八姑阿莫隧道地下水环境影响预测

王梓龙，吴昊宇，林华章，刘 浩

(1.西南科技大学 城市学院，四川 绵阳 621000； 2.四川省公路规划勘察设计研究院有限公司，成都 610059；3.中国三峡建设管理有限公司，成都 610000)

0 引 言

西昌至香格里拉(四川境)高速公路工程地处四川南部至云南的扬子准地台西侧，横跨康滇台隆和滇黔川鄂台拗两个二级构造单元，区域内山体山势陡峻，属于典型的高中山峡谷地貌，沿线主要水系为雅砻江及其支流。在地质条件复杂地区修建隧道工程可能对地下水环境产生较大的影响，因此有必要查明工程区域水文地质条件，详细调查和了解项目可能影响区域地下水的因素，找出项目建设的地下水环境制约因素，从而保证隧道建设对环境地下水影响最小[1-4]。

目前，在预测隧道工程建设对水环境的影响方面已有诸多学者展开研究。如郭淑娟等[5-6]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。董迎雯等[7-9]构建地下水数值模拟模型,利用观测水位校正模型，耦合污染物运移方程模拟预测评价滨海地区地下水环境影响。赵瑜等[10]对中梁山隧道水文地质进行分析，采用遗传算法优化BP神经网络并对渗透参数进行反演，研究隧道工程不同埋深、排水量对地下水环境的影响规律,并探究隧道施工期和运行期地下水环境随时间的演变规律。

1 研究区地质背景

1.1 地形地貌

八姑阿莫隧道位于四川省凉山彝族自治州盐源县，隧道全长约8 km，进出口高程约2 700 m，最大埋深约990 m，为深埋特长隧道，由东向西近直线穿越。隧址区受挽近期构造运动影响，属于深切割顶平坡陡高中山地貌，山脊一般为2 800～3 700 m，最高点高程为3 700 m，脊顶较为平滑圆缓(图1)。

图1 隧址区地貌

1.2 地层岩性及构造

隧址区出露第四系、三叠系和二叠系地层，各地层特征由新到老依次为第四系冲洪积层，三叠系长石砂岩、灰岩、二叠系砂岩、砾岩。

构造上隧址区属于盐源山字型构造体系，位于旱船背斜东侧，断裂构造发育，主要为麦加坪压扭性断裂、霍儿坪压扭性断裂及棉垭张扭性断裂(图2、图3)。

图2 隧道进口附近花岗岩

图3 隧址区构造略图

1)麦加坪压扭性断裂。断裂与隧道小角度相交，区内出露长16 km，走向北40°～50°东，断层面南东倾，倾角60°～70°，断层斜切上二叠统和三叠系。局部断层破碎带宽十余米，南东盘岩层均相对向北东移错，水平断距达数百米。断层的伴生成份以南北、东西两组扭节理最常见，沿破碎带多发育有小湖沼或山间小洼地。

2)霍儿坪压扭性断裂。断层由南东向延入隧址区，走向北20°～35°西，向北东倾斜，倾角60°～65°，为一逆断层。其发生于三叠系中，破碎带宽十余米。霍儿坪一带，断层崖沿北北西向展布，下盘灰岩中走向北25°西，以15°倾角缓缓向南西倾斜的张节理十分发育，指示对盘为仰冲盘；糯米嘴东，断层发生于中三叠统盐塘组中，上盘引捩褶皱极清晰。该断层与其再次构造棉垭断层相伴而生，于梅雨公社南并为其交切，对盐源盆地的形成起控制作用，使该盆地西缘出现两级阶梯，形似地堑。

3)棉垭张扭性断裂。断层延伸、规模均与霍儿坪压扭性断裂相仿，由南东向北西横贯全区，断面亦向北东倾斜，倾角60°～65°，为一正断层，属于霍儿坪压扭性断裂的再次构造断裂。

