海东隧洞施工过程中地下水动态变化预测

吕晶日，张 强，韩晓磊，张志强，竹 娜，胡元进

(成都理工大学，四川 成都610059)

近年来我国经济建设迅速发展，基础设施建设也在日益加快。隧洞作为基础设施建设的重要组成部分大大缩短了施工建设的里程，但同时也带来了不少环境问题。隧洞施工排水改变了地下水的径流和排泄条件，导致地下水位降低，甚至井泉干涸。在干旱少雨的地区或季节影响当地居民的生产生活用水。因此，预测隧洞施工工程中地下水位变化规律，为工程设计和建设提供依据就显得意义重大。本文利用Visual Modflowd地下水三维数值模拟软件对海东隧洞施工过程中地下水渗流场的动态变化进行了模拟预测。

1 海东隧洞萂村段三维数值模拟

1.1 隧址区概况

宾川县大营镇萂村地处大理白族自治州宾川县大营镇西北边，距县城28 km，辖东庄、黑家营、茅草坪等21个村民小组。全村国土面积81.99 km2，海拔1 860 m，年平均气温20.4℃，年降水量600 mm，现有人口5 784人。全村供水来源于井水、泉水和地表水。

海东隧道萂村段位于大理白族自治州宾川县大营镇境内，隧址区出露多种地层，包括第四系全新统(Qh)、二迭系下统(P1)、玄武岩系(Pβ1)、石炭系中上统(C2+3)、下统(C1)、中统长育村组(D2ch)、下统莲花曲组(D1l)、青山组(D1q)、康廊组(D1k)(见图1)。

图1 海东隧洞萂村段模型范围

靠近黑家营马头山至大黑山地表岩溶发育，溶蚀现象强烈，发育大型岩溶洼地，降雨后，地表水通过洼地的汇聚，再由落水洞对地下水岩溶管道进行落入式补给，在断裂带及地层分界附近以串珠状泉点形式出露地表。

表1 研究区监测点情况

泉水和地表水是隧址区内村民的重要生产生活用水。而隧洞施工影响到地下水渗流场，地下水位降低，形成地下水降落漏斗，导致局部区域地表水疏干等，会给部分村民用水带来困难，所以预测隧洞施工工程中，地下水位的动态变化预测就显得非常重要。

1.2 三维地下水数值模型建立

通过Visual Modflow对隧址区地质模型的模拟，实现海东隧道萂村段概念模型的概化。建立一个既符合岩溶水渗流特点又符合实际水文地质条件的渗流模型模拟，实现对天然状态下的地下水水位的拟合，进而对隧道开挖进程不同时期的地下水渗流场的变化进行预测。

1.2.1 计算单元与边界条件概化

根据研究区域大小及计算精度要求，采用矩形单元对模型进行剖分。模拟隧址区X方向总长度为7 900 m，Y方向总长度8 900 m，按照100×100 m网格将其剖分成89列，79行，层单元格数目为7 031个;垂向Z方向取760 m，划分为16层，模型总共112 496个单元格;模拟选取模型底板为1 750 m高程，模型顶板高程由Sufer软件插值萂村地形等高线生成GRD文件导入。

模型边界:海东隧道萂村段地下水补给主要来源于大气降水，研究区内隧道北东方向的沟底河流为排泄基准面;隧址区地表水系发育，萂头至萂尾三个地表定水头边界，具体的模型边界概化示意图见图2。

图2 模型边界概化示意图

1.2.2 模型的参数取值与模拟校验

模型参数的选取和确定，是模型建立过程中的一个重要步骤，主要包括渗透系数、岩土层给水度、贮水率、有效孔隙度和总孔隙度等指标。

根据已有的钻孔抽水、压水试验，经过统计分析、筛选及整理。结合以往过程计算经验，在此范围内反复试算，初步确定模型参数，对模型进行多次反演、校验最终确定模型参数如表2所示。

表2 模型水文地质参数选取表

从表3可以看出模拟计算的观测水位与实测水位存在一定的误差，但误差均在一个合理的比例范围内，差值比例范围在0.09%～1.1%。创建物理模型成功，模拟结果所得渗流场可作为研究区的天然地下水渗流场，如图3所示，为隧址区地下水三维渗流场。从图3中可以看出:上新村、栽秧菁、冷水箐、萂头村、萂中村、萂尾村均处于高山峡谷盆地，地下水位比较低;此外，萂村的三个水库地下水揭示颜色都为蓝色，地下水位最低。

