圣莲岛过江隧道工程降水对地下水环境影响研究

黄　芸，孟春晓，彭道平

(1. 四川省环境监测总站，成都　610091；2. 西南交通大学，地球科学与环境工程学院，成都　611756)

圣莲岛过江隧道工程降水对地下水环境影响研究

黄芸1，孟春晓1，彭道平2

(1. 四川省环境监测总站，成都610091；2. 西南交通大学，地球科学与环境工程学院，成都611756)

根据圣莲岛旅游区项目规划的要求，采用明挖法修建过江隧道连接遂宁市区及圣莲岛。隧道场区地下水较为丰富，为确保施工进度和施工安全，采用管井井点降水方案进行工程降水。为将降水对区域地下水环境影响将至最低，文章从地下水环境保护的角度对工程降水后的区域地下水渗流场进行了分析。通过设计3种不同的降水方案，对工程降水可能造成的地下水环境影响进行了分析，确认了方案三对区域地下水环境影响最小，并同时能够满足施工需求。在此基础上，对隧道进出口500m范围内的地下水水位下降值进行了计算，分析了隧道周围可能发生的地表沉降情况和区域地下水资源量的影响。

圣莲岛过江隧道; 降水; 地下水环境; 影响评价

1　工程概况

拟建观音湖圣莲岛下穿隧道工程位于四川省遂宁市船山区涪江流域，连接河东新区和圣莲岛，是遂宁市圣莲岛旅游区项目的控制性工程。工程起点为河东新区的灵云路，终点为圣莲岛规划修建的道路。场地地形较为平坦，左岸平均地面高程279.14m，右岸平均地面高程278.07m；河床平均地面高程270.22m。工程区域地貌单元属涪江河床及河漫滩。工程全长1110.00m，其中隧道段长约710.00m，船槽段总长400.00m。拟建隧道宽度9.00m，高6.00m，最大埋深约18.00m，最大坡率6.70%。

2　工程区域水文地质条件

图1　项目工程相对位置Fig.1　Relative location of project

圣莲岛内地下水的主要补给形式为大气降雨渗入补给；另还有地表水渗漏补给、其他含水层地下水互通补给以及灌溉、生活、生产用水入渗等。地下径流总体流向具有岛心向两边进而向南或南东向的特点。同时工程区地下水的主要排泄形式为补给涪江水、岛上内湖，排泄方式为自然渗流；其次有少部分以蒸发蒸腾及供给岛上居民生活用水等形式排泄。

3　隧道施工方案

圣莲岛隧址区工程地质条件简单，地层缓倾，地质应力作用较弱，涉及隧道建设的基岩主要为遂宁组强、中风化泥岩为软质岩体；且涪江流域水面无航运，隧址区河段可以实现工程截流，截流最长时间达6～7个月，且河道段隧道仅为560m，为明挖施工创造了非常有利的条件，因此工程采用明挖法进行施工。

4　降水方案研究

4.1降水方案设计目的[1～5]

① 有效防止基坑两侧和基底的渗水，使隧道在开挖期间保持干燥状态，有利于机械化施工；

② 增加明挖隧道边坡的稳定性和基底的稳定性，防止边坡上或基底土层的流失；

③ 减少土体湿度，有效提高物理力学性能指标，减少支护体系的变形，提高土体固结强度，增加土体有效应力。

④ 防止因开挖形成集水廊道产生的地下水涌突水灾害，减少对区域地下水环境的破坏，保护地下水资源和地表植被的完整。

4.2降水方案设计思路

① 综合场地水文地质条件，采用管井井点降水方案；

② 隧道施工段两侧布设降水井，实施抽水降低地下水位；

③ 根据开挖深度设计抽水量：浅挖段(隧道进口、出口)抽水量小，深挖段(隧道中部)抽水量较大。

4.3降水方案的设置

通过设计几组降水方案，采用数值模拟法，应用Visual MODFLOW软件模拟不同方案实施下地下水渗流场的变化情况，分析项目施工期间降水对地下水环境的影响，并优选出既满足施工要求且对地下水环境影响相对更小的最佳方案。

