中坝隧道地下分水岭演化的数值模拟分析

廖晓超，许 模，蒋 莉，赵 瑞，苟 敬

(1.成都理工大学地质灾害防治与地质环境保护国家重点实验室，四川 成都610059;2.重庆市地质矿产勘查开发局208水文地质工程地质队，重庆北碚400700)

随着我国经济的飞速发展，基础设施建设特别是铁路建设正在日益加快，隧道作为铁路的重要组成部分，其施工建设大大缩短了铁路里程，但同时也带来了日益严重的环境问题。隧道建设所关注的焦点逐渐从地下水对隧道的危害转变为隧道建设对地下水的危害，以及其对地下水环境的影响[1]。因此，研究和预测隧道建设对地下水环境的影响具有重大的现实意义[2]。本文通过运用Visual Modflow软件对位于一河间地块内的中坝隧道进行了三维数值模拟，模拟隧道的施工建设后，区域地下分水岭的演化过程，以此来探讨分析其对地下水环境的影响。

1 工程概况

拟建地方铁路叙永—大村线中坝隧道研究区位于四川盆地西南部，属低山～低中山区构造剥蚀地貌。隧道穿越山体高程介于702～1 128m，相对高差约426m。区内温暖潮湿，雨量充沛，沟槽及冲沟较发育，最终汇入东西两侧的最终排泄面头道河和水落河，河流切割较深，同时洞身段地表径流多为季节性流水，旱季断流，水量受季节影响变化大，主要由大气降水补给。

研究区域内构造条件较为简单，为一单斜构造，未见断裂构造体通过。研究区岩溶现象极为发育，以水平溶蚀与垂直溶蚀相互交替呈现，局部形成密集复杂的地下岩溶通道。研究区内大面积分布着三叠系嘉陵江组(T1j)和雷口坡组(T2l)灰岩。受构造条件和两侧非可溶岩地层阻隔的影响，岩溶地下水多顺层沿轴向径流，遇横向河流切割或地形低洼处呈现集中排泄和分散排泄两种方式汇入头道河和水落河。东西两侧的水落河(H:447m)和头道河(H:656m)作为研究区的最终排泄面，其属于一典型的河间地块。

在野外调查中发现研究区发育一暗河管道，2012年7月14日，在隧道开挖至D9K55+221处突发大型涌突水灾害，涌水量约200 L/s，主要的涌水点为一陡倾溶蚀裂隙，其延伸方向表明裂隙的切割揭穿了顶部的暗河管道，从而形成导水通道，造成突水灾害。

图1 中坝隧道工程地质剖面图

2 中坝隧道区域三维数值模拟

2.1 模型概化和建立

根据野外调查及资料分析将研究区模型概化为下图，其中由于隧道未穿越P1地层，且距隧道较远，对隧道基本没影响，故将含水层参数分为两个区，并根据勘探资料和抽水试验给定渗透系数及存贮参数。再根据对区内流场特征的分析，将研究区左右两侧头道河和水落河作为排泄边界。

图2 研究区模型概化图

模型范围x方向总长度为13 000m，y方向总长度9 000m，按照100m网格将其剖分成130列，90行，垂向z方向取1 000m，划分为10层，模型共剖分6_16_个单元。模型底板选取0m高程，顶板高程由Sufer软件插值研究区等高线生成的GRD文件导入。时间上，模拟期为20年。

其中暗河管道在模型中的处理如下:根据野外调查推测暗河管道起点高程在850m左右，后在水落河附近出露，地下水由此排入水落河，高程为505m左右。Visual Modflow软件中Drain模块(排水沟)目的是模拟农用排水沟渠的排水效果，且能在不同层位中刻画管道，因此在该模型中运用Drain模块来模拟暗河管道具有较高的仿真度。

2.2 模型的识别与验证

在模拟区选取隧道线附近的两个钻孔作为观测井，做出地下水位的模拟值与实际值的拟合图。通过实际水位与计算水位的拟合分析，在模型调试中将给定的参数进行修正(见表1)，直到拟合结果达到[4]“水位变化值＜5m的情况，水位拟合误差一般小于0.5m”时认为此时的参数值接近含水层的实际参数。经过反复修正参数，2#，3#钻孔的拟合相对误差分别为0.1%和0.3%，小于1%。可见模拟值与实际值的误差在允许范围内，拟合效果较好，说明建立的模型具有较高的仿真效果(图3)。

图3 2#，3#钻孔地下水位拟合图

表1 水文地质参数取值

2.3 模拟方案

考虑到中坝隧道开挖的不同阶段对地下水分水岭的影响，本次模拟计算主要考虑3种计算方案(表2)。

表2 数值模拟计算方案中各方案基本情况

2.4 模型计算结果的分析

此次模型分别对Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ三种不同计算方案的渗流场进行了模拟计算分析，并在隧道进口附近和D9K55+221处选取ob1、ob2两个地下水位观测点，将在不同计算方案计算得到的结果进行对比(见图4)。

