黄土梁隧道对自然保护区地下水环境的影响及防治措施

阚艳伶，李 晓，席呈虎

(成都理工大学环境与土木工程学院，四川成都610059)

隧道工程的建设对地下水环境的影响已经开始受到越来越多人的关注。隧道开挖将可能破坏区域内的地下水系，改变地下水赋存状况，并成为地下水排出的天然通道，直接导致地下水位下降、地表水和井泉干涸、地面沉降及生态环境恶化。而自然保护区的地下水环境更为脆弱，一经破坏，就会影响珍稀动植物的生存环境，甚至会造成物种的灭绝。黄土梁隧道是拟建绵九高速公路平武县到九寨沟县穿越摩天岭山脉的深埋长大隧道，由于隧道紧邻王朗和勿角两个自然保护区，地下水环境敏感度较高，隧道穿越对该地区地下水环境造成了一定的影响。

1 黄土梁隧道概况

拟建黄土梁隧道(AK169+800～AK182+810)位于九环东线平武县与九寨沟县交界处的黄土梁，进口位于平武县白马镇NW约30 km的一沟谷内，高程为2336.13m，出口位于九寨沟县至绵阳二级公路边上，高程为2131.05m，全长13 010m，最大埋深1 112m，进出口均有公路通往，交通极为便利。黄土梁隧道处于四川盆地向青藏高原过渡的东缘地带，地势由西北向东南倾斜，属于中高山切割型山地，峰峦叠嶂，区内沟谷纵横，深切，地形陡峻，山顶以驼峰、马鞍状为主，局部呈长恒状。区内海拔驼、马鞍～3 400m，相对高差高"拟～2 000m，具有山高谷深的特点，属剥蚀构造高中山地貌[1]。

2 隧址区地下水环境现状

2.1 隧址区地质背景

2.1.1 地层岩性

黄土梁隧道穿越区出露地层主要为古生界泥盆系中统三河组地层(S1+2)，(S3)段。隧址区大部分是S1+2)地层，在隧道出口段古生界泥盆系中统三河组3)地层出露，在隧址及附近地区沟谷分布有全新统冲积层()及崩坡积层()。

2.1.2 地质构造

隧址区发育的断层为文县弧形构造的分支断裂，总体表现为北西向发育。隧道附近发育近3条大断层，其中F1位于隧道进口外1 000m处，走向近NNW向，倾向SW;F2断层位于隧道进口外约200m，走向近NNW向，倾向SW;F3断层位于隧道出口段AK182+170附近，走向近 NNW向，倾向NE，倾角约为50°～60°。受区域断裂的影响，次级褶皱发育，岩层产状变化在 20°～45°∠40°～61°，优势产状为 30°∠50°。

2.1.3 水系

隧址区以黄土梁作为分水岭，分水岭以南属于长江的二级支流涪江水系的下级支流夺补河流域，以北为嘉陵江水系支流白水江的下级支流汤珠河流域。隧道进口位于夺补河色纳路段，进口左边为夺补河支沟罗结术沟，右侧为蚂蝗沟。隧道从进口越岭后，穿山脊紧靠葫芦沟顺势而下，隧道出口位于嘉陵江上游汤珠河水系的支沟—葫芦沟与汤珠河交汇处上方，隧道口左边另有汤珠河支流石罐子沟。各水系统计表见表1。

表1 隧道穿越区水系统计表

2.2 隧址区水文地质条件

2.2.1 含水岩组及富水性评价

2.2.2 地下水类型及补径排特征

按隧址区地下水含水介质特征，隧址区地下水类型分为第四系松散岩类孔隙水、基岩裂隙水及碳酸盐岩岩溶水三大类。该区地下水以大气降雨补给为主，以黄土梁一级分水岭为界，东坡主要补给汤珠河西岸含水岩组，西坡主要补给夺补河东岸含水岩组。地下水主要以隐伏排泄方式向夺补河和汤珠河及支流排泄，夺补河及汤珠河为测区地表水侵蚀和地下水排泄的最低基准面。

2.2.3 地下水水化学特征

研究区地下水化学类型为HCO3－Ca型水，主要离子含量见表2，地下水矿化度均在1.0g/L以下，pH值在7.0～8.0之间，其中矿化度小可能与地形、地下水的交替强度有关，与水质类型有关。

