首页 > 论文范文 > 自然科学论文 > 地质学论文 > 云南某坝区隧道工程对地下水环境影响研究

云南某坝区隧道工程对地下水环境影响研究

2024-07-04 62 上传者：管理员

摘要：本研究旨在探讨隧道工程施工对地下水环境的影响，并预测地下水对隧道施工的响应。为了达成研究目的，文中针对云南某岩溶地区坝区隧洞施工对地下水的影响进行研究，以坝区两条引水隧道、导流泄洪隧洞、输水发电隧洞、改河隧洞几个隧洞为例，详细描述了其建设情况及地质情况，以研究区水文地质条件、构造特征和岩溶发育特征作为理论依据，采用数学平衡法对隧洞输水过程中引水漏水后岩溶地下水水质的变化情况做了简要计算，运用GMS建立了区域地下水流场预测模型，将隧道施工时可能导致地下水污染的因素进行数据分析。研究结果显示，岩溶地区坝区隧道施工如果严格按照规范进行虽会导致地下水流程变化，但对地下水的影响是在可控范围内的，不会引发周围土壤沼泽化。本研究对坝区隧洞的环境保护与建设提供了有益的参考。

关键词：
地下水环境
坝区隧道
岩溶地区
流场预测
隧道工程
加入收藏

隧道工程是一项与地下水环境息息相关的工程，其施工可能会对周围地下水环境产生影响，同时地下水也会对隧道的修建造成严重的影响[1]。因此，隧道施工对地下水环境影响的研究一直是工程界和学术界关注的热点问题，尤其是岩溶地区的隧道建设引发的地下水问题，国内外众多学者都对其进行了大量的研究[2,3,4,5,6,7,8]。隧道建设和运营阶段对地下水环境的影响及其程度评估一直是隧道工程中的重要研究课题之一，需要通过科学方法对影响因素及其相应效应进行精准评估[9,10,11]。

为了保护地下水资源和保障隧道工程的顺利施工，需要对隧道施工对地下水环境的影响进行深入研究。文中选取云南某坝区的多个隧洞作为研究对象，分析其建设情况和地质情况，并基于水文地质条件和岩溶发育特征，运用数学平衡法和数值模拟手段探讨了隧道施工可能引起的地下水污染因素。本研究对坝区隧洞的环境保护与建设提供了有益的参考。

一、工程概况

研究区水库是解决九龙河中上游地区工程性缺水及资源性缺水的大型水利枢纽工程。工程建设共设计1#引水隧洞、2#引水隧洞及3条施工支洞等隧洞。坝址基本坝型为粘土心墙堆石坝，枢纽建筑物由拦河坝、溢洪道、导流泄洪隧洞、输水发电洞、改河隧洞等组成。

研究区内地下水补给、径流、排泄和赋存条件受大气降水、地形地貌、植被、岩性与构造等众多因素的影响。其中，地形地貌、地层岩性和地质构造是控制岩溶地下水循环的主导因素。研究区形成五个具有相对独立补给、径流、排泄条件及动态变化特征的水文地质单元，其地下水几乎都以大气降雨补给为主，局部耕地区接受灌溉水入渗补给，其补给量与降雨量、地形地貌、构造、岩性及岩溶发育条件等相关。

图1 枢纽区工程总布置图

二、隧道区工程特性及岩溶发育特征

1．研究区隧洞工程特性

1#隧洞长1.3km，隧洞最大埋深约为100m，隧洞前段地层岩性为暗灰绿色致密状玄武岩、杏仁状玄武岩夹玄武质集块岩及灰紫色凝灰岩、灰黄色气孔状玄武岩。隧洞沿线无大的不良物理地质现象。

2#隧洞全长10.5km，进口底板高程1,955m，出口底板高程1,944.5m。隧洞最大埋深约240m，隧洞进口浅埋段地层岩性依次为暗灰绿色致密状玄武岩、杏仁状玄武岩夹玄武质集块岩以及灰紫色凝灰岩、灰黄色气孔状玄武岩。隧洞沿线无大的不良物理地质现象。

导流泄洪隧洞由进口明渠段、闸室段、“龙抬头”段、与导流洞相结合的洞身段、出口明渠段、明渠抛物线扩散段、消力池段、出口尾渠段组成；输水发电隧洞由进口闸室段、洞身段、调压室段、压力管道段、输水旁通洞段组成，全长765.72m；改河隧洞进口设宽顶堰，堰宽6m，堰顶高程1,853m，隧洞全长773m，为无压洞，坡比为1:100，洞身断面为3.5m×4.5m的城门洞型。

