滇西老营特长隧道水文地质特征及数值模拟分析

袁荷娟，蓝宇骋，李窈靓

（云南省交通规划设计研究院有限公司，云南 昆明 650200）

老营特长隧道是保泸高速公路的控制性工程，为分离式隧道，左幅隧道长11505m，最大埋深1259.03m；右幅隧道长11515m，最大埋深1255.01m，隧道横穿怒山山脉。保泸高速的修建对完善国家高速公路网布局、提高云南省干线公路网主骨架技术等级结构、发挥高速公路在综合运输系统中的功能，具有重要意义。

老营隧道穿越的主要以沉积岩类地层为主，大多呈带状展布，以岩层倾向与坡向一致为主要特征，分布有第四系（Qp）、泥盆系（D1）、志留系（S2）、奥陶系（O1、O2、O3）、寒武系（∈3b），以砂岩、粉砂岩、页岩、泥岩、灰岩、白云岩为主，其中D2、S3及∈3b为碳酸盐岩地层，如图1所示。隧道进口段西北侧及出口段西侧岩溶中等发育，洞身段穿越地层岩溶弱发育，总体浅表多发育溶沟、溶槽，局部少量溶隙、溶孔及小规模溶洞。

隧址区地质构造强烈发育，位于澜沧江断裂带和怒江断裂带之间，两大断裂构成了隧址区外围边界。区内断层亦发育，多见SN向及其伴生的NE和NW向断层，受NNW向构造带右行扭力叠加的影响，NW向断裂多呈压扭性，NE向断裂多呈张扭性质。此外，尚有EW向构造发育，其活动时期跨度也较大，形成与上述NNW及SN向断裂相互切割破坏的局面，对岩体结构影响大，特别在断层破碎带及影响带裂隙发育，连通性良好，地下水存储空间大。因此，查明隧址区的水文地质特征，分析隧道开挖发生涌水灾害风险十分重要[1]。

1 隧址区水文地质特征

隧址区内在断裂带邻近处和核桃坪复式背斜，未揭露呈规模发育的泉群或暗河，泉水流量一般为1～20l/s，最大为50l/s。隧址区地下水化学成分阴离子以HCO3-为主，含量一般＜150mg/l，SO42-和Cl-离子含量较少，一般2～7mg/l；阳离子以Ca2+离子为主，含量一般为10～60mg/l，Mg2+、Na+次之，含量＜30mg/l。地下水化学类型以HCO3-Ca、HCO3-Ca·Mg型为主。隧道西侧泉水pH值较东侧及北庙水库稍高。北庙水库上游溪沟及隧道入口处溪沟补给北庙水库，水质与北庙水库水质大致一样，均为中性低矿化淡水。

隧址区水文地质单元划分：一级单元以怒江水系与澜沧江水系的地表分水岭为边界；二级单元主要以构造形迹控制，由于区内NNW向、NW向及SN向断裂，具有压性及压扭性，两盘岩体破碎，多见糜棱岩，具有较好的阻水作用，但由于挤压作用强烈，断裂上盘（上升盘）裂隙较下盘（下降盘）发育，地下水相对富集；三级水文地质单元根据含水层组富水性划分。隧址区地下水多赋存于沿斜坡的浅表部风化裂隙带内，除局部深埋构造裂隙富水外，厚度一般不超过120m，以潜水为主，在该带内地下水赋存贫富特征与岩性组合状况相关。页岩等软质岩石以风化裂隙密集发育为特征，但裂隙多闭合，延伸短促，切层性差，不利于地下水的赋存和运移；而砂岩、灰岩等硬质岩石，虽裂隙发育不密集，但裂隙延伸远，切层性好，且有一定的开启程度，有利于地下水的存储，所以该类岩层富水性一般较好。

图1 隧道地质纵断面示意图（图左为进口端，保山方向）

隧道区地下水主要受大气降水（包括冰雪融化水）入渗补给，局部箐沟等地表水入渗补给。大气降水到达地表后，被地表植被及松散覆盖层涵储，部分在地形低洼处流出，汇入溪沟；部分通过裂隙、溶裂渗入下伏岩体，向下游地区运移，在较远处再排入沟底。同时受EW向、SN向及环状构造体系的影响，多种改造形迹明显，如所形成的多处棋盘状岩溶断块，各水文地质单元并非孤立的绝对水系统，局部呈现一定的水力联系特征。