表2 主要离子含量值统计表

2.3 水资源开发利用调查

2.3.1 隧址区地下水资源及利用状况

隧址区居民少，无工厂分布，没有大量集中用水的需求，无供水水源地，地下水仅少量利用山泉作居民及牲畜饮水。黄土梁隧道从勿角自然保护区和王朗自然保护区西侧穿过，隧址区地下水主要为生态用水。

2.3.2 隧址区居民及生活用水情况调查

对隧址区进口段林场、麻古扎20户约60人进行调查访问，本地居民饮用水来源主要为夺补河水，隧道开挖造成的污水若直接排放并流入夺补河，将对附近居民的健康造成较大的影响。因此，在隧道施工过程中必须采取有效地排水措施，尽量避免施工废水污染夺补河水。

2.4 地下水水质现状评价

研究区由于其地形、地质及水文地质因素，地下水的形成主要与地层岩性有关，地下水水质普遍良好，一般无色、无味、澄清透明。矿化度小于1.0g/L，PH值在6.0～8.0之间，多属软水和微硬水，极少数为硬水，其化学组分均未超过饮用水水质标准，对于饮用及灌溉是适宜的。区内没有工矿企业，居民较少，地下水主要用于居民及牲畜饮水，土地灌溉等方面，这些地下水利用方式一般不会对地下水造成污染。

图1 区域水文地质图

3 隧道施工对自然保护区地下水环境影响分析

3.1 隧道涌水量预测

隧道涌水量的预测方法较多，包括水理统计法、水均衡法(地下水径流深度法，地下水径流模数法，降水入渗法)、解析法(地下水动力学法)、水文地质比拟法、数学方法、同位素氚法、非线性理论方法。本次采用计算误差相对较小的地下水径流模数法预测隧道涌水量[2][4]。

结合本隧道的勘察现状、水文地质条件，现选用地下水径流模数法预测涌水量。采用《铁路工程水文地质勘察规程》中计算公式:Qs=86.4MA。式中:Qs为预测隧道正常涌水量(m3/d);86.4为换算系数;M为地下径流模数(L/s·km2);A为隧道通过含水体地段的集水面积(km2)。

根据径流模数法计算，本隧道正常涌水量为42 966m3/d，最大涌水量为1.5×涌水为42=64 449m3/d，见表3。

表3 地下径流模数法涌水量计算表

3.2 隧道开挖致使疏干漏斗扩大

隧洞涌水可能会疏干地下水，或者引起地下水位下降和形成疏干漏斗并扩大，还可能因地下水通道被疏通而使含水层渗透性增大，导致疏干漏斗范围内的地表水干涸，引发水环境灾害。

3.2.1 公式选取

1)疏干漏斗范围

因隧道衬砌时地下水尚处于非稳定状态，故疏干半径R(t)应以非稳定流公式为基础来计算。

设u=r2s/(4Tt)地下水径向非稳定流泰斯公式的雅各布适用于u≤0.05的情况。而隧洞在衬砌前的涌水时段不长，故u值较大，在距隧洞的平面距离r较大处，u值更大，前人研究证明，当u值较大时，最贴合泰斯曲线近似式为[3]:

W(u)=10.9504u－0.06575－ 10.85

由此导出水位降深s与地面影响半径R'分别为:

s= [q/(4πT)](10.9504u－0.06575－ 10.85)

q为t1时刻的流量;s为水位降深;r为距隧洞壁的平均距离。

R'=2.145(HKt1/μ)1/2

根据上式求得的影响半径，进而绘出地面的椭圆形疏干范围为

椭圆长径(沿隧道走向):R1=2R'+L

椭圆短径(垂直隧道走向):R2=2R'+B 2)疏干漏斗体积

标准的倒圆锥体疏干漏斗的体积V'为:

V'=1.0455(q1/T)(Tt/S)0.06575R2.8685－0.9042q1R3

隧道含水层疏干漏斗体积V可近似地分解为两个倒半圆锥体漏斗体积V'加上其间“V”形槽体积V″。V″=AL，A=A'+A″。A'为倒圆锥体疏干漏斗的横截面积(m2)，A″为洞壁降深 s0。

在上述计算降深s的公式中q与平均涌水量q2，即q2=同时，因为q与倒圆锥漏斗相对应，q1与单宽“V”形槽相对应，在忽略两种形态侧向补给面积的比例从而忽略侧向补给水量的差异后

