西香高速小高山隧道地下水环境影响评价

王梓龙 张御阳 林华章 王雅雯

(1. 西南科技大学城市学院 四川绵阳 621000； 2. 成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室 四川成都 610059； 3. 四川省公路规划勘察设计研究院有限公司 四川成都 610059； 4. 中国电建集团成都勘察设计研究院有限公司 四川成都 610072)

随着我国经济建设的不断发展，基础设施建设特别是高速公路建设日益加快。隧道作为公路的重要组成部分，其施工建设大大缩短了高速公路里程，但同时也带来了日益严重的环境问题，主要表现为对地下水环境的影响。因此，研究和预测隧道工程建设对水环境的影响具有重要意义[1-7]。

关于隧道工程建设对地下水环境的影响，国内外诸多学者开展了一系列研究工作。郭淑娟等[8]运用GMS软件中Modflow模块对地下水流场数值模拟,经过验证后的模型较好地反映了地下水系统的运动特征；Yang等[9]运用Modflow和Femwater软件研究了台湾曾文水库跨流域引水工程隧道开挖对地下水渗流场的影响。Shin[10]基于有限元法，通过渗透系数折减，对隧道排水系统堵塞进行非线性耦合模拟分析，研究结果表明，随着衬砌渗透系数减小，孔隙水压力会增加，但围岩荷载不会增加。Li等[11]利用有限差分法模拟研究了双连拱隧道和双线隧道渗流量和周边孔隙水压力分布规律，确定了两种隧道可能发生漏水的位置，并提出一种新型的隧道集水系统。Raposa 等[12]基于现场监测数据，运用地下水平衡模型分析了地下水环境现状，优化了隧道施工方法和防排水措施，并对地下水进行了再补给，通过一系列控制措施减小了隧道对地下水环境的影响。Vincenzi 等[13]对意大利 Firezuola 特长隧道施工的环境负效应开展了研究，结果表明隧道排水对周边生态环境造成了严重破坏，致使大量地表水和泉点枯竭。Li 等[14]研究了日本松本市隧道施工对地下水位和化学成分的影响，基于地下水位和化学成分的变化规律分析了隧道施工对水文地质环境的影响，结果表明隧道施工排水导致部分泉水干涸，进而造成河水流量大幅减小。

本文基于Modflow软件，分析西香高速小高山隧道施工建设对地下水环境的影响，并分析地下水位变化，预测评价其影响范围及影响程度。

1 工程地质条件

1.1 地形地貌

小高山隧道位于凉山彝族自治州，是在建高速公路西昌直达香格里拉中最长的隧道，全长近13 km，其最大埋深约1 000 m，属于深埋超特长隧道。

隧道穿越山体地形起伏较大，沟谷发育，隧道段相对高差最大1 100 m，在这种悬殊的地形条件下，地表水流有着较强的切割能力，属于典型的高山侵蚀地貌(图1)。

图1 小高山隧道穿越区地貌

1.2 地层岩性及构造

隧址区穿越地层较多，岩性变化大，主要有白山组(T2b)灰岩、盐塘组(T2y)粉砂岩和白云岩、乐平组(P2l)砂岩和砾岩、峨眉山玄武岩(P2β)以及上博大组(T3jb)泥灰岩，岩体整体厚度较大，比较完整(图2)。

图2 隧道进口附近T1q砂岩地层

构造上，隧址区受多次构造运动影响，岩石裂隙较发育，面裂隙率一般在1%～10%之间。在地质构造发育地段，岩石地层往往倾角较大、节理裂隙发育，致使岩体稳定性变差，这成为地下水流动的活跃场所。

2 地下水类型及径流特征

2.1 地下水类型

根据地下水的赋存条件和水动力条件，分为第四孔隙水、碎屑岩裂隙水、基岩裂隙水和碳酸盐岩溶洞水。

2.1.1 第四系松散堆积层孔隙水

含水层以砾卵石层为主，水位埋深较浅，赋存孔隙潜水，地下水以地表水补给为主，其次为大气降水入渗补给，因含水层较薄，且补给来源也不足，所以地下水不丰富。

2.1.2 基岩裂隙水

基岩裂隙水分布较少，含水层主要为峨眉山玄武岩，柱状节理发育，赋存裂隙水，在断裂外带或与围岩接触带较大。

2.1.3 碎屑岩孔隙裂隙水

广泛分布于隧址区，含水层穿越地层较多，岩性为砂岩及砾岩，有少量碳酸盐岩夹层。构造裂隙和风化裂隙发育，面裂隙率达1%～3%。

2.1.4 碳酸盐岩类岩溶裂隙水

按泉、暗河发育程度分为富水性强和中等两大类。富水性强的岩溶水含水层主要为厚层块状灰岩、白云质灰岩，岩溶发育，暗河流量100～1 000 L/s。富水性中等的岩溶水含水层主要以灰岩居多，赋存裂隙水及岩溶裂隙水，一般泉流量<1 L/s。

