隧洞突涌水指示西南岩溶大泉成因关系及水环境效应分析.pdf

第4 2卷 第4期2 0 2 3年 7月 地 质 科 技 通 报B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y V o l.4 2 N o.4J u l.2 0 2 3段天宇,成建梅,段勇,等.隧洞突涌水指示西南岩溶大泉成因关系及水环境效应分析J.地质科技通报,2 0 2 3,4 2(4):1 8 3-1 9 3.D u a n T i a n y u,C h e n g J i a n m e i,D u a n Y o n g,e t a l.I n d i c a t i o n s o f t u n n e l w a t e r i n r u s h t o t h e o r i g i n o f l a r g e k a r s t s p r i n g s i n S o u t h-w e s t C h i n a a n d w a t e r e n v i r o n m e n t a l e f f e c t sJ.B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y,2 0 2 3,4 2(4):1 8 3-1 9 3.隧洞突涌水指示西南岩溶大泉基金项目:国家自然科学基金项目(4 2 1 7 2 2 7 8;U 1 9 1 1 2 0 5);云南省滇中引水工程建设管理局招标项目“云南省滇中引水工程昆明玉溪红河段地下水监测”作者简介:段天宇(1 9 9 8),男,现正攻读水利工程专业硕士学位,主要从事水文水资源与地下水数值模拟方面的研究工作。E-m a i l:D s k y 0 91 6 3.c o m通信作者:成建梅(1 9 7 1),女,教授,博士生导师,主要从事地下水流-污染数值模拟方面的研究工作。E-m a i l:j m c h e n gc u g.e d u.c n E d i t o r i a l O f f i c e o f B u l l e t i n o f G e o l o g i c a l S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y.T h i s i s a n o p e n a c c e s s a r t i c l e u n d e r t h e C C B Y-N C-N D l i c e n s e.成因关系及水环境效应分析段天宇1,成建梅1,段 勇2,李仲夏1,陈 亮2,黄盛财1,谷 芝2(1.中国地质大学(武汉)环境学院,武汉 4 3 0 0 7 8;2.云南地质工程第二勘察院有限公司,昆明 6 5 0 2 1 8)摘 要:滇中引水工程昆呈隧洞横穿昆明市呈贡区主要的水源地 黑龙潭、白龙潭地区,隧洞涌水可能严重威胁城市供水安全。综合隧洞施工水文动态数据和水化学数据,分析岩溶水系统特征和隧洞施工的影响,论证两泉的成因关系;构建了昆呈隧洞黑龙潭白龙潭段三维地下水流模型,经模型识别验证后,开展隧洞施工条件岩溶水系统的流场和泉流量变化的模拟预测,分析评价其水环境效应。研究表明:黑龙潭与白龙潭分别属于相对独立的2套岩溶水系统,补给区均为P1q+m组强岩溶含水层,但在三家村洼地下游,两泉分别受P1d组隔水地层和浑水塘断层的控制而形成稳定的岩溶通道;昆呈隧洞掘进改变了区域地下水流场,并袭夺白龙潭泉流量使其断流,且泉流量恢复困难;但隧洞掘进对黑龙潭影响较小。本研究对岩溶泉的成因关系进行探讨,并定量分析隧道掘进的水环境影响,对防止岩溶地区隧道建设中的突涌水等问题具有参考借鉴意义。关键词:岩溶水系统;隧洞涌水;数值模拟;水环境效应;泉成因2 0 2 2-0 6-3 0收稿;2 0 2 2-0 8-0 6修回;2 0 2 2-0 9-2 0接受中图分类号:P 6 4 2.2 5 文章编号:2 0 9 6-8 5 2 3(2 0 2 3)0 4-0 1 8 3-1 1d o i:1 0.1 9 5 0 9/j.c n k i.d z k q.t b 2 0 2 2 0 3 1 6 开放科学(资源服务)标识码(O S I D):I n d i c a t i o n s o f t u n n e l w a t e r i n r u s h t o t h