李 巖

（核工業(yè)華南工程勘察院, 福建龍巖 364000）

1 概述

隨著近年來高速公路網(wǎng)的快速發(fā)展, 隧道施工對當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)環(huán)境影響的研究十分重要, 準(zhǔn)確預(yù)測疏干區(qū)的分布范圍, 可為提前制訂防治措施、解決疏干區(qū)內(nèi)居民生活、生產(chǎn)用水提供科學(xué)依據(jù), 對工程順利施工和創(chuàng)建和諧社會有非常重要的意義, 本文通過廈蓉高速公路龍門隧道的水文地質(zhì)研究, 準(zhǔn)確預(yù)測了隧道施工形成的疏干區(qū)分布范圍、對當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)環(huán)境的影響程度, 產(chǎn)生了較好的社會效益與經(jīng)濟(jì)效益。

2 自然地理

2.1 地形地貌

隧址區(qū)屬丘陵地貌, 地表植被較發(fā)育,沿隧道洞身形成5條橫向凹形沖溝, 地表水向北東匯入龍門溪。地形坡度在30°～50°；隧道軸線山坡坡地植被發(fā)育, 局部平緩地段建有果園, 零星分布有村民自建的蓄水池、山莊等。

2.2 氣象、水文特征

隧址區(qū)地處低緯度亞熱帶, 平均海拔300m, 屬熱帶季風(fēng)海洋氣候。春季雨多而潮濕；夏季暴雨集中；秋季臺風(fēng)入侵頻繁, 帶來的局部暴雨歷時短、強(qiáng)度大, 雨量充沛；區(qū)內(nèi)大氣降雨的主要類型有鋒面雨、臺風(fēng)雨和雷雨三種, 為本區(qū)地下水的主要補(bǔ)給來源, 多年平均降雨 量1681.9mm,其 中3～6月919.1mm, 7～9月 份506.1mm, 10至次年2月份256.7mm。

據(jù)實(shí)測資料, 多年水面蒸發(fā)量（E601）在897.2～1186.2mm之間, 平均值為1006.0mm。

3 巖土工程條件

3.1 地層巖性

隧道進(jìn)出口段圍巖為Ⅴ級, 以殘坡積層為主, 屬弱透水層, 洞身以Ⅳ級為主, 巖性為加里東期花崗巖, 由上至下分為全、強(qiáng)、中風(fēng)化層, 屬弱至微透水層。

3.2 地質(zhì)構(gòu)造

隧址區(qū)位于閩西南坳陷帶之廣平—龍巖坳陷帶中段, 分布有F215、F301A、F301B、F301C四條斷裂構(gòu)造, 構(gòu)造帶導(dǎo)水性較好。

4 地表水、地下水水資源狀況

4.1 地表水資源

龍津河為區(qū)內(nèi)主要地表水系, 由西向東貫穿全境, 受地形控制, 形成了以龍津河為主干, 山間溪流為支流樹枝狀地表水系, 龍津河上游匯水面積達(dá)109km2, 多年平均徑流量2.117×108m3, 折合徑流深1102.6mm, 徑流量的年內(nèi)分配較集中, 與降水趨勢基本一致。

4.2 地下水資源

區(qū)內(nèi)地下水資源較為豐富, 地下水主要受大氣降雨補(bǔ)給, 徑流方向由南西向北東以泉水形式排泄, 測區(qū)主要地下水出露點(diǎn)觀測成果見表1。

表1 水文點(diǎn)觀測成果記錄表

4.3 地下水補(bǔ)給量

自然狀態(tài)下地下水的補(bǔ)給量由地下水徑流量Q徑、降水浸入量Q降、地表水浸入量Q表、含水層越流補(bǔ)給量Q越等組成。

4.3.1 地下水的徑流補(bǔ)給量

其中區(qū)內(nèi)含水層以第四系松散層為主, 據(jù)試驗(yàn)成果, 地下水滲透系數(shù)K取值為0.035m/d；地下水水力坡度0.06；過水?dāng)嗝姘此淼来┰降囟蔚挠绊戦L度取1.304km, 含水層厚度按加權(quán)厚度取15.0m, 則地下水徑流補(bǔ)給量為：

4.3.2 降雨補(bǔ)給量

據(jù)《供水水文地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50027-2001）,按大氣降雨入滲法計算, 場址區(qū)地下水年入滲補(bǔ)給量計算如下：

式中：Q降——降水入滲年補(bǔ)給量, m3/a;

α——年平均降水入滲系數(shù), 根據(jù)場地水文地質(zhì)條件, 取0.20;

X——年降雨量, m,龍門鎮(zhèn)取值為1.6819m;

F——匯水面積, 取值2.7km2。

Q降=F·α·X=2.7×1000000×0.2×1.6819=908226（m3/a）。

4.3.3 地表水及含水層越流補(bǔ)給量

區(qū)內(nèi)無大面積農(nóng)田漫灌, 主要地表水體位于徑流區(qū)下游, 所以地表水的補(bǔ)給量不計入, 主要含水層位于基巖裂隙含水層上部, 含水層透水性優(yōu)于下臥含水層, 越流補(bǔ)給量較少。