2.2 地下水径流特征

根据含水层特征、地下水流动特征，分为两个地下水系统来分析地下水的补径排特征及其对隧道的影响(图3)。

图3 小高山隧道水文地质剖面图

2.2.1 浅风化带裂隙水含水系统及补径排特征

区域为砂岩、泥岩互层地层，包含均匀、密集、相互连通的网状风化裂隙带，这是裂隙水的主要储水空间。由于地形坡度较大，降水多地表径流，故补给条件差，仅少量沿裂隙下渗，属浅表地下水。

2.2.2 岩溶含水系统及补径排特征

地层属于灰岩，补给来源主要是大气降雨和地表水通过岩溶洼地、漏斗、溶蚀裂隙直接补给，其次接受融雪水、断裂带水、基岩裂隙水补给。

岩溶水的埋藏、运动与岩溶地貌、岩溶发育规律密切相关，在槽谷与坡地水力坡度大，交替循环积极，流速快，水流畅通，地表严重缺水，因此地下水埋深变化大。同时，岩溶水以裂隙泉水、暗河形式排泄于地表，具有排泄集中、量大的特点。

3 地下水资源计算

3.1 地下水系统划分

隧址区可划分为可溶岩和非可溶岩水文地质单元。非可溶岩水文地质单元沿地形展布，地下水分水岭与地表分水岭一致。

3.2 水资源量计算

图4 隧道水文地质单元划分图

(1)

(2)

式中，Q1为地表径流量(L/s)，Q2为地下汇流量(L/s)，α为降雨入渗系数，W为每小时降雨量(mm/h)，F为流域面积(km2)。

3.2.1 各水系统汇水量计算

降雨入渗系数与降水量的大小、强度、地层岩性、地质构造等因素有关。本次参考《铁路工程水文地质勘查规程》[15]，并考虑岩性、形态、植被发育情况，确定降雨入渗系数的计算值。

3.2.2 汇流面积确定

以地形图为参考，按水文地质单元分区图中以分水岭和岩性圈定汇流面积计算汇流量。

3.2.3 降雨量的确定

根据气象资料,该区年平均降雨量983.2 mm。地表总径流量Q1=10 803.9 L/s，地下水径流量Q2=3 128.5 L/s，约合270 302.4 m3/d，并由此可计算获得该区地下水径流模数均值约为6.12 L·s-1·km-2。

4 地下水环境影响预测

4.1 隧道涌突水计算

隧道涌水需分别计算正常涌水量与最大涌水量，选取地下水径流模数法对涌水量进行分段计算评价。

冻干重组脑利钠肽用法：采取连续静脉滴注24小时的给药方式，本品首先以1.5 μg/kg静脉冲击后，以0.0075 μg/kg/min的速度连续静脉滴注。

采用《铁路工程水文地质勘察规程》[15]中计算公式：

Qs=86.4MA

(3)

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-1·km-2)，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16 427.66 m3/d，最大涌水量为24 641.50 m3/d(表1)。

表1 地下水径流模数法分段涌水量计算表

4.2 计算隧道影响半径

用数学解析的方法对给定边界值和初值条件下的地下水运动建立解析式，达到预测隧道影响范围的目的。使用《环境影响评价技术导则——地下水环境(HJ 610—2011)》[16]选取区域半径计算公式计算影响半径：

(4)

(5)

式中：R为影响半径，m；H为潜水含水层厚度，m；K为含水层渗透系数，m/d；W为降水补给强度，m/d；μ为重力给水度，无量纲；t为排水时间,s。

计算所需的参数选取参照区域水文地质相关资料并结合现场钻孔资料以及岩石试验确定；降雨补给强度依据隧道区域年平均降雨量；含水层厚度从各隧洞纵剖面量取平均值；排水时间按隧道开工到施工完成约4年(表2)。

