程，將該方法得到的地下水位作為模型的初始水位，然后計(jì)算模型的非穩(wěn)定流。圖3為天然條件下地下水三維滲流場(chǎng)，圖4為鉆孔測(cè)點(diǎn)水位擬合。

圖3 天然狀態(tài)等水位線分布

圖4 鉆孔觀測(cè)點(diǎn)水位擬合

在本次模擬中將隧道洞身鉆孔ZK1和ZK2設(shè)置成為模型的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，模型中設(shè)水頭觀測(cè)孔，把模型計(jì)算出的地下水位與實(shí)際觀測(cè)的地下水位進(jìn)行對(duì)比，以確定模型的擬合程度(如圖4所示)。地下水位從第7個(gè)應(yīng)力期開始就趨于穩(wěn)定狀態(tài)，ZK1和ZK2鉆孔真實(shí)水位分別為2036.5m、2010.5m，模擬水位分別為2035.5～2039.3m、2006.7～2010.8m，模型誤差較小，建立的地質(zhì)模型符合實(shí)際地質(zhì)情況，所以模型通過(guò)檢驗(yàn)。因此該隧道天然條件的滲流場(chǎng)模型符合實(shí)際，可用來(lái)預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)隧道施工排水對(duì)滲流場(chǎng)的改變。

5.4 涌水量預(yù)測(cè)結(jié)果分析

采用Visual MODFLOW中的水均衡計(jì)算模塊下的排水溝程序包計(jì)算隧道涌水量。根據(jù)隧道穿越地層巖性及含水巖組的區(qū)別將隧道分為3段(具體樁號(hào)及長(zhǎng)度如解析法劃分段落所示)進(jìn)行數(shù)值模擬分析，此外為更準(zhǔn)確真實(shí)地預(yù)測(cè)隧道施工的涌水過(guò)程，模擬過(guò)程中采用全排水和封堵排水結(jié)合兩種工況進(jìn)行分析研究[10]。

(1)全排水工況時(shí)，隧道從1段到3段施工的涌水過(guò)程如下：

①隧道開挖至第1段時(shí)，穿越研究區(qū)的含水巖組三疊系永寧鎮(zhèn)組(T1yn)地層，從圖5可以看出隧道開挖對(duì)地下水環(huán)境的影響較小，僅在隧道軸線附近有很小的降落漏斗，涌水量約3520m3/d。

圖5 第1段開挖等水位線分布圖6 第2段開挖等水位線分布

②隧道開挖至第2段時(shí)，穿越研究區(qū)的含水巖組三疊系飛仙關(guān)組(T1f)地層，由于隧道穿越含水地層的長(zhǎng)度很大，從圖6可以看出在隧道軸線產(chǎn)生了較大的降落漏斗，該段隧道開挖時(shí)對(duì)地下水環(huán)境的影響很大，涌水量約為12741m3/d。

③隧道開挖至第3段時(shí)，穿越研究區(qū)的相對(duì)隔水地層三疊系飛仙關(guān)組(T1f)地層泥巖夾砂巖，至此隧道開挖完畢，從圖7可以看出在整個(gè)隧道軸線上產(chǎn)生了完整的降落漏斗，該段隧道開挖時(shí)對(duì)地下水環(huán)境的影響大，涌水量約為302m3/d。

圖7 第3段開挖等水位線分布圖8 第1段開挖等水位線分布

(2)封堵排水結(jié)合工況時(shí)，封堵排水結(jié)合就是將已開挖隧道段采取止水措施將地下水阻擋在襯砌等支護(hù)結(jié)構(gòu)外圍。按照實(shí)際開挖程序分別模擬隧道涌水過(guò)程，具體過(guò)程如下。

①第1段隧道開挖時(shí)，地層巖性為含水巖組三疊系永寧鎮(zhèn)組(T1yn)，從圖8可看出地下水滲流場(chǎng)沒(méi)有較大的變化，該段隧道開挖時(shí)對(duì)地下水環(huán)境的影響較小，涌水量約為3862m3/d。

②第2段隧道開挖時(shí)，穿越研究區(qū)的含水巖組三疊系飛仙關(guān)組(T1f)地層，由于隧道穿越含水地層的長(zhǎng)度較大，從圖9可以看出地下水滲流場(chǎng)在山脊部位產(chǎn)生了較大的降落漏斗，隧道施工時(shí)對(duì)地下水環(huán)境的影響大，地下水位降深較大，涌水量約為13190m3/d。

圖9 第2段開挖等水位線分布圖10 第3段開挖等水位線分布

③第3段隧道開挖時(shí)，穿越研究區(qū)的相對(duì)隔水地層三疊系飛仙關(guān)組(T1f)地層泥巖夾砂巖，至此隧道開挖完畢，從圖10可看出在隧道出口處等水位線明顯向山脊凸出，說(shuō)明開挖時(shí)對(duì)該地區(qū)地下水環(huán)境的影響較大，涌水量約為363m3/d。

基于Visual MODFLOW數(shù)值模擬計(jì)算隧道涌水量，采用全排水和封堵排水結(jié)合兩種工況進(jìn)行模擬計(jì)算。預(yù)測(cè)的涌水量見(jiàn)表5所示，從模擬結(jié)果可知封堵排水工況下的涌水量大于全排水工況下的涌水量，由于封堵排水工況下對(duì)已開挖隧道段采取止水措施將地下水阻擋在襯砌等支護(hù)結(jié)構(gòu)外圍，地下水只能在施工段排泄。綜合分析可知，排水工況下涌水量可作為隧道正常涌水量(Qs:15563m3/d)，封堵排水工況下涌水量可作為隧道最大涌水量(Qmax:16415m3/d)。

表5 兩種工況下數(shù)值模擬的涌水量

6 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)解析法預(yù)測(cè)隧道涌水量計(jì)算結(jié)果分析研究，大島洋志和鐵路經(jīng)驗(yàn)計(jì)算出的涌水量接近，可作為預(yù)測(cè)隧道的正常涌水量(Qs:8195.57m3/d)；科斯加科夫計(jì)算出的涌水量偏大，可作為預(yù)測(cè)隧道的最大涌水量(Qmax:18523.53m3/d)。

根據(jù)水文地質(zhì)單元分段進(jìn)行模擬分析時(shí)，通過(guò)排水工況和封堵排水結(jié)合兩種工況下的預(yù)測(cè)結(jié)果顯示，封堵排水工況下隧道涌水量普遍大于排水工況下的涌水量，排水工況下涌水量可作為隧道正常涌水量(Qs:15563m3/d)，封堵排水工況下涌水量可作為隧道最大涌水量(Qmax:16415m3/d)。

隧道涌水量的大小與隧道的水文地質(zhì)條件密切相關(guān)，根據(jù)隧道各區(qū)段的水文地質(zhì)條件采用不同方法計(jì)算各段的涌水量較為合理，以解析法為基礎(chǔ)預(yù)測(cè)隧道涌水量結(jié)合數(shù)值模擬方法分析隧道正常涌水量和最大涌水量，可為隧道設(shè)計(jì)和施工提供較準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，從而有效預(yù)防隧道涌水突泥災(zāi)害對(duì)隧道建設(shè)的危害[11]，對(duì)隧道工程建設(shè)具有較大的借鑒指導(dǎo)作用。