南川黄泥垭隧道工程对水文地质条件的影响分析

南川黄泥域隧道工程对水文地质条件的影响分析曹锐吕玉香裴建国重庆市地质矿产勘查开发局208水文地质工程地质队/重庆市地质灾害防治工程勘查设计院中国地质科学院岩溶地质研究所/国土资源部岩溶动力学重点实验室摘要：隧道工程建设无疑对岩溶地区的水文地质环境地质带来巨大冲击。本文以重庆市南川区黄泥圾隧道工程为实例，采用地面调查、示踪试验、长观监测等方法进行综合研究，剖析隧道工程对隧址区水文地质环境的影响。研究结果表明：黄泥域隧道工程改变了隧址区的地下水流场，疏干地表地下水、加剧干旱缺水程度，并随z出现新的人工水点一一隧道涌水；同时隧道工程影响了水资源空间分配格局、降低了水资源利用率。关键词：黄泥域隧道;水文地质；地下水流场；隧道涌水;作者简介：曹锐（1990-）,男，硕士研究生，主要从事水文地质工作，E-mail:cr257@sinei.com・作者简介：裴建国（1957-），男，研究员，主耍从事水文地质与岩溶环境研究,E-mail:peijg2006@126.com.基金：基金项目：“川渝鄂岩溶峡谷区1:5万水文地质环境地质调查”和“喀斯特槽谷区水资源时空变化及高效利用技术研发与示范”（2016YFC0502302） AnalysisonthehydrogeologicalinfluenceofHuangniyatunnelCAORuiLVYu-xiangPEIJian-guoHydrogeology&EngineeringTeam20&ChongqingBureauofGeologicalExploretion(ChongqingSurveyandDesinInstituteofGeologicalHazardPreventionandControlEngineering);InstituteofKarstGeology,CAGS,KarstDynamicsLaboratory,MLR;Abstract：Thereisnodoubtthattunnelconstruetionactivitieswi11haveahugeimpactonthehydrogeologicalenvironmentofkarstareas.BasedontheHuangniyatunnelprojectinNanchuanDistrietofChongqing,thispaperusesthemethodsofgroundinvestigation,tracertest,long-sightmonitoringandnumericalsimulationtoanalyzetheinfluenceoftunnelengineeringonthehydrogeologicalenvironment.TheresuItsshowthattheIluangniyeitunnelprojecthaschangedthegroundwaterflowfieldinthetunnelarea,drainedthegroundwater,increasedthedegreeofdroughtandwatershortage,andthenewartificialwaterpoint-tunnelgushingwaterappeared.Atthesametime,thetunnelprojectdestroyedthewaterResourceallocationpatternandreducedthewaterresourcesutili%tionrate.Keyword：huangniyatunnel;hydrogeology;groundwaterflowfield;tunnelgushingwater; 0引言以前国内外的研究多侧重于岩溶发育现象及岩溶涌突水对隧道工程安全的影响Ill,随着环保意识的不断增强，越来越多的研究聚焦于隧道工程对岩溶区水文地质环境地质的影响［2-4］。