廖曉超，許 模，蔣 莉，趙 瑞，茍 敬

(1.成都理工大學(xué)地質(zhì)災(zāi)害防治與地質(zhì)環(huán)境保護(hù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都610059;2.重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局208水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì)，重慶北碚400700)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)特別是鐵路建設(shè)正在日益加快，隧道作為鐵路的重要組成部分，其施工建設(shè)大大縮短了鐵路里程，但同時(shí)也帶來(lái)了日益嚴(yán)重的環(huán)境問(wèn)題。隧道建設(shè)所關(guān)注的焦點(diǎn)逐漸從地下水對(duì)隧道的危害轉(zhuǎn)變?yōu)樗淼澜ㄔO(shè)對(duì)地下水的危害，以及其對(duì)地下水環(huán)境的影響[1]。因此，研究和預(yù)測(cè)隧道建設(shè)對(duì)地下水環(huán)境的影響具有重大的現(xiàn)實(shí)意義[2]。本文通過(guò)運(yùn)用Visual Modflow軟件對(duì)位于一河間地塊內(nèi)的中壩隧道進(jìn)行了三維數(shù)值模擬，模擬隧道的施工建設(shè)后，區(qū)域地下分水嶺的演化過(guò)程，以此來(lái)探討分析其對(duì)地下水環(huán)境的影響。

1 工程概況

擬建地方鐵路敘永—大村線中壩隧道研究區(qū)位于四川盆地西南部，屬低山～低中山區(qū)構(gòu)造剝蝕地貌。隧道穿越山體高程介于702～1 128m，相對(duì)高差約426m。區(qū)內(nèi)溫暖潮濕，雨量充沛，溝槽及沖溝較發(fā)育，最終匯入東西兩側(cè)的最終排泄面頭道河和水落河，河流切割較深，同時(shí)洞身段地表徑流多為季節(jié)性流水，旱季斷流，水量受季節(jié)影響變化大，主要由大氣降水補(bǔ)給。

研究區(qū)域內(nèi)構(gòu)造條件較為簡(jiǎn)單，為一單斜構(gòu)造，未見(jiàn)斷裂構(gòu)造體通過(guò)。研究區(qū)巖溶現(xiàn)象極為發(fā)育，以水平溶蝕與垂直溶蝕相互交替呈現(xiàn)，局部形成密集復(fù)雜的地下巖溶通道。研究區(qū)內(nèi)大面積分布著三疊系嘉陵江組(T1j)和雷口坡組(T2l)灰?guī)r。受構(gòu)造條件和兩側(cè)非可溶巖地層阻隔的影響，巖溶地下水多順層沿軸向徑流，遇橫向河流切割或地形低洼處呈現(xiàn)集中排泄和分散排泄兩種方式匯入頭道河和水落河。東西兩側(cè)的水落河(H:447m)和頭道河(H:656m)作為研究區(qū)的最終排泄面，其屬于一典型的河間地塊。

在野外調(diào)查中發(fā)現(xiàn)研究區(qū)發(fā)育一暗河管道，2012年7月14日，在隧道開(kāi)挖至D9K55+221處突發(fā)大型涌突水災(zāi)害，涌水量約200 L/s，主要的涌水點(diǎn)為一陡傾溶蝕裂隙，其延伸方向表明裂隙的切割揭穿了頂部的暗河管道，從而形成導(dǎo)水通道，造成突水災(zāi)害。

圖1 中壩隧道工程地質(zhì)剖面圖

2 中壩隧道區(qū)域三維數(shù)值模擬

2.1 模型概化和建立

根據(jù)野外調(diào)查及資料分析將研究區(qū)模型概化為下圖，其中由于隧道未穿越P1地層，且距隧道較遠(yuǎn)，對(duì)隧道基本沒(méi)影響，故將含水層參數(shù)分為兩個(gè)區(qū)，并根據(jù)勘探資料和抽水試驗(yàn)給定滲透系數(shù)及存貯參數(shù)。再根據(jù)對(duì)區(qū)內(nèi)流場(chǎng)特征的分析，將研究區(qū)左右兩側(cè)頭道河和水落河作為排泄邊界。

圖2 研究區(qū)模型概化圖

模型范圍x方向總長(zhǎng)度為13 000m，y方向總長(zhǎng)度9 000m，按照100m網(wǎng)格將其剖分成130列，90行，垂向z方向取1 000m，劃分為10層，模型共剖分6_16_個(gè)單元。模型底板選取0m高程，頂板高程由Sufer軟件插值研究區(qū)等高線生成的GRD文件導(dǎo)入。時(shí)間上，模擬期為20年。