e o r i g i n o f l a r g e k a r s t s p r i n g s i n S o u t h w e s t C h i n a a n d w a t e r e n v i r o n m e n t a l e f f e c t sD u a n T i a n y u1,C h e n g J i a n m e i1,D u a n Y o n g2,L i Z h o n g x i a1,C h e n L i a n g 2,H u a n g S h e n g c a i1,G u Z h i 2(1.S c h o o l o f E n v i r o n m e n t a l S t u d i e s,C h i n a U n i v e r s i t y o f G e o s c i e n c e s(Wu h a n),Wu h a n 4 3 0 0 7 8,C h i n a;2.Y u n n a n E n g i n e e r i n g G e o l o g y N o.2 R e c o n n a i s s a n c e Y a r d,K u n m i n g 6 5 0 2 1 8,C h i n a)A b s t r a c t:O b j e c t i v eT h e K u n c h e n g T u n n e l o f t h e C e n t r a l Y u n n a n W a t e r D i v e r s i o n P r o j e c t c r o s s e s t h e H e i l o n g t a n a n d B a i l o n g t a n a r e a s,t h e m a j o r h e a d w a t e r r e g i o n s i n t h e C h e n g g o n g D i s t r i c t o f K u n m i n g C i t y.M e t h o d sT u n n e l w a t e r i n r u s h m a y s e r i o u s l y t h r e a t e n t h e s a f e t y o f t h e u r b a n w a t e r s u p p l y.I n t h i s p a p e r,b a s e d o n h y d r o d y n a m i c d a t a a n d h y d r o c h e m i c a l d a t a d u r i n g t u n n e l c o n s t r u c t i o n,t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e k a r s t w a t e r s y s t e m,t h e o r i g i n o f t h e s p r i n g s,a n d t h e i m p a c t o f t u n n e l c o n s t r u c t i o n w e r e a n a l y s e d.T h e n,a t h r e e-d i m e n s i o n a l g r o u n d w a t e r f l o w m o d e l f o r t h e H e i l o n g t a n-B a i l o n g t a n S e c t i o n w a s d e v e l o p e d a n d c a l i-b r a t e d t o s i m u l a t e a n d p r e d i c t g r o u n d w a t e r l e v e l c h a n g e s d u r i n g t h e c o n s t r u c t i o n o f t h e K u n c h e n g T u n n e l,a n d t h e w a t e r e n v i r o n m e n t e f f e c t o f t u n n e l c o n s t r u