基于MODFLOW的某高速公路隧道涌水量预测研究

蔡 磊 田学军

(贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 550081)

0 引言

隧道涌水突泥是隧道施工中常见的地质灾害，当隧道通过富水洞段地层时，易产生较严重的涌水、突泥等工程问题。隧道开挖过程中产生很大的涌水量和较强的渗水压力，严重威胁洞室的安全，若该问题处理不当直接决定着隧道的工程安全、施工进度、工程投资等。

隧道涌水与地质环境条件密切相关，地质体中岩层的发育特征、构造运动史和隧道穿越地区的地下水补给、径流、排泄也是控制隧道涌水的重要因素。隧道涌水预测主要是指涌水量评估预测，为有效进行隧道涌水量的预估，各国学者经过几十年的努力，取得了丰硕的成果。学者们依据隧道环境地下水所处的具体地质体特性、水文地质条件的复杂性、施工方法和生产要求等，通过定性、定量的方法系统研究隧洞涌水量。

隧道涌水量预测方法包括解析法、数值法、相关分析法等。其中应用数值法预测涌水量已经成为主要的技术方法之一[1]。在地下水数值模拟技术的发展和完善过程中，许多地下水模拟软件被广泛使用，Visual MODFLOW软件是应用最广泛的一种[2]，它是目前国际上经常用到的三维地下水流和溶质运移模型评价的可视化专业软件系统[3]。本文在收集隧址区地层岩性、地质构造及水文地质条件等资料的基础上，利用解析法计算隧道涌水量，再利用数值模拟软件Visual MODFLOW对研究区地下水系统进行数值模拟，并将两种方法预测的涌水量进行对比分析，可将预测结果用于指导隧道施工。

1 工程地质概况

该公路隧道全长2795m，进口标高1886m、出口标高1910m，最大埋深457m。场区地处云贵高原乌蒙山脉北段，地貌类型属溶蚀—侵蚀型低山地貌，地表受溶蚀、侵蚀作用强烈，地势起伏大，隧址区地面高程为1891～2537m。

场区属中亚热带湿润季风气候区，年平均降雨量1253.5mm，最大年降雨量1682.8mm，日最大降水量154.8mm，场区沟谷内分布有季节性溪流，流量受大气降雨控制。

场区地层岩性为第四系残坡积层含碎石粉质黏土、三叠系下统永宁镇组灰岩及飞仙关组泥质粉砂岩。其中，含碎石粉质黏土，灰黄色，可塑状，碎石粒径2～5cm，含量约25%；灰岩，深灰色，薄至中厚层状，节理裂隙发育，岩体较破碎；泥质粉砂岩，紫红色，薄至中厚层状，节理裂隙很发育，岩体较破碎。

场区无区域性断层及褶皱构造发育，地层产状整体较平稳呈单斜产出，岩层倾向110°～135°之间，倾角20°～30°。主要节理为196°∠83°、292°∠84°，节理面起伏粗糙，可见泥质充填。

2 场区水文地质条件

2.1 地下水埋藏特征

补给区地下水以垂直入渗为主，埋深较大；径流区地下水主要为水平方向运动，埋深较浅；排泄区水位接近河流基面，甚至出露地表。隧道进口段埋深约50～150m，隧道出口段地下水水位埋藏浅，一般小于50m，地下水水力坡度小于10‰。

2.2 地下水类型

根据地层岩性及其组合特征、地下水赋存条件、水理性质和水力特征，将区内地下水类型分为碳酸盐岩岩溶水、基岩裂隙水和第四系松散层孔隙水。碳酸盐岩岩溶水主要赋存于碳酸盐岩地层中，以灰岩为主，富水性中等—强。基岩裂隙水含水岩组为泥质粉砂岩，富水性弱—中等。第四系松散层孔隙水，赋存于山间洼地及第四系残坡积层中，富水性差，水量贫乏。

