隧道影響淺層泉點的量化方法

高 楠 毛邦燕 張廣澤 徐學淵

（中鐵二院工程集團有限責任公司，成都 610031）

隨著西南地區鐵路建設的快速發展，隧道在修建過程中常需要穿越錯綜復雜的含水巖組，特別是在穿越可溶巖段落時，容易引發一系列水文地質問題與地下水環境負效應［1］。其中最突出與直觀的是隧道工程對泉點的疏干和減流的效應。近年來，環境問題得到重視，越來越多的學者開始研究隧道建設引起的地下水環境負效應。受限于復雜多變的水文地質條件，巖溶地區隧道地下水涌水問題是長期以來的水文地質難題，而隧道涌突水對地下水環境影響的預測更為困難，這主要是由于對巖溶水系統的劃分認識的不足和隧道對地下水環境影響范圍定量判定方式的局限性造成的。

在天然條件下，地下水循環分為補給、徑流、排泄3 個環節，泉點為地下水排泄的一種形式。隧道修建后作為臨空面形成集水廊道，使隧道周圍地下水有了新的匯勢，地下水位下降，影響泉點地下水循環。從地下水動力學角度分析，泉點作為匯點1，隧道作為匯點2。若兩匯點匯勢范圍在空間上存在交集，那么匯點2 將會對匯點1 造成影響。然而，兩匯勢在三維空間中的形態刻畫比較困難，若忽略匯勢場中垂向分量，將匯勢范圍投影在二維的平面，則判斷兩匯勢范圍有無交集將更為直觀和方便。

將單個泉點看作獨立的巖溶水系統，“泉域”則表征子系統邊界范圍內的區域面積，也就是泉點的匯勢范圍［2］。大尺度的巖溶水系統的巖溶水文地址條件往往很復雜，查明整個地下水的循環難度較大。因此，研究大區域的巖溶水系統時，往往將其劃分為數個小尺度的巖溶水系統進行分析［3］。美國水文地質學家Tóth［4］在水力連續性概念的基礎上，指出流域盆地中地下水位存在高程差，在重力驅動下可以自組織地形成嵌套式多級次水流系統；鐘玲敏［5］認為川東高陡背斜巖溶區在不同切割深度的排泄基準面控制下形成多級地下水循環系統；李瀟［6］通過分析重慶銅鑼峽背斜與貴州銅鑼井水文地質條件，將次背斜構造體系控制下的淺層巖溶水系統細分為4 類小尺度模式：隙流集排型、隙流散排型、管流集排型、隙-管流集排型，并對各模式巖溶水系統特征做了精細刻畫和對比分析。

眾多學者針對地下水影響范圍做了大量的研究。早在1863年，法國學者Dupuit 在圓島模型（即Dupuit模型）中提出了“可滲透環島半徑”。在此基礎上，德國學者Thiem［7］通過近似假設對上述模型進行修改，把“環島模型”在無限均值含水層中應用，即Theim 模型，建立了Dupuit-Thiem 潛水徑流公式，并提出了現實中降位漏斗范圍的確定方法：從井壁到觀測不到水位下降的點之間的水平距離［8］。美國學者Todd［9］更加形象地將其改稱為“影響半徑”；后人根據其見解創立了許多“R”的計算公式，其中最常用的就是庫薩金公式及奚哈德公式；Bear［10］首次提出在概念上將其明確為一個水文地質參數。自此，影響半徑在實際工程中得到了應用，但學者對影響半徑的概念及其應用存在爭議［11］。以上研究討論的是影響范圍的理論基礎及規律，對實際工程應用仍缺少直接的判斷依據和具體方法。

本文選取巖溶地區淺層地下水排泄點（以下簡稱“泉點”）作為研究對象，歸納總結泉點的補給、徑流及排泄的特征和模式，并引入“泉域”概念，探討隧道工程對泉點的影響形式及半定量化其影響程度，最終結合工程實例分析其實用性，以期為隧道工程對泉點的影響評價提供參考。