2 地下水类型及径流特征

根据地下水的赋存条件和水动力条件等，隧址区地下水可分为第四系松散堆积层孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水和碳酸盐岩类裂隙溶洞水，以碳酸盐岩类裂隙溶洞水为主(图4、图5)。

图4 八姑阿莫隧道水文地质平面图

图5 八姑阿莫隧道水文地质剖面图

2.1 第四系松散堆积层孔隙水

主要分布于盐源盆地内，含水层以黏土质砾卵石层为主。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，且补给来源也不充裕，所以地下水不甚丰富。由于隧址区含水层分布面积较小，四周被切割，地下水难于储存，很少有水点出露，历经短途径流以面状隐伏片流形式排泄到浩水河，因而通常具有径流途径短和就近补给、就近排泄的特点。

2.2 碎屑岩类孔隙裂隙水

主要分布于盆地外围山区，岩性为长石砂岩、长石石英砂岩及砾岩，间有少量碳酸盐岩夹层。隧址区碎屑岩类孔隙裂隙水主要接受大气降水入渗补给，其次为高山融雪补给。据地层裂隙统计，构造裂隙和风化裂隙发育，面裂隙率达1%～3%，构造带高达7%，赋存裂隙水。碎屑岩类孔隙裂隙水接受补给后，向附近沟谷及河流排泄，主要排泄方式为隐伏裂隙流，因而通常具有径流途径短和就近补给、就近排泄的特点。

2.3 碳酸盐岩类裂隙溶洞水

碳酸盐岩类裂隙溶洞水广泛分布，为隧址区主要的地下水类型，按富水性分为大泉暗河强发育和中等发育两级。

1)大泉暗河发育的。含水层岩性主要为厚层块状灰岩、白云质灰岩，显微粒-细粒结构。岩溶发育，暗河流量普遍大于10 L/s，地下径流模数大于3 L/s·km2，矿化度一般0.1～0.2 g/L，属于重碳酸钙钠型水。

2)大泉暗河中等发育的。含水层岩性以粉砂岩为主夹泥质灰岩、白云岩，碳酸盐岩厚约占30%，其厚度与岩相变化特大。但碳酸盐岩夹层岩溶发育，尤其中上部在隧址区棉垭一带出露多层质地较纯的灰岩、白云质灰岩，层厚50～150 m不等，而使灰岩在地表广泛出露，为岩溶发育创造了良好的条件。因此，隧址区面裂隙率高达9.8%，较有利于地表水渗入。

隧址区可溶岩地层裸露，地表垂直岩溶形态发育，为地下水的渗入提供了良好的条件，降雨绝大部分迅速渗入地下转化为地下水。地下水的运动往往受构造所控制，埋藏于溶隙与无压孤立管道中，顺构造线向河谷作紊流运动。在隧址区中部一带，因岩溶水处于补给径流地带及排泄地带，地下水以垂直运动为主兼具水平运动，即属岩溶水的垂直循环带兼水平循环带运动。水力坡度较大、交替循环积极，流速快，水流畅通，地表严重缺水，这一地区地下水的埋深变化大。

区内岩溶地层与非可溶岩相间分布，断裂纵横发育，岩溶水以岩溶裂隙泉水、岩溶大泉、暗河形式主要沿断裂带、断裂交叉处及可溶岩与非可溶岩接触带及溪沟两侧出露。

3 地下水资源量计算

3.1 水文地质单元划分

隧址区穿越地层主要为灰岩、白云质灰岩及粉砂岩地层，考虑到隧址区主要为碳酸盐岩地层，并根据水文地质调查、流域流量测定、区域资料类比等方法，结合地层岩性特征，将隧址区水文地质单元划分为不同的水文地质单元(图6)。根据隧道水文地质单元分区图，圈定隧址区汇水面积为175.86 km2。

图6 八姑阿莫隧道水文地质单元分区图

3.2 水资源量计算

地下水汇水量计算区域主要为隧道沿线区域，包括Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ的所有小区，计算时以降雨入渗系数法确定地表径流量及渗流量。计算公式如下：

