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，隧道在修建過程中常需要穿越錯綜復(fù)雜的含水巖組，特別是在穿越可溶巖段落時，容易引發(fā)一系列水文地質(zhì)問題與地下水環(huán)境負(fù)效應(yīng)［1］。其中最突出與直觀的是隧道工程對泉點的疏干和減流的效應(yīng)。近年來，環(huán)境問題得到重視，越來越多的學(xué)者開始研究隧道建設(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)隧道地下水涌水問題是長期以來的水文地質(zhì)難題，而隧道涌突水對地下水環(huán)境影響的預(yù)測更為困難，這主要是由于對巖溶水系統(tǒng)的劃分認(rèn)識的不足和隧道對地下水環(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 個環(huán)節(jié)，泉點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，使隧道周圍地下水有了新的匯勢，地下水位下降，影響泉點地下水循環(huán)。從地下水動力學(xué)角度分析，泉點作為匯點1，隧道作為匯點2。若兩匯點匯勢范圍在空間上存在交集，那么匯點2 將會對匯點1 造成影響。然而，兩匯勢在三維空間中的形態(tài)刻畫比較困難，若忽略匯勢場中垂向分量，將匯勢范圍投影在二維的平面，則判斷兩匯勢范圍有無交集將更為直觀和方便。

將單個泉點看作獨(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，也就是泉點的匯勢范圍［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，往往將其劃分為數(shù)個小尺度的巖溶水系統(tǒng)進(jìn)行分析［3］。美國水文地質(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)動下可以自組織地形成嵌套式多級次水流系統(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)面控制下形成多級地下水循環(huán)系統(tǒng)；李瀟［6］通過分析重慶銅鑼峽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，并對各模式巖溶水系統(tǒng)特征做了精細(xì)刻畫和對比分析。

眾多學(xué)者針對地下水影響范圍做了大量的研究。早在1863年，法國學(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，德國學(xué)者Thiem［7］通過近似假設(shè)對上述模型進(jìn)行修改，把“環(huán)島模型”在無限均值含水層中應(yīng)用，即Theim 模型，建立了Dupuit-Thiem 潛水徑流公式，并提出了現(xiàn)實中降位漏斗范圍的確定方法：從井壁到觀測不到水位下降的點之間的水平距離［8］。美國學(xué)者Todd［9］更加形象地將其改稱為“影響半徑”；后人根據(jù)其見解創(chuàng)立了許多“R”的計算公式，其中最常用的就是庫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水文地質(zhì)參數(shù)。自此，影響半徑在實際工程中得到了應(yīng)用，但學(xué)者對影響半徑的概念及其應(yīng)用存在爭議［11］。以上研究討論的是影響范圍的理論基礎(chǔ)及規(guī)律，對實際工程應(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（以下簡稱“泉點”）作為研究對象，歸納總結(jié)泉點的補(bǔ)給、徑流及排泄的特征和模式，并引入“泉域”概念，探討隧道工程對泉點的影響形式及半定量化其影響程度，最終結(jié)合工程實例分析其實用性，以期為隧道工程對泉點的影響評價提供參考。

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)給方式及長距離的徑流途徑，局部淺層巖溶水的循環(huán)模式更簡單、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補(bǔ)、徑、排特點存在差異。通過研究各類型泉點地下水循環(huán)的過程，確定水系統(tǒng)的邊界，得到各類型泉點泉域形態(tài)及分布面積。溢流泉主要在平原地區(qū)出現(xiàn)，斷層泉因為斷層構(gòu)造特點難以準(zhǔn)確考慮，因此本次研究主要針對山區(qū)淺層泉點，暫不考慮溢流泉和斷層泉。將典型山區(qū)淺層巖溶泉點類型總結(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，對地下水點的泉域面積進(jìn)行計算，然后半定量地圈閉地下水點的泉域面積，泉域面積計算公式為：

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，尚未有針對隧道影響范圍的定量化計算方式。實際工程應(yīng)用中常用以下3 種方法確定隧道影響半徑。

圖1 隧道工程對泉點影響示意圖

2.1 計算公式

按照國家環(huán)境保護(hù)部發(fā)布的HJ 610-2016 《環(huán)境影響評價技術(shù)導(dǎo)則—地下水環(huán)境》中的線性工程影響范圍計算公式進(jìn)行計算［13］，應(yīng)用最廣泛的為庫薩金公式和奚哈德公式，分別計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，越來越多的研究者利用數(shù)值模擬方法來預(yù)測隧道影響范圍。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，常用的軟件平臺有Visual MODFLOW、FEFLOW、GMS［14］。

針對巖溶含水介質(zhì)的不均一性，專家和學(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)法因為模型構(gòu)建相對容易得到了廣泛應(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，這種對巖溶含水介質(zhì)全面的刻畫受到廣大學(xué)者的認(rèn)可，但受限其精度的高要求，國內(nèi)對此方面的研究還不夠充分。

2.3 工程類比法

對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)具有類似水文地質(zhì)條件的已建隧道信息。根據(jù)收集信息對該種類型的隧道影響半徑作回歸分析，以此計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，隧道修建時涌水形成集水通道，隧道附近地下水流場產(chǎn)生改變，地下水水位降低，形成降位漏斗。當(dāng)泉點位置處于隧道形成的降位漏斗范圍內(nèi)，泉點疏干；當(dāng)泉點補(bǔ)給范圍與隧道降位漏斗范圍有交集，隧道會襲奪原有泉點補(bǔ)給來源，從而導(dǎo)致泉點減流甚至疏干，如圖1所示。

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

表2 隧道影響泉點模式類型表

4 工程實例

川東隔擋式構(gòu)造某隧道全長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)無深切河谷貫穿整個背斜，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，地下水點大多在橫切溝谷切穿嘉陵江組地層與巴東組地層界線部位排泄，無暗河發(fā)育。隧道附近地下水點特征如表3所示。

表3 隧址區(qū)泉點特征及與隧道影響模式表

由表3 可知，隧道附近泉點均為Ⅰ類型，泉域范圍集中在嘉陵江組地層中?，F(xiàn)場實驗測得嘉陵江組含水巖組M0為6 L／s·km2，用式（1）計算出各泉點泉域面積，再根據(jù)地形線、巖性界線在平面圖上畫出泉域?？紤]到隧道區(qū)域內(nèi)無類似工程，使用庫薩金公式對隧道影響范圍進(jìn)行計算，并分析隧道工程對泉點的影響程度，如圖3所示。

圖3 假角山隧道對地下水點影響示意圖

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），泉點疏干；JS23 隧道影響模式為泉點疏干型（C），泉點疏干呈季節(jié)性特征；JS36、JS40、JS18 對應(yīng)局部減流型（B），泉點減流，將泉點泉域面積假定為均勻補(bǔ)給，減流程度對應(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（以下簡稱“泉點”）作為研究對象，歸納總結(jié)泉點的補(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)典型淺層地下水點類型，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)測方法，即計算公式法，類比工程法與數(shù)值模擬法，分析了各類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)了隧道對泉點的4 種影響模式及特征，分別為無影響型（A）、局部減流型（B）、泉點疏干型（C）、泉域疏干型（D），并通過泉域與隧道交集面積的百分比量化泉點受影響程度。

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