降水前在隧道南北侧分别设置围堰对涪江进行截流，使江水绕过施工区域和圣莲岛。降水井位置沿隧道两侧对称布置18组，共36眼，依隧道进口至出口，井点对称编号为1～18。通过对井位、抽水量、围堰与隧道距离的调整，组成了3种不同的降水方案，见表1，抽水井位布置见图2。项目的推荐方案为方案三，其中北侧围堰距隧道600m，南侧围堰距隧道800m；开挖范围为沿隧道轴线两侧各10m，每组降水井横向间距为50m，纵向间距为30m。

表1　隧道施工降水方案对比

井管及滤管均为273mm、壁厚6mm 的钢管；滤管为外包80 目锦纶滤网的圆孔式滤管；滤管底部设置1m长沉淀管；为便于降水井后期封井，在开挖底板以上均设置实管，开挖底板2m 以下设置滤管(其中加固区段滤管设置在加固区底)。

图2　降水方案降水井布置及隧道相对位置图Fig.2　Relative location of pumping wells layout and tunnel

5　降水方案模拟研究

5.1水文地质概念模型

5.1.1含、隔水层概化

工程区主要为第四系冲洪积层及侏罗系遂宁组泥岩。第四系冲洪积层分层明显，介质类型分布较为均匀；遂宁组泥岩为缓倾地层，倾角为1°～3°，概化模型可水平分层。根据岩土工程详细勘察钻孔剖面，该区域内可将含水介质按5层划分(图3)，分别是粉土～粉砂，厚度0～4.0m；卵石层，厚度0.5～8.0m；强风化，厚度1.5～7.0m；中风化，厚度4.0～14.0m；泥岩基底，为隔水层。

图3　施工期隧道周边区域概化模型Fig.3　Conceptual model of tunnel areas during the construction period

5.1.2边界条件

根据水文地质勘察资料，确定预测范围向西南距隧道出口1km，向东北距隧道进口1km，沿涪江向上、下游距隧道1km为界，模拟区范围约为3060m×2000m，每个单元格10m×10m，中间隧道部分加密为5m×5m(图4)。由于隧道顶部为过军渡水电站控制水位区，把隧道顶部的涪江水概化的定水头边界。

5.1.3地下水渗流模型

根据以上建立的概念模型，在不考虑水的密度变化的前提下，可以给出相应的地下水流数学模型[6]：

体的厚度，m；K为渗透系数，m/d；H为点(x，y，z)在t时刻的水位值，m；W 为源汇项，m3/d。

初始条件：

第一类边界条件：

第二类边界条件：

5.1.4模型参数

地下水流数学模型涉及的模型参数主要为渗透系数。根据《圣莲岛旅游区过江隧道建设项目岩土工程详细勘察报告》，各层水平方向渗透系数选取见表2，竖直方向取水平方向值的1/10。地下水初始水头标高为275.5m，给水度为0.3[7]。

图4　隧道降水施工预测模型概化网格平面图Fig.4　Grid ichnography of prediction conceptual model during tunnel dewatering construction

(m/d)

5.2模型运行研究

5.2.1初始渗流场模拟

在隧道施工前，河流受下游水坝控制时，水位标高基本稳定于275m，略低于周边地下水位，呈现地下水补给地表水的特征(见图5)。在水坝开闸放水后，涪江水位下降。根据设计资料，隧道施工期间涪江的水位约为270m。根据对工程区水文地质的调查，区域主要含水层为砂卵砾石层，渗透性较好，地表水系与地下水联系紧密。涪江水位下降至270m时，周围地下水位也会迅速降至270m左右，故施工期以270m作为涪江定水头边界。

