周人杰++沈振中+徐力群魯劍

摘要：水利工程中隧洞施工通常采用全部開挖完成再襯砌的方法。如針對開挖施工的短暫狀態(tài)采用穩(wěn)定滲流計算分析其對地下水環(huán)境的影響，并不符合實際，且往往會夸大地下水位降落的幅度和影響范圍，因此采用非穩(wěn)定滲流數(shù)值模擬技術來評價將更為合理。以某水電站發(fā)電引水隧洞施工為例，采用飽和非飽和非穩(wěn)定滲流理論，建立了引水隧洞區(qū)域的三維有限元模型，對隧洞開挖過程中區(qū)域地下水非穩(wěn)定滲流場進行了數(shù)值模擬，總結分析了隧洞從開始挖掘到貫通過程的地下水變化規(guī)律并進行地下水環(huán)境影響評價。結果表明：采用三維非穩(wěn)定滲流分析預測隧洞開挖過程中地下水位降落和降落漏斗擴大的過程是可行的；該工程引水隧洞開挖對該區(qū)域地下水影響較小，地下水補排關系總體無變化。

關鍵詞：隧洞開挖；非穩(wěn)定滲流；地下水環(huán)境；環(huán)境影響評價；三維有限元法；降落漏斗

中圖分類號：TV671文獻標志碼：A文章編號：

16721683（2016）06013506

Effect of tunnel excavation on groundwater environment based on threedimensional unsteady seepage flow analysis

ZHOU Renjie1，2，SHEN Zhenzhong1，2，XU Liqun2，LU Jian3

（1.State Key Laboratory of HydrologyWater Resources and Hydraulic Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.The College of Water Conservancy and Hydropower，Hohai University，Nanjing 210098，China；3.Yichun Water Conservancy Bureau，Yichun 336000，China））

Abstract：During the construction process of tunnel excavation in a hydroproject，the method of all excavation completed before lining was commonly used.As for the seepage flow stability calculation on tunnel excavation temporary state to impact groundwater environment，which is not in line with the actual situation，and often amplifies the water level fluctuation and effective range.In view of this，adopting the technique of unsteady seepage numerical simulation to assess the impact on groundwater environment will be more reasonable.Taking the construction process of a diversion tunnel as an example，based on unsteady saturated and unsaturated seepage theory，the threedimensional finite element numerical model was established to calculate the transient seepage field of tunnel excavation area.The tunnel groundwater variation from commencement to completion of works was summarized.Groundwater environmental impact assessment on the process of tunnel excavation was done.The results showed that （1） it was feasible to predict the process of water level falling and affective range enlarging by threedimensional unsteady seepage flow analysis；（2） the groundwater in this region was less effected by excavation of diversion tunnel and groundwater recharge and discharge relations remained unchanged.

Key words：tunnel excavation；unsteady seepage flow；groundwater environment；environmental impact excavation；threedimensional finite element method；cone of depression

[JP2]水利工程隧洞開挖過程中不可避免地會引起周邊地下水流場變化和地下水水位下降，導致周邊地區(qū)民用井、生產井等供水設施枯竭，甚至產生地面沉降、地裂縫、巖溶塌陷、濕地退化、土地荒漠化等環(huán)境水文地質問題，地下水環(huán)境問題具有極強的隱蔽性、滯后性及難恢復性，應引起足夠的重視[15]。隧洞施工過程[6]有邊開挖邊襯砌與全洞開挖完再襯砌兩種，前者對開挖區(qū)域周邊滲流場影響較小，但由于隧洞開挖工作區(qū)域小，采用開挖和襯砌交叉作業(yè)不可避免的會造成施工干擾[7]，故當平洞沿線地質條件較好，斷面不大，洞線不長時，大多采用一次或分部開挖成洞[89]，然后進行襯砌支護的方式。當采用全段開挖完再襯砌的施工方式時，隧洞周邊地下水位大幅度下降[1012]，隧洞貫通后會立即進行襯砌，若取全段貫通時刻作為最不利工況計算其穩(wěn)定滲流狀態(tài)進行分析，往往擴大了隧洞開挖對周邊地下水位的影響。

