隧道影響淺層泉點(diǎn)的量化方法

高 楠 毛邦燕 張廣澤 徐學(xué)淵

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，成都 610031）

隨著西南地區(qū)鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，隧道在修建過(guò)程中常需要穿越錯(cuò)綜復(fù)雜的含水巖組，特別是在穿越可溶巖段落時(shí)，容易引發(fā)一系列水文地質(zhì)問(wèn)題與地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)［1］。其中最突出與直觀(guān)的是隧道工程對(duì)泉點(diǎn)的疏干和減流的效應(yīng)。近年來(lái)，環(huán)境問(wèn)題得到重視，越來(lái)越多的學(xué)者開(kāi)始研究隧道建設(shè)引起的地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)。受限于復(fù)雜多變的水文地質(zhì)條件，巖溶地區(qū)隧道地下水涌水問(wèn)題是長(zhǎng)期以來(lái)的水文地質(zhì)難題，而隧道涌突水對(duì)地下水環(huán)境影響的預(yù)測(cè)更為困難，這主要是由于對(duì)巖溶水系統(tǒng)的劃分認(rèn)識(shí)的不足和隧道對(duì)地下水環(huán)境影響范圍定量判定方式的局限性造成的。

在天然條件下，地下水循環(huán)分為補(bǔ)給、徑流、排泄3 個(gè)環(huán)節(jié)，泉點(diǎn)為地下水排泄的一種形式。隧道修建后作為臨空面形成集水廊道，使隧道周?chē)叵滤辛诵碌膮R勢(shì)，地下水位下降，影響泉點(diǎn)地下水循環(huán)。從地下水動(dòng)力學(xué)角度分析，泉點(diǎn)作為匯點(diǎn)1，隧道作為匯點(diǎn)2。若兩匯點(diǎn)匯勢(shì)范圍在空間上存在交集，那么匯點(diǎn)2 將會(huì)對(duì)匯點(diǎn)1 造成影響。然而，兩匯勢(shì)在三維空間中的形態(tài)刻畫(huà)比較困難，若忽略匯勢(shì)場(chǎng)中垂向分量，將匯勢(shì)范圍投影在二維的平面，則判斷兩匯勢(shì)范圍有無(wú)交集將更為直觀(guān)和方便。

將單個(gè)泉點(diǎn)看作獨(dú)立的巖溶水系統(tǒng)，“泉域”則表征子系統(tǒng)邊界范圍內(nèi)的區(qū)域面積，也就是泉點(diǎn)的匯勢(shì)范圍［2］。大尺度的巖溶水系統(tǒng)的巖溶水文地址條件往往很復(fù)雜，查明整個(gè)地下水的循環(huán)難度較大。因此，研究大區(qū)域的巖溶水系統(tǒng)時(shí)，往往將其劃分為數(shù)個(gè)小尺度的巖溶水系統(tǒng)進(jìn)行分析［3］。美國(guó)水文地質(zhì)學(xué)家Tóth［4］在水力連續(xù)性概念的基礎(chǔ)上，指出流域盆地中地下水位存在高程差，在重力驅(qū)動(dòng)下可以自組織地形成嵌套式多級(jí)次水流系統(tǒng)；鐘玲敏［5］認(rèn)為川東高陡背斜巖溶區(qū)在不同切割深度的排泄基準(zhǔn)面控制下形成多級(jí)地下水循環(huán)系統(tǒng)；李瀟［6］通過(guò)分析重慶銅鑼?shí){背斜與貴州銅鑼井水文地質(zhì)條件，將次背斜構(gòu)造體系控制下的淺層巖溶水系統(tǒng)細(xì)分為4 類(lèi)小尺度模式：隙流集排型、隙流散排型、管流集排型、隙-管流集排型，并對(duì)各模式巖溶水系統(tǒng)特征做了精細(xì)刻畫(huà)和對(duì)比分析。