2．隧洞区地层富水性

隧洞区开挖于二叠系玄武岩P2β、宣威组P2x。根据含水介质及结构的差异，裂隙水分为碎屑岩基岩层状裂隙水以及风化裂隙水。P2β组地层赋水性相对较差，其富水性受植被发育及所处地貌条件的控制。隧洞洞身段以及隧洞出口段地层岩性地层岩性为深灰、灰黑色块状灰岩、白云质灰岩、假鲕状灰岩。厚度64～316m，富水性中等-较强。该段为2#隧洞的主要充水含水层，其水文地质条件的变化对隧洞的施工影响较大。

3．隧洞区岩溶发育特征

据区域研究资料，区域内可溶岩地层在长期的地质历史时间内，受地下水、地表水溶蚀作用，形成了组成丰富的岩溶地貌，地表岩溶形态主要有溶槽、石芽、石柱等，岩溶地下水赋存碳酸盐岩洞穴和裂隙中，主要通过裸露地表的溶蚀裂隙、漏斗、落水洞、溶蚀洼地等接收大气降雨补给。岩溶含水层具有含水性和透水性不均一性和各向异性。随着岩体岩溶化程度的增强，各向异性弱化。

三、隧道工程施工期地下水环境影响预测

研究区坝址上篆长河主要位于石炭系—二叠系岩溶发育区域，水库引水河道则主要位于三叠系个旧组分布区域，地下水类型主要为碳酸盐岩岩溶水。文中将通过坝区隧道、引水隧道的工程建设特性、构造、岩溶特征、施工时的人为因素以及数学平衡法等方面分析此研究区隧道施工是否会对区域地下水产生很大的影响，并运用GMS模拟了地下水流场模型作为验证。

1．坝区隧洞施工对地下水的影响

坝区工程建设共设计导流泄洪隧洞、输水发电隧洞、改河隧洞等三个隧洞。隧道生产排水可能产生的地下水环境问题主要为隧洞施工过程中产生的生产废水及隧洞输排水对区域地下水环境的影响，拟从构造和岩溶发育特征两个角度对以上三个隧洞进行研究。

(1）导流泄洪隧洞

导流泄洪隧洞出露二叠系茅口组灰岩、白云岩，隧洞中下游段为二叠系峨嵋山组致密状玄武岩、含杏仁状玄武岩、凝灰质玄武岩。赋存地下水类型为碳酸盐岩类裂隙溶洞水及玄武岩风化裂隙水，富水性较好～弱，所在区域地下水整体由北向南径流。导流泄洪隧洞整体由西北—东南方向开挖。

引流河—断层F1-1段：据隧道勘察资料，旱季地下水位整体略高于隧道顶板，地下水渗透量相对不大，对区域地下水流场改变较小；但雨季降水入渗将导致区域地下水水位明显抬升，由于水压差变大，F1断层带也可能成为导水通道，隧道开挖施工可能会面临岩溶含水挖地层变为富水性强的地层，含较为丰富的岩溶水。据勘层和断层带涌水问题，应做好相应的输水排水工作。

断层F1-1—下游导洪洞口段：隧道开挖地层为二叠系玄武岩组（P2β），地下水类型属于玄武岩风化裂隙水。由于地层整体富水性较弱，地下水主要赋存于玄武岩上部风化裂隙带，因此隧道顶板在玄武岩段施工地下水渗透量相对不大，对区域地下水流场改变较小。然而，隧道开挖段经过断层带，则可能面临断裂导水、涌水的问题，亦应做好相应的输排水工作。

(2）输水发电隧洞

输水发电隧洞布置于左岸，输水发电隧洞由进口闸室段、洞身段、调压室段、压力管道段、输水旁通洞段组成，全长765.72m。输水发电隧洞整体由西北—东南方向开挖。

篆长河—断层F1-1段：隧道开挖地层为二叠系茅口组（P1m）灰岩层，地层富水性强，含较为丰富的岩溶水。根据现场钻孔资料，该段地下水位高于隧道顶板12.7m，因此在该段隧道顶板会有一定的地下水渗透量，应做好输排水工作；同时，雨季降水入渗将导致区域地下水水位明显抬升，由于水压差的增大，F1断层带也有可能成为导水通道，因此隧道在雨季施工时，可能会面临岩溶含水层和断层带涌水问题，应高度重视输水排水工作。