劉昌軍等[13]對隧洞襯砌后的地下水位恢復過程進行了非穩(wěn)定三維滲流場數(shù)值模擬，蔣歡歡等[14]、盧錕明等[15]對隧洞開挖完成后長期運行對地下水的影響做了分析。但是，考慮施工過程的短暫性，采用非穩(wěn)定滲流分析評估隧洞開挖對地下水環(huán)境的影響的研究成果極少。結合某水電站工程，根據(jù)現(xiàn)場調查和鉆孔取樣資料，確定引水隧洞區(qū)域的地形地貌、地質構造以及天然狀態(tài)下地下水水位及補排關系；采用數(shù)學模型法[16]建立地下水水流模型，模擬實際開挖進度進行區(qū)域地下水三維非穩(wěn)定飽和非飽和滲流計算[1718]，得到施工過程中各階段地下水流場受開挖影響的程度和范圍，評價工程施工過程對地下水環(huán)境的影響。

3隧洞開挖過程中地下水位變化規(guī)律

根據(jù)資料，施工開挖由進水口和下游上平段施工支洞兩個工作面進入，采用鉆爆法分層開挖，全洞[CM（22]開挖完成后立即進行襯砌，隧洞開挖總歷時20個因隧洞穿越位置絕大部分為微風化地層，故假設兩端勻速推進，將引水隧洞按長度等分為10段，利用三維有限元模型，計算步長共分5步，每步時間為4個月，每一時步每個工作面開挖148 m，模擬隧洞開挖由上、下游兩個工作面按相同效率同時掘進的施工過程。由此計算各時段的非穩(wěn)定地下水滲流場，分析其變化規(guī)律。

從最大降深樁號0+705 m位置水位降落歷時曲線圖3中可以看出，隧洞開始挖掘后山體內浸潤線迅速降落，隨著開挖工作面向山體內部進發(fā)，浸潤線降落速度逐漸加快，開始開挖4個月后最大降深為534 m，開挖8個月后為1792 m，12個月后為3352 m，16個月后為5055 m，開挖20個月后隧洞全線貫通時樁號0+705 m位置降深為9197 m。

圖4為最大降深樁號0+705 m位置引水隧洞橫剖面位勢分布圖，樁號0+705 m位置見圖1和圖5。由圖可以看出，隨著開挖過程水位逐漸降落，開挖各時步浸潤線與天然期水位線相交位置逐漸遠離隧洞所在位置，即樁號0+705 m位置的降落漏斗范圍在逐漸增大，至開挖20個月后隧洞全線貫通時，地下水位下降范圍距離中心分別為9368 m和8627 m。

圖5為引水隧洞軸線方向水位降落過程線，對下游開挖面掘進過程（圖中分水嶺左側）進行分析，開挖初始過程（0～8個月）時，上下游已開挖位置的地下水水頭均較小，浸潤線在當前時步直接降至隧洞位置；開挖一定距離后，新開挖位置地下水水頭較大，山體內浸潤線在當前時步明顯下降，并在之后的時步中繼續(xù)下降，直至降至隧洞位置為止，如第3時步（9～12個月）開挖的區(qū)域直到開挖接近尾聲時浸潤線才完全降至隧洞位置。

由引水隧洞開挖貫通時刻地下水位等值線圖6可見，等值線總體分布規(guī)律與天然期一致，僅在山體中部沿著隧洞軸線方向變得密集，地下水位急劇下降，而開挖較早位置處等值線較為稀疏，說明該處水力坡降小。

綜合結果表明，隧洞開挖對地下水的影響是一個復雜的過程，首先當前位置開挖后使得地下水位隨著時間的推移逐漸下降，垂直隧洞方向的影響范圍逐漸擴大，與此同時，隨著開挖過程的繼續(xù)進行，新開挖部分與之前開挖部分的共同作用，使得地下水水位降深和降落漏斗不斷擴大。因此縱觀整個開挖過程，最初開挖位置的地下水流場趨向于穩(wěn)定，而山體深處的部分仍處于非穩(wěn)定狀態(tài)，且最大降深位置位于山體內分水嶺附近，因此，只有對隧洞開挖過程進行非穩(wěn)定滲流計算才能真實模擬隧洞開挖對地下水環(huán)境影響的實際情況。