眾多學(xué)者針對(duì)地下水影響范圍做了大量的研究。早在1863年，法國(guó)學(xué)者Dupuit 在圓島模型（即Dupuit模型）中提出了“可滲透環(huán)島半徑”。在此基礎(chǔ)上，德國(guó)學(xué)者Thiem［7］通過(guò)近似假設(shè)對(duì)上述模型進(jìn)行修改，把“環(huán)島模型”在無(wú)限均值含水層中應(yīng)用，即Theim 模型，建立了Dupuit-Thiem 潛水徑流公式，并提出了現(xiàn)實(shí)中降位漏斗范圍的確定方法：從井壁到觀(guān)測(cè)不到水位下降的點(diǎn)之間的水平距離［8］。美國(guó)學(xué)者Todd［9］更加形象地將其改稱(chēng)為“影響半徑”；后人根據(jù)其見(jiàn)解創(chuàng)立了許多“R”的計(jì)算公式，其中最常用的就是庫(kù)薩金公式及奚哈德公式；Bear［10］首次提出在概念上將其明確為一個(gè)水文地質(zhì)參數(shù)。自此，影響半徑在實(shí)際工程中得到了應(yīng)用，但學(xué)者對(duì)影響半徑的概念及其應(yīng)用存在爭(zhēng)議［11］。以上研究討論的是影響范圍的理論基礎(chǔ)及規(guī)律，對(duì)實(shí)際工程應(yīng)用仍缺少直接的判斷依據(jù)和具體方法。

本文選取巖溶地區(qū)淺層地下水排泄點(diǎn)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“泉點(diǎn)”）作為研究對(duì)象，歸納總結(jié)泉點(diǎn)的補(bǔ)給、徑流及排泄的特征和模式，并引入“泉域”概念，探討隧道工程對(duì)泉點(diǎn)的影響形式及半定量化其影響程度，最終結(jié)合工程實(shí)例分析其實(shí)用性，以期為隧道工程對(duì)泉點(diǎn)的影響評(píng)價(jià)提供參考。

1 泉域范圍

在巖溶地區(qū)，相較于深層巖溶水循環(huán)中復(fù)雜多源的補(bǔ)給方式及長(zhǎng)距離的徑流途徑，局部淺層巖溶水的循環(huán)模式更簡(jiǎn)單、更易于探查，并且更容易受到隧道工程的影響。淺層巖溶地下水在特定的巖溶地貌單元中接受降雨補(bǔ)給，以管道或裂隙等方式進(jìn)行徑流，然后在就近高程較低的位置以泉和暗河兩種方式出露和排泄，形成了穩(wěn)定的天然地下水資源。

水文地質(zhì)學(xué)者根據(jù)泉點(diǎn)出露形式將其分為接觸（帶）泉、侵蝕泉、溢流泉及斷層泉4 種類(lèi)型［12］。泉域形態(tài)主要受地下水補(bǔ)給區(qū)與徑流上游區(qū)的地質(zhì)條件及邊界條件控制，而不同成因的淺層巖溶泉點(diǎn)補(bǔ)、徑、排特點(diǎn)存在差異。通過(guò)研究各類(lèi)型泉點(diǎn)地下水循環(huán)的過(guò)程，確定水系統(tǒng)的邊界，得到各類(lèi)型泉點(diǎn)泉域形態(tài)及分布面積。溢流泉主要在平原地區(qū)出現(xiàn)，斷層泉因?yàn)閿鄬訕?gòu)造特點(diǎn)難以準(zhǔn)確考慮，因此本次研究主要針對(duì)山區(qū)淺層泉點(diǎn)，暫不考慮溢流泉和斷層泉。將典型山區(qū)淺層巖溶泉點(diǎn)類(lèi)型總結(jié)為3 種：接觸泉型、侵蝕泉型和暗河型，相應(yīng)的泉域形態(tài)特征如表1所示。

基于水均衡的原理，對(duì)地下水點(diǎn)的泉域面積進(jìn)行計(jì)算，然后半定量地圈閉地下水點(diǎn)的泉域面積，泉域面積計(jì)算公式為：

式中：M0——地下水補(bǔ)給模數(shù)（L／s·km2），其碳酸鹽巖常見(jiàn)值為0.5～5 L／s·km2；

F——補(bǔ)給面積（即泉域面積）（km2）；

Q——地下水水點(diǎn)流量（m3／d）。

2 隧道影響范圍

將隧道概化為一系列垂直井的排列，其影響范圍可視為一系列降位漏斗的疊加。將隧道影響邊界定義為：隧道到地下水位沒(méi)有明顯降深范圍，如圖1 所示。由于復(fù)雜的地質(zhì)條件和圍巖的不均一性，尚未有針對(duì)隧道影響范圍的定量化計(jì)算方式。實(shí)際工程應(yīng)用中常用以下3 種方法確定隧道影響半徑。

