基于三维非稳定渗流分析的隧洞开挖地下水环境影响评价

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摘要：水利工程中隧洞施工通常采用全部开挖完成再衬砌的方法。如针对开挖施工的短暂状态采用稳定渗流计算分析其对地下水环境的影响，并不符合实际，且往往会夸大地下水位降落的幅度和影响范围，因此采用非稳定渗流数值模拟技术来评价将更为合理。以某水电站发电引水隧洞施工为例，采用饱和非饱和非稳定渗流理论，建立了引水隧洞区域的三维有限元模型，对隧洞开挖过程中区域地下水非稳定渗流场进行了数值模拟，总结分析了隧洞从开始挖掘到贯通过程的地下水变化规律并进行地下水环境影响评价。结果表明：采用三维非稳定渗流分析预测隧洞开挖过程中地下水位降落和降落漏斗扩大的过程是可行的；该工程引水隧洞开挖对该区域地下水影响较小，地下水补排关系总体无变化。

关键词：隧洞开挖；非稳定渗流；地下水环境；环境影响评价；三维有限元法；降落漏斗

中图分类号：TV671文献标志码：A文章编号：

16721683（2016）06013506

Effect of tunnel excavation on groundwater environment based on threedimensional unsteady seepage flow analysis

ZHOU Renjie1，2，SHEN Zhenzhong1，2，XU Liqun2，LU Jian3

（1.State Key Laboratory of HydrologyWater Resources and Hydraulic Engineering，Hohai University，Nanjing 210098，China；2.The College of Water Conservancy and Hydropower，Hohai University，Nanjing 210098，China；3.Yichun Water Conservancy Bureau，Yichun 336000，China））

Abstract：During the construction process of tunnel excavation in a hydroproject，the method of all excavation completed before lining was commonly used.As for the seepage flow stability calculation on tunnel excavation temporary state to impact groundwater environment，which is not in line with the actual situation，and often amplifies the water level fluctuation and effective range.In view of this，adopting the technique of unsteady seepage numerical simulation to assess the impact on groundwater environment will be more reasonable.Taking the construction process of a diversion tunnel as an example，based on unsteady saturated and unsaturated seepage theory，the threedimensional finite element numerical model was established to calculate the transient seepage field of tunnel excavation area.The tunnel groundwater variation from commencement to completion of works was summarized.Groundwater environmental impact assessment on the process of tunnel excavation was done.The results showed that （1） it was feasible to predict the process of water level falling and affective range enlarging by threedimensional unsteady seepage flow analysis；（2） the groundwater in this region was less effected by excavation of diversion tunnel and groundwater recharge and discharge relations remained unchanged.

Key words：tunnel excavation；unsteady seepage flow；groundwater environment；environmental impact excavation；threedimensional finite element method；cone of depression

[JP2]水利工程隧洞开挖过程中不可避免地会引起周边地下水流场变化和地下水水位下降，导致周边地区民用井、生产井等供水设施枯竭，甚至产生地面沉降、地裂缝、岩溶塌陷、湿地退化、土地荒漠化等环境水文地质问题，地下水环境问题具有极强的隐蔽性、滞后性及难恢复性，应引起足够的重视[15]。隧洞施工过程[6]有边开挖边衬砌与全洞开挖完再衬砌两种，前者对开挖区域周边渗流场影响较小，但由于隧洞开挖工作区域小，采用开挖和衬砌交叉作业不可避免的会造成施工干扰[7]，故当平洞沿线地质条件较好，断面不大，洞线不长时，大多采用一次或分部开挖成洞[89]，然后进行衬砌支护的方式。当采用全段开挖完再衬砌的施工方式时，隧洞周边地下水位大幅度下降[1012]，隧洞贯通后会立即进行衬砌，若取全段贯通时刻作为最不利工况计算其稳定渗流状态进行分析，往往扩大了隧洞开挖对周边地下水位的影响。

