巖溶區(qū)隧道建設(shè)引起的地下水環(huán)境效應(yīng)評(píng)價(jià)分析
——以重慶主城區(qū)鹿角隧道為例

胡 偉，任亞飛，黃唐林，陳 志

(重慶市勘測(cè)院，重慶 401123)

隧道建設(shè)的地下水環(huán)境效應(yīng)指由于隧道工程建設(shè)引發(fā)的原有地下水環(huán)境及地下水滲流場(chǎng)的改變，主要表現(xiàn)為隧道開挖中導(dǎo)致在隧道影響范圍內(nèi)地下水位急劇下降，大量泉點(diǎn)、地表水點(diǎn)干涸。目前大量學(xué)者[1-6]在對(duì)建設(shè)隧道研究時(shí)提出，隧道建設(shè)會(huì)造成地下水循環(huán)失衡和地下水資源流失等生態(tài)環(huán)境問題，引起區(qū)內(nèi)地表塌陷、井泉點(diǎn)干涸、土地減產(chǎn)等一系列效應(yīng)。根據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，在重慶主城區(qū)的隧道建設(shè)中，僅僅中梁山、明月山、銅鑼山和縉云山“四山”地區(qū)因修建隧道就造成地面塌陷200余處，致使井、泉減少或消失共計(jì)363處，導(dǎo)致水田旱化面積超過5萬畝，還造成大量地面建筑物損壞，對(duì)區(qū)域生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響。因此，新建隧道對(duì)地下水水文地質(zhì)環(huán)境影響應(yīng)引起重視。本文以重慶主城鹿角隧道建設(shè)為例，分析擬建隧道建設(shè)引起地下水環(huán)境效應(yīng)范圍及對(duì)地下水環(huán)境效應(yīng)影響。

1 工程概況

鹿角隧道屬于重慶市巴南區(qū)和南岸區(qū)交界的南山山脈，為分離式雙洞雙向六車道隧道，凈寬13.0 m，凈高8.0 m，洞間距42 m，設(shè)計(jì)速度60 km/h，雙向6車道，全長約3.7 km，設(shè)計(jì)起點(diǎn)路面高程252.056 m，終點(diǎn)路面高程336.266 m，設(shè)計(jì)坡率2.5%。

1.1 自然地理?xiàng)l件

鹿角隧道工程位于重慶市南岸區(qū)和巴南區(qū)，屬亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候，年最大降雨量1 544.8 mm，日最大降雨量266.5 mm(2007.7.17)，日降雨量大于25 mm以上的大暴雨日數(shù)占全年降雨日數(shù)的62%左右，多年平均蒸發(fā)量1 138.6 mm。

隧址區(qū)地表水體主要為地表水沖溝，大體上沿北東～南西向發(fā)育，多在巖性相對(duì)軟弱的丘陵區(qū)蜿蜒，受季節(jié)性降雨影響較大。受構(gòu)造和地形地貌影響，區(qū)內(nèi)山頂槽谷區(qū)地表水沿構(gòu)造走向自北向南沿沖溝匯入花溪河，花溪河自東向西再匯入長江。

1.2 工程地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)區(qū)內(nèi)地層由上而下依次為第四系全新統(tǒng)人工填土層(Q4ml)、崩坡積層(Q4col+dl)、殘坡積層粉質(zhì)粘土夾碎塊石土(Q4el+dl)；下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)新田溝組(J2x)泥、頁巖，下統(tǒng)自流井組(J1-2z)泥巖為主和珍珠沖組(J1z) 砂、泥巖段為主；三疊系上統(tǒng)須家河組(T3xj)砂、泥巖，中統(tǒng)雷口坡組(T2l)灰?guī)r，下統(tǒng)嘉陵江組(T1j)灰?guī)r為主，下統(tǒng)飛仙關(guān)組(T1f)分為泥、灰?guī)r為主。

鹿角隧道位于南溫泉背斜兩翼，構(gòu)造線多呈NNE～SSW向；節(jié)理(裂隙)發(fā)生與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)密相關(guān)，以構(gòu)造節(jié)理、層面為主，節(jié)理走向NEE～SWW和走向NW～SE兩組較發(fā)育，多呈密閉型，部分為微張型，少有充填物。

