公路隧道端涌水影響分析

公路隧道端涌水影響分析飲用水源是人們賴以生存的基礎(chǔ)，其保護(hù)工作是各國(guó)水污染防治的重中之重。近年來(lái)，隨著我國(guó)西部大開發(fā)戰(zhàn)略的穩(wěn)步推進(jìn)，西部地區(qū)的交通環(huán)境正得以日新月異的改善。但由于該地區(qū)地形和地質(zhì)條件復(fù)雜，為提高線路平縱線形、縮短行車時(shí)間和保護(hù)生態(tài)環(huán)境，隧道方案得以普遍采用［1，2］。然而，在改善交通環(huán)境的同時(shí)，隧道長(zhǎng)期疏排水無(wú)疑會(huì)導(dǎo)致隧道地區(qū)的水環(huán)境發(fā)生改變，甚至對(duì)居民飲水造成影響，如京源口隧道開挖造成了賴邦村飲用水源的枯竭［3］，太中銀鐵路呂梁山隧道建設(shè)導(dǎo)致峽口泉域和吳城泉域分水嶺改變以及部分泉點(diǎn)干枯［4］，九條龍隧道施工影響了小西堡巖溶泉的正常供水［5］，襄渝鐵路中梁山隧道施工期間引起48口泉水被疏干，極大地改變了隧址區(qū)的人居環(huán)境［6］;渝懷鐵路圓梁山隧道建設(shè)導(dǎo)致毛壩向斜一定范圍內(nèi)的地下水被疏干，直接或間接地影響了當(dāng)?shù)匕傩盏纳詈蜕a(chǎn)用水［7］;渝懷鐵路歌樂(lè)山隧道施工導(dǎo)致山上6萬(wàn)多居民的生產(chǎn)和生活用水受到嚴(yán)重影響［8］。在分析和研究隧道建設(shè)對(duì)飲用水源的影響方面，彭丁茂等［9］和Yang等［10］基于隧道涌水量預(yù)測(cè)和區(qū)域地下水補(bǔ)給量的計(jì)算為隧道方案選擇提供了科學(xué)依據(jù);韓立鶴［11］通過(guò)計(jì)算隧道涌水的影響半徑，分析得出關(guān)角隧道施工會(huì)造成影響半徑范圍內(nèi)泉水流量大幅衰減;Raposo等［12］通過(guò)建立隧道地區(qū)的水均衡模型，分析得出西班牙費(fèi)羅爾市某7km長(zhǎng)隧道建設(shè)對(duì)受深層地下水補(bǔ)給的井泉水影響更大;Vincezi等［13］應(yīng)用示蹤實(shí)驗(yàn)并結(jié)合隧道地區(qū)水源點(diǎn)及隧道內(nèi)出水的水質(zhì)和水量監(jiān)測(cè)資料，分析了意大利Frizenzuola隧道建設(shè)對(duì)當(dāng)?shù)氐叵滤h(huán)境的影響，得出隧道排水是引起隧址區(qū)滲流場(chǎng)改變和水資源流失的主要原因而不應(yīng)將此現(xiàn)象歸結(jié)于氣象因素。本文擬討論的某高速公路隧道全長(zhǎng)約3.7km，采用進(jìn)出口同時(shí)向變坡點(diǎn)掘進(jìn)的施工方式。隨著隧道施工進(jìn)度的不斷推進(jìn)，隧道出口端地表部分原作為居民飲用水源的煤礦水出現(xiàn)了不同程度的流量減少或水位降低，個(gè)別點(diǎn)甚至出現(xiàn)了枯竭現(xiàn)象。為科學(xué)評(píng)估隧道施工對(duì)上述飲用水源的影響，為建設(shè)單位和有關(guān)部門解決因隧道施工而產(chǎn)生的水源糾紛提供科學(xué)決策依據(jù)，本文基于隧道影響范圍的理論計(jì)算、觀測(cè)點(diǎn)水量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和隧道涌水來(lái)源識(shí)別等方法進(jìn)行了綜合分析。1隧道工程及區(qū)域水文地質(zhì)概況1.1隧道工程概況某隧道為分離式越嶺高速公路雙洞隧道，左右線均為“人字型”縱坡，其中左線起止里程為K126+960～K130+640，全長(zhǎng)3680m，最大埋深約560m，右線起止里程為YK126+964～YK130+666，全長(zhǎng)3702m，最大埋深約558m。該隧道于2009年12月開工建設(shè)，截止2011年6月初，隧道進(jìn)口方向共掘進(jìn)約1400m，出口方向共掘進(jìn)約1700m。