綜上述, 區(qū)內(nèi)地下水資源總補(bǔ)給量估算如下：

4.4 地下水排泄量

4.4.1 井泉排泄量

據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)、水文地質(zhì)調(diào)查統(tǒng)計, 區(qū)內(nèi)地下水主要以下降泉、井的形式排泄, 地下水排泄流量為37780.13m3/a。

4.4.2 潛水蒸量發(fā)

式中：E——多年平均潛水蒸發(fā)量, m3；

C年——潛水蒸發(fā)系數(shù)；

E0——多年平均水面蒸發(fā)量, mm。

潛水蒸發(fā)系數(shù)C年據(jù)當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)條件取0.19;E0為多年E601觀測資料, 為1006.0mm；按《水文地質(zhì)手冊》潛水蒸發(fā)系數(shù)法計算, 當(dāng)?shù)氐叵聺撍暾舭l(fā)量E計算如下：

4.4.3 隧道開挖排泄量

擬建隧道長1304m, 地下水穩(wěn)定水位高出隧道底板3～65m, 洞身穿越地段以中風(fēng)化花崗巖為主, 在開挖過程中產(chǎn)生地下應(yīng)力重新分布, 引起圍巖特別是塑性區(qū)或破壞帶內(nèi)巖體松弛變形或剪切錯動破裂, 影響到上部含水層地下水重新分布, 改變了隧道圍巖應(yīng)力場, 形成新的應(yīng)力場。產(chǎn)生更多的節(jié)理、裂隙密集帶, 改變了地下水徑流方向；隧道施工以鉆爆法掘進(jìn)為主, 施工放炮震動波傳播過程中, 使得巖土體破裂、松弛, 導(dǎo)致裂隙向四周擴(kuò)展, 使水文地質(zhì)條件發(fā)生改變。據(jù)抽水試驗(yàn)成果, 進(jìn)出口段含水體滲透系數(shù)為0.031～0.035m/d, 洞身段0.012～0.028m/d, 根據(jù)隧道水文地質(zhì)條件, 按地下水動力學(xué)方法可概化為古德曼公式數(shù)學(xué)模型, 計算公式如下：

式中:Q0——隧道通過潛水含水體地段的最大涌水量, m3/d；

H——靜止水位至洞身橫斷面等價圓中心的距離, m；

D——隧道洞身橫斷面等價圓直徑, m；

L——隧道通過含水體的長度, m；

K——含水體的滲透系數(shù), m/d。

依據(jù)上式, 隧道涌水量預(yù)測為960.1m3/d。

5 隧道施工對水文地質(zhì)環(huán)境影響預(yù)測

5.1 隧道疏干范圍計算

隧道累計排出的水量為960.1m3/d, 在數(shù)量上是區(qū)內(nèi)地下水徑流量與含水層疏干量的代數(shù)和。當(dāng)降落漏斗達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時, 來水量則與地下水徑流量保持動態(tài)平衡。依據(jù)隧道巖土工程地質(zhì)特征、水文地質(zhì)特征, 將隧道含水層劃分為第四系孔隙潛水含水層、基巖裂隙水含水層, 區(qū)內(nèi)疏干影響范圍由隧道涌水量計算。

疏干面積計算：利用地下徑流模數(shù)計算疏干面積, 計算公式如下：

式中：Q徑——地下水徑流量, m3/d；

M——年均地下徑流模數(shù), L/（s·km2）；

F——疏干面積, km2；

86.4——單位換算系數(shù)。

參數(shù)取值：Q徑取隧道排水量960.1m3/d；M地下徑流模數(shù)平水期值3～6.00L/（s·km2）。

經(jīng)計算, 隧道開挖排水疏干面積為1.90km2,沿隧道軸線呈帶狀分布。

5.2 洞身段疏干半徑計算

隧道施工為分段掘進(jìn), 一般襯砌、止水延后撐子面4m, 考慮隧道施工工藝, 疏干范圍影響半徑計算按洞身段和洞口段分別計算。

疏干條件下的影響半徑采用庫薩金公式：

式中：R——影響半徑, m；

s——水位降深；

H——靜止水位與隧道底板高度之差, m；

K——含水層滲透系數(shù), m。

參數(shù)取值：按SK6鉆孔靜止水位埋深15.7m至隧道底板厚度H為71.79m。洞身段長度620m, 涌水量621m3/d,地下水降深s取值為低于隧道底板0.5m, 則水位降深為：

含水層為第四系孔隙潛水、基巖裂隙水, 含水層滲透系數(shù)K值取加權(quán)平均值, 為K=0.031m/d。

洞身段疏干區(qū)計算橫斷面圖見圖1。

洞身斷裂構(gòu)造發(fā)育地段, 構(gòu)造帶滲透系數(shù)0.496～0.760m/d, 按上式計算, 構(gòu)造帶分布區(qū)影響半徑857.31m。

