隧道影响浅层泉点的量化方法

高 楠 毛邦燕 张广泽 徐学渊

（中铁二院工程集团有限责任公司，成都 610031）

随着西南地区铁路建设的快速发展，隧道在修建过程中常需要穿越错综复杂的含水岩组，特别是在穿越可溶岩段落时，容易引发一系列水文地质问题与地下水环境负效应［1］。其中最突出与直观的是隧道工程对泉点的疏干和减流的效应。近年来，环境问题得到重视，越来越多的学者开始研究隧道建设引起的地下水环境负效应。受限于复杂多变的水文地质条件，岩溶地区隧道地下水涌水问题是长期以来的水文地质难题，而隧道涌突水对地下水环境影响的预测更为困难，这主要是由于对岩溶水系统的划分认识的不足和隧道对地下水环境影响范围定量判定方式的局限性造成的。

在天然条件下，地下水循环分为补给、径流、排泄3 个环节，泉点为地下水排泄的一种形式。隧道修建后作为临空面形成集水廊道，使隧道周围地下水有了新的汇势，地下水位下降，影响泉点地下水循环。从地下水动力学角度分析，泉点作为汇点1，隧道作为汇点2。若两汇点汇势范围在空间上存在交集，那么汇点2 将会对汇点1 造成影响。然而，两汇势在三维空间中的形态刻画比较困难，若忽略汇势场中垂向分量，将汇势范围投影在二维的平面，则判断两汇势范围有无交集将更为直观和方便。

将单个泉点看作独立的岩溶水系统，“泉域”则表征子系统边界范围内的区域面积，也就是泉点的汇势范围［2］。大尺度的岩溶水系统的岩溶水文地址条件往往很复杂，查明整个地下水的循环难度较大。因此，研究大区域的岩溶水系统时，往往将其划分为数个小尺度的岩溶水系统进行分析［3］。美国水文地质学家Tóth［4］在水力连续性概念的基础上，指出流域盆地中地下水位存在高程差，在重力驱动下可以自组织地形成嵌套式多级次水流系统；钟玲敏［5］认为川东高陡背斜岩溶区在不同切割深度的排泄基准面控制下形成多级地下水循环系统；李潇［6］通过分析重庆铜锣峡背斜与贵州铜锣井水文地质条件，将次背斜构造体系控制下的浅层岩溶水系统细分为4 类小尺度模式：隙流集排型、隙流散排型、管流集排型、隙-管流集排型，并对各模式岩溶水系统特征做了精细刻画和对比分析。

众多学者针对地下水影响范围做了大量的研究。早在1863年，法国学者Dupuit 在圆岛模型（即Dupuit模型）中提出了“可渗透环岛半径”。在此基础上，德国学者Thiem［7］通过近似假设对上述模型进行修改，把“环岛模型”在无限均值含水层中应用，即Theim 模型，建立了Dupuit-Thiem 潜水径流公式，并提出了现实中降位漏斗范围的确定方法：从井壁到观测不到水位下降的点之间的水平距离［8］。美国学者Todd［9］更加形象地将其改称为“影响半径”；后人根据其见解创立了许多“R”的计算公式，其中最常用的就是库萨金公式及奚哈德公式；Bear［10］首次提出在概念上将其明确为一个水文地质参数。自此，影响半径在实际工程中得到了应用，但学者对影响半径的概念及其应用存在争议［11］。以上研究讨论的是影响范围的理论基础及规律，对实际工程应用仍缺少直接的判断依据和具体方法。

本文选取岩溶地区浅层地下水排泄点（以下简称“泉点”）作为研究对象，归纳总结泉点的补给、径流及排泄的特征和模式，并引入“泉域”概念，探讨隧道工程对泉点的影响形式及半定量化其影响程度，最终结合工程实例分析其实用性，以期为隧道工程对泉点的影响评价提供参考。

