九盘寺隧道地下水环境影响研究

2019-11-05王梓龙吴昊宇林华章

水科学与工程技术 2019年5期

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）

1 概述

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。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了滨海地区地下水环境影响。赵瑜等［10-11］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，研究了隧道工程不同埋深、排水量对地下水环境的影响规律，并探究了隧道施工期和运行期地下水环境随时间的演变规律。

2 研究区地质背景

2.1 地形地貌

九盘寺隧道位于凉山州西昌市境内，隧道全长9km，其最大埋深900m，属于深埋隧道，隧道近直线穿越磨盘山，穿越段最高点位于九盘寺山顶，高程2450m，最低点位于隧道进口处，高程1500m，由于侵蚀作用居主导地位呈现出高谷深切又支离破碎的侵蚀构造高中山地貌类型，山岭海拔2600～3400m，相对高差1000～1500m。隧道进口段为岩浆岩，植被发育，山顶山脊较为圆缓，沟谷呈放射状。

2.2 地层岩性及构造

隧址区出露地层主要为：第四系砂砾卵石层、白垩系飞天山组砂岩、侏罗系粉砂岩和三叠系岩浆岩如图1。

图1 隧道进口附近花岗岩

区域位于安宁河断陷褶断带与雅砻江宽缓褶皱断带之间，发育有多条近南北方向的压性或压扭性断裂。其白塔沟断裂、九溪头断裂等。隧址区构造如图2。

图2 隧址区构造略

2.2.1 褶皱

隧址区主要位于煌犹—德力铺向斜东翼，岩层走向近南北，倾角30°～50°，向斜核部为三叠系白果湾组岩层，两翼地层出露有白垩系飞天山组（K1f）长石石英砂岩，侏罗系新村组（J2x）粉砂岩、泥岩，牛滚凼组（J2n）钙质泥岩。

2.2.2 断裂

隧址区位于磨盘山断裂带，主要发育断裂为安宁河断裂、白塔沟断裂、九溪头断裂及其次级断裂。

2.2.2.1 安宁河断裂（F1）

在研究区范围内长达130km，由3～4条正断层组成地堑构造，断裂带宽2～5km，破碎带宽200～300m，略倾东，倾角80°；靠近主断裂断续分布有1～2条正断层，破碎带宽15～25m，倾角75°～80°。

2.2.2.2 白塔沟断裂（F2）

走向近南北方向，倾角70°，发育长达75km，且该断裂有次生有多条高角度断裂。该断层西侧主要发育侏罗系地层，东侧大量分布岩浆岩。

2.2.2.3 九溪头断裂（F3）

走向近南北方向，为一逆断层，倾角60°～70°，发育长度达24km。断裂带附近岩石破碎，且常伴有陡坎等现象出现。

3 地下水类型及补给排特征

3.1 地下水类型

根据地下水赋存条件和含水介质，隧址区地下水类型以基岩裂隙水和碎屑岩类孔隙裂隙水为主。

3.1.1 基岩裂隙水

主要分布在隧道进口及中部大片区域，为侵入岩裂隙含水地层，岩性为花岗岩。在结构上大多以中粒为主，风化网状裂隙较发育，风化带厚度一般5～30m，裂隙率3%。泉流量0.01～0.1L/s，枯季地下径流模数0.14～1.67L/s·km2。

3.1.2 碎屑岩类孔隙裂隙水

（1）以砂岩为主。主要分布在隧道出口段、泥岩夹砂砾岩、砾岩、泥灰岩，裂隙率3%～9%。

（2）以泥岩为主。基岩裂隙主要分布在隧道出口至中部，岩性为泥岩、砂岩夹泥灰岩、砾岩，裂隙率1.05%～5.5%，富水性弱，泉流量0.01～0.1L/s，枯季地下径流模数0.65～1.2L/s·km2。

3.2 地下水补给排特征

隧址区水文地质条件较复杂，根据含水层特征、地下水流动特征，将九盘寺隧道隧址区分为两个地下水系统来分析隧址区地下水的补给、径流、排泄特征及其对隧道的影响如图3。

图3 九盘寺隧道水文地质剖面图

3.2.1 碎屑岩裂隙水含水系统

该类型为粉砂岩、砂岩、泥岩地层，地下水主要接受大气降水补给，区内主要有雅砻江和安宁河为最低侵蚀基准面，主要为地下水补给河水，部分地段河水补给地下水。区内的补给条件与降雨量、地形地貌、地层岩性等条件相关。

隧址区位于川滇南北向构造体系的中段，隧道穿越南北走向的磨盘山，为两条大水系的地表分水岭，分水岭两侧受河流横向切割强烈，地表径流途径较短，多沿沟谷渗透汇集，由于该类型地层以网状小裂隙发育为主，地表渗入地下多以坡面片流渗入为主。该区日照剧烈，蒸发作用强。

3.2.2 岩浆岩裂隙含水系统

该类型地下水主要接受大气降水补给，补给条件受地形地貌、地层岩性控制，在下水的埋藏和分布情况较为简单，受岩石裂隙和地形地貌的影响，该岩层地下水主要分布在磨盘山分水岭东侧，地下水主要向东侧径流，沿区域沟谷冲沟径流排泄，最终汇入安宁河。此外蒸发、蒸腾作用也是其排泄途径之一。