其中暗河管道在模型中的處理如下:根據(jù)野外調(diào)查推測(cè)暗河管道起點(diǎn)高程在850m左右，后在水落河附近出露，地下水由此排入水落河，高程為505m左右。Visual Modflow軟件中Drain模塊(排水溝)目的是模擬農(nóng)用排水溝渠的排水效果，且能在不同層位中刻畫(huà)管道，因此在該模型中運(yùn)用Drain模塊來(lái)模擬暗河管道具有較高的仿真度。

2.2 模型的識(shí)別與驗(yàn)證

在模擬區(qū)選取隧道線附近的兩個(gè)鉆孔作為觀測(cè)井，做出地下水位的模擬值與實(shí)際值的擬合圖。通過(guò)實(shí)際水位與計(jì)算水位的擬合分析，在模型調(diào)試中將給定的參數(shù)進(jìn)行修正(見(jiàn)表1)，直到擬合結(jié)果達(dá)到[4]“水位變化值＜5m的情況，水位擬合誤差一般小于0.5m”時(shí)認(rèn)為此時(shí)的參數(shù)值接近含水層的實(shí)際參數(shù)。經(jīng)過(guò)反復(fù)修正參數(shù)，2#，3#鉆孔的擬合相對(duì)誤差分別為0.1%和0.3%，小于1%?？梢?jiàn)模擬值與實(shí)際值的誤差在允許范圍內(nèi)，擬合效果較好，說(shuō)明建立的模型具有較高的仿真效果(圖3)。

圖3 2#，3#鉆孔地下水位擬合圖

表1 水文地質(zhì)參數(shù)取值

2.3 模擬方案

考慮到中壩隧道開(kāi)挖的不同階段對(duì)地下水分水嶺的影響，本次模擬計(jì)算主要考慮3種計(jì)算方案(表2)。

表2 數(shù)值模擬計(jì)算方案中各方案基本情況

2.4 模型計(jì)算結(jié)果的分析

此次模型分別對(duì)Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三種不同計(jì)算方案的滲流場(chǎng)進(jìn)行了模擬計(jì)算分析，并在隧道進(jìn)口附近和D9K55+221處選取ob1、ob2兩個(gè)地下水位觀測(cè)點(diǎn)，將在不同計(jì)算方案計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比(見(jiàn)圖4)。

圖4 ob1、ob2觀測(cè)點(diǎn)不同計(jì)算方案地下水位變化對(duì)比圖

由圖5可知天然狀態(tài)下ob1、ob2觀測(cè)點(diǎn)的水位3年內(nèi)基本沒(méi)什么變化;隧道開(kāi)挖未揭露暗河的3年內(nèi)，ob1、ob2觀測(cè)點(diǎn)的地下水位開(kāi)始下降，但下降的幅度不大;而當(dāng)隧道開(kāi)挖揭露暗河后，兩個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的地下水位下降很明顯，ob2比ob1下降幅度更大;當(dāng)隧道封堵后，ob1、ob2的地下水位逐漸上升。

將3種計(jì)算方案的分水嶺位置進(jìn)行對(duì)比我們可以得出以下結(jié)論，圖中紅色區(qū)域?yàn)檠芯繀^(qū)地下水位最高的地方，地下水由此向左右兩側(cè)流動(dòng)，最終排入頭道河和水落河。在3中計(jì)算方案中離隧道較遠(yuǎn)的地方(＞2 km)基本不受影響，證明隧道開(kāi)挖的影響半徑在2 km內(nèi)。

圖5 3種計(jì)算方案地下水分水嶺對(duì)比圖

而隧道開(kāi)挖狀態(tài)下地下水分水嶺與天然狀態(tài)相比較往頭道河一側(cè)發(fā)生了偏移。這是由于隧道的開(kāi)挖建設(shè)改變了圍巖的原始內(nèi)營(yíng)力，破壞了圍巖的含水層結(jié)構(gòu)[5]，揭露部分地下水通道，使水動(dòng)力條件和圍巖力學(xué)平衡狀態(tài)發(fā)生很大改變。隧道開(kāi)挖影響范圍內(nèi)地下水或與與隧道有水力聯(lián)系的水體及所儲(chǔ)存能量在重力作用下由相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)變?yōu)榱肆鲃?dòng)狀態(tài)。同時(shí)圍巖體中的裂隙發(fā)生改變，形成了新的通道，通道數(shù)量增加，致使地下水直接流入隧道，形成了新的局部排泄基準(zhǔn)面，增強(qiáng)了水落河一側(cè)對(duì)地下水的襲奪能力。隨著對(duì)地下水的襲奪，滲流場(chǎng)水位逐漸降低，分水嶺勢(shì)必會(huì)向侵蝕基準(zhǔn)面更高的一側(cè)偏移，故地下水分水嶺往高程更高的頭道河一側(cè)偏移。

