中坝隧道地下分水岭演化的数值模拟分析

２０１４年１月　第３６卷第１期　地下水　Ｇｒｏｕｎｄ　ｗａｔｅｒ　Ｊａｎ．，２０１４　Ｖｏ１．３６　ＮＯ．１　中坝隧道地下分水岭演化的数值模拟分析　廖晓超　，许２０８水文地质工程地质队，重庆北碚４００７００）　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　［摘要］　由于铁路隧道的施工，地下水进入隧道，形成了新的排泄基准面，对区域地下水环境产生较大影响，故对该　类问题进行深入研究具有重要的工程实践意义。以中坝岩溶隧道为例，采用Ｖｉｓｕａｌ　ｍｏｄ￣ｏｗ对中坝隧道进行三维数值模　拟，模拟中坝隧道开挖建设后，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。　［关键词］　中坝隧道；数值模拟；分水岭演化　［中图分类号］Ｐ５４２　［文献标识码］　Ａ　［文章编号】　１００４—１１８４（２０１４）０１—００４８—０２　Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｗａｔｅｒｓｈｅｄ　Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ　ｂｅｎｅａｔｈ　Ｚｈｏｎｇｂａ　Ｔｕｎｎｅｌ　Ｌｉａｏ　Ｘｉａｏｃｈａｏ　，Ｘｕ　Ｍｏ　，Ｊｉａｎｇ　Ｌｉ　，Ｚｈａｏ　Ｒｕｉ　，Ｇｏｕ　Ｊｉｎｇ　（１．Ｓｔａｔｅ　Ｋｅｙ　Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ　ｏｆ　Ｇｅｏｈａｚａｒｄ　Ｐｒｅｖｅｎｔｉｏｎ　ａｎｄ　Ｇｅｏｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ　Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ　６１００５９，Ｓｉｃｈｕａｎ；２．２０８　Ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｙ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｔｅａｍ，ＣｈｏｎｇＱｉｎｇ　Ｇｅｏｌｏｇｙ　ａｎｄ　Ｍｉｎｅｒａｌ　Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　Ｂｕｒｅａｕ，ＢｅｉＢｅｉ　４００７００，　ＣｈｏｎｇＱｉｎｇ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｓ　ｔｕｎｎｅｌ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｗｉｌｌ　ｃｈａｎｇｅ　ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ　ｆｌｏｗ　ａｎｄ　ｆｏｒｍ　ａ　ｎｅｗ　ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ　ｂａｓｅ—ｌｅｖｅｌ　ｗｈｉｃｈ　ｗｉｌｌ　ａｆｆｅｃｔ　ｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ　ｅｎｖｉｇｒｏｎｍｅｎｔ　ｄｒａｍａｔｉｃａｌｌｙ，ｉｔ　ｉｓ　ｏｆ　ｒｅａｔｇ　ｐｒａｃｔｉｃａｌ　ｉｎｔｅｒｅｓｔ　ｔｏ　ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　ｈｏｗ　ｔｕｎｎｅｌ　ｃｏｎｓｔｕｃｔｉｒｏｎ　ａｆｆｅｃｔ　ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ　ｅｎｖｉｒｏｎ—　ｍｅｎｔａｌ　ｖａｒｉａｔｉｏｎ．Ｂｙ　ｕｓｉｎｇ　Ｖｉｓｕａｌ　ｍｏｄｆｌｏｗ，ｔｈｅ　ｐａｐｅｒ　ｍａｋｅｓ　ａ　３　Ｄ　ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ　ｗａｔｅｒｓｈｅｄ　ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ　ｄｕｒ・　ｉｎｇ　ｔｈｅ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｚｈｏｎｇｂａ　Ｔｕｎｎｅｌ　ａｎｄ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｔｕｎｎｅｌ　ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　ａｎｄ　ｇｒｏｕｎｄｗａｔｅｒ　ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：Ｚｈｏｎｇｂａ　Ｔｕｎｎｅｌ；ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｗａｔｅｒｓｈｅｄ　ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ　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　Ｊ。