滇中紅層地區(qū)隧洞施工涌水過程數(shù)值模擬分析

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[摘要]滇中紅層區(qū)地層巖性以泥巖和砂巖為主，裂隙非常發(fā)育，宏觀上形成泥砂巖互層的含水巖組。風(fēng)屯隧洞穿越儲水構(gòu)造中含水層時(shí)，會對周邊地下水環(huán)境產(chǎn)生重大影響，同時(shí)可能產(chǎn)生較大涌水量。本文以滇中引水工程風(fēng)屯隧洞為例，采用Visual Modflow模擬隧洞穿越紅層儲水構(gòu)造的涌水過程，以期為風(fēng)屯隧洞地下水環(huán)境影響評價(jià)提供依據(jù)。

[關(guān)鍵詞]紅層地區(qū) 隧洞施工 涌水過程 數(shù)值模擬 分析

[中圖分類號] TV554 [文獻(xiàn)碼] B [文章編號] 1000-405X（2015）-3-162-1

0前言

對于隧洞與地下水的相互作用，目前針對巖溶地區(qū)的研究比較多，對于紅層地區(qū)地下水環(huán)境問題研究較少，但國內(nèi)外很多水利工程在施工過程中已經(jīng)遇到過類似的問題。通過以砂巖、砂質(zhì)泥巖和泥巖為主的地層，其基本特征為砂巖和砂質(zhì)泥巖互層，隧洞施工中在砂泥巖互層段產(chǎn)生較大的涌水量和極強(qiáng)的滲水壓力，對洞室安全構(gòu)成威脅；特考雷特隧洞穿過一系列弱固結(jié)的粉砂巖、砂巖、礫巖和頁巖 （Trefzger.R.E，1966）。本文以滇中引水工程風(fēng)屯隧洞為例，在正確認(rèn)識研究區(qū)工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，查明地下水系統(tǒng)的補(bǔ)、徑、排條件和運(yùn)移規(guī)律，采用Visual Modflow模擬隧洞穿越紅層儲水構(gòu)造涌水量以及滲流場隨施工進(jìn)程的變化

1裂隙巖體模型的選取

裂隙巖體滲流模型主要有四類，即單個(gè)裂隙內(nèi)水流運(yùn)動(dòng)模型、等效連續(xù)介質(zhì)滲流數(shù)學(xué)模型、離散裂隙網(wǎng)絡(luò)滲流數(shù)學(xué)模型、裂隙-孔隙雙重介質(zhì)滲流數(shù)學(xué)模型。鑒于滇中紅層區(qū)地下水埋深較大，研究尺度比較大，滇中紅層隧洞洞身基本處于飽水帶，本文擬采用等效連續(xù)介質(zhì)滲流數(shù)學(xué)模型常用軟件—MODFLOW用以模擬風(fēng)屯隧洞施工涌水過程（段煥娥，2012）。根據(jù)研究區(qū)地層巖性、地下水流動(dòng)的特點(diǎn)及MODFLOW自身特點(diǎn)，MODFLOW模擬風(fēng)屯隧洞施工涌水過程時(shí)，對研究區(qū)地下水流做出下列假定：（1）研究區(qū)砂泥巖互層展布，砂泥巖滲透性差異很大，其中的泥巖看作弱透水的介質(zhì)，砂巖中裂隙網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為儲集和運(yùn)移地下水主要的場所；（2）裂隙巖體滲流僅是一種網(wǎng)絡(luò)流，但試驗(yàn)表明，絕大多數(shù)天然地下水流速較慢，符合達(dá)西定律，假定研究區(qū)地下水水流為層流；（3）紅層地區(qū)裂隙介質(zhì)具有能夠滿足被假設(shè)為等效連續(xù)介質(zhì)體來看待的基本條件，即：存在表征單元體（REV）且具有對稱的滲透系數(shù)張量，將裂隙中的水流等效平均到整個(gè)巖體中。

2模型的建立

選取模型范圍為一個(gè)以隧道線路為軸心的矩形，長11000m，寬6000m。對泥巖和砂巖的空間概化顯得尤為重要。根據(jù)剖面數(shù)據(jù)得出砂泥巖地層空間位置關(guān)系，將砂泥巖地層互層情況在模型中刻畫出?？紤]K1g砂巖地層中偶有泥巖情況，經(jīng)鉆孔資料分析后，模型中添加6層刻畫（圖1）。