當(dāng)隧道開(kāi)挖揭露暗河之后，暗河管道中的水進(jìn)入隧道，使進(jìn)入隧道的地下水量大大增加。同時(shí)也加快了地下水往水落河一側(cè)流動(dòng)的速度，增強(qiáng)了水落河一側(cè)對(duì)地下水的襲奪能力，使之襲奪能力比未揭露暗河時(shí)更強(qiáng)，也加快了分水嶺的遷移。故隧道開(kāi)挖揭露暗河與隧道開(kāi)挖未揭露暗河的同等時(shí)間(3年)相比，揭露暗河后分水嶺往頭道河一側(cè)偏移的距離更大。

隧道襯砌后，由于襯砌用的混凝土有較強(qiáng)的抗?jié)B性，滲透系數(shù)很小，比地層小很多，故能阻止地下水向隧道里排泄，隧道內(nèi)的涌水量也隨之減小，隧道區(qū)內(nèi)地層中的地下水位降幅也減緩。同時(shí)隧道開(kāi)挖影響范圍內(nèi)的地下水流動(dòng)方向也逐漸從垂直方向變?yōu)樗椒较?。隨著時(shí)間的推移，隧道區(qū)附近的地下水位逐漸恢復(fù)升高，滲流場(chǎng)也隨之變化，故隧道襯砌后分水嶺會(huì)逐漸向水落河一側(cè)偏移。

3 結(jié)論

綜上所述，通過(guò)對(duì)中壩隧道進(jìn)行的三維數(shù)值模擬分析，可得出以下結(jié)論:

(1)由于隧道開(kāi)挖改變了隧道附近地下水水動(dòng)力條件，地下水進(jìn)入隧道，隧道形成了新的局部排泄基準(zhǔn)面，打破了原有的地下水運(yùn)動(dòng)的平衡狀態(tài)，，從而改變了滲流場(chǎng)，地下水分水嶺也隨之變化。模擬的結(jié)果顯示隧道開(kāi)挖促使分水嶺向頭道河一側(cè)偏移，但遠(yuǎn)離隧道的分水嶺部分基本沒(méi)受到影響。

(2)當(dāng)隧道開(kāi)挖揭露了暗河時(shí)，由于加快了區(qū)域?qū)Φ叵滤囊u奪，故與未揭露暗河的情況相比對(duì)分水嶺遷移的影響程度也更強(qiáng)，加快了分水嶺的遷移。

(3)由數(shù)值模擬結(jié)果顯示，當(dāng)隧道襯砌后，滲流場(chǎng)的水位會(huì)逐漸恢復(fù)升高，地下水滲流運(yùn)動(dòng)進(jìn)入新的一個(gè)平衡狀態(tài)，分水嶺也會(huì)逐漸往水落河一側(cè)偏移，與開(kāi)挖時(shí)相比對(duì)環(huán)境影響程度也會(huì)減小。故在隧道襯砌階段應(yīng)該嚴(yán)格把關(guān)，盡量減小隧道開(kāi)挖對(duì)環(huán)境的影響。

[1]付宏淵，秦艷琪，何忠明.基于灰色多層次理論的橋基施工對(duì)路域水環(huán)境的影響評(píng)價(jià)[J].長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2011，8(2):1－6.

[2]賀煒，莫?jiǎng)P，付宏淵.隧道施工對(duì)地下水環(huán)境影響的三維數(shù)值模擬—以八面山隧道為例[J].長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，8(4):6－11.

[3]馬從安，李克民等，Visual Mdoflow在露天礦地下水模擬中的應(yīng)用[J]，環(huán)境工程，2011，29(1)，98 －101.

[4]李樹(shù)文，于虎廣.MODFLOW在磁縣地下水?dāng)?shù)值模擬中的應(yīng)用[J].華北水利水電學(xué)院學(xué)報(bào)，2012，33(2)，53 －55.

[5]卓越，王夢(mèng)恕，周東勇.連拱隧道施工對(duì)地下水滲流場(chǎng)的影響研究[J].土木工程學(xué)報(bào)，2010，43(5)，104 －110.