基于GMS 隧道滲流場特征及涌水量數值模擬

賀 鵬,賀 顏,張 曉

（陜西省水務集團水生態綜合開發有限公司，陜西 西安 710018）

1 引言

我國的碳酸鹽巖分布廣泛，尤其是在西藏、四川、云南、貴州、廣西、新疆等西部地區巖溶廣泛發育[1］。隨著我國“十四五”規劃的出臺及交通強國戰略的提出，隧道工程等基礎設施建設將在地形陡峭、地質條件極端復雜、巖溶廣泛發育的西南山區展開，長大深埋隧道逐漸增多[2］。巖溶地區隧道施工過程中遇到的涌突水災害造成隧洞失穩、地面沉降，嚴重影響施工進度、人員與設備的安全，制約工程建設。近幾十年來，隧道涌水運動規律及數值模擬成為地下水研究的熱門內容，受到國內外學者的廣泛關注[3，4］。張付軍等[5］以武九高速公路隧道為例，采用FLAC3D 有限差分數值模擬軟件研究了隧道涌水量對圍巖影響，研究結果表明，注漿圈厚度在3 m～7 m 可保證隧道圍巖穩定性；張珂峰[6］采用數值模擬方法，建立滲流-應力耦合模型對圍巖開挖過程進行數值模擬，結果表明，當防水巖板小于一定厚度時，會導致突然用水性現象；周文俊[7］采用有限元數值模擬軟件，對不同區域隧道涌水量進行模擬，并與實際情況進行對比，研究結果表明該方法可較好地用于隧道涌水量預測；陳鵬等[8］針對復雜地質條件下隧道涌水量計算，采用數值模擬方法對滲流場進行模擬，并根據模擬結果對某隧道涌水量進行預測；李偉[9］基于PFC 離散元模擬軟件，對隧道開挖過程中的巖土體位移，滲流場進行分析，結果表明，隧道巖土體位移對涌水量具有較大影響；王士偉等[10］采用理論分析與數值模擬相結合的方法，對隧道開挖過程中的塑性區破壞范圍進行分析，研究結果表明，斷層的存在導致突水路徑減少，增加了隧道涌水量，應針對性進行防護設計。

以上均通過計算模型來預測隧道涌水量，較少考慮滲流的過程，本文以巴中東泉隧道為例，提出適宜于研究區的巖溶管道-多孔介質的概念模型，即利用河流功能模塊（Drain）刻畫地下管道及暗河，通過GMS 軟件進行研究區地下水數值模擬研究，分析研究區地下水動力特征。

2 研究區概況

隧道位于四川巴中境內，全長 3465 m，為雙線單向上坡隧道。隧道最大埋深127 m。研究區地形高程 190 m～600 m，山麓高程 140 m～300 m，相對切割高差 210 m～280 m（圖1）。

圖1 研究區地貌圖

研究區為銅鑼背斜低山的南段部分，區內地表水系主要有御臨河和溫塘河，兩條河流都屬長江水系。御臨河為長江一級支流，在區內標高 190 m 左右，河流寬度約20 m～30 m，從北側入境，匯集東側背斜山的沖溝水，向南流入長江；溫塘河為長江二級支流，區內標高 200 m 左右，河流寬度約 15 m～20 m，從西北側橫切銅鑼峽背斜，匯集山脊兩側地表地下水，由西向東在統景鎮匯入御臨河，為銅鑼峽北側侵蝕基準面，統景溫塘河枯洪期水位差僅 1.50 m。

3 GMS 地下水深滲流數值模擬

3.1 水文地質概念模型

水文地質概念模型是進行數值建模的基礎，通過調查和試驗把研究區域復雜的含水系統抽象的、保留含水系統所對應的地質實體的主要特點的簡化系統，即對含水系統所對應的地質實體的概化，并用數學語言及符號表達。主要包括研究區域的邊界條件的概化（如水頭邊界、流量邊界、隔水邊界、流量、水位、地下水流動特征等）和含水系統內部結構的概化(如含水巖組類型結構、地下水運動狀態、水文地質參數等）。

3.2 模型范圍與邊界條件參數

東泉隧道穿過銅鑼峽背斜大部分，研究區域東側以御臨河流域為河流邊界，南側以溫塘河流域為河流邊界，西側以背斜砂巖偶夾頁巖的須家河組（T5 xj）的山脊線為分水嶺為邊界，視為隔水邊界或零流量邊界，隧道北側的影響范圍約為 2 km，研究區北側為距離隧道 3.7 km 的定水頭邊界，大致范圍為林家埡口至龍安鄉。

