基于GMS 隧道渗流场特征及涌水量数值模拟

贺 鹏,贺 颜,张 晓

（陕西省水务集团水生态综合开发有限公司，陕西 西安 710018）

1 引言

我国的碳酸盐岩分布广泛，尤其是在西藏、四川、云南、贵州、广西、新疆等西部地区岩溶广泛发育[1］。随着我国“十四五”规划的出台及交通强国战略的提出，隧道工程等基础设施建设将在地形陡峭、地质条件极端复杂、岩溶广泛发育的西南山区展开，长大深埋隧道逐渐增多[2］。岩溶地区隧道施工过程中遇到的涌突水灾害造成隧洞失稳、地面沉降，严重影响施工进度、人员与设备的安全，制约工程建设。近几十年来，隧道涌水运动规律及数值模拟成为地下水研究的热门内容，受到国内外学者的广泛关注[3，4］。张付军等[5］以武九高速公路隧道为例，采用FLAC3D 有限差分数值模拟软件研究了隧道涌水量对围岩影响，研究结果表明，注浆圈厚度在3 m～7 m 可保证隧道围岩稳定性；张珂峰[6］采用数值模拟方法，建立渗流-应力耦合模型对围岩开挖过程进行数值模拟，结果表明，当防水岩板小于一定厚度时，会导致突然用水性现象；周文俊[7］采用有限元数值模拟软件，对不同区域隧道涌水量进行模拟，并与实际情况进行对比，研究结果表明该方法可较好地用于隧道涌水量预测；陈鹏等[8］针对复杂地质条件下隧道涌水量计算，采用数值模拟方法对渗流场进行模拟，并根据模拟结果对某隧道涌水量进行预测；李伟[9］基于PFC 离散元模拟软件，对隧道开挖过程中的岩土体位移，渗流场进行分析，结果表明，隧道岩土体位移对涌水量具有较大影响；王士伟等[10］采用理论分析与数值模拟相结合的方法，对隧道开挖过程中的塑性区破坏范围进行分析，研究结果表明，断层的存在导致突水路径减少，增加了隧道涌水量，应针对性进行防护设计。

以上均通过计算模型来预测隧道涌水量，较少考虑渗流的过程，本文以巴中东泉隧道为例，提出适宜于研究区的岩溶管道-多孔介质的概念模型，即利用河流功能模块（Drain）刻画地下管道及暗河，通过GMS 软件进行研究区地下水数值模拟研究，分析研究区地下水动力特征。

2 研究区概况

隧道位于四川巴中境内，全长 3465 m，为双线单向上坡隧道。隧道最大埋深127 m。研究区地形高程 190 m～600 m，山麓高程 140 m～300 m，相对切割高差 210 m～280 m（图1）。

图1 研究区地貌图

研究区为铜锣背斜低山的南段部分，区内地表水系主要有御临河和温塘河，两条河流都属长江水系。御临河为长江一级支流，在区内标高 190 m 左右，河流宽度约20 m～30 m，从北侧入境，汇集东侧背斜山的冲沟水，向南流入长江；温塘河为长江二级支流，区内标高 200 m 左右，河流宽度约 15 m～20 m，从西北侧横切铜锣峡背斜，汇集山脊两侧地表地下水，由西向东在统景镇汇入御临河，为铜锣峡北侧侵蚀基准面，统景温塘河枯洪期水位差仅 1.50 m。

3 GMS 地下水深渗流数值模拟

3.1 水文地质概念模型

水文地质概念模型是进行数值建模的基础，通过调查和试验把研究区域复杂的含水系统抽象的、保留含水系统所对应的地质实体的主要特点的简化系统，即对含水系统所对应的地质实体的概化，并用数学语言及符号表达。主要包括研究区域的边界条件的概化（如水头边界、流量边界、隔水边界、流量、水位、地下水流动特征等）和含水系统内部结构的概化(如含水岩组类型结构、地下水运动状态、水文地质参数等）。

3.2 模型范围与边界条件参数

东泉隧道穿过铜锣峡背斜大部分，研究区域东侧以御临河流域为河流边界，南侧以温塘河流域为河流边界，西侧以背斜砂岩偶夹页岩的须家河组（T5 xj）的山脊线为分水岭为边界，视为隔水边界或零流量边界，隧道北侧的影响范围约为 2 km，研究区北侧为距离隧道 3.7 km 的定水头边界，大致范围为林家垭口至龙安乡。

