基于GMS数值模型的隧洞施工对地下水环境影响预测研究

李银泉 陈长生 张海平

摘 要  工程隧洞施工不仅可能存在因突涌水导致的安全隐患问题，而且还会在一定程度上破坏工程区地下水渗流场平衡，影响地下水的正常循环，存在影响或疏干地下水而导致的环境影响问题，处置不当还可能造成严重的环境影响及社会稳定问题。本文以滇中引水工程某深埋长隧洞为依托，采用GMS数值模型对不同施工工况下隧洞涌水量、地下水水位变化、主要泉点影响程度、运行期水位恢复情况等进行预测研究，为合理评价隧洞工程建设可能导致的地下水环境影响程度、研究制定渗控标准等提供合理、准确、可行的依据。

关键词  地下水环境影响;GMS;隧洞施工;预测 ;滇中引水工程

中图分类号：X523                     文献标识码：A

Abstract： Tunnel construction is not only the safe potential risk that may be caused by sudden flood water problems，but also to a certain extent，destroy the existing groundwater seepage field balance，affect the normal cycle of the groundwater，influence or drainage of groundwater environmental impact caused by the problem，improper disposal can also cause serious problems of environmental impact and social stability. This paper，taking a deep water diversion project in Yunnan long tunnel as the backing，the GMS numerical model is adopted to different construction conditions influence radius of tunnel water inflow，water level changes of main stream points influence degree，operation period were used to predict the water level recovery，etc，for reasonable evaluation of tunnel engineering construction may lead to groundwater seepage control standards in the environmental impact，the research provides the basis of a reasonable， precise and feasible.

Keywords： groundwater environmental impact; GMS; tunnel construction; prediction; water diversion project in Yunnan

隨着国家实施西部大开发战略进程的加快，西南地区的水利水电工程建设项目越来越多。其中水利工程中为了引调水，常以水工隧洞的型式穿越山体，水工隧洞总体呈现出“长、大、深”的特点，代表性的有引大入秦工程、引黄入晋工程、新疆ABH隧洞等引调水工程[1-3]。工程隧洞施工，特别是岩溶富水隧洞施工极易引起周围区域的地下水环境改变。隧洞开挖形成地表水及地下水汇流新的排泄通道，不但造成施工涌突水隐患，而且扰动天然地表水及地下水环境[4] [5]。因此，国内外专家学者一直在对工程建设引发周围地下水环境影响进行预测研究。一方面从宏观上以现状和长期预测的思路横向指出隧洞施工可能引发的地下水环境改变问题，另一方面以具体隧洞实例进行分析，纵向系统的研究其引发的地下水环境影响[6]。地下水环境影响预测方法国内外专家学者也提出了一系列的评价和研究方法，主要包括数学模型法和类比预测法。数学模型法中的数值法是目前地下水环境预测主要的发展趋势。数值法以其直观、全方位、精度高、灵活性高的特点被广泛运用于地下水相关领域。

本文以滇中引水工程某深埋长隧洞为依托，以GMS为平台，结合其地下水含水介质特性、岩体水文地质结构、地下水流动系统特征、地下水化学及其环境特点建立三维渗流场数值模型，对隧洞涌水量及对地下水环境影响程度进行预测研究，为合理评价隧洞工程建设可能导致的地下水环境影响程度、研究制定渗控标准等提供合理、准确、可行的依据。

1  工程及地质背景条件概况

滇中引水工程是云南省经济社会可持续发展的战略性基础工程，拟从金沙江干流石鼓河段取水，工程多年平均引水量34.03亿m3。本文所涉及的深埋隧洞全长约62km，最大埋深约1450m，埋深大于600m洞段占隧洞总长的67.38%，属于典型的深埋长隧洞。

该隧洞地处横断山脉与滇中高原交接部位，跨越金沙江与澜沧江分水岭，地形起伏较大，隧洞区构造背景及岩溶水文地质条件均极其复杂，穿越多条活动断裂、多段岩溶地层和多个岩溶水系统、以及泥页岩等软弱地层。涉及的工程地质、水文地质及环境地质问题众多。其中线路地表涉及可溶岩地层分布长度29.703km，占比47.45%，隧洞穿越可溶岩地层长度17.866km，占比28.54%，沿线可溶岩地层分布有一系列岩溶泉，这些泉水是当地人民生活和工农业生产、以及生态补水的主要补给水源。