圖1 鹿角隧道工程地質(zhì)圖

圖2 鹿角隧道區(qū)域地質(zhì)剖面圖

1.3 水文地質(zhì)條件

擬建鹿角隧道穿越南溫泉背斜，受構(gòu)造及地層影響，中部可溶巖地層被須家河一段相對(duì)隔水層阻隔，形成了獨(dú)立的地下水系統(tǒng)，碎屑巖含水層內(nèi)部由于隔水層(須家河一段)的存在，也形成了相對(duì)獨(dú)立的地下水系統(tǒng)，對(duì)擬建隧道可能產(chǎn)生影響的地下水主要為水平徑流帶內(nèi)的地下水，細(xì)分為可溶巖地下水和碎屑巖裂隙水下面分別對(duì)其補(bǔ)、徑、排特征進(jìn)行敘述：

1.3.1 可溶巖地下水補(bǔ)、徑、排特征

可溶巖地下水主要位于南溫泉背斜軸部及兩翼，根據(jù)隧道穿越區(qū)南、北側(cè)地下水徑流、排泄特點(diǎn)，分別對(duì)隧道北側(cè)和南側(cè)地下水補(bǔ)、徑、排特點(diǎn)進(jìn)行分析。

隧道北側(cè)：隧道北側(cè)可溶巖地下水主要沿老龍洞暗河系統(tǒng)進(jìn)行徑流、排泄，地下水主要靠大氣降水、周邊居民生活用水補(bǔ)給，受區(qū)內(nèi)垂直巖溶發(fā)育影響，地表雨水入滲系數(shù)大，入滲較快，地表水經(jīng)巖溶洼地、漏斗、落水洞匯集后沿巖溶管道、溶隙迅速向南南西(SSW)方向徑流，地下水類型以可溶巖溶洞溶隙水為主，以空間運(yùn)動(dòng)、混合流的方式進(jìn)行，徑流巖溶管道較寬大，徑流距離較長，長者徑流途徑可大于5 km，部分地下水主從泉點(diǎn)和老龍洞暗河出口流出地表，以地表河流的形式繼續(xù)向南徑流，其余未排泄的地下水繼續(xù)向南徑流，最終匯入花溪河。擬建隧道主要穿越隧道北側(cè)地下水的排泄區(qū)。

隧道南側(cè)：隧道南側(cè)地下水主要為降雨補(bǔ)給，西槽谷地下水排泄高程高于地表的匯入溪溝內(nèi)，形成地表水，其余以地下水的形式繼續(xù)向南徑流。東槽谷地下水受區(qū)內(nèi)垂直巖溶發(fā)育影響，地表水經(jīng)巖溶洼地、漏斗、落水洞匯集后沿巖溶管道、溶隙迅速向南或南南西(SSW)方向徑流，地下水類型以可溶巖溶洞溶隙水為主，主要從龍洞灣暗河出口流出地表，最終匯入花溪河。擬建隧道主要穿越隧道南側(cè)地下水的補(bǔ)給區(qū)。

在整條鏈中，企業(yè)的數(shù)量眾多，分層情況復(fù)雜。除了核心企業(yè)、一二級(jí)商戶外，供應(yīng)鏈上還有需要規(guī)模更小的企業(yè)。每家公司都有自己的商業(yè)運(yùn)營系統(tǒng)，作為企業(yè)準(zhǔn)入判斷和信息平臺(tái)集合的企業(yè)也難以全面的掌握和了解信息，獲取信息成本較高。

1.3.2 碎屑巖地下水補(bǔ)、徑、排特征

碎屑巖含水層主要為南溫泉背斜兩翼砂巖山嶺地層，地下水主要接受大氣降雨補(bǔ)給。區(qū)內(nèi)地表多基巖出露，裂隙不發(fā)育～很發(fā)育，地形上形成條帶狀山脈，雨水經(jīng)地表滲入后沿裂隙在條帶狀山脈中順層運(yùn)移，于橫向深切溝谷內(nèi)出露地表，出露形式一般呈淋雨?duì)?、滴水狀，該類地下水一般補(bǔ)給面積較小，距離較短，流量較小，部分位于礦坑內(nèi)、破碎帶或裂隙發(fā)育帶處呈線狀或脈狀涌出，調(diào)查時(shí)流量一般小于2 L/s，具有局部特點(diǎn)。受砂巖山體較大較長影響，一般地下水靜儲(chǔ)藏量較大。