2.3 地下水补、径、排特征

(1)地下水补给。大气降雨是场区地下水的主要补给源，其次部分地段接受外围地下水越层补给。补给方式为降水形成的片流、地表径流通过裂隙、溶隙、溶槽、落水洞(漏斗)下渗补给。雨季水量大，枯季水位下降、流水量小。

(2)地下水径流。地下水径流部位一般为斜坡地带，排泄区为沟谷、谷地及河流，受地貌、岩溶、地质构造、水网展布控制，地段性差异较大，但一般与岩层走向一致。地下水接受补给后少部分贮存于土层孔隙内，大多向下伏基岩节理、风化裂隙及岩溶裂隙运移，径流类型以隙流、层面流及暗河状态自南西向北东运移，多集中于隧道出口的沟谷排出。

(3)地下水排泄。区内排泄区为山间沟谷和河谷，隧道左侧较远处的河流为最终排泄基面。地下水排泄以泉点及地下伏流出口等形式排泄，区内地下水大都沿岩层面相间分布，一般集中于横切沟谷排泄。

2.4 水文地质单元划分及特征

场区地表分水岭与地下分水岭总体一致，依据地表分水岭及水文网所起的控制作用[4]，将区内分为姑开和引底河两个水文地质分区，又根据含水岩组的不同，将姑开水文地质分区划分为黑龙井(Ⅰ1)及甘家寨(Ⅰ2)两个亚区；将引底河水文地质分区划分为仡佬寨(Ⅱ1)及岩脚寨(Ⅱ2)两个亚区，水文地质单元分区如图1所示。隧道主要位于黑龙井(Ⅰ1)、仡佬寨(Ⅱ1)及岩脚寨(Ⅱ2)3个亚区内。

图1 场区水文地质单元划分

3 解析法预测隧道涌水量

3.1 计算方法

解析法又叫地下水动力学法，利用地下水动力学的原理，用数学解析的方法给已有初值条件和边界条件的地下水运动建立数学表达式，从而达到预测隧道涌水量的目的[5]。根据隧道的工程地质及水文地质条件，在结合勘察钻孔的基础上，对地下水水位进行推测，选用地下水动力学方法，对隧道涌水量进行分段初步预估，计算方法及公式见表1。

表1 涌水量计算公式

3.2 计算参数选取

该隧道穿越不同类型水文地质单元，根据钻孔及水文地质试验确定计算以及模拟所需渗透系数(K)、重力给水度(μ)；降雨补给强度(W)依据隧道所在地年平均降雨量；含水层厚度(H)根据隧道纵剖面取平均值；排水时间(t)计划隧道开工到施工结束约3年[6]。

4 涌水量预测结果分析

根据《环境影响评价技术导则地下水环境》(HJ 610-2011)指出狭长坑道线性类项目的地下水水位影响区域半径计算公式如公式(1)和(2)[7]：

(1)

(2)

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d。

由公式(1)、(2)计算隧道地下水水位影响区域半径，计算结果见表2。

表2 隧道影响半径分段预测结果

由表2可知，隧道施工对地下水的影响主要体现在飞仙关组(T1f)中，地下水的影响范围较大，R=40.38m。永宁镇组(T1yn)出露于隧道进口段，地下水位以及隧道埋深较浅，影响范围较小，R=36.52m。

由表1中的计算公式根据含水地层分段计算隧道涌水量，计算结果见表3。

表3 隧道涌水量分段预测结果

由表3计算结果可知，三叠系永宁镇组飞仙关组(T1yn、T1f)灰岩夹泥岩和砂岩夹泥岩作为富水性最好的含水岩组，隧道穿越该地层时，涌水量偏大，根据大岛洋志公式计算的涌水量约7360.85m3/d，根据科斯加科夫公式计算的涌水量约18523.53m3/d，根据铁路经验公式计算的涌水量约5890.38m3/d～8195.57m3/d。隧道穿越三叠系飞仙关组T1f泥岩夹砂岩地层时，涌水量普遍偏小。通过计算结果分析研究，大岛洋志和铁路经验计算出的涌水量接近，可作为预测隧道的正常涌水量(Qs:8195.57m3/d)；科斯加科夫计算出的涌水量偏大，可作为预测隧道的最大涌水量(Qmax:18523.53m3/d)。