研究手段也逐渐多元化，在传统水文地质调查的基础上，融合新方法、新手段的研究成果变得更具直观性、科学性［5-6］。然而地质问题的不可复制性，决定了隧道工程对水文地质的影响研究一直是难以回避又备受困扰的技术难题之一［7］。南川大坪一黄泥圾隧道工程是重庆市南川区重点民生项目之一，也是建设渝南黔北区域交通枢纽的重要交通基础设施。其中黄泥域隧道全长3492m,设避难通道一座，长3529m,目前已完成隧洞的掘进工作。隧道洞身深埋段位于水平循环带附近，岩溶水丰富，水文地质条件复杂。木文采用地面调查、示踪试验、长观监测等多手段方法综合研究，探讨黄泥坪隧道工程对区域水文地质条件的影响。1隧道区地质及水文地质条件1.1隧道区地质背景黄泥娅隧道隧址区属中山区地貌，地势总体上中部高、隧道进出口低，高程992.70~158&55m,坡角多在15°~74°。研究区内主要发育NNE向-NE向背、向斜，黄泥土亚隧道穿越立斗山背斜，背斜轴线方向25。，长度约15km,轴面倾向东，北四翼产状31°〜40°,南东翼稍陡37°、50°。立斗山背斜北四3km为龙骨溪背斜。龙骨溪背斜轴线弯曲，全长约65km,轴面倾向北西，两翼产状30°~50。o立斗山背斜核部为寒武系地层，两翼为奥陶系地层。寒武系为一套浅海相碳酸盐岩沉积，岩性主要为白云岩夹灰岩、白云质灰岩和泥质白云岩。区内寒武系下统地层未出露，从中统至上统依次为石冷水组(^2S)、平井组(^2p)、后坝组(e3h)及毛田组(岂河)。奥陶系上、中、下统地层均有岀露，岩性为碳酸盐岩、页岩及碳酸盐岩与页岩互层。自下而上依次为桐梓组(O.t)、红花园组(0,h)、湄潭组(O.m)、十字铺组©S)、宝塔组(02b)、临湘组(031)、五峰组©w);奥陶系屮上统厚度较小，且区域上不稳定。区内缺失志留系上统，屮、下统出露较完整，由老到新依次为龙马溪组S1)、小河坝组Sx)、韩家店组(S2h),岩性多为页岩夹粉砂岩、泥质灰岩。1.2水文地质条件1.2.1岩溶发育特征隧址区为寒武、奥陶系地层，岩性主要为灰岩、白云质灰岩、白云岩，地貌形态以溶蚀洼地为主。溶丘、洼地、峰丛、溶沟、溶槽等地表岩溶形态较为强烈，落水洞、岩溶洼地等岩溶广泛分布。区内主要发育NNE向-NE向背斜，出露地层为寒武、奥陶系可溶岩层。受构造作用的影响，在不同构造部位上，具有不同的岩溶发育的强度和特征。背斜褶皱形成 与构造轮廓基本一致的脊状山，其轴部构成地下水地表水的分水岭。地表岩溶主要为落水洞、漏斗、溶蚀洼地。背斜翼部岩溶发冇受地层倾角大小的控制。陡翼部位形成深切河谷;缓翼部位切割较浅，地下水分水岭偏向缓翼一侧。1.2.2岩溶水补径排条件含水岩组为寒武系中统平井组、石冷水组，上统后坝组、毛田组，奥陶系下统桐梓组、红花园组等碳酸盐岩地层。大气降雨除地表径流、人畜利用、水面蒸发、植物蒸腾外，均补给岩溶地下水。具体入渗方式有两种，一是通过碳酸盐岩地层发育的裂隙、溶隙线状补给;二是经岩溶洼地、落水洞等点状集中补给岩溶地下水，补给较为迅速宜。立斗山背斜形成与构造轮廓基本一致的脊状山，其轴部构成地表、地下水的分水岭。地表地下水向两翼以冲沟坡而流、下降泉等形式向两翼径流排泄，为典型的背斜垄脊分流型模式。最终北西翼汇入长江支流鸭江水系，而南东侧则汇入长江支流棊江水系。1.3隧道区地下水系统划分根据地表地下水补径排特点，以分水岭尖山子一王二梁子连线将黄泥域隧址区划分为2个地下水系统（图1）,其北四侧展长江二级支流鸭江水系，其南东侧属长江一级支流棊江水系，隧道穿越了两个水系的分水岭。长沟地下水系统:位于龙骨溪背斜SE翼、立斗山背斜翼之间。系统西北以地表分水岭洼空洞一王家山一线为界，东南至尖山子一王二梁子一线，向南延伸至水洞湾一带。龙骨溪背斜出露奥陶系下统红花园及桐梓组地层，背斜核部为寒武系中上统;立斗山背斜XW翼出露地层为奥陶系下统红花园及桐梓组，下伏寒武系毛田组，核部为寒武系后坝组。