刘昌军等[13]对隧洞衬砌后的地下水位恢复过程进行了非稳定三维渗流场数值模拟，蒋欢欢等[14]、卢锟明等[15]对隧洞开挖完成后长期运行对地下水的影响做了分析。但是，考虑施工过程的短暂性，采用非稳定渗流分析评估隧洞开挖对地下水环境的影响的研究成果极少。结合某水电站工程，根据现场调查和钻孔取样资料，确定引水隧洞区域的地形地貌、地质构造以及天然状态下地下水水位及补排关系；采用数学模型法[16]建立地下水水流模型，模拟实际开挖进度进行区域地下水三维非稳定饱和非饱和渗流计算[1718]，得到施工过程中各阶段地下水流场受开挖影响的程度和范围，评价工程施工过程对地下水环境的影响。

3隧洞开挖过程中地下水位变化规律

根据资料，施工开挖由进水口和下游上平段施工支洞两个工作面进入，采用钻爆法分层开挖，全洞[CM（22]开挖完成后立即进行衬砌，隧洞开挖总历时20个因隧洞穿越位置绝大部分为微风化地层，故假设两端匀速推进，将引水隧洞按长度等分为10段，利用三维有限元模型，计算步长共分5步，每步时间为4个月，每一时步每个工作面开挖148 m，模拟隧洞开挖由上、下游两个工作面按相同效率同时掘进的施工过程。由此计算各时段的非稳定地下水渗流场，分析其变化规律。

从最大降深桩号0+705 m位置水位降落历时曲线图3中可以看出，隧洞开始挖掘后山体内浸润线迅速降落，随着开挖工作面向山体内部进发，浸润线降落速度逐渐加快，开始开挖4个月后最大降深为534 m，开挖8个月后为1792 m，12个月后为3352 m，16个月后为5055 m，开挖20个月后隧洞全线贯通时桩号0+705 m位置降深为9197 m。

图4为最大降深桩号0+705 m位置引水隧洞横剖面位势分布图，桩号0+705 m位置见图1和图5。由图可以看出，随着开挖过程水位逐渐降落，开挖各时步浸润线与天然期水位线相交位置逐渐远离隧洞所在位置，即桩号0+705 m位置的降落漏斗范围在逐渐增大，至开挖20个月后隧洞全线贯通时，地下水位下降范围距离中心分别为9368 m和8627 m。

图5为引水隧洞轴线方向水位降落过程线，对下游开挖面掘进过程（图中分水岭左侧）进行分析，开挖初始过程（0～8个月）时，上下游已开挖位置的地下水水头均较小，浸润线在当前时步直接降至隧洞位置；开挖一定距离后，新开挖位置地下水水头较大，山体内浸润线在当前时步明显下降，并在之后的时步中继续下降，直至降至隧洞位置为止，如第3时步（9～12个月）开挖的区域直到开挖接近尾声时浸润线才完全降至隧洞位置。

由引水隧洞开挖贯通时刻地下水位等值线图6可见，等值线总体分布规律与天然期一致，仅在山体中部沿着隧洞轴线方向变得密集，地下水位急剧下降，而开挖较早位置处等值线较为稀疏，说明该处水力坡降小。

综合结果表明，隧洞开挖对地下水的影响是一个复杂的过程，首先当前位置开挖后使得地下水位随着时间的推移逐渐下降，垂直隧洞方向的影响范围逐渐扩大，与此同时，随着开挖过程的继续进行，新开挖部分与之前开挖部分的共同作用，使得地下水水位降深和降落漏斗不断扩大。因此纵观整个开挖过程，最初开挖位置的地下水流场趋向于稳定，而山体深处的部分仍处于非稳定状态，且最大降深位置位于山体内分水岭附近，因此，只有对隧洞开挖过程进行非稳定渗流计算才能真实模拟隧洞开挖对地下水环境影响的实际情况。