(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。

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、地形地貌及植被等因素有关。本次参考《铁路工程水文地质勘查规程》(TB10049-2004)(表1)，并考虑计算流域的岩性、形态、植被发育情况，确定降雨入渗系数的计算值。

根据勘察，隧址区出露第四系砂砾卵石层降雨入渗系数取值0.24～0.30；三叠系砂岩、粉砂岩地层降雨入渗系数取值0.05～0.08；白山组灰岩地层降雨入渗系数取值0.20～0.50，盐塘组粉砂岩地层降雨入渗系数取值0.15～0.20；青天堡组长石砂岩地层降雨入渗系数取值0.08～0.12。各区入渗系数具体取值见表2。

表1 降水入渗系数经验数据

表2 各区计算结果表

2)汇流面积确定。本次计算以地形图为参考，按水文地质块段分区图中以分水岭和岩性圈定汇流面积计算汇流量。各区的汇流面积见表2。

3)降雨量的确定。根据隧址区多年的气象资料，该区平均降雨量963 mm/a，即0.11 mm/h。计算结果见表2。从表2中可以看出，本次划定水资源量计算范围262.32 km2，该区总水资源约8 015.33 L/s；地表总径流量(Q1)7 147.34 L/s；地下水径流量(Q2)867.99 L/s。由图6可知，隧道穿越段(主要影响块段)含水层主要为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区域，该类型含水该区域地下总资源量为273.54 L/s，平均地下水径流模数均值约为1.5 L/s·km2。

4 隧道地下水环境影响预测

4.1 隧道涌突水计算与分析

隧道涌水量除受水文地质条件控制外，还具有季节性变化大的特点。因此预测隧道涌水量时，需分别计算正常涌水量与雨季最大涌水量值。涌水量预测正确性，主要取决于对隧道充水条件的正确分析及计算参数和计算方法的合理选用。根据取得的资料及对隧址区水文地质条件的了解，拟选取大气降雨入渗系数法、地下水径流模数法及地下水动力学法对隧道涌水量进行分段评价。

4.1.1 大气降水入渗法

根据实际调查，该区降雨入渗系数平均值取0.07，该区多年平均降水量为963 mm，集水面积根据河流边界等条件圈定为25.7 km2。采用大气降水入渗法计算公式带入各项参数可得涌水量。

Q=2.74·λ·N·A

=2.74×963×0.07×25.7

=4 746.9 m3/d

(3)

式中：λ为降雨入渗系数；Q为预测隧道正常涌水量，m3/d；A为隧道通过含水体地段的集水面积，km2；N为年平均降雨量，mm/a。

此次计算的涌水量Q是年平均日量，实际区域降水存在时间与空间的分布不均，降水主要集中在6-8月份，如果选择雨季施工涌水量比值会更大。

4.1.2 地下水径流模数法

根据《铁路工程水文地质勘察规程》(TB10049—2004)的规定，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。

Qs=86.4MA

(4)

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3 330.72 m3/d，最大涌水量为1.5×3 330.72=4 996.08 m3/d。

4.1.3 地下水动力学法

采用《铁路工程水文地质勘察规程》中的计算公式：

Qs=LKH(0.676-0.06K)

(5)

Q0=L(0.0255+1.9224KH)

(6)

式中：Q0为隧道初期可能最大涌水量，m3/d；Qs为隧道经常涌水量，m3/d；K为岩体的渗透系数，m/d；H为含水层中原始静水位至隧道底板的距离，m。

4.2 解析法计算隧道影响半径

地下水动力学法计算隧道稳定涌水量为2 041.36 m3/d，最大涌水量为6 041.08 m3/d。计算结果见表3。

表3 地下水动力学法计算隧道涌水量表

地下水动力学法又称解析法，是根据地下水动力学原理，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，从而达到预测隧道影响范围的目的。《环境影响评价技术导则——地下水环境》(HJ610-2011)推荐排水渠和狭长坑道线性类建设项目的地下水水位变化区域半径计算公式如下：

