地下水补径排条件改变对地下构筑物安全影响分析_张丽红.pdf

DOI:10 19807/j cnki DXS 2023 03 027地下水补径排条件改变对地下构筑物安全影响分析张丽红1，2，魏月1，2，姜玉敏1，2，王国辉1，2，狄玉荣1，2(1 山东省地质矿产勘查开发局八一水文地质工程地质大队/山东省地矿工程勘察院，山东 济南 250014;2 山东省地下水环境保护与修复工程技术研究中心，山东 济南 250014)摘要随着城市地下空间开发程度的加深，伴随着基坑的开挖越来越深，城市的扩展不可避免地对地下水的补给、径流、排泄条件产生影响，而水文地质条件的改变又反过来影响制约人类的活动，甚至引发工程安全问题。该文以济南某建设项目为例，通过水文地质勘查、综合分析等手段，研究分析近年来该建设项目周边地下水补径排条件的改变对区域地下水位的影响，以及水文地质条件的变化对建设项目工程的制约。结果表明，由于地下工程开挖及大气降水等因素影响，地下构筑物的开挖阻断了唯一的排泄通道，该建设项目周边地下水渗流场发生变化，由此造成项目区周边地下水位大幅上升，并对地下构筑物产生了破坏。研究结果对周边类似建设项目的选址及地下空间的开挖具有一定的指导意义。关键词地下水;补径排;地下构筑物中图分类号P641 2文献标识码B文章编号1004 1184(2023)03 0081 02收稿日期2022 08 10作者简介张丽红(1986 )，女，山东济南人，工程师，主要从事水工环地质及地下水污染调查工作。0前言随着城市化的不断深入，城市地下空间的大力开发势必成为城市发展的必然趋势。地下空间的开挖改变地下水渗流场，并引发一系列水文地质问题以及一系列次生工程地质问题。地下水反复浸润岩层软弱结构面导致基坑边坡失稳;地下水位上升产生对结构的上浮托力，破坏地库底板等。随着工程项目的增加与各地不断涌现出的地下结构遭破坏的安全问题，工程建设者逐渐重视地下空间开挖对地下水渗流场的影响以及地下水补径排条件发生改变对工程结构造成的影响。地下构筑物建设完成后，局部形成了“挡水墙”，改变了原地质体的渗透性，使局部水文地质条件发生改变。因此，研究地下水补径排条件的改变对地下构筑物安全的影响分析对地下空间的开发建设具有重要意义1。只有调查清楚项目区水文地质条件，为地下工程的安全提供可靠的参数，才能更有效地开发和利用好地下空间，以便更好的服务城市建设。1地质背景1 1气象水文济南市地处暖温带半湿润大陆性季风型气候区，多年平均降水 648 0 mm，降水空间分布不均，总的分布趋势是由东南往西北递减2。据 2021 年统计资料(图 1):济南市多年平均降雨量为 678 36 mm，在 6 9 月集中降水，12 月至翌年3 月较小，降雨量的大小直接影响到地下水的补给量。从气象资料分析，最大降水出现在 1962 年 1 194 mm，最小降水出现在 1989 年 340 mm，一年之中降水主要集中在七、八、九月份，多以暴雨形式降落，三个月的降雨量约占全年降雨量的70%。2021 年降雨量高达 1 089 6 mm，这是自 1959 年以来降雨量第四次超过 1 000 mm 的年份。图 1济南市 1959 2021 年降雨量直方图研究区东侧紧邻汉峪大沟，地势较低，底板标高约 88 m，河道宽度近 20 m、深度 6 8 m，此河道用于汛期城市泄洪和市政管网排水，根据调查，汉峪大沟是济南东部韩仓河的小分支，往年河道内水隐伏于地板之下，2021 年因降水之多河道内出现地表径流，向北 11 km 处汇入小清河。1 2工程地质研究区位于趵突泉泉域东部边缘，属于济南市趵突泉泉域间接接补给区，东侧紧邻东坞断裂带，该断裂为趵突泉泉域与白泉泉域的分界线，是一条相对阻水断层，是区域地下水流动的重要控制因素之一。研究区出露地层由老至新依次为古生界寒武系、奥陶系与第四系，结合本次钻探及历史资料成果，研究区地层自下而上为奥陶系马家沟群五阳山组、土峪组、北庵庄组、东黄山组，其中本次钻探揭露的地层为北庵庄组，且未穿过该完整地层，岩性以第四系粉质黏土、奥陶系北庵庄组质纯灰岩、泥质灰岩。