4区域地下水环境影响评价

依据《环境影响评价技术导则――地下水环境》（HJ 610-2011）进行地下水环境影响的预测与评价。该工程属于II类建设项目，应重点依据地下水流场变化，评价地下水水位降低诱发的环境水文地质问题的影响程度和范围。根据II类建设项目地下水环境影响评价工作等级划分条件，该工程地下水环境敏感程度等级为不敏感，环境水文地质问题分级为弱，预测建设项目引起的地下水位变化区域范围中，综合以上条件按二级评价等级开展相应的评价工作。预测结果表明：引水隧洞开挖全线贯通未衬砌时，研究区域内地下水总体补排关系不变，仍为山体补给河道，邻近引水隧洞位置地下水位明显下降，根据“导则”规定，狭长坑道线性类建设项目的地下水水位变化区域半径是以该工程中心线为中心的影响宽度，故确定引水隧洞施工期对地下水环境影响最大时刻的影响半径为9368 m，影响范围约为266 km2。由于该范围的水位下降仅在隧洞开挖施工期间短暂出现，导致土壤出现盐渍化等现象的可能性较小，同时由于研究区域为一孤峰，周围弯曲的河道环绕，是一个独立的水文地质单元，不存在具有直接补排关系的区域，因此隧洞开挖施工对区域地下水环境影响较小。

5结论

[JP2]（1）隧洞开挖过程中，当前时步开挖部分与之前、之后开挖的部分存在相互作用。隧洞贯通时刻，最初开挖位置地下水趋向于稳定，山体深处部分仍处于非稳定状态，地下水位将随着时间推移继续降低。

（2）根据数值模拟结果，隧洞开挖使得沿线地下水位均有不同程度的降低，但影响范围有限，不会对周边环境造成永久影响。

（3）本次研究的电站引水隧洞位置山体为一座孤峰，没有高山地下水补给，主要靠大气降水维持地下水位，而建立的模型边界为在分水岭的指定水头边界，如能针对年降雨资料结合开挖过程各时刻所处季节的降雨量，在模型地表给定不同的降雨流量边界，会使模拟结果更加准确。

参考文献（References）：

[1]HJ 610-2011，环境影响评价技术导则――地下水环境[S].2011.（HJ 610-2011，Technical guidelines for environmental impact assessment groundwater environment[S].2011.（in Chinese））

[2]赵珂.地下水环境影响评价研究[J].环境科学与管理，2013（5）：191194.（ZHAO Ke.Brief analysis on groundwater environment impact assessment[J].Environmental Science and Management，2013（5）：191194.（in Chinese））

[3]罗声，康小兵.水利工程地下水环境影响评价[J].水力发电，2015（3）：13，10.（LUO Sheng，KANG Xiaobing.Groundwater environmental impact assessment of hydraulic engineering[J].Water Power，2015（3）：13，10.（in Chinese））

[4]冯雪，赵鑫，李青云，等.水利工程地下水环境影响评价要点及方法探讨――以某水电站建设项目为例[J].长江科学院院报，2015（1）：3942.（FENG Xue，ZHAO Xin，LI Qingyun，et al.Key points and methods of assessing the environmental impact of water project on groundwater：a case study[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute，2015（1）：3942.（in Chinese））

[5]Basil T I Ong′or，Shu Longcang.Groundwater overdraft vulnerability and environmental impact assessment in Arusha[J].Environmental Geology，2007，517.

[6]陈东，莫大源，刘伟.深埋长大引水隧洞单一工作面施工组织管理[J].水利水电技术，2010（5）：7376.（CHEN Dong，MO Dayuan，LIU anization of single tunnelingface construction for deepburied large and long water diversion tunnel[J].Water Resources and Hydropower Engineering，2010（5）：7376.（in Chinese））

[7]冯兴龙，王焕明，陈恩瑜.巴基斯坦NJ水电工程引水隧洞开挖关键技术[J].人民长江，2014（1）：6265.（FENG Xinglong，Wang Huanming，CHEN Enyu.Key technology for diversion tunnel excavation of NeelumJhelum Hydropower Station in Pakistan[J].Yangtze River，2014（1）：6265.（in Chinese））

[8]王小军，周慧，蒋兵.引水隧洞开挖支护方案围岩稳定的非线性有限元模拟[J].南水北调与水利科技，2010，8（5）：153156.（WANG Xiaojun，ZHOU Hui，JIANG Bing.Nonlinear finite element simulation of rock stability in diversion tunnel[J].SouthtoNorth Water Transfers and Water Science & Technology，2010，8（5）：153156.（in Chinese））