2 水文地質(zhì)環(huán)境影響范圍

2.1 影響范圍橫向邊界

在橫向上(隧道方向)，隧址區(qū)總體屬于近于對(duì)稱的背斜儲(chǔ)水構(gòu)造，背斜兩翼的侏羅系和須家河組和雷口坡組，背斜軸部為嘉陵江組和飛仙關(guān)組構(gòu)成，如圖2。兩翼侏羅系地層屬碎屑巖含水巖組，含水貧乏，屬隔水層，隧道建設(shè)時(shí)地下水漏失少，隧道施工引起的地下水位下降不會(huì)引發(fā)地面塌陷問題；兩翼須家河地層形成雄厚山體，地表覆蓋層薄，須家河地層中的砂巖屬中等富水的含水巖組，其中的煤系地層為隔水層，地下水賦存于砂巖裂隙性中，隧道施工引起的地下水位下降不會(huì)引發(fā)地面塌陷，但會(huì)引起泉干枯；三疊系下統(tǒng)嘉陵江組和中統(tǒng)雷口坡組等含巖溶角礫巖、石膏層的可溶性碳酸鹽巖類組成，為極富水的碳酸鹽巖類巖溶水含水巖組，隧道標(biāo)高低于含水層中地下水位時(shí)，隧道兩側(cè)的地下水均從隧道排泄，地下水原來的流向、水力坡度和流速均會(huì)發(fā)生改變，從而打破了地下水原來的均衡狀態(tài)。

由此隧道施工排水將導(dǎo)致碳酸鹽巖中的地下水位下降進(jìn)而引發(fā)地面塌陷、泉井干枯、土地退化等一系列環(huán)境地質(zhì)問題，地下水漏斗得橫向邊界應(yīng)確定到灰?guī)r地層邊界。

2.2 影響半徑

根據(jù)《環(huán)境影響評(píng)價(jià)技術(shù)導(dǎo)則—地下水環(huán)境(HJ 610-2011)》推薦排水渠和狹長坑道線性類建設(shè)項(xiàng)目的地下水水位變化區(qū)域半徑采用泰斯計(jì)算，公式如下(公式1和公式2)。計(jì)算結(jié)果見表1。

影響半徑計(jì)算成果均以含水介質(zhì)各項(xiàng)同性為基礎(chǔ)且未考慮任何堵水措施，同時(shí)槽谷區(qū)地下水具有由北向南流的趨勢(shì)，地下水漏斗在隧道兩側(cè)是不對(duì)稱的，隧道以北的影響半徑應(yīng)大于隧道以南,因此鹿角隧道可溶巖地層的影響半徑為：北側(cè)約2.1 km，南側(cè)約1.9 km。

(1)

(2)

式中：R為影響半徑，m；H為含水層厚度，m；K為含水層滲透系數(shù)，m/d，取值同前；μ為重力給水度，無量綱，須家河砂巖取0.025，雷口坡組和嘉陵江組碳酸鹽類取0.05；t為排水時(shí)間(d)，按施工通過該段時(shí)間考慮，取1.5 a(540 d)；W為降水補(bǔ)給強(qiáng)度，取多年平均降雨量1 000 mm/y，為0.002 78 m/d。根據(jù)勘察報(bào)告[7]，滲透系數(shù)K取值為：T3xj砂巖、泥巖夾煤層滲透系數(shù)為0.15 m/d；T2l白云質(zhì)灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r滲透系數(shù)為0.65 m/d；T1j1灰?guī)r滲透系數(shù)為0.56 m/d；T1j2灰?guī)r、角礫巖滲透系數(shù)為1.5 m/d,；T1j3灰?guī)r滲透系數(shù)為0.24 m/d；T1j4灰?guī)r、角礫巖滲透系數(shù)為1.12 m/d。

3 地下水環(huán)境效應(yīng)影響評(píng)價(jià)

3.1 巖溶塌陷評(píng)價(jià)