圖1 隧道工程對(duì)泉點(diǎn)影響示意圖

2.1 計(jì)算公式

按照國(guó)家環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的HJ 610-2016 《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則—地下水環(huán)境》中的線(xiàn)性工程影響范圍計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算［13］，應(yīng)用最廣泛的為庫(kù)薩金公式和奚哈德公式，分別計(jì)算潛水含水層及承壓含水層中的工程影響范圍，表達(dá)式為：

式中：R——影響半徑（m）；

S——水位降深（m）；

H——潛水含水層厚度（m）；

K——含水層滲透系數(shù)（m／d）。

2.2 數(shù)值模擬法

隨著數(shù)值模擬方法在地下水資源方面的應(yīng)用，越來(lái)越多的研究者利用數(shù)值模擬方法來(lái)預(yù)測(cè)隧道影響范圍。目前常用的數(shù)值模擬方法包括有限單元法和有限差分法，常用的軟件平臺(tái)有Visual MODFLOW、FEFLOW、GMS［14］。

針對(duì)巖溶含水介質(zhì)的不均一性，專(zhuān)家和學(xué)者提出了等效多孔介質(zhì)法、雙重連續(xù)介質(zhì)法和三重介質(zhì)法等多種方法［15］。等效多孔介質(zhì)法和雙重連續(xù)介質(zhì)法基于達(dá)西流假設(shè)，將巖溶含水層的介質(zhì)概化為均質(zhì)的多孔介質(zhì)含水層，其中等效多孔介質(zhì)法因?yàn)槟Ｐ蜆?gòu)建相對(duì)容易得到了廣泛應(yīng)用。然而，這兩種方法都忽略了巖溶含水層高度非均質(zhì)性特征［16］。三重介質(zhì)法將巖溶含水層概化為孔隙、裂隙、管道3 種介質(zhì)，水流則涵蓋了達(dá)西流、非達(dá)西流，這種對(duì)巖溶含水介質(zhì)全面的刻畫(huà)受到廣大學(xué)者的認(rèn)可，但受限其精度的高要求，國(guó)內(nèi)對(duì)此方面的研究還不夠充分。

2.3 工程類(lèi)比法

對(duì)擬建隧道的水文地質(zhì)條件進(jìn)行分析，調(diào)查收集區(qū)域內(nèi)具有類(lèi)似水文地質(zhì)條件的已建隧道信息。根據(jù)收集信息對(duì)該種類(lèi)型的隧道影響半徑作回歸分析，以此計(jì)算出擬建隧道影響半徑。該方法應(yīng)用受限于區(qū)域內(nèi)相似工程數(shù)量，但在實(shí)際工程應(yīng)用中具有較高參考意義。學(xué)者在分析華鎣山隧道所處水文地質(zhì)條件后，收集研究了川東隔擋式構(gòu)造中的4 座隧道的資料，建立了相似隧道平均埋深S 與平均影響范圍R 的回歸方程，有效預(yù)測(cè)了南大梁華鎣山隧道的影響范圍。

3 隧道影響模式及程度

在天然條件下，隧道修建時(shí)涌水形成集水通道，隧道附近地下水流場(chǎng)產(chǎn)生改變，地下水水位降低，形成降位漏斗。當(dāng)泉點(diǎn)位置處于隧道形成的降位漏斗范圍內(nèi)，泉點(diǎn)疏干；當(dāng)泉點(diǎn)補(bǔ)給范圍與隧道降位漏斗范圍有交集，隧道會(huì)襲奪原有泉點(diǎn)補(bǔ)給來(lái)源，從而導(dǎo)致泉點(diǎn)減流甚至疏干，如圖1所示。

采用泉域和影響范圍量化泉點(diǎn)及隧道匯勢(shì)范圍，根據(jù)泉域與隧道影響范圍的空間關(guān)系將隧道對(duì)泉點(diǎn)的影響分為4 種模式：無(wú)影響型、部分減流型、泉點(diǎn)疏干型和泉域疏干型，如表2所示。

表2 隧道影響泉點(diǎn)模式類(lèi)型表

4 工程實(shí)例

川東隔擋式構(gòu)造某隧道全長(zhǎng)6.788 km，區(qū)內(nèi)褶皺構(gòu)造以背斜為主，核部為三疊系嘉陵江組的灰?guī)r，向兩翼展布依次為三疊系巴東組的灰?guī)r、泥灰?guī)r，三疊系須家河組的砂巖及侏羅系砂巖、泥巖。其中嘉陵江組與巴東組一段、三段地層為含水層，須家河組、巴東組二段及侏羅系地層為隔水層。隧道大角度穿越背斜山，其剖面如圖2所示。