c t i o n w a s e v a l u a t e d.R e s u l t sT h e r e s u l t s s h o w t h a t h t t p s:/d z k j q b.c u g.e d u.c n 地质科技通报 2 0 2 3年 b o t h t h e H e i l o n g t a n a n d B a i l o n g t a n s p r i n g s a r e m a i n l y r e c h a r g e d b y t h e s a m e k a r s t P1q+m a q u i f e r.H o w-e v e r,c o n t r o l l e d b y a q u i t a r d P1d a n d t h e H u n s h u i t a n g f a u l t d o w n s t r e a m o f t h e S a n j i a c u n D e p r e s s i o n,t h e t w o s p r i n g s a c t u a l l y b e l o n g t o t w o r e l a t i v e l y i n d e p e n d e n t k a r s t w a t e r s y s t e m s.I n a d d i t i o n,t h e e x c a v a t i o n o f t h e K u n c h e n g T u n n e l h a s c h a n g e d t h e r e g i o n a l g r o u n d w a t e r f l o w f i e l d a n d c u t o f f t h e f l o w o f B a i l o n g-t a n,w h i l e i t h a s n e g l i g i b l e i m p a c t o n H e i l o n g t a n.C o n c l u s i o nT h i s s t u d y d i s c u s s e s t h e g e n e t i c r e l a t i o n s h i p o f k a r s t s p r i n g,a n d q u a n t i t a t i v e l y a n a l y z e s t h e i m p a c t o f t u n n e l e x c a v a t i o n o n w a t e r e n v i r o n m e n t,w h i c h h a s r e f e r e n c e s i g n i f i c a n c e f o r p r e v e n t i n g w a t e r i n r u s h i n t u n n e l c o n s t r u c t i o n.K e y w o r d s:k a r s t w a t e r s y s t e m;t u n n e l g u s h i n g w a t e r;n u m e r i c a l s i m u l a t i o n;w a t e r e n v i r o n m e n t a l e f f e c t;o r i g i n o f s p r i n gR e c e i v e d:2 0 2 2-0 6-3 0;R e v i s e d:2 0 2 2-0 8-0 6;A c c e p t e d:2 0 2 2-0 9-2 0 滇中引水工程是解决滇中地区严重缺水问题的重要水利工程,昆呈隧洞为滇中引水工程在昆明市内的主要输水通道,穿越昆明市呈贡区著名的岩溶大泉 黑龙潭和白龙潭,而黑龙潭与白龙潭是昆明市重要的水源地。隧洞影响区域的岩溶水系统,是具有典型西南强岩溶发育特征的含水系统,含水层非均质性强1-3。隧洞施工突涌水,不仅威胁施工安全,也可能导致区内重要饮用水源 黑龙潭、白龙潭泉断流,严重威胁城市供水安全。因此,需要系统分析岩溶水系统特征和泉的成因关系,判定昆呈隧洞涌水来源,评价隧洞突涌水的环境影响。