2  模型的建立

2.1 水文地质概念模型

水文地质模型评价区面积约1575km2，包含了5个岩溶系统：白汉场、拉什海、文笔海、清水江-剑川、鹤庆西山岩溶系统。地下水主要赋存于灰岩和局部的第四系中，导水通道主要为导水性断层和岩溶管道。浅层水的补给来源主要为降水，开采、蒸发、泉为主要排泄途径。深层水补给来源主要来自上层下渗、区域地下水的循环，开采、泉和侧向排泄为主要排泄途径。将评价区地下水水流系统概化为非均值各项异性三维流动系统[7]。根据区内发育的主要泉水点、河流及主要断层，对研究区进行了三维渗流模型概化，边界区域与边界类型设置如图1。

2.2 数学模型

根据水文地质概念模型，研究区岩溶含水层含水介质以裂隙为主，地下水流符合达西定律。将研究区地下水概化为非均质、各向异性的稳定三维地下水流系统。可用如下微分方程的定解问题来描述：

式中：H为地下水水头，m;Kx，Ky，Kz，为x，y，z方向渗透系数，m/d;W为单位时间从单位体积含水层流入或流出的水量，1/d;ε为单位时间在垂向上从单位面积含水层自由面流入或流出的水量，m/ d;H1为各层边界水位，m;q为含水层第二类边界单位面积过水断面补给流量，m/d;Ω为渗流区域;B1为水头已知边界，第一类边界;B2为流量已知边界，第二类边界;B3为自由面边界;n为渗流区边界的单位外发线方向。地下水流场的初值设置为地表标高。

2.3 数值模型

此基础上，地下水数值模型采用GMS10.2软件进行数值离散（图2）。岩体渗透系数根据压水试验和振荡试验结果进行取值。对于非饱和带岩体的渗透系数以及钻孔未揭示的岩体的渗透系数，需要采用类比和反演的方法来确定。利用隧洞区水位长观孔的长期观测资料、主要泉流量值和已经开工建设的多条施工支洞涌水量监测值等资料，对模型及参数进行调整与修改。通过拟合发现，总体上观测值与计算值相差较小[8] [9]。

3  隧洞灌浆防渗不同工况拟定

模型拟结合以下三种工况预测不同工况下的隧洞涌水量、地下水水位变化和主要泉点影响程度等。

工况一：天然裸洞;

工况二：部分灌浆（对裸洞涌水量q>3m3/m*d 洞段实施普通灌浆，灌浆标准1×10-5cm/s）;

工况三：二次灌浆（对普通灌浆后涌水量q>3～5m3/m*d洞段修改为磨细水泥灌浆，灌浆标准5×10-6cm/s;对普通灌浆后涌水量q>5m3/m*d洞段修改为化学灌浆，灌浆标准1×10-6cm/s）。

4  隧洞施工对地下水环境影响预测

4.1 隧洞涌水量预测

隧洞施工贯通后全隧洞排水的情况，根据数值模拟计算结果，统计了隧洞各岩性分段在不同工况条件下的涌水量，隧洞在各工况条件下的总涌水量见表1。

裸洞工况下隧洞涌水量较大，总涌水量达到4.496m3/s（枯水期）、4.962m3/s（丰水期）。涌水量较大的洞段为岩溶水系统段、区域性断层影响带以及向斜（背斜）影响段;在二次灌浆后，涌水量明显减小，总涌水量减小为1.398m3/s（枯水期）、1.426m3/s（丰水期），降幅达到60%以上。

为进一步分析隧洞开挖对隧洞区地下水总径流量的影响，分别统计了隧洞开挖涌水量与地下水总径流量占比（表2）。

在天然裸洞施工工况下，地下水径流量变幅占比约18%。采用防渗灌浆措施后，径流量变幅变小。二次灌浆（工况三） 后，径流量变幅占比降到约5%。

4.2 地下水水位变化预测

为定量计算隧洞排水疏干可能引起的地下水位的變化，通过所建的地下水渗流模型，结合MapGis的高程叠加功能，分别计算了不同工况下的水位下降和影响范围。枯水期和丰水期不同工况下隧洞开挖地下水水位下降影响可见表3和图3、4天然状态（裸洞）下隧洞地下水位变化及影响宽度较大，地下水位降深最大范围300～500m，最大影响宽度5～7km。隧洞在采取工况三防渗措施后，其地下水位降深范围及影响宽度减小明显，地下水位降深最大范围减小为150～200m，减幅约50%，最大影响宽度减小为3～5km，减幅约40%。