研究区内含水层主要为分布于背斜核部及两侧的白云岩与灰岩。背斜两翼主要分布有三砂岩、砂质泥岩以及页岩，作为相对隔水层，见图2。

图2 渗透系数分区图

模型的顶板高程为 DEM 实际地表高程数据，根据岩溶发育的垂直分带，垂向上将含水层细分为 3 层，垂向剖分第 1 层网格厚度占整个网格厚的 60%、第 2 层～第3 层分别占 20%。然后根据岩性及岩溶发育情况，将研究区每一层划分为 4 个渗透系数分区，根据抽水试验数据及经验值确定每个分区的水平和垂直渗透系数（Kh、 KV），研究区水文地质参数见表 1。

表1 研究区水文地质参数分区表

3.3 隧道渗流场特征数值模拟结果

（1）开挖前渗流场特征

如图3 所示，含水层模拟水头分布及趋势基本与地表高程起伏呈现出一致的关系。北部侧向补给的水头较高约为 320 m，水力坡度约为 2.6%，这与北部印盆村的地下水位相符合。在补给区和径流区，岩溶发育强烈，导水系数大，水力梯度约为1.5%；在温塘河排泄区，由于河流的切割，接近温塘河的岩溶含水系统变薄，等水头线较密，水力梯度较大约为 6.6%。水厂暗河和龙洞湾暗河的流量分别为 2064 m2／d、16155 m2／d。研究区内丰水期与枯水期地下水位变化不大，变化幅度不超过 10 m。

图3 隧道未开挖渗流场云图

（2）隧道开挖后渗流场特征

从图 4 可以看出，隧道开挖对须家河组地下水位的分布特征影响较大，隧道开挖对浅层地下水渗流场影响不大，对附近的因深层循环径流形成的统景温泉没有影响，水力梯度由上到下逐渐减小，补给区和径流区平均水力梯度为2.2%，排泄区平均水力梯度为7.5%。

图4 隧道开挖后渗流场云图

3.4 隧道岩溶涌水量预测

根据前述分析，本隧洞身多在常年地下水位以上，难以采用理论方法计算隧道正常涌水量。本次采用大气降水入渗法计算隧道雨时最大涌水量。

大气降水入渗系数法计算公式：

式中：W 为隧道区多年平均降水量，mm；F 为隧道通过各含水岩体地段的渗入补给面积，km2；a 为入渗系数；Q 为涌水量，m3／d。

根据研究区气象资料，年平均降水量取为1200 mm。对于降雨入渗系数，根据含水岩组岩性、入渗能力按地区经验值，泥岩夹砂岩取 0.1，砂岩类取 0.20，白云岩类取 0.30，灰岩、角砾状灰岩类取 0.40。

计算得到的隧道涌水量在非可溶岩地段为 510 m3／d；可溶岩地段涌水量为 613 m3／d。数值模拟预测的可溶岩段涌水量为 628 m3／d，非可溶岩涌水量为 524 m3／d，总共涌水量为 1152 m3／d。可以看出，非可溶岩段涌水量两者方法差不大，而可溶岩段涌水量两者差距较大，其原因是软件无法考虑由岩溶洼地及槽谷等负地形汇集的降雨等地表水经落水洞、漏斗等涌入隧道形成的涌水量。

4 结论

本文以四川巴中某公路隧道为例，在地层岩性和水文地质条件的基础上，分析地下水补径排条件和研究区的边界条件，利用 GMS 建立研究区的水文地质模型，研究隧道岩溶地下水渗流特征，主要结论如下：

（1）研究区岩溶地下水具有统一的地下水面，整体水流坡度约为5.1%，补给区和径流区水力坡度平缓，平均水力梯度为2.2%，排泄区平均水力梯度为7.5%。

（2）计算得到的可溶岩段涌水量为613 m3／d，非可溶岩段涌水量为510 m3／d，总共涌水量为1123 m3／d：数值模拟预测的可溶岩段涌水量为 628 m3／d，非可溶岩涌水量段为 524 m3／d，总共涌水量为 1152 m3／d。数值模拟结果与计算结果吻合较好，可用于实际工程隧道涌水量预测。