4區(qū)域地下水環(huán)境影響評價

依據(jù)《環(huán)境影響評價技術導則——地下水環(huán)境》（HJ 610-2011）進行地下水環(huán)境影響的預測與評價。該工程屬于II類建設項目，應重點依據(jù)地下水流場變化，評價地下水水位降低誘發(fā)的環(huán)境水文地質問題的影響程度和范圍。根據(jù)II類建設項目地下水環(huán)境影響評價工作等級劃分條件，該工程地下水環(huán)境敏感程度等級為不敏感，環(huán)境水文地質問題分級為弱，預測建設項目引起的地下水位變化區(qū)域范圍中，綜合以上條件按二級評價等級開展相應的評價工作。預測結果表明：引水隧洞開挖全線貫通未襯砌時，研究區(qū)域內地下水總體補排關系不變，仍為山體補給河道，鄰近引水隧洞位置地下水位明顯下降，根據(jù)“導則”規(guī)定，狹長坑道線性類建設項目的地下水水位變化區(qū)域半徑是以該工程中心線為中心的影響寬度，故確定引水隧洞施工期對地下水環(huán)境影響最大時刻的影響半徑為9368 m，影響范圍約為266 km2。由于該范圍的水位下降僅在隧洞開挖施工期間短暫出現(xiàn)，導致土壤出現(xiàn)鹽漬化等現(xiàn)象的可能性較小，同時由于研究區(qū)域為一孤峰，周圍彎曲的河道環(huán)繞，是一個獨立的水文地質單元，不存在具有直接補排關系的區(qū)域，因此隧洞開挖施工對區(qū)域地下水環(huán)境影響較小。

5結論

[JP2]（1）隧洞開挖過程中，當前時步開挖部分與之前、之后開挖的部分存在相互作用。隧洞貫通時刻，最初開挖位置地下水趨向于穩(wěn)定，山體深處部分仍處于非穩(wěn)定狀態(tài)，地下水位將隨著時間推移繼續(xù)降低。

（2）根據(jù)數(shù)值模擬結果，隧洞開挖使得沿線地下水位均有不同程度的降低，但影響范圍有限，不會對周邊環(huán)境造成永久影響。

（3）本次研究的電站引水隧洞位置山體為一座孤峰，沒有高山地下水補給，主要靠大氣降水維持地下水位，而建立的模型邊界為在分水嶺的指定水頭邊界，如能針對年降雨資料結合開挖過程各時刻所處季節(jié)的降雨量，在模型地表給定不同的降雨流量邊界，會使模擬結果更加準確。

參考文獻（References）：

[1]HJ 610-2011，環(huán)境影響評價技術導則——地下水環(huán)境[S].2011.（HJ 610-2011，Technical guidelines for environmental impact assessment groundwater environment[S].2011.（in Chinese））

[2]趙珂.地下水環(huán)境影響評價研究[J].環(huán)境科學與管理，2013（5）：191194.（ZHAO Ke.Brief analysis on groundwater environment impact assessment[J].Environmental Science and Management，2013（5）：191194.（in Chinese））

[3]羅聲，康小兵.水利工程地下水環(huán)境影響評價[J].水力發(fā)電，2015（3）：13，10.（LUO Sheng，KANG Xiaobing.Groundwater environmental impact assessment of hydraulic engineering[J].Water Power，2015（3）：13，10.（in Chinese））

[4]馮雪，趙鑫，李青云，等.水利工程地下水環(huán)境影響評價要點及方法探討——以某水電站建設項目為例[J].長江科學院院報，2015（1）：3942.（FENG Xue，ZHAO Xin，LI Qingyun，et al.Key points and methods of assessing the environmental impact of water project on groundwater：a case study[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2015（1）：3942.（in Chinese））

[5]Basil T I Ong′or，Shu Longcang.Groundwater overdraft vulnerability and environmental impact assessment in Arusha[J].Environmental Geology，2007，517.

[6]陳東，莫大源，劉偉.深埋長大引水隧洞單一工作面施工組織管理[J].水利水電技術，2010（5）：7376.（CHEN Dong，MO Dayuan，LIU Wei.Organization of single tunnelingface construction for deepburied large and long water diversion tunnel[J].Water Resources and Hydropower Engineering，2010（5）：7376.（in Chinese））

[7]馮興龍，王煥明，陳恩瑜.巴基斯坦NJ水電工程引水隧洞開挖關鍵技術[J].人民長江，2014（1）：6265.（FENG Xinglong，Wang Huanming，CHEN Enyu.Key technology for diversion tunnel excavation of NeelumJhelum Hydropower Station in Pakistan[J].Yangtze River，2014（1）：6265.（in Chinese））