模型中6个监测点也都出露在地下水位较低的地方。其中，萂头村的 DL-S04、萂尾村的 DL-S05和黑家营 DLS06的水位最低。

本次模型的模拟运行运用了非稳定流对地下水的初始水头进行拟合，模拟时间为十年。选取6个泉点，分别为DL-S01、DL-S02、DL-S03、DL-S04、DL-S05、DL-S06，目的在于初始水头的校验，以确定拟合准确度，通过模型计算得出更贴近实际水位，来完成模型天然状态渗流场的模拟。

表3 模型计算泉点水位与实际水位拟合情况

图3 海东隧道萂村段天然地下水渗流场

2 施工条件下萂村段地下水动态变化

运行模型后得到萂村段天然地下水渗流场(如图4所示)。从图中可以看出:从图4中可以看出局部地区渗流场发生变化，蓝色区域明显扩大，该区域的监测点DL-S01、DL-S04和DL-S05的地下水位都有明显降深;监测点DLS01、DL-S02和DL-S06此时在三维地下水渗流场中还没有发生明显变化。

运行Visual MODFLOW模型后，将6个监测点的每一年地下水位做一次记录，得到6个监测点十年内地下水位的动态变化并整理如表4所示。

图4 海东隧道萂村段地下水渗流场

图5 地下水降落漏斗影响范围

表4说明了:6个观测点的地下水位均发生了明显的降深，并呈现地下水位逐年递减的趋势。其中，监测点DLS01和DL-S04的降深最为明显，分别降低了51.52 m和59.56 m。此外监测点 DL-S02、DL-S03、DL-S05、DLS06的地下水位也都有不同程度的降深，分别为40.25 m、36.14 m、50 m、41.8 m。

表4 萂村段地下水动态变化

随着隧洞施工的进行，降落漏斗的影响范围也逐渐扩大。从图5可得知，隧洞引水工程施工后，沿引水线路3处出现降落漏斗，分别位于上新村、萂头箐、黑家营一带。地下水位有明显降深，上新村受地下水形成影响面积为4.45 km的降落漏斗，降深也最为明显，最大中心水位降达240 km;萂头箐地下水形成影响面积为7.52 km的椭圆形降落漏斗，最大中心水位降达210 m;黑家营地下水形成影响面积为0.748 km的圆形降落漏斗，较其他两个降落漏斗的影响范围小，最大中心水位降达180 m。而隧址区的6个监测点中，编号为DL-S01和DL-S04的监测点均在降落漏斗的影响范围内，而编号为 DL-S02、DL-S05、DLS06的监测点距离降落漏斗的最大距离也不过266.43 m。上新村、萂头箐、黑家营地表水体渗流场已经改变，可能导致地表水位下降，部分村落泉点局部疏干，影响到居民的生产生活用水。

3 结语

利用地下水数值计算模型建立岩溶地区萂村段三维地下水数值模型，模拟隧址区地下水水位变化，确定水文地质参数，对模拟结果进行预测分析。分析表明:随着隧洞施工的推进，隧址区渗流场逐渐受到干扰，水位逐渐降低。沿着隧洞线形成地下水降落漏斗，漏斗范围逐年扩大，并且影响范围已至上新村、栽秧箐、萂头箐和黑家营村。其最大影响范围达到7.52 km。地下水位的降低，地下水降落漏斗的形成，将导致部分村落的井和地表水干涸，部分泉点衰竭、枯竭或断流，从而影响到当地居民的生产生活用水。隧洞开挖时采取合理的恢复水源措施，以保证当地居民的生产生活用水是非常必要的。

[1]陈喜，刘传杰，胡忠明，等.泉域地下水数值模拟及泉流量动态变化预测[J].水文地质工程地质.2006(2).

[2]张继勋，任旭华，严冬青，等.岩溶富水区地下工程施工期地下水位变化规律分析[J].水文水资源.2013 39(12).

[3]孙晋玉，张强，许模，等.隧道施工涌水后地下水特征分析[J].工程地质学报.2002(10).

[4]白细民，贺小荣，彭卫星.南昌市地下水位降落漏斗发展趋势R/S分析[J].南水北调与水利科技.2013 11(01).

[5]陈亚峰.施工条件下海东隧道岩溶水文地质条件演化预测[D].成都理工大学硕士学位论文.2013.