[9]李大鑫.锦屏二级水电站不同施工方法引水隧洞围岩稳定性研究[D].成都：成都理工大学，2010.（LI Daxin.Research of different construction methods diversion tunnel rock stability of Jinping II Hydropower Station[D].Chengdu：Chengdu University of Technology，2010.（in Chinese））[ZK）]

[10][ZK（#]任旭华，束加庆，单治钢，等.锦屏二级水电站隧洞群施工期地下水运移、影响及控制研究[J].岩石力学与工程学报，2009（S1）：28912897.（REN Xuhua，SHU Jiaqing，SHAN Zhigang，et al.Research on groundwater transport，influence and control in tunnel group of Jinping II Hydropower Station during construction[J].Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2009（S1）：28912897.（in Chinese））

[11]王连广，刘阳.引水隧洞三维渗流场分析研究[J].水利规划与设计，2014（4）：5254，51.（WANG Lianguang，LIU yang.Analysis of threedimensional seepage field at diversion tunnel[J].Water Resources Planning and Design，2014（4）：5254，51.（in Chinese））

[12]张怀军.南水北调东线穿黄河工程过河隧洞开挖涌水预测分析研究[D].天津：天津大学，2008.（ZHANG Huaijun.Estimate of water amount in the tunnel across Yellow River on east route of the SouthNorth Water Transfer Project[D].Tianjin：Tianjin University，2008.（in Chinese））

[13]刘昌军，高立东，丁留谦，等.文登抽水蓄能电站工程区地下水三维非稳定渗流场的数值模拟[J].中国农村水利水电，2012（4）：107112.（LIU Changjun，GAO Lidong，DING Liuqian，et al.A numerical simulation of the threedimensional transient ground water seepage in Wendeng Pumped Storage Power Station Project areas[J].China Rural Water and Hydropower，2012（4）：107112.（in Chinese））

[14]蒋欢欢.锦屏二级水电站隧道涌水三维数值模拟研究[D].成都：成都理工大学，2012.（JIANG Huanhuan.Threedimensional numerical simulation of tunnel gushing of Jinping II Hydropower Station[D].Chengdu：Chengdu University of Technology，2012.（in Chinese））

[15]卢锟明.引汉济渭输水隧洞（岭北段）地下水环境影响研究[D].西安：长安大学，2012.（LU Kunming.Study on the groundwater environmental impact of the water transfer project from Hanjiang River to Weihe River （north of Qinling）[D].Xi′an：Chang′an University，2012.（in Chinese））

[16]龚星，陈植华，孙璐.地下水环境影响评价若干关键问题探讨[J].[JP+2]安全与环境工程，2013（2）：9599.（GONG Xing，CHEN Zhihua，SUN Lu.Discussion on the critical issue of the environmental impact assessment of groundwater[J].Safety and Environmental Engineering，2013（2）：9599.（in Chinese））

[17]Renard Philippe.Approximate discharge for constant head test with recharging boundary[J].Ground Water，2005，433.

[18]Meri，David.Unconfined groundwater flow calculation into a tunnel[J].Journal of Hydrology，1985，82（2）：6975.

[19]江沆，沈振中，邱乾勇.三维非稳定饱和―非饱和渗流有限元法改进及验证[J].水电能源科学，2008，26（3）：5456，42.（JIANG Hang，SHEN Zhenzhong，QIU Qianyong.Improvement of finite element method and Its validation in 3D unstable saturatedunsaturated seepage[J].Water Resources and Power，2008，26（3）：5456.（in Chinese））

[20]王东，沈振中，陶小虎.尾矿坝渗流场三维有限元分析与安全评价[J].河海大学学报：自然科学版，2012（3）：307312.（WANG Dong，SHEN Zhenzhong，TAO Xiaohu.Threedimensional finite element analysis and safety assessment for seepage field of a tailings dam[J].Journal of Hohai University：Natural Sciences，2012（3）：307312.（in Chinese））