综合利用野外调查、试验、同位素与水化学分析方法等已经成为岩溶水系统研究的常用手段,帮助识别岩溶水流动途径,判定岩溶隧洞涌水来源4-1 1。岩溶大泉通常是岩溶水系统集中排泄的通道,因此,泉的水化学组分和泉流量动态特征成为揭示岩溶水系统补径排途径和岩溶泉成因的重要信息1 2-1 6。林云等1 2综合水化学等多源信息,判断鹤壁许家沟泉水受到淇河渗漏的补给影响。施佳会等1 6通过地下水化学及同位素特征分析和水均衡计算,确定丽江其宗泉主要接受金沙江右岸岩溶水补给后,沿地下岩溶管道以泉形式集中涌出。一些学者对黑龙潭泉与白龙潭泉成因关系进行了研究1 7-1 8。其中,黄会等1 7通过开展水均衡分析和数值模拟研究认为,黑龙潭泉和白龙潭泉分别属于相对独立的岩溶水子系统;许模等1 8则认为,黑龙潭白龙潭具有统一的补给区,但在土瓜塘经P1d地层分隔为2个独立的岩溶水系统。在昆呈隧洞涌水动态监测数据、研究区水样宏量组分、微量元素及氢氧同位素等数据基础上,笔者拟总结黑龙潭白龙潭泉域岩溶水系统特征,研究隧洞涌水与泉流量变化的响应关系,依托地下水数值模型,重新探讨泉的成因关系,并开展隧洞涌水的水环境效应评价。1 研究区背景滇中引水工程昆呈隧洞位于云南省昆明市境内,全长5 6 5 8 4.4 m,输水线路沿昆明盆地东侧边缘布置,穿越昆明市呈贡区黑龙潭-白龙潭上游径流区。黑龙潭与白龙潭均属于昆明市吴家营岩溶水系统,两泉眼处为地下暗河出口,泉水流出潭后合流为洛龙河,最后注入滇池(图1)。吴家营岩溶水系统北部(区)和东部(区)为侵蚀溶蚀中山区,由碎屑岩、玄武岩侵蚀山体和碳酸盐岩溶蚀山体构成。西南部(区)为冲洪积台地区,地形平缓,碳酸盐岩下伏于大新册至大渔村一带。整个岩溶水系统,在空间展布规律上呈现为明显的“Y”字型分叉。岩溶水系统内主要的含水层为二叠系栖霞组和茅口组P1q+m(中厚层、砂屑灰岩、豹皮状骨屑泥晶灰岩夹中细晶白云岩,厚度为5 2 8 m)、石炭系威宁组C2w(厚层、块状纯灰岩,局部夹薄层砂页岩及角砾状灰岩,厚度为1 1 7 m)、泥盆系宰格组D3z B(中厚层粉细晶白云岩、角砾状白云岩夹粉晶灰岩、泥岩、钙质页岩,厚度为3 9 9 m)、寒武系龙王庙组1l(块状灰质白云岩、泥质灰岩夹少量砂页岩,厚度为1 0 1 m);主要弱透水层为二叠系峨眉山玄武岩组P2(致密状玄武岩与玄武质凝灰岩组成,厚度为1 1 5 3 m)、二叠系倒石头组P1d(薄中层泥岩、铝土质页岩,炭质页岩,厚度为4 0 m)、石炭系大塘组C1d(薄中层细粒石英砂岩,局部夹铝土岩,厚度为4 1 m)、泥盆系海口组D2h(灰白色石英砂岩夹灰绿色页岩,厚度为1 2 2 m)、寒武系沧浪铺组1c(上部砂质页岩夹薄层泥质粉砂岩;下部中粒中厚层状石英砂岩、泥质砂岩夹页岩,厚度为2 9 2 m),在研究区呈S N及N E向条形展布。研究区内发育多条断层,从北往南依次是一朵云-龙潭山断裂(F1)、大青岩断裂(F2)、浑水 塘 断 裂(F3)、浑 水 塘 山-大 尖 山 以 北 断 层(F4),其中,仅有浑水塘断裂为正断层,导水性良好,其余均为逆断层(图1)。研究区地下水以大气降雨入渗补给为主,此外,还有系统外围玄武岩山岭汇集的地表径流入渗补给,在裸露岩溶区发育岩溶洼地与落水洞,可使地表径流直接渗漏补给地下水。如三家村落水洞,据王481 第4期段天宇等:隧洞突涌水指示西南岩溶大泉成因关系及水环境效应分析Q.第四系;E.古近系-新近系;P2.二叠系峨眉组;P1q+m.二叠系栖霞组和茅口组;P1d.二叠系倒石头组;C2w.石炭系威宁组;C1d.石炭系大塘组;D3z B.泥盆系宰格组;1l.寒武系龙王庙组;1c.寒武系沧浪铺组图1 黑龙潭-白龙潭地区地质简图F i g.1 S c h e m a t i c g e o l o g i c a l m a p i n t h e H e i l o n g t a n-B a i l o n g t a n a r e a宇3于2 0 0 3年所做的示踪试验与暗河降雨响应研究显示,其与黑龙潭有直接水力联系,且黑龙潭暗河管道完全形成于三家村至黑龙潭之间。岩溶含水层内发育溶孔、溶隙、岩溶管道与地下暗河,构成地下水的主要运移空间。地下水总体分别从北向南及西南、从北东向西南方向运动。根据水均衡分析,岩溶水系统东部(区)大部分地下水在黑龙潭白龙潭一带的山前地带以岩溶大泉形式排泄至地表,少部分地下水以地下径流形式向下游排泄,最终流向滇池。此外,在研究区西南侧有较多岩溶洼地、落水洞呈串珠状分布。