5 基于MODFLOW软件预测隧道涌水量

5.1 模型的建立

(1)模型范围。据场区地下水类型、地下水的补给、径流、排泄特征和水文地质单元划分等水文地质条件，结合隧道的尺寸将模型范围设定为一长3100m、宽1400m的长方形[8]。

(2)边界条件的确定。场区不存在较大的水库，考虑地表支沟体对地下水的影响，所以把模型范围内的支沟以及河流作为溪流边界和河流边界；在分析隧道对天然渗流场的影响时，将隧道概化为排水沟边界[9]。排水沟边界程序包：排水量正比于含水层的水头与某一固定水头或高程之差。如果含水层水头低于排水沟的固定水头，排水沟程序包假设排水就没有效果。排水沟程序包要求包含这个边界条件的每个单元具备输入资料水头标高和水力传导系数。

(3)模型的时空离散。由于本隧道地层岩性和含水岩组单一，结合隧道岩土体渗透系数取值，此外根据工程需求，在空间上按照50m网格将其剖划为62行、28列，为更精准地刻画地层的空间展布，分为3层，其中，局部地区网格加密，共划分5208个单元(图2)。

图2 模型网格剖分

预计隧道施工需要3年时间，所以模型模拟期定为3年，根据该区域内水文地质报告中降雨量统计数据，长期平均年降雨量约1240mm，其中11月—次年4月总降雨量约为340mm，5月—10月总降雨量为900mm。所以，按照季节将一年作为2个应力期，每个时间段内包括若干时间步长，时间步长由模型自动控制，严格控制每次迭代的误差。本文使用强隐过程程序包即SIP，是一种通过迭代求解一组大型联立线性方程的方法，该迭代计算方法的优点是结果很稳定以及有较好的收敛性，但求解速度较慢。

5.2 计算参数的选取

含水层渗透系数(K)依据钻孔压水试验换算确定，贮水系数(S)根据岩石力学试验孔隙度确定，以上参数在模型调试中通过进一步修正，各参数取值如表4所示。

表4 水文地质参数取值

5.3 模型及参数的校验

建立3D地质模型后，首先拟合初始渗流场，校验模型的初始水位和各个参数。根据工程地质勘察资料观测的地下水位和模拟区域的地形地貌对其他模拟区域采取插值法以确定地下水的大致高程，将该方法得到的地下水位作为模型的初始水位，然后计算模型的非稳定流。图3为天然条件下地下水三维渗流场，图4为钻孔测点水位拟合。

图3 天然状态等水位线分布

图4 钻孔观测点水位拟合

在本次模拟中将隧道洞身钻孔ZK1和ZK2设置成为模型的实时监测点，模型中设水头观测孔，把模型计算出的地下水位与实际观测的地下水位进行对比，以确定模型的拟合程度(如图4所示)。地下水位从第7个应力期开始就趋于稳定状态，ZK1和ZK2钻孔真实水位分别为2036.5m、2010.5m，模拟水位分别为2035.5～2039.3m、2006.7～2010.8m，模型误差较小，建立的地质模型符合实际地质情况，所以模型通过检验。因此该隧道天然条件的渗流场模型符合实际，可用来预测评价隧道施工排水对渗流场的改变。

5.4 涌水量预测结果分析

采用Visual MODFLOW中的水均衡计算模块下的排水沟程序包计算隧道涌水量。根据隧道穿越地层岩性及含水岩组的区别将隧道分为3段(具体桩号及长度如解析法划分段落所示)进行数值模拟分析，此外为更准确真实地预测隧道施工的涌水过程，模拟过程中采用全排水和封堵排水结合两种工况进行分析研究[10]。