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　Ｊ。本　文通过运用Ｖｉｓｕａｌ　ＭｏｄｆｌＯＷ软件对位于一河间地块内的中坝隧　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（Ｔ，ｊ）和雷Ｉ＝１坡组（Ｔ　１）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　散排泄两种方式汇人头道河和水落河。东西两侧的水落河（Ｈ：　４４７　ｍ）和头道河（Ｈ：６５６　ｍ）作为研究区的最终排泄面，其属于　典型的河间地块。　一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。　在野外调查中发现研究区发育一暗河管道，２０１２年７月１４　ＦＩ，　在隧道开挖至Ｄ９Ｋ５５＋２２１处突发大型涌突水灾害，涌水量约２００　１　工程概况　拟建地方铁路叙永一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７０２～１　１２８　ｍ，相对高差约４２６　ｍ。区内温暖潮湿，雨量充　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。　ｌＯ０Ｏ　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　ｌＯＯＯ　水，旱季断流，水量受季节影响变化大，主要由大气降水补给。　研究区内所涉及的地层单元主要为第四系坡洪积（Ｑ　）　层、坡残积（Ｑ　”　）层，三叠系雷口坡组（Ｔ：１）、嘉陵江组（Ｔ，ｊ）、　飞仙关组（Ｔ，ｆ），二叠系龙潭、长兴组（Ｐ　ｌ＋Ｃ），茅口栖霞组（Ｐ．ｍ　ｑ）。　７５Ｏ　７５Ｏ　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　研究区域内构造条件较为简单，为一单斜构造，未见断裂构　［收稿日期］２０１３—１０—２５　根据野外调查及资料分析将研究区模型概化为下图，其中　［作者简介］廖晓超（１９８８一），男，Ｉ￣）ｌｌ简阳人，在读研究生，主攻方向：水文地质与工程地质。　［通讯作者］许模（１９６３一），男，重庆涪陵人，教授，研究方向：水文地质与工程地质。　４８　第３６卷第１期　地下水　２０１４年１月　由于隧道未穿越Ｐ。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　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　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１３　０００　ｍ，Ｙ方向总长度９　０００　ｍ，　按照１００　ｍ网格将其剖分成１３０列，９０行，垂向Ｚ方向取１　０００　ｍ，划分为１０层，模型共剖分１１　７００个单元。模型底板选取０　ｍ　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８５０　ｍ左右，后在水落河附近出露，地下水由　此排入水落河，高程为５０５　ｍ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　‘水位变化值＜５　ｍ的情况，水位拟合误差一　般小于０．５　ｍ”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）。　Ｔｉｍｅ（ｄａｙｓ）　图３　２＃。３＃钻子Ｌ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，　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　ｏｂｌ、ｏｈ２两个地下水位观测点，将在不同计算方案计算得到的结　果进行对比（见图４）。　目　Ｖ　｛暄　ｋ　嚣　时间（Ａ）　图４　ｏｂｌ、ｏｈ２观测点不同计算方案地下水位变化对比图　７。。　ｌ＿　蓝　　：图５　３种计算方案地下水分水岭对比图　由图５可知天然状态下ｏｂｌ、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，ｏｂｌ、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ｏｂｌ下降幅度更　大；当隧道封堵后，ｏｂｌ、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，最终排人头道河和水落河。