巖溶塌陷是由多種不利要素綜合作用的結(jié)果，對(duì)自然或人為誘發(fā)塌陷因素的作用較為敏感的地段。區(qū)內(nèi)巖溶塌陷基本上分布在東西巖溶槽谷之中，具備匯水條件好、為可溶巖石，且?guī)r溶發(fā)育，特別是淺表垂直循環(huán)帶內(nèi)巖溶極為發(fā)育，巖溶發(fā)育易形成連通性較好的溶隙、溶洞，具備了產(chǎn)生巖溶地面塌陷的基本物質(zhì)條件。場(chǎng)地附近地下水位迅速下降、井泉干枯及流量減少的地帶也可形成巖溶塌陷。在地表土層較厚地段還會(huì)發(fā)生土洞。巖溶塌陷的還會(huì)產(chǎn)生一些伴生現(xiàn)象：主要表現(xiàn)為地面下沉、地面開裂、建筑物變形。

表1 解析法地下水影響半徑預(yù)測(cè)表

3.2 對(duì)井、泉的影響評(píng)價(jià)

隨著隧道的開挖，將形成以隧道為中心的地下水降落漏斗，疏干隧道標(biāo)高以上地下水，致使影響范圍內(nèi)地表井泉點(diǎn)、地表水體出現(xiàn)流量減小或斷流、水位下降等現(xiàn)象。

3.3 對(duì)暗河的影響評(píng)價(jià)

3.3.1 老龍洞暗河(RD7)

老龍洞出口位于鹿角隧道正上方，暗河水位與區(qū)域地下水位一致，鹿角隧道開挖一旦形成地下水漏斗，枯水期老龍洞出口將斷流(如圖3)，即使采取限排措施，水位出現(xiàn)較小的下降也會(huì)導(dǎo)致老龍洞流量大幅減小。老龍洞暗河斷流將直接影響下游水塘的水源補(bǔ)給；同時(shí)老龍洞暗河斷流可使暗河出口以下明流的水量急劇減小。

圖3 老龍洞暗河影響示意圖

3.3.2 龍洞灣暗河

龍洞灣暗河出口位于鹿角隧道以南3.2 km，其暗河發(fā)源于“七孔壩”、“大周家溝”巖溶洼地(隧道以北1 km)，擬建隧道位于該暗河的補(bǔ)給區(qū)內(nèi)，隧道開挖對(duì)龍洞灣暗河的流量影響較大。

3.4 對(duì)地表水體的影響評(píng)價(jià)

根據(jù)水文鉆孔揭示的地下水位來看，槽谷區(qū)地下水位普遍低于地面水塘的底標(biāo)高，隧道開挖會(huì)形成地下水漏斗，地下水位急劇下降，將導(dǎo)致影響區(qū)內(nèi)的水塘被快速或逐漸疏干。在地表水體的疏干的區(qū)域，還易引發(fā)地面塌陷。

3.5 對(duì)土地資源的影響評(píng)價(jià)

隧道建設(shè)引起的水源漏失和施工擾動(dòng)會(huì)改變或破壞原有土地的形態(tài)，如地表塌陷、開裂等，塌陷和開裂的土地?zé)o法進(jìn)行農(nóng)田作業(yè)，且給當(dāng)?shù)卮迕駧砜只排c不安，導(dǎo)致塌陷及其周邊的不少農(nóng)田被迫放棄，造成絕產(chǎn)。土地塌陷增大了原地面坡度，擾亂了原來相對(duì)穩(wěn)定的土壤結(jié)構(gòu)，水、肥沿傾斜的地面流失和沿裂開的地縫漏失，且水土流失還會(huì)帶走土壤中的肥料，土壤肥力不斷下降，易造成農(nóng)作物不斷減產(chǎn)。

4 結(jié)語

鹿角隧道修筑會(huì)對(duì)該區(qū)域地下水文地質(zhì)環(huán)境造成較大影響，建議項(xiàng)目實(shí)施前應(yīng)充分考慮隧道施工影響區(qū)內(nèi)的水文地質(zhì)影響及地表建、構(gòu)筑物影響，在項(xiàng)目實(shí)施前應(yīng)對(duì)整個(gè)場(chǎng)地內(nèi)的地下水水文地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行長期觀察，掌握地下水的動(dòng)態(tài)變化。在隧道的開挖施工中，還應(yīng)采取施工保護(hù)措施，避免強(qiáng)烈的爆破對(duì)隧道附近巖層和地下含水層造成破壞。