滇中红层地区隧洞施工涌水过程数值模拟分析

周中海　刘魁玉　魏海楠

[摘要]滇中红层区地层岩性以泥岩和砂岩为主，裂隙非常发育，宏观上形成泥砂岩互层的含水岩组。风屯隧洞穿越储水构造中含水层时，会对周边地下水环境产生重大影响，同时可能产生较大涌水量。本文以滇中引水工程风屯隧洞为例，采用Visual Modflow模拟隧洞穿越红层储水构造的涌水过程，以期为风屯隧洞地下水环境影响评价提供依据。

[关键词]红层地区 隧洞施工 涌水过程 数值模拟 分析

[中图分类号] TV554 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2015）-3-162-1

0前言

对于隧洞与地下水的相互作用，目前针对岩溶地区的研究比较多，对于红层地区地下水环境问题研究较少，但国内外很多水利工程在施工过程中已经遇到过类似的问题。通过以砂岩、砂质泥岩和泥岩为主的地层，其基本特征为砂岩和砂质泥岩互层，隧洞施工中在砂泥岩互层段产生较大的涌水量和极强的渗水压力，对洞室安全构成威胁；特考雷特隧洞穿过一系列弱固结的粉砂岩、砂岩、砾岩和页岩 （Trefzger.R.E，1966）。本文以滇中引水工程风屯隧洞为例，在正确认识研究区工程地质和水文地质条件的基础上，查明地下水系统的补、径、排条件和运移规律，采用Visual Modflow模拟隧洞穿越红层储水构造涌水量以及渗流场随施工进程的变化

1裂隙岩体模型的选取

裂隙岩体渗流模型主要有四类，即单个裂隙内水流运动模型、等效连续介质渗流数学模型、离散裂隙网络渗流数学模型、裂隙-孔隙双重介质渗流数学模型。鉴于滇中红层区地下水埋深较大，研究尺度比较大，滇中红层隧洞洞身基本处于饱水带，本文拟采用等效连续介质渗流数学模型常用软件—MODFLOW用以模拟风屯隧洞施工涌水过程（段焕娥，2012）。根据研究区地层岩性、地下水流动的特点及MODFLOW自身特点，MODFLOW模拟风屯隧洞施工涌水过程时，对研究区地下水流做出下列假定：（1）研究区砂泥岩互层展布，砂泥岩渗透性差异很大，其中的泥岩看作弱透水的介质，砂岩中裂隙网络系统作为储集和运移地下水主要的场所；（2）裂隙岩体渗流仅是一种网络流，但试验表明，绝大多数天然地下水流速较慢，符合达西定律，假定研究区地下水水流为层流；（3）红层地区裂隙介质具有能够满足被假设为等效连续介质体来看待的基本条件，即：存在表征单元体（REV）且具有对称的渗透系数张量，将裂隙中的水流等效平均到整个岩体中。

2模型的建立

选取模型范围为一个以隧道线路为轴心的矩形，长11000m，宽6000m。对泥岩和砂岩的空间概化显得尤为重要。根据剖面数据得出砂泥岩地层空间位置关系，将砂泥岩地层互层情况在模型中刻画出。考虑K1g砂岩地层中偶有泥岩情况，经钻孔资料分析后，模型中添加6层刻画（图1）。

水文地质参数识别是VM模型的一个非常重要的过程，模型计算结果准确程度直接由参数选取的精确程度决定。VM中主要考虑渗透系数、给水度、储水系数、总孔隙度等4种水文地质参数，在裂隙介质中，几种水文地质参数和裂隙发育程度即裂隙的宽度、充填程度、裂隙密度、发育延展长度、方向等有关，因而在空间上不同含水岩组之间、相同含水岩组但不同区域之间渗透系数、给水度等水文地质参数均会有所差异。结合风屯隧洞钻孔抽水试验资料所得到的相关水文地质参数，并参考朱春林（2010）对滇中红层一带所作研究，得到研究区每套地层的其他水文地质参数，并根据经验取值，共同组成了研究区自然状态下的水文地质参数。利用数值模型，根据模型反演，最终得到模型参数。各含水岩组的模型参数取值见表1。

3隧洞施工涌水过程数值模拟分析

本文使用VM中的水均衡计算模块（Zbud）计算排水沟（DRAIN）的排水量（即隧洞涌水量）。VM中认为排水沟运行后，流经排水沟以上单元格的地下水全部进入排水沟，所以将排水沟（DRAIN）以上的区域设置水均衡观测。排水沟排水的影响范围R来这里根据地下水动力学法来确定隧道两侧水均衡观测的宽度，进入该区域的水量之和就是该段排水沟的排水量。

隧洞从1段施工到3段的涌水过程如下：

（1）1段施工，地下水位以及隧洞埋深较浅，隧洞对地下水影响程度很小，基本无变化，涌水量为58.24 m3/d。

（2）2段施工，隧洞进口段地形起伏较大，地下水位以及隧洞埋深较浅，施工引起的影响范围非常有限（如图2），随时间的延续，隧洞的影响范围基本固定不变，降位漏斗趋于稳定。排水量为572.61m3/d。

（3）3段施工，隧洞穿越K1p泥岩地层，2段排水量为561.47m3/d，较之前有略微下降，3段涌水量为273.48 m3/d。由于该段地势较陡，降位漏斗比较明显，但影响范围有限（图3）。

4结论

在风屯隧洞天然渗流场拟合的基础上，本文采用排水工况模拟，分析了隧洞穿越褶皱储水构造隧洞施工涌水过程，隧洞穿越他思鲊背斜核部转折端时，涌水量为14443.73m3/d，对背斜核部地下水影响较大，影响半径约700m，向斜东翼出现明显降位漏斗；隧洞施工到烧香台向斜东翼时，涌水量为12445.66m3/d，地下水位继续下降，稳定影响半径为1.75km，同时由于向斜两翼地下水水力坡度逐渐减小，西翼涌水量为11763.25m3/d，明显减小。研究区受红层渗透性较弱，以及岩层倾角一般较陡、产状变化较大的影响，地下水循环较慢，隧洞施工过程中产生的地下水渗流场变化具有一定的滞后性，因此封堵后地下水渗流场也很难在短时间内恢复到天然状态。

参考文献

[1]Trefzger.R.E.Tecolote Tunnel Engineering Geology in Southern California Assoc Eng. Geol SPec Publ，1966.108-113.

[2]段焕娥等.国内地下水资源可视化现状研究综述[J].地理空间信息.2012（6）.

[3]朱春林，李智毅，饶春富等.2010.滇中红层浅层地下水特征和农村供水示范工程的建立[J]. 地质通报.29 （4）： 610-615.

[4]朱春林，饶春富，邢志会等.2010.红层地下水开发的经济技术条件[J]. 云南地理环境研究.22 （1）： 1-5.