4.3 主要岩溶大泉影响程度预测

隧洞区域可溶岩地层分布广，地下水环境影响敏感，隧洞穿越的马耳山两侧盆地（鹤庆盆地和剑川盆地）山脚岩溶大泉分布密集。根据隧洞穿越区水文地质结构，主要泉点的分布位置，以及隧洞与泉点在平面和垂向上的位置关系，通过数值模拟计算，预测了在不同工况下枯水期和丰水期主要岩溶泉点的影响程度。不同工况下主要泉点影响程度可见表4。

由预测结果可知，裸洞施工工况下对距离隧洞较近的泉点影响较大，会疏干部分泉点，如清水江村泉。其余影响较大的泉点有黄龙潭（影响程度大于20%），东山寺泉、水鼓楼泉、蝙蝠洞等（影响程度大于10%）;二次灌浆工况下对各泉点影响显著下降，影响较大的泉点有清水江村泉（影响程度大于20%），对于其它泉点影响均减小至5%以下。

4.4 运行期水位恢复情况预测

在开挖完成后，地下水位下降和地下水量的疏干或外排过程将结束，且会因为降雨入渗和侧向补给等补给通道的输入，进入地下水恢复过程。为计算区域地下水位恢复时间，建立相应区域地下水渗流场的非稳定模型，以开挖后的渗流场为初始条件，计算地下水渗流场恢复的程度和时间，以枯水期为例展开说明。

图5为隧洞地下水位分别恢复2年和5年后的地下水渗流场情况。 由计算预测结果可知，隧洞完全封堵后，在恢复5年后地下水渗流场可基本恢复至开挖前的状态。需要说明的是，以上计算是基于最为理想的边界条件和补给条件下的恢复时间，实际的地下水水位线很难100%恢复至初始状态。

5   结论

本文以滇中引水工程某深埋长隧洞为依托，通过建立GMS数值模型对不同施工工况下隧洞施工的涌水量、地下水水位变化、主要岩溶泉点影响程度、运行期水位恢复情况等进行了预测。

通过预测，在裸洞施工工况下对地下水环境影响较大，隧洞涌水量占比地下水总径流量的18%左右，地下水位降深最大范围300～500m，最大影响宽度5～7km，对距离隧洞较近的泉点影响较大，会疏干部分泉点。

在采用防渗灌浆措施后，效果明显。二次灌浆（工况三） 条件下，预测隧洞涌水量占比地下水总径流量减小到5%左右，地下水位降深最大范围减幅约50%，最大影响宽度减幅约40%，对主要岩溶大泉的影响均降到了5%以下。

隧洞施工对地下水环境影响的研究贯穿于从勘察设计到施工、运行的整个过程，本次预测研究为制定渗控标准等提供了合理、准确、可行的依据。在施工过程中需要对设计阶段的计算成果不断地进行反馈修正，以完善预测的准确率，更好地服务于施工，为地下水环境保护和施工决策提供科学依据。

参考文献/References

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[2]戴文亭，白宝玉.我国隧道及地下工程发展现状和前景展望，东北公路，2000 （4）：90—92.

[3]潘家铮，何憬.中国大坝五十年[M] .北京：中国水利水电出版社， 2000.

[4]唐運刚.基于解析法的隧洞施工对地下水环境影响预测[J].人民长江， 2018， 49（8）：67-71.

[5]蒙彦，雷明堂.岩溶区隧洞涌水研究现状及建议[J].中国岩溶，2003，22（4）：287-292.

[6]龚星，陈植华，孙璐.地下水环境影响评价若干关键问题探讨[J].安全与环境工程，2013，20（12）：95—99.

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[9]徐栋栋，邬爱清，孙玉杰.某水电站引水隧洞突水数值模拟[J].长江科学院院报.2010（08）.