研究區內含水層主要為分布于背斜核部及兩側的白云巖與灰巖。背斜兩翼主要分布有三砂巖、砂質泥巖以及頁巖，作為相對隔水層，見圖2。

圖2 滲透系數分區圖

模型的頂板高程為 DEM 實際地表高程數據，根據巖溶發育的垂直分帶，垂向上將含水層細分為 3 層，垂向剖分第 1 層網格厚度占整個網格厚的 60%、第 2 層～第3 層分別占 20%。然后根據巖性及巖溶發育情況，將研究區每一層劃分為 4 個滲透系數分區，根據抽水試驗數據及經驗值確定每個分區的水平和垂直滲透系數（Kh、 KV），研究區水文地質參數見表 1。

表1 研究區水文地質參數分區表

3.3 隧道滲流場特征數值模擬結果

（1）開挖前滲流場特征

如圖3 所示，含水層模擬水頭分布及趨勢基本與地表高程起伏呈現出一致的關系。北部側向補給的水頭較高約為 320 m，水力坡度約為 2.6%，這與北部印盆村的地下水位相符合。在補給區和徑流區，巖溶發育強烈，導水系數大，水力梯度約為1.5%；在溫塘河排泄區，由于河流的切割，接近溫塘河的巖溶含水系統變薄，等水頭線較密，水力梯度較大約為 6.6%。水廠暗河和龍洞灣暗河的流量分別為 2064 m2／d、16155 m2／d。研究區內豐水期與枯水期地下水位變化不大，變化幅度不超過 10 m。

圖3 隧道未開挖滲流場云圖

（2）隧道開挖后滲流場特征

從圖 4 可以看出，隧道開挖對須家河組地下水位的分布特征影響較大，隧道開挖對淺層地下水滲流場影響不大，對附近的因深層循環徑流形成的統景溫泉沒有影響，水力梯度由上到下逐漸減小，補給區和徑流區平均水力梯度為2.2%，排泄區平均水力梯度為7.5%。

圖4 隧道開挖后滲流場云圖

3.4 隧道巖溶涌水量預測

根據前述分析，本隧洞身多在常年地下水位以上，難以采用理論方法計算隧道正常涌水量。本次采用大氣降水入滲法計算隧道雨時最大涌水量。

大氣降水入滲系數法計算公式：

式中：W 為隧道區多年平均降水量，mm；F 為隧道通過各含水巖體地段的滲入補給面積，km2；a 為入滲系數；Q 為涌水量，m3／d。

根據研究區氣象資料，年平均降水量取為1200 mm。對于降雨入滲系數，根據含水巖組巖性、入滲能力按地區經驗值，泥巖夾砂巖取 0.1，砂巖類取 0.20，白云巖類取 0.30，灰巖、角礫狀灰巖類取 0.40。

計算得到的隧道涌水量在非可溶巖地段為 510 m3／d；可溶巖地段涌水量為 613 m3／d。數值模擬預測的可溶巖段涌水量為 628 m3／d，非可溶巖涌水量為 524 m3／d，總共涌水量為 1152 m3／d。可以看出，非可溶巖段涌水量兩者方法差不大，而可溶巖段涌水量兩者差距較大，其原因是軟件無法考慮由巖溶洼地及槽谷等負地形匯集的降雨等地表水經落水洞、漏斗等涌入隧道形成的涌水量。

4 結論

本文以四川巴中某公路隧道為例，在地層巖性和水文地質條件的基礎上，分析地下水補徑排條件和研究區的邊界條件，利用 GMS 建立研究區的水文地質模型，研究隧道巖溶地下水滲流特征，主要結論如下：

（1）研究區巖溶地下水具有統一的地下水面，整體水流坡度約為5.1%，補給區和徑流區水力坡度平緩，平均水力梯度為2.2%，排泄區平均水力梯度為7.5%。

（2）計算得到的可溶巖段涌水量為613 m3／d，非可溶巖段涌水量為510 m3／d，總共涌水量為1123 m3／d：數值模擬預測的可溶巖段涌水量為 628 m3／d，非可溶巖涌水量段為 524 m3／d，總共涌水量為 1152 m3／d。數值模擬結果與計算結果吻合較好，可用于實際工程隧道涌水量預測。