表2 解析法计算小高山隧道影响半径结果表

4.3 地下水环境影响数值模拟

本次模拟采用有限差分数值模拟软件Modflow，能直观反映地下水流场的变化，定量预测隧道施工排水对地下水环境的影响，从而分析隧道建设对地下水流场的改变特征，并模拟封堵措施对地下水环境的保护作用。

4.3.1 模拟区的概化及离散

对模型单元进行分区并简化，玄武岩地层作为相对隔水层处理，灰岩含水层和第四系冲洪积层作为含水层。

4.3.2 模拟结果分析

(1)初始地下水渗流场的拟合及参数反演

运用稳定流运算对地下水的初始渗流场进行拟合，模拟了模拟区地下水7 300 d(20年)中地下水的渗流场特性，模拟结果如图5所示。结果表明，地下水受到地形地貌及岩性条件控制明显。灰岩段地下水、局部浅层地下水受地形控制，向两侧溪沟排泄；深部地下水以梅雨河为排泄基准面，顺灰岩溶蚀裂隙及溶洞以泉的形式向河流排泄，这与灰岩和第四系冲洪积及冰碛层接触带泉十分发育基本吻合。非灰岩段总体上为相对隔水层，地下水分别向两侧河流及溪沟排泄，深部转为向渗透系数较大的灰岩段径流。区域最低地下水水位约2 400 m，最高约3 300 m。

图5 渗流场特征模拟分析图

(2)排水条件下渗流场特征模拟分析

在无封堵、全断面排水条件下，排水60，360，720 d渗流流场特征如图6所示。720 d后地下水渗流场基本达到稳定，隧道排水造成地下水位显著下降，隧道中部在纵向上最大降深可达500 m，平面上影响半径约为4 km。

图6 地下水位等值线图

与初始渗流场比较来看，隧道施工排水造成地下水位下降，灰岩地层中尤为明显，降位漏斗在纵向上的扩展在一定程度上与岩层构造密切相关，沿灰岩延伸影响半径大，灰岩两侧地层影响半径小，直至趋于稳定。

通过20年的非稳定流计算，得出隧道初期涌水量可达117 391 m3/d，主要消耗灰岩带静储量；等隧道排水稳定时，排水量约为45 330 m3/d。

(3)封堵条件下渗流场恢复特征模拟分析

采取相应的堵水措施及后期支护后，地下水位也将逐渐恢复。模拟隧道封堵一年后，地下水位具有显著的回升。图7(a)显示了对隧道封堵后，地下水位在360 d时隧址区地下水流场形态特征，较之前隧道施工排泄相比，地下水位明显抬升，降落漏斗显著减小。经过两年后，隧址区地下水流场已恢复大部分，如图7(b)所示，10年后，地下水位基本恢复至天然状态，如图7(c)所示。

图7 地下水位等值线图

与隧道施工前模拟地下水渗流场相比，经过封堵后的地下水水位依然降低，这主要由于隧道施工对一定地质时期内地下水储存静储量的消耗，使隧址区无法完全恢复原始状态。

整体来看，隧道施工对该区地下水环境影响较大。施工过程中若全断面施工无封堵时，将造成隧址区地下水位大大降低，可能造成大面积地表水枯竭、植被及生态环境破坏，若施工中采取地下水封堵措施，对隧址区地下水环境带来的影响将减小。

5 结论

(1)通过模拟计算及分析，得出隧道施工期最大涌水量为117 391.2 m3/d (初期)，最小涌水量为45 330 m3/d (稳定)；小高山隧道建设施工期间隧道排水量不大，不会导致区域地下水位下降，数值模拟计算表明，地下水降位漏斗最大影响半径可达4 km。施工期间隧址区地下水循环将受到一定程度的影响，甚至局部改变地下水流向。

(2)隧道排水引起地下水位变化的影响半径范围灰岩、白云岩地区较大，为699 m。砂岩、玄武岩地层，预测影响范围较小，为230～576 m。隧道进出口段埋深较浅，主要地层为砂岩、粉砂岩地层，影响范围较小。隧道在AK66+580至AK72+730段穿越灰岩、灰质白云岩地层，隧道建设影响范围较大，隧道建设过程中应加强防护，采取超前预报。

总体而言，小高山隧道建设不会产生较大的地下水环境问题，对隧道附近居民及上部生态的影响较小，因此，隧道建设是合理的、可行的。