对于岩溶水，总体上隧址区在分水岭地带和Ⅰ、Ⅱ级剥夷面上，即高程2800m以上地带，地表多见溶芽、溶沟、溶蚀裂隙及少量的漏斗等垂直的岩溶形态分布。地下水位埋藏深，极少见泉水出露，为岩溶水的补给区。Ⅲ、Ⅳ级剥夷面分布在2300～2800m的高程上，相对保存完整，地表见有洼地、漏斗及落水洞等，地下水位埋深较浅，在冲沟及坡脚等低洼部位，地下水以泉水或散流形式排泄，为岩溶水的补给径流区。在1700～2300m地带，分布Ⅴ级剥夷面，地表见有裂隙型溶洞和溶蚀裂隙，地下水在剥夷面或地势有利部位以泉水形式排泄，泉水流量大，为岩溶水的主要排泄区，也是岩溶地下水的富集地带。而1700m以下岩溶不甚发育，反映了近期地壳上升强烈的状况，致使岩溶发育速度滞后于河流下切速度，未能使大量的泉点位置随侵蚀基准面的下降而降低，仍高悬于1700m以上，此为该隧址区岩溶发育的独特之处。

2 隧道涌水量数值模拟

2.1 模拟区的概化及离散

根据老营隧址区的水文地质条件，将模拟区东侧范围拟定在隧道进口东河，西侧范围拟定在隧道出口红木岭断裂，南侧范围为北庙水库，北侧外扩约1km，建立空间三维模型，如图2所示。根据隧址区岩土体介质不同的渗透特性对其赋值。

图2 隧址区地下水渗流场的空间三维概念模型

模型X方向取隧道轴线走向方向，长约17000m；Y方向取构造线走向方向（近于垂直于隧道线走向），宽约10000m；Z方向为隧道垂向埋深方向，以0m为基准点。模型平面上范围为（17000×10000）m2，采用等间距100m网格进行剖分，局部网格加密，垂向分层30层，离散化模型如图3所示。

2.2 模拟区边界条件

岩土体中地下水渗流的特点通过渗透介质的空间结构特征来描述，其概念模型是建立岩土体渗流数学模型的基础。在实际工作中，有些单元水头值已知，而有些单元可能位于所研究的问题边界之外，为此，Modflow将计算单元分成了3大类：定水头单元、无效单元和变水头单元[2-4]。

图3 隧址区地下水渗流场的空间三维模型离散化

文章模拟区东侧东河为地下水的排泄边界，东河以东的区域与研究区的地下水没有直接的水力联系，设置为无效单元区，南、西、北三侧为地下水的渗流边界，如图4所示。

图4 模拟区边界条件

2.3 含水介质的渗透特性取值

本次模拟采用稳定流的模拟计算方案。因此，需重点确定的是含水介质的渗透特性，参数取值参考了区域水文资料，同时考虑到地表覆积物、地质构造等对本区地层渗透性的影响，在平面上做了渗透系数不同分区，在垂直方向上对渗透系数做了一定的修正。模拟区不同含水介质的渗透特性取值如表1所示。

表1 岩土体渗透特性取值表 单位：m/d

2.4 模拟结果分析

（1）初始地下渗流场的拟合及参数反演。首先对地下水的初始渗流场进行稳定流运算，模拟计算了7300d。在该区高山峡谷地貌条件控制下，地下水快速运移，并向东西两侧的地表河流边界处发生排泄，如图5所示。该区断裂构造多为逆断层，具有明显的阻水作用，表现为等势线在断裂部位较集中。隧道中部高山一带，地下水埋藏较深，最大可达1400m，局部以承压水形式赋存，最高水头约2800m。图5中显示无地下水渗流通过的干单元分布区，以及靠近地表沟谷一带的地表水流单元。从地下潜水位与隧道的位置关系来看，隧道大部分洞段位于地下水位以下。可见，地下水的埋藏、径流及排泄等特征受地形及断裂构造控制明显，符合地下水渗流场的一般规律，参数选取较可靠[2-3]。

（2）隧道排水条件下地下水渗流场模拟分析。隧道底板高程为1688～1834m，大部分洞段位于地下水位以下，施工过程中，隧道的进出口浅埋段及穿越以灰岩、白云岩为主的01、02地层洞段易发生涌突水害。通过20年（7300d）的稳定流模拟计算，隧道施工期产生涌突水灾害的洞段达到稳定排水时，总涌水量约为11904m3/d。老营隧道各段涌水量预测如表2所示。

表2 隧道涌水量数值模拟法预测结果

图5 拟合初始渗流场中隧道位置处地下水流网特征

3 结束语

老营隧址区地下水受构造控制明显，局部受富水岩层影响，呈现一定水力联系。隧道施工期稳定总涌水量为11904m3/d，在无封堵条件下，隧道排水经过2.66年达到稳定，降位漏斗在纵向上的扩展受阻水断裂影响，地表小型沟谷水流局部被疏干，但对北庙水库总体影响微弱。