3.2.2 成果计算

为确定疏干漏斗的影响范围，对各涌水段的影响半径及疏干漏斗的空间形态特征进行分析，并计算距离涌水段20、30、40、60、80m处的地下水位降深见表4。3号点位置含水层厚度最大，且水头值最高，隧道工程在此位置揭穿时，形成漏斗区范围最大。

断层带和灰岩段的单位长度涌水量4.31～11.94m3/(d·m)，计算的影响半径200～420m，在距断层或灰岩段道地下水位降深一般在1～12m，具有一定的影响范围，建议在隧道施工中在上述可能涌水段采用“以堵为主”的方法，减少对环境的负面影响。

3.3 隧道施工对地下水的影响

3.3.1 对地下水系统的影响

隧道进口段，位于浅层地下水含水系统，隧道施工可能疏干一定范围内的地下水[5]。在断层带或灰岩条带分布带，隧道施工可能对地下水循环系统产生一定影响，但由于隧址区断裂总体不发育，灰岩呈条带或透镜状分布，岩溶发育深度受非可溶岩限制，越岭带埋深超过1 000m，属地下水深循环带，地下水总体不发育，因此在越岭带隧道穿越灰岩带时，隧道施工对地下水循环的影响也较小。在隧址其它处于地下水深循环带的泥质岩类，地下水含水性差，隧道施工对地下水循环影响很小(见图2)。

表4 涌水点疏干范围计算表m

图2 隧道剖面水系统划分

3.3.2 对地下水水质的影响

隧道施工对周围水质的影响较大。一般来讲，隧道施工污水主要污染物为SS、COD和石油类。隧道施工排出的废水pH值较高，偏碱性，化学灌浆材料致使其具有毒性，废水若直接排入河流等公共水域，下游居民的生活用水将会受到威胁。

3.4 隧道施工对上部生态用水的影响

隧道长期排水形成的降位漏斗可能造成自然保护区附近的地下水流失、地表水体污染、地下水水质恶化及井泉枯竭等地下水问题，在隧道建设过程中应充分考虑对保护区地下水环境的影响。

3.4.1 对王朗自然保护区的影响

黄土梁隧道在王朗自然保护区西侧通过，隧道工程距离保护区内各保护站点较远，隧道施工涉及的地下水系统与王朗自然保护区地下水分属不同地下水系统，因此隧道施工对王朗自然保护区地下水环境影响很小。

3.4.2 对勿角自然保护区的影响

黄土梁隧道在里程为AK177～AK179段穿越勿角自然保护区，其穿越区属越岭地带，隧道穿越地下水深部循环地带，对浅部地下水系统影响较小，施工排水形成的降位漏斗降深较小，因此黄土梁隧道施工对勿角保护区地下水环境影响小。

4 结语

西南山区特殊的地质环境条件制约着地下水环境条件，隧道对自然保护区地下水环境的影响是隧道工程中较为复杂的问题，稍有不慎，就会造成严重的影响。因此，隧道选址要充分考虑到地下水的影响，尽量避开可溶岩地段和破碎带，以减少地下水的涌出量与渗漏量。在隧道施工前后要做好地下水环境的保护措施。

(1)施工前应查明区域地下水的分布、含水单元、补径排、水质及居民用水水源情况，在隧址区附近设置水位变化监测点，能及时观察地下水水量及水质的变化情况。当预计地下水流失后会影响山顶居民生活时，则应考虑寻找其他供水点或向山顶提供供水工程设施。

(2)施工期间，利用堵水或截流技术，封闭进水通道，减少涌水量。确保在出现地下水渗漏时，附近居民能通过引用其他水源来解决生活用水问题。

(3)施工过程中采取相应的措施将被污染的地下水封闭于一定的范围内，进行简单的沉降处理，不让其扩散。

(4)施工后，要定期观测隧道内部是否出现渗水点、涌水点及附近居民用水量及水质的变化情况，及时的预防可能出现的地下水环境问题，将隧道对自然保护区的危害降到最低。

图3 隧道与景区相对位置关系

[1]四川省交通运输厅公路勘察设计院.黄土梁隧道地下水环境影响评价报告.2011.1.

[2]山区特长隧道建设对地下水环境影响及防治对策——以铜锣山隧道为例[J].价值工程.2010，(10).

[3]隧道工程与水环境的相互作用[J].岩石力学与工程学报.2005，1.

[4]预测隧道涌水量的方法[J].工程勘察.2000，(4).

[5]雪峰山隧道浅埋段隧道涌水对生态环境影响研究[J].中南公路工程.2006.2.