地下水由大气降水补给，地表地下水则为两翼分流向中间汇聚型。黄泥规地下水系统:位于立斗山背斜SE翼，西侧以地表分水岭尖山子一王二梁子一线为界，东至龙洞湾一岩口一响滩子，南以松树坡一响滩子地表溪流为界。背斜核部为后坝组地层，顶部区域多为寒武系毛田组地层。大气降水后，地表地下水由NW-SE纵向运移，遇斜坡冲沟切割，则泉点密集分布出露，且泉水流量较大、动态稳定多作为附近主要水源。图1黄泥士亚隧道区域水文地质简图Fig.1ThesimplifiedregionalhydrogeologicalmapofHuangniyatunnel下载原图2隧道工程对水文地质条件的影响2.1改变地下水流场 黄泥域隧道工程前，地下水主要向立斗山背斜两翼分流，以密集分布的泉为主要排泄方式。隧道贯穿初期，隧道顶部形成平而呈条带状、剖而呈漏斗状的地下水径流区（图2）。隧道顶部地下水在重力作用下垂直向下渗流，同时分支岩溶管道及一些细小的岩溶裂隙逐渐连通，最终地下水改变原有的径流方向与途径——由两翼分流型转变为近垂直渗流型［9-10］。隧道工程后期，在隧道顶部区域，起初条带状展布的地下水径流区在平面上演变为椭圆形（图2）,剖面上呈树冠状，并向隧道收敛。由于区域内的岩溶化程度加速，地下水径流通道逐渐加宽加大，裂隙流逐渐演化为岩溶管道流。最终地下水发生袭夺，原來背斜两翼的地下水逐渐转向，沿最短的途径、最畅的通道向隧道内汇集［11-12］。隧道逐步成为附近区域的集水、过水地下廊道，并出现新的人工水点隧道涌水。图2地下水流场及示踪试验示意图Fig.2Theschematicdiagramfortracertestandgroundwaterf1ow下载原图为确定黄泥土亚隧道工程对上部地下水疏干影响、确定地下水流向以及估算地下水入渗速丿艾等，米用GGUN-FL30荧光示踪仪实施了示踪试验（图2）。在投放示踪剂荧光素钠54.4h后，仪器监测到了示踪剂浓度峰值，地下水纵向入渗平均速度达到0.18cm/so试验结果表明黄泥规隧道工程对上部区域有明显的疏干影响,隧道涌水具有近源垂直补给、径流的特点。2.2、疏干地表、地下水，加剧干旱缺水程度隧道建成后，区内地下水垂直径流、快速排泄，导致地下水位下降，引发区内干旱缺水［13-14］o2016年8月-2017年3月，黄泥：t亚隧道出口日均排水流量362.35m,隧道排水量与降雨量具有明显的正相关关系，基本保持着同步增减的对应关系，证实了大气降水快速补给地下水的事实（图3）。进入枯季，相比降雨量而言，隧道排水量衰减幅度相对较小，分析认为主要由于隧道区域地下水补给面积不断扩大以及长期的排水使得裂隙逐渐贯通扩大所致皿沁。图3黄泥土亚隧道出口排水量与降雨量统计图Fig.3ThestatisticsofdrainageandrainfallattunnelexitofHuangniya下载原图黄泥埠隧道顶部为一相对平缓的岩溶槽谷，顺隧道走向展布，中间略低。隧道上方、立斗山背斜轴部槽谷段海拔1400m,与其北东、南西侧山峰高差约400mo隧道岀口段泉点多集中于斜坡冲沟内，隧道工程开建后，多数泉点流量衰减明显，部分已被疏干。为研究隧道工程对地下水的影响，选取了S042、S048、S049泉点进行流量长观监测（图4）。 图4泉点流量长观折线图Fig.4The1inechartofspringflow下载原图根据监测资料，位于隧道出口段上方斜坡的S048泉点流量大幅衰减，泉水流量均远小于历史同期。S048泉点之前为附近10户居民及场镇约50户居民的牛活用水水源；目前，泉水仅供附近10户居民用水。隧道顶部泉点流量衰减更为明显，S049现已断流，S042泉点几近干枯，流量均小于历史同期。S042、S049泉点均为碳酸盐岩裂隙溶洞水，隧道工程前，居民水管引流利用泉水，除生活用水外，富余泉水供过往重车加水。目前，泉水已不能满足村民正常牛活用水。2.3影响水资源空间分配格局地下水漏失是隧道工程的第一顽疾，因此常有“十隧九漏”的说法［17-⑻。