1 泉域范围

在岩溶地区，相较于深层岩溶水循环中复杂多源的补给方式及长距离的径流途径，局部浅层岩溶水的循环模式更简单、更易于探查，并且更容易受到隧道工程的影响。浅层岩溶地下水在特定的岩溶地貌单元中接受降雨补给，以管道或裂隙等方式进行径流，然后在就近高程较低的位置以泉和暗河两种方式出露和排泄，形成了稳定的天然地下水资源。

水文地质学者根据泉点出露形式将其分为接触（带）泉、侵蚀泉、溢流泉及断层泉4 种类型［12］。泉域形态主要受地下水补给区与径流上游区的地质条件及边界条件控制，而不同成因的浅层岩溶泉点补、径、排特点存在差异。通过研究各类型泉点地下水循环的过程，确定水系统的边界，得到各类型泉点泉域形态及分布面积。溢流泉主要在平原地区出现，断层泉因为断层构造特点难以准确考虑，因此本次研究主要针对山区浅层泉点，暂不考虑溢流泉和断层泉。将典型山区浅层岩溶泉点类型总结为3 种：接触泉型、侵蚀泉型和暗河型，相应的泉域形态特征如表1所示。

基于水均衡的原理，对地下水点的泉域面积进行计算，然后半定量地圈闭地下水点的泉域面积，泉域面积计算公式为：

式中：M0——地下水补给模数（L／s·km2），其碳酸盐岩常见值为0.5～5 L／s·km2；

F——补给面积（即泉域面积）（km2）；

Q——地下水水点流量（m3／d）。

2 隧道影响范围

将隧道概化为一系列垂直井的排列，其影响范围可视为一系列降位漏斗的叠加。将隧道影响边界定义为：隧道到地下水位没有明显降深范围，如图1 所示。由于复杂的地质条件和围岩的不均一性，尚未有针对隧道影响范围的定量化计算方式。实际工程应用中常用以下3 种方法确定隧道影响半径。

图1 隧道工程对泉点影响示意图

2.1 计算公式

按照国家环境保护部发布的HJ 610-2016 《环境影响评价技术导则—地下水环境》中的线性工程影响范围计算公式进行计算［13］，应用最广泛的为库萨金公式和奚哈德公式，分别计算潜水含水层及承压含水层中的工程影响范围，表达式为：

式中：R——影响半径（m）；

S——水位降深（m）；

H——潜水含水层厚度（m）；

K——含水层渗透系数（m／d）。

2.2 数值模拟法

随着数值模拟方法在地下水资源方面的应用，越来越多的研究者利用数值模拟方法来预测隧道影响范围。目前常用的数值模拟方法包括有限单元法和有限差分法，常用的软件平台有Visual MODFLOW、FEFLOW、GMS［14］。

针对岩溶含水介质的不均一性，专家和学者提出了等效多孔介质法、双重连续介质法和三重介质法等多种方法［15］。等效多孔介质法和双重连续介质法基于达西流假设，将岩溶含水层的介质概化为均质的多孔介质含水层，其中等效多孔介质法因为模型构建相对容易得到了广泛应用。然而，这两种方法都忽略了岩溶含水层高度非均质性特征［16］。三重介质法将岩溶含水层概化为孔隙、裂隙、管道3 种介质，水流则涵盖了达西流、非达西流，这种对岩溶含水介质全面的刻画受到广大学者的认可，但受限其精度的高要求，国内对此方面的研究还不够充分。

2.3 工程类比法

对拟建隧道的水文地质条件进行分析，调查收集区域内具有类似水文地质条件的已建隧道信息。根据收集信息对该种类型的隧道影响半径作回归分析，以此计算出拟建隧道影响半径。该方法应用受限于区域内相似工程数量，但在实际工程应用中具有较高参考意义。学者在分析华蓥山隧道所处水文地质条件后，收集研究了川东隔挡式构造中的4 座隧道的资料，建立了相似隧道平均埋深S 与平均影响范围R 的回归方程，有效预测了南大梁华蓥山隧道的影响范围。

3 隧道影响模式及程度

在天然条件下，隧道修建时涌水形成集水通道，隧道附近地下水流场产生改变，地下水水位降低，形成降位漏斗。当泉点位置处于隧道形成的降位漏斗范围内，泉点疏干；当泉点补给范围与隧道降位漏斗范围有交集，隧道会袭夺原有泉点补给来源，从而导致泉点减流甚至疏干，如图1所示。