圖2 假角山隧道剖面圖（m）

隧址區(qū)內(nèi)無(wú)深切河谷貫穿整個(gè)背斜，淺層地下水被挾持在背斜核部的可溶巖內(nèi)徑流。受地形和河流水文網(wǎng)的制約，地下水點(diǎn)大多在橫切溝谷切穿嘉陵江組地層與巴東組地層界線(xiàn)部位排泄，無(wú)暗河發(fā)育。隧道附近地下水點(diǎn)特征如表3所示。

表3 隧址區(qū)泉點(diǎn)特征及與隧道影響模式表

由表3 可知，隧道附近泉點(diǎn)均為Ⅰ類(lèi)型，泉域范圍集中在嘉陵江組地層中。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)測(cè)得嘉陵江組含水巖組M0為6 L／s·km2，用式（1）計(jì)算出各泉點(diǎn)泉域面積，再根據(jù)地形線(xiàn)、巖性界線(xiàn)在平面圖上畫(huà)出泉域?？紤]到隧道區(qū)域內(nèi)無(wú)類(lèi)似工程，使用庫(kù)薩金公式對(duì)隧道影響范圍進(jìn)行計(jì)算，并分析隧道工程對(duì)泉點(diǎn)的影響程度，如圖3所示。

圖3 假角山隧道對(duì)地下水點(diǎn)影響示意圖

由圖3 可知，隧道在嘉陵江組地層中的影響范圍最大，在須家河組地層中的影響范圍最小，主要?dú)w因于隧道穿越嘉陵江組地層時(shí)埋深H 較大，并且嘉陵江組地層以灰?guī)r為主且?guī)r溶發(fā)育程度高，滲透系數(shù)K 值較大。JS01、JS02、JS03、JS21、JS23、JS36、JS40、JS18泉點(diǎn)泉域與隧道影響范圍存在交集，其中JS01、JS02、JS03、JS21 隧道影響模式為泉域疏干型（D），泉點(diǎn)疏干；JS23 隧道影響模式為泉點(diǎn)疏干型（C），泉點(diǎn)疏干呈季節(jié)性特征；JS36、JS40、JS18 對(duì)應(yīng)局部減流型（B），泉點(diǎn)減流，將泉點(diǎn)泉域面積假定為均勻補(bǔ)給，減流程度對(duì)應(yīng)交集面積占泉域面積百分比，分別為10%、30%和10%。

5 結(jié)論

本文選取巖溶地區(qū)淺層地下水排泄點(diǎn)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“泉點(diǎn)”）作為研究對(duì)象，歸納總結(jié)泉點(diǎn)的補(bǔ)給、徑流及排泄的特征及模式，得出主要結(jié)論如下：

（1）在巖溶地區(qū)，泉域面積的確定取決于泉點(diǎn)的補(bǔ)給和徑流范圍。

（2）總結(jié)了3 種巖溶區(qū)典型淺層地下水點(diǎn)類(lèi)型，分別為：接觸下降泉型（Ⅰ）、侵蝕下降泉型（Ⅱ）及暗河型（Ⅲ），分析了地下水循環(huán)特點(diǎn)并總結(jié)了泉域形態(tài)特征。

（3）總結(jié)了3 種隧道影響范圍的預(yù)測(cè)方法，即計(jì)算公式法，類(lèi)比工程法與數(shù)值模擬法，分析了各類(lèi)方法的原理和適用性。

（4）分析了泉域與隧道影響范圍的空間關(guān)系，總結(jié)了隧道對(duì)泉點(diǎn)的4 種影響模式及特征，分別為無(wú)影響型（A）、局部減流型（B）、泉點(diǎn)疏干型（C）、泉域疏干型（D），并通過(guò)泉域與隧道交集面積的百分比量化泉點(diǎn)受影響程度。

（5）以某隧道為例，運(yùn)用量化方法對(duì)隧道影響淺層泉點(diǎn)進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，隧道附近泉點(diǎn)均為接觸型（Ⅰ），通過(guò)分析計(jì)算泉點(diǎn)泉域與隧道影響范圍空間關(guān)系，預(yù)測(cè)8 個(gè)泉點(diǎn)受隧道工程存在影響，其中3 個(gè)泉點(diǎn)為局部減流型（B）、1 個(gè)泉點(diǎn)為泉域疏干型（D）、4 個(gè)泉點(diǎn)為泉域疏干型（D）。