岩溶洼地的展布规律揭示了在白龙潭暗河管道发育地区,P1d隔水层起到了主要的控制作用,有效地阻断了C2w、D3z B含水层的地下水与P1q+m含水层地下水的水力联系。而黑龙潭暗河管道的发育则与一朵云龙潭山断层(F1)、浑水塘断层(F3)关系密切,断层沟通了多个含水岩组,为黑龙潭暗河管道的发育提供了主要条件。2 隧洞涌水的综合特征2.1 研究区水化学特征 在2 0 2 1年7月底,对昆呈隧洞黑龙潭白龙潭段进行了野外水文地质调查,采集研究区重要泉点、水井、地表水体和6#、7#、8#、9#支洞段隧洞涌水的水样,在生物地质与环境地质国家重点实验室和中国地质大学(武汉)环境学院实验室使用电感耦合等离子体质谱仪I C P-M S(精度为0.0 0 1 g/L)与液态水同位素分析仪I WA-3 5-E P(测试结果为相对于维也纳平均海洋水(V S MOW)的千分偏差,精度为0.0 1)进行了水化学常规组分、微量元素和同位素分析。分析结果如表1所示。系统内水化学类型以HC O3-C a、HC O3-C aM g型和HC O3S O4-C aM g水为主,但地下水中的溶解性总固体(T D S)在空间上表现出自补给区向排泄区逐渐增加的规律。从水化学宏量组分的检测结果中,可以看出黑龙潭与白龙潭的水样T D S较低,都是重碳酸钙型水,且水样的钙镁比差别不大,均为6.5左右。黑龙潭与白龙潭出露于P1q+m含水层与第四系孔隙含水层的交接处,结合岩溶水系统碳酸盐岩分布特征,初步判断黑龙潭与白龙潭两泉泉水主要来自于P1q+m含水层,但受各自泉域补给径流途径影响,其他地层组地下水混合的程度不同,各常量离子组分略有小的差异。例如黑龙潭泉水的(C l-)为1 1.4 5 m g/L,是白龙潭泉水的1.7 2倍,这指示着黑龙潭泉水接受了更多来源的水补给。地下水中微量元素的富集与流经的地层有关。从水化学微量元素分析的结果来看,黑龙潭与白龙潭在(A l3+),(S r2+),(B a2+)等有较大区别。黑龙潭水(A l3+),(S r3+),(B a2+)均大于白龙潭。581h t t p s:/d z k j q b.c u g.e d u.c n 地质科技通报 2 0 2 3年 如图2所示,黑龙潭与白龙潭泉水(A l3+)分别为0.1 6 1 1,0.0 0 9 9 m g/L,黑龙潭泉水(A l3+)为白龙潭的1 6.3 3倍。由于灰岩的主要成分为碳酸钙,铝含量很少,灰岩地区地下水(A l3+)普遍较低。但本研究区内,二叠系倒石头组P1d富含泥岩、铝土岩、铝土质页岩,石炭系大统组C1d局部含有杂色铝土页岩与铝土矿(图1)。因此推断可能的原因是黑龙潭暗河系统渗流经过二叠系倒石头组P1d与石炭系大统组C1d隔水层,而白龙潭暗河系统则没有穿越这2个隔水层。表1 黑龙潭-白龙潭岩溶水系统主要水化学数据T a b l e 1 W a t e r c h e m i s t r y d a t a i n t h e H e i l o n g t a n-B a i l o n g t a n k a r s t w a t e r s y s t e m编号位置采样点地层宏量组分B/(m gL-1)微量组分B/(m gL-1)T D S N a+K+C a2+M g2+HC O-3C l-S O2-4A l3+S r2+B a2+1 8O/D/J 1 0J 1 1D 0 4J 0 1J 0 2J 0 4D 0 1S 0 3S 0 5S 0 6Q 0 3J 0 6D 0 2S 0 7Q 0 1J 0 8D 0 3补给区果林水库排泄区黑龙潭排泄区白龙潭排泄区头甸村水井P24 9.81 2.0 81 6.0 0 1.4 6 7.0 2 1.7 0 8.8 90.0 0 9 10.0 9 8 4 0.0 0 7 7-1 1.5 9-9 0.9 6一朵云村水井P2+P1q+m5 9.03.1 01 2.9 6 7.4 4 5.4 9 0.2 81 2.7 30.0 5 3 30.0 8 0 9 0.0 1 8 3-1 0.9 3-8 0.8 9宝象河水库1 0 2.63 7.2 52 6.8 01 2.0 01 2.8 1 2.9 43 5.2 10.0 0 0 0.1 5 0 8 0.0 2 5 2-8.1 2-6 6.1 1撒梅大道水井1l2 8 9.01 3.2 77 1.2 03 9.9 03 4.1 61 7.3 03 3.0 