5.3 進(jìn)口段疏干范圍估算

按鉆孔資料計算進(jìn)口段疏干條件下的影響半徑采用公式：

R=2×s H·K

式中：R——疏干影響半徑, m；

s——水位降深；

H——靜止水位與隧道底板高度之差；

K——含水層滲透系數(shù), m。

靜止水位埋深2.0m, 標(biāo)高450.85m, 至隧道底板厚度約450.85-433.84=17.01（m）。洞身段起止樁號K156+477～K156+640, 長度163m, 涌水量51.2m3/d,地下水降深s取值為低于隧道底板0.5m, 則水位降深為：s=17.51m。

含水層厚度H按28.00m,含水層主要為第四系孔隙潛水, 據(jù)試驗(yàn)資料滲透系數(shù)K取0.046m/d。

進(jìn)口段疏干區(qū)計算橫斷面圖見圖2。

5.4 出口段疏干范圍估算

調(diào)查期間, 左、右線出口, 均有下降泉分布, 按現(xiàn)場測繪, 地下水穩(wěn)定水位標(biāo)高454.28m, 疏干條件下的影響半徑采用公式：

式中：R——疏干影響半徑, m；

s——水位降深；

H——靜止水位與隧道底板高度之差；

K——含水層滲透系數(shù), m。

靜止水位埋深10.0m, 標(biāo)高454.28m, 至隧道底板厚度約454.28-416.93=37.35（m）。洞身段起止樁號K157+600～K157+781, 長度181m, 涌水量59.4m3/d,地下水降深s取值為低于隧道底板0.5m, 則水位降深為：s=37.35+0.5=37.85（m）, 含水層厚主度H按454.28-410.50=43.78（m）, 依據(jù)試驗(yàn)資料, 滲透系數(shù)K取0.046m/d。

出口段疏干區(qū)計算橫斷面圖見圖3, 通過上面的計算結(jié)果, 隧道施工后產(chǎn)生的排水疏干面積為1.90km2, 影響半徑為隧道兩側(cè)39.75～212.70m, 斷裂構(gòu)造分布地段最大可達(dá)857.31m, 呈棱形分布。

5.5 隧道施工對當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)環(huán)境影響評價

按大氣降雨入滲法計算, 隧道場址區(qū)地下水徑流量計算如下：

式中：Q——降水入滲補(bǔ)給量, m3/d;

α——年平均降水入滲系數(shù), 根據(jù)場地水文地質(zhì)條件, 取0.20;

X——年降雨量, m,龍門鎮(zhèn)取值為1.6819m;

F——匯水面積, 測算為2.7km2。

Q=F·α·X/365=2.7×1000000×0.2×1.6819/365=2488.3（m3/d）。

場區(qū)地處低緯度亞熱帶地區(qū), 年均降雨量1722.2mm, 年均蒸發(fā)量1006.0mm, 地下水徑流模數(shù)3.0～6.0L/（s·km2）, 即259.2～518.4m3/（d·km2）, 為弱富水區(qū)段。

本區(qū)降雨量較大, 山體植被發(fā)育, 花崗巖風(fēng)化層中地下水滲入量較大, 地下水資源較為豐富。隧道施工排水量預(yù)測為960.1m3/d, 排水量遠(yuǎn)小于補(bǔ)給量, 所以隧道施工的排水不會對區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生根本性的難以恢復(fù)的破壞。但隧道施工期間的排水將在隧道軸線二側(cè)39.75～212.70m范圍內(nèi)形成疏干區(qū)（斷裂構(gòu)造分布地段857.31m）, 區(qū)內(nèi)地下水水位下降10～71m。

6 結(jié)語

（1）隧道施工期間的排水將在隧道軸線二側(cè)39.75～212.70m(斷裂構(gòu)造帶分布區(qū)為857.31m)范圍內(nèi)形成棱形疏干區(qū), 疏干面積1.90km2, 區(qū)內(nèi)地下水水位下降10～71m。

（2）隧道施工排水量預(yù)測為960.1m3/d, 排水量遠(yuǎn)小于補(bǔ)給量, 所以隧道施工排水不會對區(qū)內(nèi)水文地質(zhì)環(huán)境產(chǎn)生根本性的難以恢復(fù)的破壞。

（3）隧道施工期間對地下水較豐富的破碎帶、裂隙密集帶采取環(huán)向注漿等裂隙封閉措施, 改善施工工藝, 做好防水、止水工作, 結(jié)合農(nóng)田灌溉合理排放地下水, 減少施工對周圍水文地質(zhì)環(huán)境的破壞。

（4）疏干區(qū)內(nèi)居民生產(chǎn)、生活用水供水源地應(yīng)選擇在疏干區(qū)外側(cè), 計算出的疏干區(qū)外側(cè)地表水和地下水資源受隧道施工影響不大。

（5）本文計算的疏干區(qū)面積經(jīng)施工驗(yàn)證基本吻合, 該計算方法已在多個項目中推廣應(yīng)用, 取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益。