1 3水文地质1 3 1地下水类型182023 年 5 月第 45 卷第 3 期地下水Ground waterMay，2023Vol.45NO.3研究区下伏马家沟群北庵庄组(O2b)灰岩，地下水类型为碳酸盐岩类裂隙岩溶水。该层含水层裂隙岩溶发育，地下水主要赋存在碎石层、溶蚀裂隙和溶洞内，富水性好。水位年变幅约 30 40 m，单井出水量 500 m3/d 左右。1 3 2地下水补径排条件研究区的岩溶发育层不连续、厚度不均匀，岩溶发育厚度在 7 35 m，在勘察深度 200 m 以内，整体岩溶比较发育，富水性较好。经分析，研究区内马家沟群北庵庄组岩溶较发育，厚度大于 186 m，为研究区内岩溶含水层的主要赋存层位。(1)补给条件:动态观测资料表明，岩溶水水位的变化与降水关系密切，研究区南部大面积出露北庵庄组灰岩，直接接受大气降水补给。(2)径流特征:研究区马家沟群北庵庄组总体上为北倾单斜构造，岩溶水的运动方向和地形及岩层的倾斜方向大体一致。在接受上述形式的补给后沿岩溶通道运动，局部受地形、构造等条件作用下运动方向略有改变，总体径流方向为由南向北径流。研究区内勘察期间(2021 年 12 月)研究区的水位标高在 76 88 m，地下水总体流向为东南向西北径流。(3)排泄条件:研究区范围内无地下水开采情况，所有的园林、生活用水均来自管网统一调配。一方面，区域资料表明，北庵庄组灰岩岩溶发育程度普遍较高，是该地区重要的含水层。自研究区至济南岩体一线地层出露较研究区碎石层及岩溶发育地段为稳定，北庵庄组地层稳定的发育为中 浅层岩溶地下水向北运移提供了良好的径流通道。所以，水平径流及潜流排泄是本区岩溶水的最重要排泄方式。此外，研究区内部分地下构筑物的涌水也是特定条件下，岩溶水的排泄途径。2地下水补径排条件改变对地下构筑物安全影响分析2021 年济南地区降水偏多，进入汛期以来研究区附近多处地下车库出现涌水现象，积水严重，存在影响地下构筑物功能性和安全性的隐患。2 1地下水补给条件的改变2 1 1大气降水地下水的补给来源有大气降水、地表水、凝结水、来自其他含水层或含水系统的水等，从水文循环角度来看大气降水是地下水最主要的补给源。根据济南岩溶水的动态特征、氢氧同位素等证实岩溶水的补给来源是大气降水3。2021 年 6 月 10 月上旬为本年汛期时间段，较往年持续时间长，大气降雨处于历史较高水平，7 月 14 日区域降雨强度逼近历史极限值。此外，2021 年汛期短时强降是近十年来降水次数最多、强度偏大的一年。济南地区 6 月份多为枯水期，2021 年 6 月份大气降水相比往年偏多，使得岩溶地下水在进入丰水期(7 10 月)之前得到良好地补给。济南市2021 年 累 计 降 雨 量 达 1 089 6 mm，为 多 年 年 均 降 雨 量678 36 mm 的 1 54 倍。2021 年超常降雨导致岩溶地下水位大幅上升，雨季来临之时岩溶地下水得到了良好地补给，这是导致是地下构筑物底板涌水的主要因素。根据区域资料显示，区域岩溶地下水位呈现持续快速抬升趋势，趵突泉 10 月 27 日水位上升至历史新高 30 18 m，变幅较大。综合分析，2021 年是一个降水极多年份。2 1 2地下构筑物改变地下水运移条件随着研究区及附近建设范围不断外扩，研究区一带的地下空间结构发生了显著变化，工程地质活动主要集中在 60 m以浅范围内:密集的地下构筑物减小了第四系孔隙含水层和浅层风化带灰岩的储水空间，同时削弱了浅层含水层的渗透能力。沿地块周边道路地下基础构筑物等均为隔水基础，这些地下构筑物以在含水层中充当永久性的“挡水墙(体)”，在减少浅层岩溶水储水空间的同时，很大程度上阻塞了岩溶水的径流通道。2 1 3保泉政策的实施根据历年观测资料，泉水位的升高与降雨量的关系比较明显，在丰水期 7 9 月份水位上升，在枯水期 3 6 月份水位下降，泉水位受大气降水的影响比较显著，泉水位变化具有典型的季节性4。