1.2區(qū)域水文地質(zhì)隧道橫穿七里峽背斜中段，經(jīng)過(guò)的地層主要有侏羅系中統(tǒng)上沙溪廟組(J2s)、侏羅系中統(tǒng)下沙溪廟組(J2xs)、侏羅系中統(tǒng)新田溝組(J2x)、侏羅系中下統(tǒng)自流井組(J1－2z)、侏羅系下統(tǒng)珍珠沖組(J1zh)和三疊系上統(tǒng)須家河組(T3xj)砂泥巖以及三疊系中統(tǒng)雷口坡組(T2l)灰?guī)r，其中J1－2z3、J1zh、T3xj和T2l地層為區(qū)域相對(duì)含水層，J2s、J2xs、J2x、J1－2z1和J1－2z2地層為區(qū)域相對(duì)隔水層。七里峽背斜軸向N30°～40°E，軸面傾向NW，西北翼地面巖層傾向304°～315°，傾角50°～83°，東南翼地面巖層傾向118°～135°，傾角73°～80°。地下水接受大氣降水補(bǔ)給，主要沿基巖裂隙下滲，受層狀分布的隔水巖帶控制，地下水主要在砂巖、碳酸鹽巖含水帶中順層賦存、運(yùn)移，形成相對(duì)封閉的匯水或儲(chǔ)水構(gòu)造。隧道穿越的山體渾厚，其山脊是區(qū)內(nèi)分水嶺，山脊兩側(cè)季節(jié)性沖溝發(fā)育，在平面上常呈“樹枝狀”展布，橫向上呈“V”字型，規(guī)模均較小，為大氣降水形成地表水的主要匯集、排泄通道。溝水受季節(jié)控制顯著，最終排泄至七里河。區(qū)域內(nèi)地下水與地表水分水嶺位置基本一致，地下水主要向隧道進(jìn)口(NW向)、出口(SE向)及七里河(NE向)等三個(gè)方向徑流，以煤礦排水、下降泉等形式排泄于地表，最終匯集于七里河。隧道出口東、西兩側(cè)各發(fā)育一季節(jié)性沖溝，并在隧道出口外分別形成亂石窖溝和蔡家溝，最終匯入七里河。七里河在隧道NE側(cè)約2km外橫切七里峽背斜軸部，并轉(zhuǎn)為SW流向。該河流與隧道進(jìn)、出口直線距離均大于2km，標(biāo)高較隧道洞底標(biāo)高低約130m。2隧道出口端施工對(duì)地表飲用水源的影響2.1地表飲用水源分布根據(jù)調(diào)查，隧道出口端路基設(shè)計(jì)高程以上地表基本無(wú)天然井泉出露，隧道施工前，該區(qū)域地下水主要通過(guò)三座煤礦排泄，其中兩座煤礦(M2、M3)出水作為當(dāng)?shù)卮迕?共計(jì)約3000人)飲用水源，另一座煤礦(M1)由于出水量小且周圍無(wú)人居住，目前未被利用。自隧道施工以來(lái)，其附近的水環(huán)境發(fā)生了一定變化，原作為居民飲用水源的M2已在2010年12月出現(xiàn)了枯竭，至今仍無(wú)恢復(fù)，進(jìn)入2011年5月以來(lái)，M3流量開始有所衰減，衰減程度曾達(dá)22%左右，后經(jīng)洞內(nèi)注漿堵水后，其流量已基本恢復(fù)至以往平均水平。由于M1無(wú)人飲用、M2在2010年12月時(shí)已枯竭，故水量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)僅以M3和隧道出口端洞內(nèi)涌水為主，水質(zhì)監(jiān)測(cè)覆蓋上述三座煤礦和隧道內(nèi)主要出水點(diǎn)。隧道出口端地表監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布見圖1。2.2隧道排水影響范圍估算根據(jù)《鐵路工程水文地質(zhì)勘測(cè)規(guī)范》2.3流量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息分析M1為一已閉礦的小型煤礦(距隧道軸線約270m，洞口高出隧道洞頂約280m)，洞口出水量一直很小，自2010年6月以來(lái)長(zhǎng)期穩(wěn)定在10m3/d左右，因無(wú)人飲用，故未作監(jiān)測(cè);M2亦為一已閉礦的小型煤礦(距隧道軸線100m，洞口高出隧道洞頂約170m)，2010年6月調(diào)查時(shí)出水量約100m3/d，至2010年12月便已基本干涸，截止2011年6月，僅洞內(nèi)見極少量滲水和滴水;M3為一正在開采的