90.1 4 8 60.0 7 8 6 0.0 4 5 5-1 1.0 1-8 2.7 5白水塘市场水井1l2 8 9.01 5.9 07 4.8 83 7.1 33 9.0 41 6.2 42 9.6 30.0 0 0 0.0 8 2 5 0.0 5 7 8-1 0.7 9-8 1.5 1职业学院水井1l3 2 8.02 4.1 07 7.6 04 0.2 43 9.8 93 4.4 93 1.9 40.0 0 0 0.0 5 1 4 0.1 3 3 8-9.5 8-7 3.7 4果林水库1 6 7.22 2.0 42 8.0 01 8.8 61 3.9 13 0.4 24 7.8 90.0 3 0 20.1 6 2 0 0.1 1 8 2-6.9 5-5 7.4 56#支洞1l5 1 5.03 4.2 27 1.2 03 0.6 24 0.5 03 7.1 52 9.2 50.0 0 0 70.0 2 6 0 0.0 1 9 0-1 1.6 5-8 3.3 97#支洞D3z B2 7 5.02 7.5 16 2.8 04 2.7 74 6.0 5 0.2 86 4.7 30.0 0 0 0.0 6 1 6 0.0 4 5 1-1 0.9 9-8 0.8 78#支洞P21 3 0.31.1 22.4 8 2.3 8 5.4 9 1.5 23 9.2 40.3 1 0 90.1 6 8 0 0.0 0 1 1-1 2.1 0-9 2.1 8黑龙潭P1q+m2 9 8.11 5.5 17 0.2 41 0.5 52 5.6 21 1.4 52 3.1 00.1 6 1 10.1 2 9 7 0.0 3 7 3-1 1.1 2-8 3.0 9小新册社区水井表层Q2 0 7.48.0 33 5.8 42 2.2 12 0.3 7 0.8 23 0.0 20.0 0 3 90.2 8 1 5 0.3 6 8 8-1 1.7 9-9 1.7 0石龙坝水库1 8 2.13 9.1 73 1.2 01 0.2 11 4.3 43 3.4 32 9.6 30.0 1 2 90.1 1 4 8 0.0 2 1 3-7.4 3-5 8.5 69#支洞P1q+m1 7 5.93 4.2 06 1.7 61 3.3 22 3.9 1 4.7 17 3.4 40.0 6 7 30.0 7 8 0 0.0 0 8 1-1 1.1 0-8 4.1 2白龙潭P1q+m2 4 8.38.8 86 0.8 01 0.6 92 2.2 6 6.6 62 1.9 50.0 0 9 90.0 8 3 2 0.0 0 3 7-1 1.2 0-8 4.6 0刘家营村机井P1q+m2 3 1.11 8.0 14 0.3 21 2.6 81 8.3 01 5.3 51 5.9 90.0 0 0 0.3 4 9 5 0.0 1 4 5-1 0.8 4-8 2.6 4白龙潭水库2 1 1.68.0 64 9.7 6 9.2 31 8.9 1 7.3 71 2.9 20Kx xHx 2+Ky yHy 2-Kz zHz+=dHt(x,y,z)0,t0H(x,y,z,t)0=z(x,y,z)0,t0H(x,y,z,t)t=0=H0(x,y,z)(x,y,z)H(x,y,z,t)1=H1(x,y,z,t)(x,y,z)1,t0KnHn2=q(x,y,z,t)(x,y,z)2,t0 (1)式中:为模拟范围;H为含水层水头(m);Kx x,Ky y,Kz z分别为x,y,z方向上的渗透系数(m/d);s为单位储水系数(1/m);d为重力给水度;为源汇项(1/d);为降雨入渗补给强度(m/d);0 为潜水面边界;1为第一类边界;2为第一类边界;H0为含水层初始水位;H1为第一类边界已知水头函数;Kn为边界法线方向上的渗透系数(m/d);n为研究区边界外法线方向;q(x,y,z,t)为第二类边界单宽流量(m/d);q=0时表示隔水边界或零流量边界。模型边界主要为地表分水岭控制,设为隔水边界;西南部与西北部设为通量边界;东南部以松茂水库为界,设为定水头边界。根据研究区水文地质条件,将模型垂向上划分为1 0层,从上到下依次为:P2、P1q+m、P1d、C2w、C1d、D3z B、D2h、1l、P1q+m、P2。第9,1 0层为模型西南端岩溶含水地层和弱透水层,由于断层切割产生了地层重复,与东侧P1q+m和P2不连续。