采用泉域和影响范围量化泉点及隧道汇势范围，根据泉域与隧道影响范围的空间关系将隧道对泉点的影响分为4 种模式：无影响型、部分减流型、泉点疏干型和泉域疏干型，如表2所示。

表2 隧道影响泉点模式类型表

4 工程实例

川东隔挡式构造某隧道全长6.788 km，区内褶皱构造以背斜为主，核部为三叠系嘉陵江组的灰岩，向两翼展布依次为三叠系巴东组的灰岩、泥灰岩，三叠系须家河组的砂岩及侏罗系砂岩、泥岩。其中嘉陵江组与巴东组一段、三段地层为含水层，须家河组、巴东组二段及侏罗系地层为隔水层。隧道大角度穿越背斜山，其剖面如图2所示。

图2 假角山隧道剖面图（m）

隧址区内无深切河谷贯穿整个背斜，浅层地下水被挟持在背斜核部的可溶岩内径流。受地形和河流水文网的制约，地下水点大多在横切沟谷切穿嘉陵江组地层与巴东组地层界线部位排泄，无暗河发育。隧道附近地下水点特征如表3所示。

表3 隧址区泉点特征及与隧道影响模式表

由表3 可知，隧道附近泉点均为Ⅰ类型，泉域范围集中在嘉陵江组地层中。现场实验测得嘉陵江组含水岩组M0为6 L／s·km2，用式（1）计算出各泉点泉域面积，再根据地形线、岩性界线在平面图上画出泉域。考虑到隧道区域内无类似工程，使用库萨金公式对隧道影响范围进行计算，并分析隧道工程对泉点的影响程度，如图3所示。

图3 假角山隧道对地下水点影响示意图

由图3 可知，隧道在嘉陵江组地层中的影响范围最大，在须家河组地层中的影响范围最小，主要归因于隧道穿越嘉陵江组地层时埋深H 较大，并且嘉陵江组地层以灰岩为主且岩溶发育程度高，渗透系数K 值较大。JS01、JS02、JS03、JS21、JS23、JS36、JS40、JS18泉点泉域与隧道影响范围存在交集，其中JS01、JS02、JS03、JS21 隧道影响模式为泉域疏干型（D），泉点疏干；JS23 隧道影响模式为泉点疏干型（C），泉点疏干呈季节性特征；JS36、JS40、JS18 对应局部减流型（B），泉点减流，将泉点泉域面积假定为均匀补给，减流程度对应交集面积占泉域面积百分比，分别为10%、30%和10%。

5 结论

本文选取岩溶地区浅层地下水排泄点（以下简称“泉点”）作为研究对象，归纳总结泉点的补给、径流及排泄的特征及模式，得出主要结论如下：

（1）在岩溶地区，泉域面积的确定取决于泉点的补给和径流范围。

（2）总结了3 种岩溶区典型浅层地下水点类型，分别为：接触下降泉型（Ⅰ）、侵蚀下降泉型（Ⅱ）及暗河型（Ⅲ），分析了地下水循环特点并总结了泉域形态特征。

（3）总结了3 种隧道影响范围的预测方法，即计算公式法，类比工程法与数值模拟法，分析了各类方法的原理和适用性。

（4）分析了泉域与隧道影响范围的空间关系，总结了隧道对泉点的4 种影响模式及特征，分别为无影响型（A）、局部减流型（B）、泉点疏干型（C）、泉域疏干型（D），并通过泉域与隧道交集面积的百分比量化泉点受影响程度。

（5）以某隧道为例，运用量化方法对隧道影响浅层泉点进行了分析。结果表明，隧道附近泉点均为接触型（Ⅰ），通过分析计算泉点泉域与隧道影响范围空间关系，预测8 个泉点受隧道工程存在影响，其中3 个泉点为局部减流型（B）、1 个泉点为泉域疏干型（D）、4 个泉点为泉域疏干型（D）。