断层F1-1段—下游隧洞口段：隧道开挖地层为玄武岩组（P2β）下段，地下水类型属于玄武岩风化裂隙水。由于地层整体富水性较弱，地下水主要赋存于玄武岩上部风化裂隙带，据钻孔资料，该段地下水位高于隧道顶板41.4m，因此该段隧道顶板会有一定的地下水渗透量，隧洞工程应做好疏排水工作；由于隧道开挖段经过断层带，因此工程若在雨季期建设时也会面临断裂导水、涌水的问题，亦应做好相应的输排水工作。

(3）改河隧洞

改河隧洞开挖地层主要为二叠系宣威组（P2x）、三叠系飞仙关组（T1f），地下岩性主要为碎屑岩，岩层透水性为弱～微透水层，赋水性较差。同时，从剖面上看，隧道开挖未经过较大的导水断层，因此在该段隧道顶板地下水渗透量相对不大，对区域地下水流场改变较小。但由于洞底板均处于地下水位之下，因此输水发电隧道的施工对地下水环境有一定的影响。在进行隧洞工程建设时，应严格按照有关施工要求，降低生产废弃水的排放量，以减少对地下水环境的影响。

2．地下水流场预测模型的建立

文中运用GMS软件对研究区地下水流场进行一个预测模型的建立，考虑到模拟区域的实际情况，此次建模均采用概念模型法。

将研究区水文地质单元隔水边界圈围的潜水含水层作为模型研究区域，建立一个49,000×35,000×600m的模拟区，剖分成100×100×1的网格，对模型边界进行赋值。将隔水边界定为流量为零的定流量边界，给定一个流量边界。

(1）源汇项

1）补给项：区域地下水主要接受降水补给，据研究区相关气象资料，其当地降水量约为1,022.0mm/a，因此当地的降水补给地下水的量为0.00028m/d。2）排泄项：本区地下水排泄方式主要为河流排泄，泉点高程通过野外调查与读图相结合的方式获得。

(2）参数分区

1）渗透系数：参考研究区地层岩性、构造发育状况，将模拟区分为22个小区域分别进行参数赋值（图2）。本次模拟将地下水流考虑为最接近真实情况的三维流动，渗透系数按渗透主轴向分为Kx、Ky、Kz分别赋值，其中具体Ky=a Kx。

图2 渗透系数分区图

图3 研究区地下水流场预测模拟

2）孔隙度：根据已有的相关研究成果资料，研究区岩体平均孔隙度为0.30。

由于隧道的建设，导致研究区水文地质单元地下水流场均发生了变化，由地下水流场预测结果中可以看出，部分地区地下水位抬升，但并未超过地表高程。因此推测由于坝区隧道建设而导致周围土壤沼泽化的可能性不大。

四、结论

(1）在严按规范施工的情况下，岩溶地区坝区隧道施工不会引发地下水环境的剧烈变化，只有当隧道开挖地层经过断层带时，特别是雨季期间，可能会面临断裂导水、涌水的问题，需要做好相应的排水工作。

(2）针对生产废水、施工人员废水和隧道可能的漏失三个方面会导致隧道施工建设引起地下水污染的问题，采用数学平衡法对隧洞输水过程中引水漏水后岩溶地下水水质的变化情况做了简要计算。计算结果表明，在引水隧洞输水过程中，即使存在10%的漏水现象，经过处理后外排水渗漏进入岩溶地下水后，地下岩溶水中铁和锰的浓度也可以满足沿线居民饮用水的水质要求。因此，本次引水隧道工程施工对地下水环境的影响是可控的，不会对环境造成严重的污染危害。

(3）通过GMS建立的地下水流场模型看出隧道的建设会导致地下水流程变化，部分地区水位抬升，但并不会引起周围土壤沼泽化。

参考文献:

[1]王勐,许兆义,王连俊等.圆梁山毛坝向斜段隧道涌突水灾害及对地下水的影响[J].中国安全科学学报,2004(5):10–14.

[2]刘志春,王梦恕.隧道工程因素对地下水环境影响研究[J].岩土力学,2015,36(S2):281-288.

[9]刘建.岩溶隧道地下水环境负效应评价体系研究[D].成都:西南交通大学,2011.

[10]蒋忠信.隧道工程与水环境的相互作用[J].岩石力学与工程学报,2005,(1):121-127.

[11]刘建,刘丹.基于模糊层次分析法的隧道工程地下水环境负效应评价[J].三峡环境与生态,2009,2(1):53-56.

文章来源:关艳丽,李家艳,徐永兵,等.云南某坝区隧道工程对地下水环境影响研究[J].中国水运(下半月),2024,24(07):64-66.