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。　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　Ｊ，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　（下转第５２页）　４９　第３６卷第１期　地下水　２０１４年１月　将③、④类分开，此时，１号为ＨＣＯ　・ＳＯ　一Ｃａ・Ｍｇ型水，１６号　为ＨＣＯ　・ＳＯ　一Ｃａ型水，如此细分是合理的。此外，①类包含　了２、４、５、７、８、９、１０、１ｌ、１２、１３号。这一类都是出露于嘉陵江和　飞仙关地层的岩溶泉水，其水化学类型为ＨＣＯ　・ＳＯ　一Ｃａ型或　者ＳＯ　・ＨＣＯ３一Ｃａ型水，矿化度为３００～５００　ｍｇ／ｌ，其中ｓ０４　一　含量通常在１００　ｍｇ／１左右。背斜核部岩溶较为发育，地下水在　与可溶岩地层相切的横向沟谷以泉点形式出露，由于嘉陵江组　地层富含石膏，长期的水岩作用便使得地下水中的ＳＯ　含量　相对较高，水质较差。此外，嘉陵江以北出露的龙潭组地层为该　地区采煤的主要层位，采煤区位于地下水补给区。地下水顺层　向南径流，煤层展布与地下水主径流方向基本一致，增加了地下　水与煤层接触的时间和距离，从而使得径流区地下水中ＳＯ　含　ｔＩＣＯ３－－含量的水样，因此，这种分类合理的。但是，②类中ｌ４号　水样与②类其他水样分开却没有实际意义。因此，并类距离为１　的时候，并不完全合理。根据上述讨论，并类距离为２是最合适　的（表２），此时的水化学分类完全符合研究需要。　４　结语　本文采用ＳＰＳＳ软件对观音峡背斜褶皱区所取的１６组地下　水水样进行聚类分析取得了不错的效果。总体来说聚类结果是　以其地下水化学类型为准，优点在于该方法避免了舒卡列夫的　地下水化学类型命名原则的人为因素的干扰，同一种类型的地　下水可能由于某一项指标的差异而被单独分为一类。　ＳＰＳＳ聚类分析法的并类距离的不同使得聚类结果存在一　量增加。②类包含了３、１４、１５号，该类水样均为露于自流井组　地层的ＨＣＯ　・ＳＯ　一Ｃａ・Ｍｇ型水。　表２聚类分析成果表（并类距离为２）　聚类类别　水样编号　水化学类型　主要特征　定的差异，此时，就应该根据研究的目的及精度的需要来确定合　理的并类距离。此外，从聚类结果也可以大致得出水化学类型　与其出露地层也存在一定的关联，出露于嘉陵江组和飞仙关组　的岩溶地下水的化学类型为ＨＣＯ　・ＳＯ　一Ｃａ型或ＳＯ　・ＨＣＯ３　一ｃａ型，而自流井组的碎屑岩裂隙水化学类型则为ＨＣＯ　・ＳＯ　Ｃａ・Ｍｇ型。　一参考文献　［１］王大纯，张，等．水文地质学基础．北京［Ｍ］．地质出版社，１９９５．　［２］杨天笑．对现有地下水化学分类的几点认识［Ｊ］．华东地质学院学　报，１９９５，１８（１）：４０—４２．　［３］寇文杰．地下水化学分类方法的思考［Ｊ］．西部资源，２０１２，５：１０８—１０９．　［４］张莉，李惠军．基于ＳＰＳＳ的长绒棉的聚类分析［Ｊ］．轻纺丁业与技术，　２０１２，４１（５）：３６—３７．　当并类距离为１时，①类中１１号水样被单独分离了出来，　因为１１号为ＳＯ　・ＨＣＯ３一Ｃａ型水，其余的均为ＨＣＯ，・ＳＯ　一　ｃａ型。根据１１号水样来看，它是①类中唯一ｓ０　一含量高于　（上接第４９页）　［５］张明亮，许模，彭小凤．基于聚类分析的华蓥山褶皱山系地下水水化　学分类研究［Ｊ］．地下水，２０１３，３５（１）：３１—３３．　（１）由于隧道开挖改变了隧道附近地下水水动力条件，地下　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　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。　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。　（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。　参考文献　［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．　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。　［２］贺炜，莫凯，付宏渊．隧道施工对地下水环境影响的ｉ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．　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：　［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１＝＝对地下水渗流场的影响研究　［Ｊ］．土木工程学报，２０１０，４３（５），１０４—１１０．　５２