岩溶区暗河管道位置的刻画则按照分析结果,以三家村落水洞附近为两暗河的分叉点,分别沿浑水塘断层(F3)与P1d隔水层展布。在地层分区概化过程中,考虑的因素则主要有:岩性差异、地貌形态、地层分布和埋藏条件、岩溶发育特征,地质构造特征等。尤其是在岩溶发育地区,同一层的渗透系数变化剧烈,有时由于岩溶管道的发育,渗透系数差距可能达1 06倍,甚至更高。构建地质模型的数据源于地质剖面图与钻孔数据,建模过程借助F E F L OW软件完成(图6,7)。三维模型空间离散则使用T r i a n g l e算法对超级网格面进行三角形网格剖分,对模型中重点考虑的河流、隧洞主干线、断层、钻孔及泉点进行局部加密,得到模型平面剖分结点2 5 5 5 4个,单元网格5 0 5 5 9个,垂向划分1 0层。由于断层内地下水流881 第4期段天宇等:隧洞突涌水指示西南岩溶大泉成因关系及水环境效应分析图7 昆呈隧洞黑龙潭白龙潭段三维模型示意图F i g.7 S c h e m a t i c d i a g r a m o f t h e t h r e e-d i m e n s i o n a l m o d-e l o f t h e H e i l o n g t a n-B a i l o n g t a n s e c t i o n o f t h e K u n c h e n g T u n n e l动的特殊性,选择F E F L OW软件中的“F r a c t u r e”模块,对研究区内重点的断层依据其渗透性进行刻画(如图6,橘黄色线条);为了模拟隧洞的掘进过程,通过H y d r a u l i c-h e a d B C 将隧洞线概化为定水头边界,利用时间序列的方法模拟隧洞逐日开挖进度,并使用“GA P”功能来刻画隧洞边开挖边封堵的工况。图8 P1q+m含水层初始水位与水位观察孔分布图F i g.8 I n i t i a l g r o u n d w a t e r l e v e l i n t h e P1q+m a q u i f e r a n d d i s t r i b u t i o n o f w a t e r l e v e l o b s e r v a t i o n p o i n t s利用昆明市多年平均降雨量和隧洞区各种钻孔水位资料,输入模型各类初始参数,通过稳定流模拟运算,得到模拟区的初始流场(图8)。在此基础上,利用钻孔Z K 1与Z K 2的2 0 2 0年1 1月至2 0 2 1年1 2月地下水位逐日观测数据对模型进行识别验证(图9)。在识别验证过程中,隧洞掘进数据、隧洞涌水数据和研究区降雨数据均为日数据。由于研究区已有钻孔过少,为了更好地观测隧洞施工过程对整个岩溶水系统的水位影响,我们在模型补给区、径流区、排泄区设置了虚拟水位观察孔1#5#,如图8所示。在计算过程中,不断调整岩层渗透系数、储水系数、地表入渗系数、断层参数等模型参数,直至钻孔实测水位动态与模拟动态趋势基本一致。除了对钻孔水位动态数据进行拟合外,我们还对黑龙潭与白龙潭的泉流量动态监测数据进行了拟合(图1 0,1 1)。由图1 0,1 1可知,模拟泉流量在数值大小与变化趋势上基本与实际泉流量的变化一致。同时,在模拟期虚拟水位观测孔的水位变化和模拟区整体图9 模型识别时钻孔水位拟合情况图F i g.9 M e a s u r e d a n d c a l c u l a t e d v a l u e s o f g r o u n d w a-t e r l e v e l i n o b s e r v a t i o n h o l e s图1 0 白龙潭模拟泉流量与实际泉流量对比图F i g.1 0 S i m u l a t e d a n d m e a s u r e d s p r i n g f l o w s i n t h e B a i l o n g t a n s p r i n g981h t t p s:/d z k j q b.c u g.e d u.c n 地质科技通报 2 0 2 3年 图1 1 黑龙潭模拟泉流量与实际泉流量对比图F i g.1 1 S i m u l a t e d a n d m e a s u r e d s p r i n g f l o w s i n t h e H e i l o n g t a n s p r i n g的渗流场变化也基本符合本岩溶水系统的演化规律。