1 泉域范圍

在巖溶地區，相較于深層巖溶水循環中復雜多源的補給方式及長距離的徑流途徑，局部淺層巖溶水的循環模式更簡單、更易于探查，并且更容易受到隧道工程的影響。淺層巖溶地下水在特定的巖溶地貌單元中接受降雨補給，以管道或裂隙等方式進行徑流，然后在就近高程較低的位置以泉和暗河兩種方式出露和排泄，形成了穩定的天然地下水資源。

水文地質學者根據泉點出露形式將其分為接觸（帶）泉、侵蝕泉、溢流泉及斷層泉4 種類型［12］。泉域形態主要受地下水補給區與徑流上游區的地質條件及邊界條件控制，而不同成因的淺層巖溶泉點補、徑、排特點存在差異。通過研究各類型泉點地下水循環的過程，確定水系統的邊界，得到各類型泉點泉域形態及分布面積。溢流泉主要在平原地區出現，斷層泉因為斷層構造特點難以準確考慮，因此本次研究主要針對山區淺層泉點，暫不考慮溢流泉和斷層泉。將典型山區淺層巖溶泉點類型總結為3 種：接觸泉型、侵蝕泉型和暗河型，相應的泉域形態特征如表1所示。

基于水均衡的原理，對地下水點的泉域面積進行計算，然后半定量地圈閉地下水點的泉域面積，泉域面積計算公式為：

式中：M0——地下水補給模數（L／s·km2），其碳酸鹽巖常見值為0.5～5 L／s·km2；

F——補給面積（即泉域面積）（km2）；

Q——地下水水點流量（m3／d）。

2 隧道影響范圍

將隧道概化為一系列垂直井的排列，其影響范圍可視為一系列降位漏斗的疊加。將隧道影響邊界定義為：隧道到地下水位沒有明顯降深范圍，如圖1 所示。由于復雜的地質條件和圍巖的不均一性，尚未有針對隧道影響范圍的定量化計算方式。實際工程應用中常用以下3 種方法確定隧道影響半徑。

圖1 隧道工程對泉點影響示意圖

2.1 計算公式

按照國家環境保護部發布的HJ 610-2016 《環境影響評價技術導則—地下水環境》中的線性工程影響范圍計算公式進行計算［13］，應用最廣泛的為庫薩金公式和奚哈德公式，分別計算潛水含水層及承壓含水層中的工程影響范圍，表達式為：

式中：R——影響半徑（m）；

S——水位降深（m）；

H——潛水含水層厚度（m）；

K——含水層滲透系數（m／d）。

2.2 數值模擬法

隨著數值模擬方法在地下水資源方面的應用，越來越多的研究者利用數值模擬方法來預測隧道影響范圍。目前常用的數值模擬方法包括有限單元法和有限差分法，常用的軟件平臺有Visual MODFLOW、FEFLOW、GMS［14］。

針對巖溶含水介質的不均一性，專家和學者提出了等效多孔介質法、雙重連續介質法和三重介質法等多種方法［15］。等效多孔介質法和雙重連續介質法基于達西流假設，將巖溶含水層的介質概化為均質的多孔介質含水層，其中等效多孔介質法因為模型構建相對容易得到了廣泛應用。然而，這兩種方法都忽略了巖溶含水層高度非均質性特征［16］。三重介質法將巖溶含水層概化為孔隙、裂隙、管道3 種介質，水流則涵蓋了達西流、非達西流，這種對巖溶含水介質全面的刻畫受到廣大學者的認可，但受限其精度的高要求，國內對此方面的研究還不夠充分。

2.3 工程類比法

對擬建隧道的水文地質條件進行分析，調查收集區域內具有類似水文地質條件的已建隧道信息。根據收集信息對該種類型的隧道影響半徑作回歸分析，以此計算出擬建隧道影響半徑。該方法應用受限于區域內相似工程數量，但在實際工程應用中具有較高參考意義。學者在分析華鎣山隧道所處水文地質條件后，收集研究了川東隔擋式構造中的4 座隧道的資料，建立了相似隧道平均埋深S 與平均影響范圍R 的回歸方程，有效預測了南大梁華鎣山隧道的影響范圍。

3 隧道影響模式及程度

在天然條件下，隧道修建時涌水形成集水通道，隧道附近地下水流場產生改變，地下水水位降低，形成降位漏斗。當泉點位置處于隧道形成的降位漏斗范圍內，泉點疏干；當泉點補給范圍與隧道降位漏斗范圍有交集，隧道會襲奪原有泉點補給來源，從而導致泉點減流甚至疏干，如圖1所示。