图5　隧道所在区域的初始渗流场Fig.5　Initial seepage field of tunnel area

5.2.2降水方案运行模拟

通过设置降水井、围堰等工程措施，模拟隧道进行降水施工时场区的地下水渗流场变化情况。由于论文篇幅限制，本文只对第三套降水方案的模拟结果进行分析。该方案抽水共计24400m3/d，北面设置的围堰与隧道相距600m，南面设置的围堰与隧道相距800m。降水方案实施后，隧道所在区域的地下水渗流场情况和地下水等水位线图分别为图6、图7。

图6　降水方案实施后地下水渗流场Fig.6　Seepage field after dewatering project

从图7可知，受北侧、西侧和南侧涪江定水头边界的影响，隧道地区的地下水主要由北至南、由西至东和由南至北向隧道汇集，并形成了以隧道为中心的地下水位降落漏斗。根据计算结果，在模型北侧、西侧和南侧距涪江边300～400m的地方，地下水位下降幅度约2～4m，而在模型东侧，水位降深更大，隧道进口以东区域地下水位最大下降值为10m，在隧道开挖基坑段，地下水位下降约18～20m，水头标高252～250m，低于隧道基底高程(约256m)。

图7　隧道施工期地下水等水头线图Fig.7　Contour map of groundwater in tunnel construction period

5.2.3地下水位下降趋势预测

受井位布置、抽水量及边界条件控制制，地下水位降幅最大区域为隧道穿越河道段，最大降幅约20m。河道内部分洞段，在距隧道轴线垂直距离约20m处，地下水位降幅18.0m；垂直隧道距离100m处，地下水位降幅16m；垂直隧道距离200m处，地下水位降幅14m；垂直隧道距离400m处，地下水位降幅8m；垂直隧道距离600m处，地下水位降幅2～4m；垂直隧道距离800m处，地下水位降幅小于2m。受围堰距离限制，隧道河道段至围堰处等水头线紧密，水力梯度较大，说明该段的主要补给为河流绕坝渗流补给，隧道河床段影响范围为上游600m，下游800m。

隧道出口沿隧道走向距离50m处，地下水位下降12m；隧道出口沿隧道走向距离100m处，地下水位下降6m；隧道出口沿隧道走向距离200m处，地下水位下降4m；隧道出口沿隧道走向距离300m处，地下水位下降2m；隧道出口沿隧道走向距离400m处，地下水位下降1m；出口端纵向影响范围约500m。从而使项目对岛上内湖的水位及水量影响降到最低。

沿隧道进口方向为地势起伏较为平缓的河东新区，此处抽排地下水呈现的流场变化不同于隧道出口及隧道河道洞身段，流场表现为倒V字型，即表示该处为周边区域的汇点，且主要补给来自含水层的疏干，由于抽水量及井位布置的控制，该段地下水位下降幅度较小，但影响区域较大。沿隧道走向东侧距离隧道进口10m处，地下水位下降14m；隧道出口沿隧道走向距离50m处，地下水位下降12m；隧道进口沿隧道走向距离100～500m处，地下水位下降6～10m。

综合上述分析，距隧道不同位置的地下水水位下降情况如表3所示。

5.3降水施工对地下水环境影响分析

5.3.1地表沉降分析

从上述预测结果可以看出，随着降水方案的实施，隧道周围的地下水水位将逐渐降低。隧道进口段的地下水水位降幅较大，该区域范围内发生地表沉降的可能性较大，而隧道出口端的居民点也受降水影响会产生沉降。根据弹性变形一维固结公式计算地表沉降量，可知在距离隧道进口北侧20m处变形量为9.4～10.6 mm；距离隧道进口南东侧变形量为8.2～10.6 mm；距离隧道进口北西侧变形量为8.2～9.4 mm；隧道出口处变形量为1.2～3.5 mm。因此，施工期间进行地表沉降监测，以确保周围建筑的安全是十分必要的。