人为工程活动改变泉水的天然动态特征，并且地下水位动态存在年内季节变化、年际周期性变化及随机波动等一定的规律性。自 2001 年起，济南市作出了封井保泉的重大举措，先后组织开展了三轮封井保泉攻坚战5。为了保障泉水的持续喷涌，缓解日益突出的水资源供需矛盾，济南市在启动引黄供水工程的同时充分利用南水北调东线的水源，将外调水与当地地表水相结合，在泉域岩溶水的直接补给区开展回灌补源工程6。历年的保泉实践，逐步摸索出一套保持泉水持续喷涌行之有效的措施办法，其中最核心的是坚持了“增雨、置采、补源、控流、节水”的十字方针。自 2003 年以来，为了保障济南泉水的持续喷涌，济南市城乡水务局陆续发文关停部分城区水厂和部分自备井，水厂和自备井的关停直接导致当下水开采量的减少，进而使得区域地下水位整体上升，当遇到丰水年份，区域地下水位会居高不下。2 2地下构筑物结构破坏的成因分析2 2 1研究区特殊的水文地质条件研究区四面环山，地势低洼，周围的地下水均向此区域汇集，形成地下水的汇水区，这种地形因素为地库底板涌水提供了动力条件。并且，研究区下伏奥陶系马家沟群北庵庄组灰岩地层，岩溶普遍较发育，为地下水提供赋存空间，且重点研究区位于趵突泉泉域东缘，东侧紧邻隔水断层东坞断裂，地下水易受断裂阻挡而富集。研究区南部大面积裸露奥陶系灰岩，为泉水(地下水)直接补给区，为岩溶水的快速补给提供了条件。研究区东侧紧邻汉峪大沟，往年汉峪大沟近乎干涸，而 2021 年丰水期大沟内出现地表径流，地表水的水位标高为 90 m，高于地块内岩溶地下水的水位(85 m)，而且通过地库内的工勘资料发现，浅部地层较为破碎，而且岩溶较发育，这就为地表水和地下水发生水力联系提供条件，也会成为补给研究区岩溶地下水的重要来源之一。2 2 2研究区人类工程建设活动研究区工程建设活动改变了局部的工程地质条件，该区域基础开挖深度 15 20 m，剥离了大部分的第四系粉质黏土(含杂填土)、全风化灰灰岩、部分强风化灰岩和部分碎石层等，致使建筑基础直接接触强风化 中风化(下转第 104 页)28第 45 卷第 3 期地下水2023 年 5 月均值达到 86 7%，相比 BSF1 系统提高了 40 2%，增幅较为显著。分析认为，(1)由于火山岩砂、生物炭和海绵铁的加入，增强了对磷的吸附和截留能力，同时，海绵铁的溶出物可与磷反应生成沉淀物而去除，通过这些物理的或化学的作用而使 TP 去除效率得以提高;(2)除磷微生物有了更好的附着载体，对磷的生物去除贡献也有所增强，综合促进了 TP 污染物在 BSF2 系统内的净化，可有效降低水体富营养化的风险。2 4叶绿素 a 去除效果BSF 系统对富营养化水体中叶绿素 a 的去除状况见图 5。由图 5 可知，BSF2 系统拥有更高的叶绿素 a 去除效果，出水叶绿素 a 浓度范围仅为 1 1 8 2 g/L，平均叶绿素 a 去除率达到了 96 3%，相比 BSF1 系统提高了 13 1%。叶绿素 a是湖泊内各种藻类的主要光合色素，当其含量在 10 g/L 以上时表明湖水已有富营养化趋向，其值越大，说明富营养化程度越高，而去除叶绿素 a 也成为了富营养化水体终端治理的重要环节。BSF2 系统对叶绿素 a 的高效去除，表明了其对富营养化湖水具有良好的生态修复效果。3结语针对小型人工湖水体富营养化问题，采用 BSF 系统对其进行生态修复，探究了改良前后 BSF 系统对富营养化水体中主要污染物的去除性能，得到如下结论:(1)改良 BSF 系统通过 39 d 运行后可实现快速启动，总启动时间较未改良前缩短了 16 d，COD 去除率均值达 到94 6%，相比未改良前提高了 18 9%。(2)从 NH4+N、TN 去除效果来看，改良 BSF 系统对它们的平均去除率分别达到 93 5%、85 4%，较未改良 BSF 系统分别提高了 32 1%、49 5%，表现出更强的脱氮性能。(3)改良 BSF 系统同时对富营养湖