隧道在建设过程中需穿越不同水文地质单元，不可避免地改变了水文地质条件，并在一定程度上影响水资源环境，影响水资源空间分配格局，造成隧址区及周边地下水位下降（图5）,地面溪沟水量减小甚至枯蝎，井泉流量衰减，影响居民生活和工农业生产。图5黄泥t亚隧道工程影响范围Fig.5TheInfluencerangetogrounderwaterofHuangniyatunnle下载原图监测期间黄泥坝隧道出口日均排水流量362.35m,黄泥坝隧道出口上方地表蓄水池几近干枯，S042、S048、S049泉水流量明显衰减，其至枯竭断流，这些现彖表明隧道工程对该区的水资源带來了极具破坏性的影响，造成了大面积的地表水漏失、地下水疏干。最终大大加剧了水资源空间分布不均的程度，造成水资源利用率的严重下降。3结论黄泥t亚隧址区岩溶发育强烈，岩溶地下水丰富，隧道工程对区域水文地质环境地质影响强烈。隧道工程改变了地下水流场，隧址区地下水接受隧道顶部大气降水入渗补给，由之前的背斜两翼分流型转变为近源乖直补给、径流型。隧道已成为局部区域的集水、过水地下廊道，并出现新的人工水点一一隧道涌水。黄泥坪隧道工程致使地表地下水快速径流、排泄，加重了干旱缺水程度，打破了水资源空间分配格局，使水资源分布不均问题更为凸显，降低了水资源利用率。建议隧道工程施工中尽量以堵水为主，疏水措施为辅，减小工程建设对地质环境的影响。 参考文献[1]庄旭峰，孙东•实例分析隧道建设对岩溶水的影响[J]•中国岩溶，2016,35(6):681-687.[2]龚睿•隧道工程建设对隔档式岩溶富水背斜地下水环境的影响研究-以观音峡背斜为例[D]•四川：成都理工大学，2010.[3]於开炳，黄琨•大支坪隧道岩溶水文地质特征及其对隧道的影响[J]•屮国水运，2009,9(3):161-169.[4]陈宏峰，夏日元，梁彬•鄂西齐岳山地区岩溶发育特征及其对隧道涌水的影响[J]•中国岩溶，2003,22(4):282-286.[5]杜毓超，李兆林，韩行瑞，等•沪蓉高速公路乌池坝隧道区岩溶发育特征及其涌水分析[J]•屮国岩溶，200&27(1):11-1&[6]杜毓超，韩行瑞，李兆林•基于AHP的岩溶隧道涌水专家评判系统及其应用[J]•中国岩溶，2009,28(3):281-287.[7]刘志春，王梦恕•隧道工程因素对地下水环境影响硏究[J].岩土力学，2015,36(S2):281-288.[8]程亚平，蒋灵芝，黎柳月，等•综合物探技术探测平果铝厂赤泥堆场岩溶发育特征[J]•中国岩溶,2016,35(6):688-698.[9]罗声•越岭隧道典型水文地质结构类型及外水巧力研究[D].四川：成都理工大学，2015.[10]杜严飞，杨乐，廖云平，等•重庆市地下隧道地质环境影响因素分析[J]•长江科学院院报，2016,33(8):105-10&[11]林玉秀.隧道开挖对地下水的影响[J].交通建设，2015:201-202.[12JT磊.隧道施工影响地下水资源研究[J]•工程科技，2014,3:222-222.[13]叶志华，韩行瑞，张高朝，等.隧道岩溶涌水专家评判系统在朱家岩隧道涌水预报中的应用[J]•中国岩溶,2006,25(2):139-145.[14]蒙彦，雷明堂.岩溶区隧道涌水研究现状及建议[J].中国岩溶，2003,22(4):287-292・[15]陈国亮•隧道中岩溶危害的特殊处理[J]•中国岩溶,1992,11(2):95-104.[16]罗鉴银，傅瓦利.岩溶地区开挖隧道对水资源的影响:以渝合高速公路隧道为例[J]•西南农业大学学报(自然科学版),2006,28(1):154-160. [13]祝军.隧道工程对云雾山岩溶地区地质环境的影响[J].资源环境与工程，2013,27(6):776-781.[14]毛邦燕，许模，蒋良文•隧道岩溶突水、突泥危险性评价初探[J].中国岩溶,2010,29(2):183-189.