5.3.2区域地下水资源量分析

隧道施工期间抽水量为24400 m3/d，抽出的这些地下水主要来自涪江补给，少部分为两岸地下水。为避免资源浪费，可将抽出的地下水一方面用作施工用水、防尘用水，另一方面也可用于居民生活和生产用水，剩余部分返入涪江。因此，隧道施工不会对区域地下水资源造成大的影响。

5.3.3对隧道附近居民饮用水源的影响

隧道出口位置距猫儿洲村约150m，在本项目的影响范围内，故对该村居民分散供水水井产生影响。由于猫儿洲村施工期间实施逐步搬迁，对尚未完成搬迁的居民在施工期采取隧道施工抽出的地下水通过过滤和消毒后进行供给。项目完成后，由于该岛将纳入市政管网进行集中供水，因此工程运营期不会对居民用水产生影响且亦可防止对地下水源的影响。

5.3.4对岛上自然植被的影响

岛上荒地广布，所长植物类型主要为草甸、灌木，另有少量乔木。植物生长所需水源主要为赋存与土层地下水，施工期地下水位下降，影响作物吸收水分，但周边地表水丰富，可通过定期人工抽取涪江水灌溉，以满足岛上自然植被对水分的需求。待施工完成，涪江复流便不再影响。

6　结　论

本文以过江隧道工程降水方案设计为研究对象，采用数值模拟法对不同方案的地下水渗流场进行了模拟，从环境影响的角度确定了最优方案，该方案对地表沉降及区域地下水资源的影响最小。该方法既保证了隧道施工的顺利进行，又能最大限度的降低地下水环境影响，对于此类项目的环境影响评价具有一定的参考作用。

[1]张兴立. 某下穿隧道工程基坑降水方案研究[J]. 公路交通科技, 2013, (2): 167-171.

[2]贾媛媛, 路军富, 魏龙海, 等. 隧道降水施工对既有市政管线隧道影响研究[J].水文地质工程地质, 2010, 37(6): 43-49.

[3]王朝晖. 南京过江隧道明挖段深基坑降水方案研究[J].公路, 2007, (8): 224-227.

[4]夏宗文, 刘向东. 射流井点降水发生透点的分析[J].给水排水, 1985, (3): 10-11.

[5]周金忠, 吴文, 刘彬梅. 青岛胶州湾海下城市道路隧道排水设计思路介绍[J].给水排水, 2013, 39(1): 49-52.

[6]HJ 610-2011, 环境影响评价技术导则 地下水环境[S].

[7]深圳市工勘岩土工程有限公司. 圣莲岛旅游区过江隧道建设项目岩土工程详细勘察报告[R]. 2012.

Study of the Impact on Groundwater Environment by the Dewatering during Construction of Shengliandao River-crossing Tunnel

HUANG Yun1, MENG Chun-xiao1,PENG Dao-ping2

(1.SichuanEnvironmentalMonitoringCenter，Chengdu610091，China; 2.FacultyofGeosciences&EnvironmentalEngineering,SouthwestJiaotongUniversity,Chengdu611756,China)

According to the requirements in the project planning of Shengliandao tourism area, cut and cover method of building river-crossing tunnel were utilized and had connected downtown with the island. As the richness of groundwater, well-points dewatering method was used to reduce the groundwater table in the construction field to guarantee the construction progress and safety. In order to lower the impact on local groundwater environment, this study simulated the groundwater seepage field, in view of the protection of groundwater environment. Among three designs of dewatering programs, the program Three was confirmed to be the most suitable one. Based on these, this study also calculated the decreasing values of groundwater level and analyzed the possible surface subsidence and regional quantity of underwater resource.

Shengliandao river-crossing tunnel; dewatering; groundwater environment; impact assessment

2015-08-04

黄芸(1977-)，女，湖南汉寿人，2007年毕业于德国克劳斯塔尔工业大学、环境保护技术(Umweltschutztechnik)专业，硕士，助理工程师，主要从事环境有机物的分析监测。

彭道平，pdp0330@swjtu.cn。

X523

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1001-3644(2015)06-0094-08