采用泉域和影響范圍量化泉點及隧道匯勢范圍，根據泉域與隧道影響范圍的空間關系將隧道對泉點的影響分為4 種模式：無影響型、部分減流型、泉點疏干型和泉域疏干型，如表2所示。

表2 隧道影響泉點模式類型表

4 工程實例

川東隔擋式構造某隧道全長6.788 km，區內褶皺構造以背斜為主，核部為三疊系嘉陵江組的灰巖，向兩翼展布依次為三疊系巴東組的灰巖、泥灰巖，三疊系須家河組的砂巖及侏羅系砂巖、泥巖。其中嘉陵江組與巴東組一段、三段地層為含水層，須家河組、巴東組二段及侏羅系地層為隔水層。隧道大角度穿越背斜山，其剖面如圖2所示。

圖2 假角山隧道剖面圖（m）

隧址區內無深切河谷貫穿整個背斜，淺層地下水被挾持在背斜核部的可溶巖內徑流。受地形和河流水文網的制約，地下水點大多在橫切溝谷切穿嘉陵江組地層與巴東組地層界線部位排泄，無暗河發育。隧道附近地下水點特征如表3所示。

表3 隧址區泉點特征及與隧道影響模式表

由表3 可知，隧道附近泉點均為Ⅰ類型，泉域范圍集中在嘉陵江組地層中。現場實驗測得嘉陵江組含水巖組M0為6 L／s·km2，用式（1）計算出各泉點泉域面積，再根據地形線、巖性界線在平面圖上畫出泉域。考慮到隧道區域內無類似工程，使用庫薩金公式對隧道影響范圍進行計算，并分析隧道工程對泉點的影響程度，如圖3所示。

圖3 假角山隧道對地下水點影響示意圖

由圖3 可知，隧道在嘉陵江組地層中的影響范圍最大，在須家河組地層中的影響范圍最小，主要歸因于隧道穿越嘉陵江組地層時埋深H 較大，并且嘉陵江組地層以灰巖為主且巖溶發育程度高，滲透系數K 值較大。JS01、JS02、JS03、JS21、JS23、JS36、JS40、JS18泉點泉域與隧道影響范圍存在交集，其中JS01、JS02、JS03、JS21 隧道影響模式為泉域疏干型（D），泉點疏干；JS23 隧道影響模式為泉點疏干型（C），泉點疏干呈季節性特征；JS36、JS40、JS18 對應局部減流型（B），泉點減流，將泉點泉域面積假定為均勻補給，減流程度對應交集面積占泉域面積百分比，分別為10%、30%和10%。

5 結論

本文選取巖溶地區淺層地下水排泄點（以下簡稱“泉點”）作為研究對象，歸納總結泉點的補給、徑流及排泄的特征及模式，得出主要結論如下：

（1）在巖溶地區，泉域面積的確定取決于泉點的補給和徑流范圍。

（2）總結了3 種巖溶區典型淺層地下水點類型，分別為：接觸下降泉型（Ⅰ）、侵蝕下降泉型（Ⅱ）及暗河型（Ⅲ），分析了地下水循環特點并總結了泉域形態特征。

（3）總結了3 種隧道影響范圍的預測方法，即計算公式法，類比工程法與數值模擬法，分析了各類方法的原理和適用性。

（4）分析了泉域與隧道影響范圍的空間關系，總結了隧道對泉點的4 種影響模式及特征，分別為無影響型（A）、局部減流型（B）、泉點疏干型（C）、泉域疏干型（D），并通過泉域與隧道交集面積的百分比量化泉點受影響程度。

（5）以某隧道為例，運用量化方法對隧道影響淺層泉點進行了分析。結果表明，隧道附近泉點均為接觸型（Ⅰ），通過分析計算泉點泉域與隧道影響范圍空間關系，預測8 個泉點受隧道工程存在影響，其中3 個泉點為局部減流型（B）、1 個泉點為泉域疏干型（D）、4 個泉點為泉域疏干型（D）。