基于解析法的岩溶隧洞地下水环境影响分析

2020-09-25沐红元李建国魏啟杨

水利技术监督 2020年5期

米健，沐红元，李建国，魏啟杨

(云南省水利水电勘测设计研究院，云南昆明 650021)

近来年，随着我国西部大开发的不断推进，公路、铁路、引调水工程等线性工程不断涌现，隧洞也成为线性工程穿越崇山峻岭的重要建筑物形式。在岩溶地区修建隧洞工程往往会产生涌突水灾害，例如，云南省大理州的引洱入宾工程老鹰岩隧洞[1]距出口2012～2119m段施工过程中产生的最大涌突水量达1.3万m3/d，云南省玉溪市的玉蒙铁路秀山隧道[2]施工过程中产生的最大涌水量高达35万～40万m3/d。岩溶隧洞工程涌突水灾害的发生不仅给工程造成重大经济损失和人员伤亡，拖延工期，也会导致隧洞区岩溶地下水大幅下降，地表水体向隧洞渗漏，重要泉点减流甚至干涸，并引发当地民众饮用、灌溉用水困难。因此，在岩溶地区开挖隧洞，涌突水问题往往成为制约工程开展的主要水文地质问题[3- 4]，做好隧洞涌水量预测分析具有重要的现实意义[5- 6]，隧洞工程在施工过程中因涌突水而引发的地下水环境影响问题也引起了工程界的高度重视。

地下水环境影响分析工作应重点分析隧洞工程施工涌水量及影响范围，并评价施工排水对线路附近地下水环境影响程度。目前常用的隧洞涌水量预测方法主要有水文地质比拟法、水均衡法、地下水动力学法及数值计算法[7- 10]。

文章以滇中引水工程小扑隧洞为例，采用解析法对岩溶隧洞涌水量及地下水环境影响范围进行预测，并对隧洞地下水环境影响问题进行分析论证。

1 水文地质条件概况

滇中引水工程小扑隧洞位于云南省玉溪市境内，隧洞全长32.1km，设计流量为40m3/s，隧洞底板高程为1882.69～1850.59m。隧洞北段岩溶地层广泛分布，岩溶水文地质条件极其复杂。

1.1 地层展布概况

隧洞北段主要为二叠系—震旦系灰岩、白云岩等可溶岩，局部夹砂岩、泥岩等非可溶岩条带，为裸露型岩溶区，地层展布详见图1。可溶岩在平面上呈条带状和块状展布，展布长度一般为2～5km，延伸最远者达50km，面积一般为5～60km2，最大不超过100km2。

1.2 泉点及地下水位特征

隧洞北段分布的主要泉点有18个，以岩溶水为主，少数裂隙水，主要泉点特征见表1。

表1 主要泉点特征

隧洞北段12个钻孔的地下水位观测成果详见表2。

表2 钻孔地下水位统计

1.3 岩溶发育特征

隧洞北段发育王家湾—仙人洞暗河，暗河走向近南北向，北至仙人洞，南至王家湾、上干洞一带，全长近20km，地层岩性为P1y灰岩、白云岩。暗河有南、北2个出口，南出口在上干洞(W518)，出口高程为2149m，流量为22L/s；北出口在观音村仙人洞附近的小龙潭(W506)，出口高程为1910m，枯季流量为1.5L/s，雨季泉水变混、变大。小扑隧洞于观音山溶槽段(YX3+626—YX3+726)下穿该暗河，根据泉点及钻孔地下水位高程推测，暗河底板高程为1930m，高隧洞顶板46m，小龙潭泉点高隧洞底板25m。

1.4 岩体透水性

利用钻孔进行压水试验成果对岩体透水性进行分析，试验成果详见表3。

表3 地层透水率统计

隧洞沿线的可溶岩地层以中等透水性为主，局部地段为弱透水性。根据工程区岩溶发育特征宏观分析，地下暗河附近以及表层的可溶岩应以中等-强透水性为主；非可溶岩以弱-中等透水性为主。

2 岩溶水系统划分

根据隧洞工程区地层展布、泉点及地下水位特征、岩溶发育特征和岩体透水性等综合分析，对隧洞北段进行岩溶水系统划分，详见表4和图1。

表4 岩溶水系统划分

图1 岩溶水系统划分示意图

隧洞北段属于滇池水系统(YH- Ⅰ)，隧洞线路穿过偏头山-鲁纳村-金线洞岩溶水系统(YH- Ⅰ- 2- 1- 1)和对门-大梨园-牛恋村岩溶水系统(YH- Ⅰ- 2- 1- 2)。

偏头山-鲁纳村-金线洞岩溶水系统(YH- Ⅰ- 2- 1- 1)东、西边界分别为∈1m页岩和Zbn冰碛砾岩，南边界为地表分水岭，北边界为滇池。岩溶水系统内地层岩性主要为Zbdn、Zbd灰岩、白云岩夹页岩。岩溶发育程度较高，多有岩溶洼地，常见溶洞，地层富水性中等-强。岩溶水系统北端通过泉水形式于牛恋村金线洞出露，直接汇入滇池；偏头山、鲁纳村至双深沟村一带地表水系发育，地下水出露成泉，经柴河最终汇入滇池。