4 地下水资源量计算

4.1 水文地质单元划分

隧址区水文地质单元划分依据地表分水岭及地层岩性进行。水文地质单元主要沿地形展布，地下水分水岭与地表分水岭一致，评价区内地下水最终往九盘寺隧道两侧雅砻江、安宁河排泄，汇水面积为各溪沟的地表汇水面积，如图4。

图4 九盘寺隧道水文地质单元划分

4.2 水资源量

地下水汇水量计算主要为隧道沿线区域，包括Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ，Ⅴ所有区域，计算时以降雨入渗系数法确定其地表径流量及渗流量。

九盘寺隧道地表径流量及地下汇流量的计算如式（1）、式（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）。

4.2.1 各水系统汇水量

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TB10049—2004《铁路工程水文地质勘查规程》，并考虑计算流域的岩性、形态、植被发育情况，确定降雨入渗系数计算值如表1。

表1 降水入渗系数经验数据

隧址区出露较多砂岩、泥岩地层，第四系松散岩层降雨入渗系数取值0.24～0.3之间，侏罗系砂岩地层降雨入渗系数取值0.05～0.08之间；侏罗系粉砂岩、泥质粉砂岩、白垩系砂岩、粉砂岩地层降雨入渗系数取值0.10～0.15之间；三叠系石英砂岩、粉砂岩降雨入渗系数取值0.12～0.18之间；三叠系花岗岩降雨入渗系数取值0.01～0.10之间，各区入渗系数具体取值如表2。

表2 各区计算结果

4.2.2 汇流面积确定

本次计算以九盘寺隧道地质、地形图为参考，按水文地质块段分区图中分水岭和岩性圈定汇流面积计算汇流量。

4.2.3 降雨量确定

根据九盘寺隧道隧址区多年的气象资料，该区平均降雨量963mm/a，即0.11mm/h。计算结果如表2。从表2可看出，本次划定水资源量计算范围262.32km2，该区总水资源量8015.33L/s；地表总径流量（Q1）7147.34L/s；地下水径流量（Q2）867.99L/s；九盘寺隧道穿越段（主要影响块段）含水层主要为Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ区域，该区域地下水总资源量273.5L/s，平均地下水径流模数均值1.5L/s·km2。

5 地下水计算分析

5.1 隧道涌突水量

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。本次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。

5.1.1 大气降水入渗法

根据实际调查和区域水文地质资料，该区降雨入渗系数平均值取0.07，该区多年平均降水量963mm，集水面积根据河流边界等条件圈定为25.7km2。

本次计算涌水量Q为4746.9m3/d，其计算的年平均日量，实际区域降水存在时间与空间分布不均，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。

5.1.2 地下水径流模数法

根据TB10049—2004《铁路工程水文地质勘察规程》［12］规定，结合隧道现状、水文地质条件，选用地下水径流模数法预测涌水量。

经计算，预测隧道正常涌水量Qs=86.4MA，其中，MA为地下径流模数（L/s·km2），本次计算隧道正常涌水量3330.72m3/d，最大涌水量4996.08m3/d。

5.1.3 地下水动力学法

采用TB10049—2004《铁路工程水文地质勘察规程》计算：

预测隧道正常涌水量：

Qs=LKH（0.676-0.06K）

隧道初期可能最大涌水量：

Q0=L（0.0255+1.9224KH）

地下水动力学法计算九盘寺隧道稳定涌水量2041.4m3/d，最大涌水量6041.08m3/d。计算结果如表3。

表3 地下水动力学法隧道涌水量

5.2 隧道影响半径

利用解析法计算影响半径，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，而达到预测隧道影响范围的目的。

依据HJ610—2011《环境影响评价技术导则—地下水环境》［13］，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，如式（3）～式（4）：

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）。

本次渗透系数、重力给水度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及岩石试验确定；降雨补给强度依据隧道穿越区区域内西昌市多年平均降雨量；含水层厚度从各隧洞纵剖面量取平均值；排水时间预计隧道开工到施工完成，如表4。

表4 九盘寺隧道影响半径结果

6 地下水环境影响预测

对隧址区水文地质条件、存在的环境水文地质问题调查及隧道建设影响半径、涌水量计算后，认为九盘寺隧道施工可能对隧址区地下水循环系统、隧址区居民生产生活用水及上部生态用水有影响。

6.1 地下水循环系统的影响

6.1.1 隧址区地下水系统分析

根据岩性、构造及区域分水岭特征，隧址区地下水可划分为：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20～80m，这种类型的含水系统主要分布于隧道进出口段及地表浅部循环带。

（2）深部含水带。深部构造裂隙裂隙水含水带，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50～100m以下风化作用微弱，主要为构造裂隙，随深度增加裂隙发育减弱。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。

6.1.2 隧道施工对隧址区地下水流场的影响

（1）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，形成降位，但影响范围有限。随着隧道掘进，埋深增大，隧道穿越深部含水系统，因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。

（2）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。

（3）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。

总之，九盘寺隧道施工对隧址区地下水系统有一定影响，但影响范围较小。