小型煤礦(距隧道軸線約820m，洞口高出隧道洞頂約20m)，其流量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)工作始于2010年12月，截止2011年6月，該點(diǎn)逐日監(jiān)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)表明，其流量最小值為22.5m3/d，最大為1059.4m3/d，平均為694.3m3/d;隧道出口端的總涌水量監(jiān)測(cè)亦始于2010年12月，截止2011年6月，其逐日監(jiān)測(cè)資料統(tǒng)計(jì)表明，隧道出口最小涌水量為436.9m3/d，最大為5255.4m3/d，平均為1531.3m3/d。M3和隧道出口端涌水量變化曲線見圖2。從圖2可以看出:(1)自2011年4月9日開始，隧道出口端涌水量突然增大至60.8L/s，經(jīng)采取注漿堵水措施后，洞內(nèi)涌水量逐漸減小，進(jìn)入5月以來(lái)，由于隧道施工揭露了新的含水通道，致使洞內(nèi)涌水量再次迅速攀升，導(dǎo)致洞口測(cè)流矩形堰被沖毀，經(jīng)采取注漿堵水措施后，于5月下旬涌水量開始逐漸減小;(2)4月期間M3出水量并未出現(xiàn)明顯變化，但進(jìn)入5月6日以來(lái)，M3流量出現(xiàn)急劇減少趨勢(shì)(由9.3L/s降至5.4L/s)，在洞內(nèi)采取注漿堵水措施并經(jīng)一段時(shí)間的降雨補(bǔ)給后，M3流量開始逐漸回升。由上述動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)信息，不難推測(cè)隧道涌水與該煤礦出水之間有一定聯(lián)系，這與前述隧道排水影響范圍的估算結(jié)論基本一致。2.4隧道涌水來(lái)源識(shí)別以M1、M2(2010年6月取樣，此時(shí)隧道掘進(jìn)約450m)和M3煤礦出水為參考序列，隧道內(nèi)K129+170出水和隧道總排口取水為比較序列，選取NapH、電導(dǎo)率共8項(xiàng)指標(biāo)，采用灰色關(guān)聯(lián)分析方法［15］進(jìn)行分析，其結(jié)果見表1。由表1的計(jì)算結(jié)果可知，M1出水與隧道出水的關(guān)聯(lián)程度最小，其原因可能是M1所在含水層與隧道主要涌水段間地層滲透性較差，從而受隧道施工干擾較小;M2出水與隧道出水的關(guān)聯(lián)程度較高，表明其所在含水層受隧道施工影響的可能性較大;M3出水與隧道出水的關(guān)聯(lián)程度最高，表明二者很可能接受同一含水系統(tǒng)的補(bǔ)給，換言之，當(dāng)隧道出水量增加時(shí)，M3流量便會(huì)減小，反之亦然，這和前述流量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)結(jié)論一致。值得提出的是，M3流量增加或減少，除受隧道施工影響外，也與當(dāng)?shù)貧庀髼l件不無(wú)關(guān)系，當(dāng)大氣降雨補(bǔ)給充分時(shí)，M3受隧道施工的干擾便會(huì)不明顯;同時(shí)，二者之間的相互影響存在明顯的滯后，在時(shí)間上并非一一對(duì)應(yīng)，而是經(jīng)過(guò)地下水系統(tǒng)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)并達(dá)到新的平衡后才會(huì)得以完全體現(xiàn)。3結(jié)論與建議從隧道排水影響范圍的理論計(jì)算、監(jiān)測(cè)點(diǎn)的流量動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與分析和隧道涌水來(lái)源識(shí)別結(jié)果可得出以下結(jié)論:隧道出口端排水對(duì)隧道軸線兩側(cè)約570m范圍內(nèi)的影響相對(duì)較大，尤其是對(duì)M2的影響最為突出;因M1所在含水層與隧道主要涌