(7)

(8)

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。

隧道长9 235 m，穿越不同类型水文地质单元，受地层岩性、构造等因素的影响，不同单元参数各不相同。本次计算所需的渗透系数(K)、重力给水度(μ)等参数的选取参照区域水文地质报告中的相关资料，并结合隧道附近已有钻孔资料以及岩石试验确定；降雨补给强度(W)依据隧道穿越区区域内西昌市多年平均降雨量；含水层厚度(H)从各隧洞纵剖面量取平均值；排水时间(t)预计隧道开工到施工完成约4年(表4)。

表4 解析法计算隧道影响半径结果表

4.3 隧道施工对地下水循环系统的影响

4.3.1 隧址区地下水系统分析

根据岩性、构造以及区域分水岭特征，隧址区地下水系统可划分为浅层碎屑岩类裂隙孔隙水含水带、深部块状裂隙含水带。

1)浅部含水带。浅层地下水含水带主要受地表分水岭以及风化裂隙发育深度程度控制，具有潜水含水层特征，一般水位埋深20～80 m，这种类型的含水系统主要分布于隧道进出口段以及地表浅部循环带。

2)深部含水带。深部构造裂隙水含水带，隧道进口段穿越大片侵入岩及砂、泥岩地区，根据钻孔资料花岗岩风化带主要分布在浅表，在深部50～100 m以下风化作用微弱，主要为构造裂隙，随深度的增加裂隙发育减弱。但在隧道穿越断裂带附近，地下水在砂岩、泥岩为主的碎屑岩地区受断裂及构造的影响，裂隙较为发育，提供了一定的储水空间，利于地下水下渗补给，隧道揭露该地段可能出现涌水、突水现象。

4.3.2 隧道施工对隧址区地下水流场的影响

根据隧道穿越地下水水系统情况，结合对地下水环境影响预测的结果，分析隧道施工对地下水循环系统的影响。隧道进出口段，位于地下水浅层含水带，隧道施工可能疏干一定范围内的地下水，但范围有限。随着隧道的掘进，埋深增大，隧道穿越深部含水系统，因为花岗岩地区地下水富水较差，故对花岗岩地区深部水循环系统影响较小。隧道穿越多条断裂带，在断裂带及断裂带附近，由于受断裂影响，岩石破碎，提供一定的储水空间，隧道施工揭露断层带，可能引起涌水、突水，导致区域地下水位下降，形成降位漏斗。隧道出口段由于地层属于弱含水系统，地下水含水性较差，隧道施工对地下水循环影响较小。

总的说来，八姑阿莫隧道施工对隧址区地下水系统有一定的影响，但影响范围较小、可控。

5 结 论

八姑阿莫隧道隧址区地质构造比较复杂，主要断裂构造有麦加坪压扭性断裂、霍儿坪压扭性断裂和棉垭张扭性断裂，褶皱构造不发育；断裂对八姑阿莫隧道有一定影响。区内裂隙主要为风化裂隙和构造裂隙，且具有一定的开启性，为地下水的储存和运移提供了良好的空间条件。

隧址区地下水类型主要为第四系松散岩类孔隙水、碎屑岩类孔隙裂隙水和碳酸盐岩类裂隙溶洞水。

地质背景比较复杂，隧址区发育白山组(T2b)、盐塘组(T2y)岩溶地层，容易出现较大涌水，建议进行封堵，以保护隧址区地下水环境。

隧址区地下水资源量计算得出地表水总径流量(Q1)3 622.01 L/s；地下水径流量(Q2)1 173.77 L/s，约合101 413 m3/d。解析法计算得出，隧道建设的影响半径为5.33～880.93 m。隧道施工期最大涌水量为9 756.29 m3/d，正常涌水量为6 504.19 m3/d；隧道建设施工期间隧道排水量不大，对隧道施工及隧址区地下水环境产生的影响都较小，对隧道附近居民及上部生态的影响也较小。因此，隧道建设是合理的、可行的。