此时,认为得到的“昆呈隧洞黑龙潭白龙潭段水流模型”完成了识别验证,可用于后续预测研究。3.2隧洞施工对区域水环境的影响分析“昆呈隧洞黑龙潭白龙潭段水流模型”构建完成后,对研究区2 0 2 1年3月1 5日2 0 2 2年3月1 2日的流网进行数值模拟研究。在模拟期内,昆呈隧洞9#支洞段全部在P1q+m灰岩地层内掘进。如图1 4所示,在隧洞影响之前,黑龙潭与白龙潭排泄区之间,沿着P1d隔水层存在一条较为明显的地下分水岭,这条分水岭也就是2个岩溶水系统的分界。随着隧洞 的掘进,形 成的降深漏 斗持续扩大,至2 0 2 2年3月1 2日,隧洞掘进对地下水的影响直径约达7 k m,最大降深幅度达2 0 m,但始终未影响黑龙潭作为研究区的最低自然排泄点,其附近水位几乎没有发生变化;反观白龙潭附近的水位在2 0 2 2年3月1 2日已经降至1 9 2 0 m以下,这也意味着白龙潭泉水的断流。为了更直观地展现模型中关键位置的水位变化,在模型中选取分别位于黑龙潭、白龙潭、三家村附近的1#、2#、3#水位观察点,其中白龙潭附近的2#观察点水位波动幅度最大,达到约3.5 m,而黑龙潭附近的1#观察点与三家村附近的3#观察点水位波动均在1 m以内,如图1 2所示。实际情况也与模拟 结果相符合。2 0 2 1年1 2月,9#支洞段工程队在施工时发现隧洞涌水量突然增大,而与此同时白龙潭泉流量快速减小,故立刻采取措施将涌水点封堵并停工。直至2 0 2 2年3月1 1日复工,施工队去除涌水点封堵后,白龙潭泉水又迅速枯竭。而黑龙潭的泉流量则相对稳定,未受到9#支洞段突涌水的影响。黑龙潭与白龙潭相距不到3.5 k m,但受隧洞掘进的影响却大相径庭。这一现象意味着黑龙潭与白龙潭在研究区下游,以9#支洞图1 2 昆呈隧洞黑龙潭白龙潭段模型1#、2#、3#观察点水位对比图F i g.1 2 G r o u n d w a t e r l e v e l s a t o b s e r v a t i o n p o i n t s 1#,2#,3#o f t h e m o d e l f o r t h e H e i l o n g t a n-B a i l o n g t a n S e c-t i o n o f t h e K u n c h e n g T u n n e l为圆心,半径3.5 k m的降深漏斗内的独立性非常好。9#支洞距离三家村落水洞位置约为4.5 k m,降深漏斗未影响至三家村落水洞。为了进一步研究隧洞掘进对白龙潭的影响,以及断流后白龙潭泉流量的恢复情况,延长模型的预测期至2 0 2 7年2月9日。根据隧洞掘进工程进度,预计“昆呈隧洞黑龙潭白龙潭段”将于2 0 2 4年6月初结束。预测结果表明,如在掘进时不采取超前预注浆等工 程措施,在 隧洞掘进接 近尾声时,即2 0 2 4年2月1 2日开始白龙潭泉流量开始复流,在复流后5 0 0 d左右泉流量恢复至6 0 L/s,之后一直维持在这一数值附近波动,未能恢复到隧洞掘进之前,如图1 3,1 4所示。图1 3 白龙潭模拟泉流量变化图F i g.1 3 V a r i a t i o n i n t h e s i m u l a t e d s p r i n g f l o w i n t h e B a i l o n g t a n s p r i n g091 第4期段天宇等:隧洞突涌水指示西南岩溶大泉成因关系及水环境效应分析图1 4 昆呈隧洞黑龙潭白龙潭段模型P1q+m含水层模拟水位图F i g.1 4 S i m u l a t e d g r o u n d w a t e r l e v e l o f t h e P1q+m a q u i f e r i n t h e H e i l o n g t a n-B a i l o n g t a n S e c t i o n o f t h e K u n c h e n g T u n n e l4 黑龙潭和白龙潭水文地质条件的认识 泉流量动态和水化学信息的研究结果表明:黑龙潭水样微量元素中(B a2+)、(A l3+)、(S r2+)等明显高于白龙潭,且两泉水样的钙镁比相近;9#支洞隧洞涌水与白龙潭泉流量呈现显著负相关,但与黑龙潭泉流量无明显关系;以及数值模型结果中,两泉排泄区域存在较为明显的地下分水岭。由此,我们认识到黑龙潭与白龙潭岩溶水系统是2个相对独立