对门-大梨园-牛恋村岩溶水系统(YH- Ⅰ- 2- 1- 2)东、西边界分别为P2β玄武岩和∈1m页岩，南边界为地表分水岭，北边界为滇池。岩溶水系统内地层岩性主要为C+D、P1y灰岩、白云岩。岩溶发育程度高，多有岩溶洼地、落水洞，常见溶洞，富水性中等-强。岩溶水系统北端地下水在观音村、牛恋村出现分层排泄，地下水在观音村受第四系覆盖层阻隔，于小龙潭出露部分泉水；剩余部分地下水通过暗河管道形式直接汇入滇池。

3 地下水环境影响分析

3.1 隧洞涌水量及影响范围预测

(1)预测公式

隧洞最大涌水量采用古德曼公式进行计算预测，正常涌水量采用科斯加科夫公式进行计算预测[11]。

隧洞地下水环境影响半径计算公式如下[12]：

(1)

式中，R—影响半径，m；H—潜水含水层厚度，m；K—含水层渗透系数，m/d；W—降水补给强度，m/d；μ—重力给水度；t—排水时间，d，按隧洞施工期5年计算。

(2)渗透系数取值

强岩溶带、溶蚀破碎带、暗河管道发育洞段，岩体透水性极不均匀，压水试验成果不能完全反映地层的透水性，其渗透系数取压水试验大值均值的1.5～2.5倍，即K值取1.0～2.5m/d；岩溶弱发育区渗透系数取压水试验大值均值，即K值取0.3～0.8m/d。对非可溶岩洞段、向斜储水构造带、断裂破碎带，渗透系数K值取压水试验大值均值。

(3)预测结果

根据上述预测公式及渗透系数取值原则，对小扑隧洞北段进行涌水量及地下水环境影响范围预测，预测结果详见表5和图2。

表5 小扑隧洞涌水量及影响半径预测

图2 小扑隧洞地下水环境影响范围示意图

结果表明，隧洞穿越碳酸盐岩洞段总体涌水量和地下水环境影响范围较大，最大涌水量一般为101.61～262.76m3/d，最大地下水环境影响半径达1989m；而穿越碎屑岩洞段总体涌水量和地下水环境影响范围较小，最大涌水量一般为10.53～21.38m3/d，最大地下水环境影响半径为361m。

3.2 地下水环境影响分析

在隧洞施工排水的影响下，地下水向隧洞汇流，对隧洞沿线地下水环境的影响如下：

(1)隧洞将袭夺牛恋村金线洞泉W501的地下水补给，造成W501地下水排泄量减少。

(2)隧洞以北观音山附近的W506、W507、W508三处泉点在隧洞施工排水的影响下，均会出现干涸。

(3)隧洞施工排水对隧洞以南的泉点W512～W518无影响。

(4)隧洞施工排水将袭夺段七村附近现有的多口供水井的补给水源，造成供水井的出水量不足。

(5)隧洞施工排水对分布于隧洞两侧的柴河水库和舒家山水库无影响。

根据现场调查，金线洞泉W501是晋城重要的饮水水源，观音村的三处泉点(W506、W507、W508)是观音村及其附近村子的重要生活、生产用水，其中W507为观音村自来水厂的取水源。因此，隧洞北段施工排水将造成当地民众生活、生产用水困难。

4 防治措施

小扑隧洞北段碳酸盐岩地层广泛分布，沿线水文地质条件复杂，区内岩溶发育程度高，隧洞施工排水对地下水环境影响大，应采取对应的防治措施。

(1)针对岩溶地下水疏干影响的防治措施

针对隧洞施工排水引起的岩溶地下水疏干影响问题，可采取以下防治措施：

①对有地下水环境影响的洞段，合理安排施工工序，加强施工地质超前预报，施工上以堵为主、限量排放，提前采取堵水限排措施，回避岩溶疏干。

②施工过程中若遭遇涌突水，可把洞内涌突水通过施工支洞回抽至原地下水排泄区附近，及时对岩溶渗漏部位进行灌浆封堵，并完成衬砌，使地下水水位自然恢复。

③加强对岩溶地下水的长期动态监测，施工过程中周边地下水排泄量若出现流量减少和水质变化等情况，判别地下水变化情况与隧洞的相互关系，并及时采取行之有效的处理措施。

(2)预防性岩溶疏干补救措施

开展专门补救措施规划设计，隧洞施工过程中一旦产生了岩溶地下水疏干，可采取以下补救措施：

①回抽洞内涌水进行补救，或者寻求新的替代水源，如建立水窖、打井、地表水体接入、引水工程设置专门的分水口分水补救等。

②隧洞施工将造成W501减流，W506、W507、W508三处泉点疏干，段七村现有的供水井出水量不足，这些重要水源点敏感性高，可能带来较大社会风险，应考虑采取打井抽水补偿措施。根据当地需恢复的水量以及地层产水模数分析，拟在牛恋村南亚宁水泥厂实施1口机井补偿金线洞泉W501，井深200m，含水层为P1y灰岩、白云岩；拟在仙人洞北实施1口机井补偿W506、W507、W508三处泉点，井深200m，含水层为C2w灰岩；拟在鲁纳村附近实施2口机井补偿段七村附近受影响的供水井，井深200～250m，含水层为Zbdn白云岩。