水文地質(zhì)參數(shù)識別是VM模型的一個(gè)非常重要的過程，模型計(jì)算結(jié)果準(zhǔn)確程度直接由參數(shù)選取的精確程度決定。VM中主要考慮滲透系數(shù)、給水度、儲水系數(shù)、總孔隙度等4種水文地質(zhì)參數(shù)，在裂隙介質(zhì)中，幾種水文地質(zhì)參數(shù)和裂隙發(fā)育程度即裂隙的寬度、充填程度、裂隙密度、發(fā)育延展長度、方向等有關(guān)，因而在空間上不同含水巖組之間、相同含水巖組但不同區(qū)域之間滲透系數(shù)、給水度等水文地質(zhì)參數(shù)均會有所差異。結(jié)合風(fēng)屯隧洞鉆孔抽水試驗(yàn)資料所得到的相關(guān)水文地質(zhì)參數(shù)，并參考朱春林（2010）對滇中紅層一帶所作研究，得到研究區(qū)每套地層的其他水文地質(zhì)參數(shù)，并根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值，共同組成了研究區(qū)自然狀態(tài)下的水文地質(zhì)參數(shù)。利用數(shù)值模型，根據(jù)模型反演，最終得到模型參數(shù)。各含水巖組的模型參數(shù)取值見表1。

3隧洞施工涌水過程數(shù)值模擬分析

本文使用VM中的水均衡計(jì)算模塊（Zbud）計(jì)算排水溝（DRAIN）的排水量（即隧洞涌水量）。VM中認(rèn)為排水溝運(yùn)行后，流經(jīng)排水溝以上單元格的地下水全部進(jìn)入排水溝，所以將排水溝（DRAIN）以上的區(qū)域設(shè)置水均衡觀測。排水溝排水的影響范圍R來這里根據(jù)地下水動(dòng)力學(xué)法來確定隧道兩側(cè)水均衡觀測的寬度，進(jìn)入該區(qū)域的水量之和就是該段排水溝的排水量。

隧洞從1段施工到3段的涌水過程如下：

（1）1段施工，地下水位以及隧洞埋深較淺，隧洞對地下水影響程度很小，基本無變化，涌水量為58.24 m3/d。

（2）2段施工，隧洞進(jìn)口段地形起伏較大，地下水位以及隧洞埋深較淺，施工引起的影響范圍非常有限（如圖2），隨時(shí)間的延續(xù)，隧洞的影響范圍基本固定不變，降位漏斗趨于穩(wěn)定。排水量為572.61m3/d。

（3）3段施工，隧洞穿越K1p泥巖地層，2段排水量為561.47m3/d，較之前有略微下降，3段涌水量為273.48 m3/d。由于該段地勢較陡，降位漏斗比較明顯，但影響范圍有限（圖3）。

4結(jié)論

在風(fēng)屯隧洞天然滲流場擬合的基礎(chǔ)上，本文采用排水工況模擬，分析了隧洞穿越褶皺儲水構(gòu)造隧洞施工涌水過程，隧洞穿越他思鲊背斜核部轉(zhuǎn)折端時(shí)，涌水量為14443.73m3/d，對背斜核部地下水影響較大，影響半徑約700m，向斜東翼出現(xiàn)明顯降位漏斗；隧洞施工到燒香臺向斜東翼時(shí)，涌水量為12445.66m3/d，地下水位繼續(xù)下降，穩(wěn)定影響半徑為1.75km，同時(shí)由于向斜兩翼地下水水力坡度逐漸減小，西翼涌水量為11763.25m3/d，明顯減小。研究區(qū)受紅層滲透性較弱，以及巖層傾角一般較陡、產(chǎn)狀變化較大的影響，地下水循環(huán)較慢，隧洞施工過程中產(chǎn)生的地下水滲流場變化具有一定的滯后性，因此封堵后地下水滲流場也很難在短時(shí)間內(nèi)恢復(fù)到天然狀態(tài)。

參考文獻(xiàn)

[1]Trefzger.R.E.Tecolote Tunnel Engineering Geology in Southern California Assoc Eng. Geol SPec Publ，1966.108-113.

[2]段煥娥等.國內(nèi)地下水資源可視化現(xiàn)狀研究綜述[J].地理空間信息.2012（6）.

[3]朱春林，李智毅，饒春富等.2010.滇中紅層淺層地下水特征和農(nóng)村供水示范工程的建立[J]. 地質(zhì)通報(bào).29 （4）： 610-615.

[4]朱春林，饒春富，邢志會等.2010.紅層地下水開發(fā)的經(jīng)濟(jì)技術(shù)條件[J]. 云南地理環(huán)境研究.22 （1）： 1-5.