[8]王小軍，周慧，蔣兵.引水隧洞開挖支護方案圍巖穩(wěn)定的非線性有限元模擬[J].南水北調與水利科技，2010，8（5）：153156.（WANG Xiaojun，ZHOU Hui，JIANG Bing.Nonlinear finite element simulation of rock stability in diversion tunnel[J].SouthtoNorth Water Transfers and Water Science & Technology，2010，8（5）：153156.（in Chinese））

[9]李大鑫.錦屏二級水電站不同施工方法引水隧洞圍巖穩(wěn)定性研究[D].成都：成都理工大學，2010.（LI Daxin.Research of different construction methods diversion tunnel rock stability of Jinping II Hydropower Station[D].Chengdu：Chengdu University of Technology，2010.（in Chinese））[ZK）]

[10][ZK（#]任旭華，束加慶，單治鋼，等.錦屏二級水電站隧洞群施工期地下水運移、影響及控制研究[J].巖石力學與工程學報，2009（S1）：28912897.（REN Xuhua，SHU Jiaqing，SHAN Zhigang，et al.Research on groundwater transport，influence and control in tunnel group of Jinping II Hydropower Station during construction[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009（S1）：28912897.（in Chinese））

[11]王連廣，劉陽.引水隧洞三維滲流場分析研究[J].水利規(guī)劃與設計，2014（4）：5254，51.（WANG Lianguang，LIU yang.Analysis of threedimensional seepage field at diversion tunnel[J].Water Resources Planning and Design，2014（4）：5254，51.（in Chinese））

[12]張懷軍.南水北調東線穿黃河工程過河隧洞開挖涌水預測分析研究[D].天津：天津大學，2008.（ZHANG Huaijun.Estimate of water amount in the tunnel across Yellow River on east route of the SouthNorth Water Transfer Project[D].Tianjin：Tianjin University，2008.（in Chinese））

[13]劉昌軍，高立東，丁留謙，等.文登抽水蓄能電站工程區(qū)地下水三維非穩(wěn)定滲流場的數(shù)值模擬[J].中國農村水利水電，2012（4）：107112.（LIU Changjun，GAO Lidong，DING Liuqian，et al.A numerical simulation of the threedimensional transient ground water seepage in Wendeng Pumped Storage Power Station Project areas[J].China Rural Water and Hydropower，2012（4）：107112.（in Chinese））

[14]蔣歡歡.錦屏二級水電站隧道涌水三維數(shù)值模擬研究[D].成都：成都理工大學，2012.（JIANG Huanhuan.Threedimensional numerical simulation of tunnel gushing of Jinping II Hydropower Station[D].Chengdu：Chengdu University of Technology，2012.（in Chinese））

[15]盧錕明.引漢濟渭輸水隧洞（嶺北段）地下水環(huán)境影響研究[D].西安：長安大學，2012.（LU Kunming.Study on the groundwater environmental impact of the water transfer project from Hanjiang River to Weihe River （north of Qinling）[D].Xi′an：Chang′an University，2012.（in Chinese））

[16]龔星，陳植華，孫璐.地下水環(huán)境影響評價若干關鍵問題探討[J].[JP+2]安全與環(huán)境工程，2013（2）：9599.（GONG Xing，CHEN Zhihua，SUN Lu.Discussion on the critical issue of the environmental impact assessment of groundwater[J].Safety and Environmental Engineering，2013（2）：9599.（in Chinese））

[17]Renard Philippe.Approximate discharge for constant head test with recharging boundary[J].Ground Water，2005，433.

[18]Meri，David.Unconfined groundwater flow calculation into a tunnel[J].Journal of Hydrology，1985，82（2）：6975.

[19]江沆，沈振中，邱乾勇.三維非穩(wěn)定飽和—非飽和滲流有限元法改進及驗證[J].水電能源科學，2008，26（3）：5456，42.（JIANG Hang，SHEN Zhenzhong，QIU Qianyong.Improvement of finite element method and Its validation in 3D unstable saturatedunsaturated seepage[J].Water Resources and Power，2008，26（3）：5456.（in Chinese））

[20]王東，沈振中，陶小虎.尾礦壩滲流場三維有限元分析與安全評價[J].河海大學學報：自然科學版，2012（3）：307312.（WANG Dong，SHEN Zhenzhong，TAO Xiaohu.Threedimensional finite element analysis and safety assessment for seepage field of a tailings dam[J].Journal of Hohai University：Natural Sciences，2012（3）：307312.（in Chinese））