(1)全排水工况时，隧道从1段到3段施工的涌水过程如下：

①隧道开挖至第1段时，穿越研究区的含水岩组三叠系永宁镇组(T1yn)地层，从图5可以看出隧道开挖对地下水环境的影响较小，仅在隧道轴线附近有很小的降落漏斗，涌水量约3520m3/d。

图5 第1段开挖等水位线分布图6 第2段开挖等水位线分布

②隧道开挖至第2段时，穿越研究区的含水岩组三叠系飞仙关组(T1f)地层，由于隧道穿越含水地层的长度很大，从图6可以看出在隧道轴线产生了较大的降落漏斗，该段隧道开挖时对地下水环境的影响很大，涌水量约为12741m3/d。

③隧道开挖至第3段时，穿越研究区的相对隔水地层三叠系飞仙关组(T1f)地层泥岩夹砂岩，至此隧道开挖完毕，从图7可以看出在整个隧道轴线上产生了完整的降落漏斗，该段隧道开挖时对地下水环境的影响大，涌水量约为302m3/d。

图7 第3段开挖等水位线分布图8 第1段开挖等水位线分布

(2)封堵排水结合工况时，封堵排水结合就是将已开挖隧道段采取止水措施将地下水阻挡在衬砌等支护结构外围。按照实际开挖程序分别模拟隧道涌水过程，具体过程如下。

①第1段隧道开挖时，地层岩性为含水岩组三叠系永宁镇组(T1yn)，从图8可看出地下水渗流场没有较大的变化，该段隧道开挖时对地下水环境的影响较小，涌水量约为3862m3/d。

②第2段隧道开挖时，穿越研究区的含水岩组三叠系飞仙关组(T1f)地层，由于隧道穿越含水地层的长度较大，从图9可以看出地下水渗流场在山脊部位产生了较大的降落漏斗，隧道施工时对地下水环境的影响大，地下水位降深较大，涌水量约为13190m3/d。

图9 第2段开挖等水位线分布图10 第3段开挖等水位线分布

③第3段隧道开挖时，穿越研究区的相对隔水地层三叠系飞仙关组(T1f)地层泥岩夹砂岩，至此隧道开挖完毕，从图10可看出在隧道出口处等水位线明显向山脊凸出，说明开挖时对该地区地下水环境的影响较大，涌水量约为363m3/d。

基于Visual MODFLOW数值模拟计算隧道涌水量，采用全排水和封堵排水结合两种工况进行模拟计算。预测的涌水量见表5所示，从模拟结果可知封堵排水工况下的涌水量大于全排水工况下的涌水量，由于封堵排水工况下对已开挖隧道段采取止水措施将地下水阻挡在衬砌等支护结构外围，地下水只能在施工段排泄。综合分析可知，排水工况下涌水量可作为隧道正常涌水量(Qs:15563m3/d)，封堵排水工况下涌水量可作为隧道最大涌水量(Qmax:16415m3/d)。

表5 两种工况下数值模拟的涌水量

6 结语

根据解析法预测隧道涌水量计算结果分析研究，大岛洋志和铁路经验计算出的涌水量接近，可作为预测隧道的正常涌水量(Qs:8195.57m3/d)；科斯加科夫计算出的涌水量偏大，可作为预测隧道的最大涌水量(Qmax:18523.53m3/d)。

根据水文地质单元分段进行模拟分析时，通过排水工况和封堵排水结合两种工况下的预测结果显示，封堵排水工况下隧道涌水量普遍大于排水工况下的涌水量，排水工况下涌水量可作为隧道正常涌水量(Qs:15563m3/d)，封堵排水工况下涌水量可作为隧道最大涌水量(Qmax:16415m3/d)。

隧道涌水量的大小与隧道的水文地质条件密切相关，根据隧道各区段的水文地质条件采用不同方法计算各段的涌水量较为合理，以解析法为基础预测隧道涌水量结合数值模拟方法分析隧道正常涌水量和最大涌水量，可为隧道设计和施工提供较准确的数据，从而有效预防隧道涌水突泥灾害对隧道建设的危害[11]，对隧道工程建设具有较大的借鉴指导作用。