图4 ob1、ob2观测点不同计算方案地下水位变化对比图

由图5可知天然状态下ob1、ob2观测点的水位3年内基本没什么变化;隧道开挖未揭露暗河的3年内，ob1、ob2观测点的地下水位开始下降，但下降的幅度不大;而当隧道开挖揭露暗河后，两个观测点的地下水位下降很明显，ob2比ob1下降幅度更大;当隧道封堵后，ob1、ob2的地下水位逐渐上升。

将3种计算方案的分水岭位置进行对比我们可以得出以下结论，图中红色区域为研究区地下水位最高的地方，地下水由此向左右两侧流动，最终排入头道河和水落河。在3中计算方案中离隧道较远的地方(＞2 km)基本不受影响，证明隧道开挖的影响半径在2 km内。

图5 3种计算方案地下水分水岭对比图

而隧道开挖状态下地下水分水岭与天然状态相比较往头道河一侧发生了偏移。这是由于隧道的开挖建设改变了围岩的原始内营力，破坏了围岩的含水层结构[5]，揭露部分地下水通道，使水动力条件和围岩力学平衡状态发生很大改变。隧道开挖影响范围内地下水或与与隧道有水力联系的水体及所储存能量在重力作用下由相对静止状态变为了流动状态。同时围岩体中的裂隙发生改变，形成了新的通道，通道数量增加，致使地下水直接流入隧道，形成了新的局部排泄基准面，增强了水落河一侧对地下水的袭夺能力。随着对地下水的袭夺，渗流场水位逐渐降低，分水岭势必会向侵蚀基准面更高的一侧偏移，故地下水分水岭往高程更高的头道河一侧偏移。

当隧道开挖揭露暗河之后，暗河管道中的水进入隧道，使进入隧道的地下水量大大增加。同时也加快了地下水往水落河一侧流动的速度，增强了水落河一侧对地下水的袭夺能力，使之袭夺能力比未揭露暗河时更强，也加快了分水岭的迁移。故隧道开挖揭露暗河与隧道开挖未揭露暗河的同等时间(3年)相比，揭露暗河后分水岭往头道河一侧偏移的距离更大。

隧道衬砌后，由于衬砌用的混凝土有较强的抗渗性，渗透系数很小，比地层小很多，故能阻止地下水向隧道里排泄，隧道内的涌水量也随之减小，隧道区内地层中的地下水位降幅也减缓。同时隧道开挖影响范围内的地下水流动方向也逐渐从垂直方向变为水平方向。随着时间的推移，隧道区附近的地下水位逐渐恢复升高，渗流场也随之变化，故隧道衬砌后分水岭会逐渐向水落河一侧偏移。

3 结论

综上所述，通过对中坝隧道进行的三维数值模拟分析，可得出以下结论:

(1)由于隧道开挖改变了隧道附近地下水水动力条件，地下水进入隧道，隧道形成了新的局部排泄基准面，打破了原有的地下水运动的平衡状态，，从而改变了渗流场，地下水分水岭也随之变化。模拟的结果显示隧道开挖促使分水岭向头道河一侧偏移，但远离隧道的分水岭部分基本没受到影响。

(2)当隧道开挖揭露了暗河时，由于加快了区域对地下水的袭夺，故与未揭露暗河的情况相比对分水岭迁移的影响程度也更强，加快了分水岭的迁移。

(3)由数值模拟结果显示，当隧道衬砌后，渗流场的水位会逐渐恢复升高，地下水渗流运动进入新的一个平衡状态，分水岭也会逐渐往水落河一侧偏移，与开挖时相比对环境影响程度也会减小。故在隧道衬砌阶段应该严格把关，尽量减小隧道开挖对环境的影响。

[1]付宏渊，秦艳琪，何忠明.基于灰色多层次理论的桥基施工对路域水环境的影响评价[J].长沙理工大学学报:自然科学版，2011，8(2):1－6.

[2]贺炜，莫凯，付宏渊.隧道施工对地下水环境影响的三维数值模拟—以八面山隧道为例[J].长沙理工大学学报，2011，8(4):6－11.

[3]马从安，李克民等，Visual Mdoflow在露天矿地下水模拟中的应用[J]，环境工程，2011，29(1)，98 －101.

[4]李树文，于虎广.MODFLOW在磁县地下水数值模拟中的应用[J].华北水利水电学院学报，2012，33(2)，53 －55.

[5]卓越，王梦恕，周东勇.连拱隧道施工对地下水渗流场的影响研究[J].土木工程学报，2010，43(5)，104 －110.