广东省潼湖生态智慧区地下水...空间开发利用的相互影响关系_李苗苗.pdf

广东省潼湖生态智慧区地下水与地下空间开发利用的相互影响关系李苗苗(广东省地质局第七地质大队 广东 惠州 5 1 6 0 0 8)作者简介李苗苗,女,本科,工程师,主要从事水工环地质工作。摘 要 地下水、古河道等是影响城市浅层地下空间开发安全的主要方面,同时地下空间的开发对地下水产生一定的影响,引起相应的环境效应。惠州市潼湖生态智慧区是国家生态文明建设示范区,是惠州地下空间开发的重要区域,随着城市地下空间开发的不断深化,查清区内影响城市发展及地下空间开发利用的地下水和古河道,同时做好相应预防措施,减少因地下空间开发利用对地下水及环境产生的影响尤为重要。本文详细阐述了潼湖生态智慧区内地下水开发利用引发的环境效应,地下水对地下空间开发利用影响以及地下空间开发利用可能引发的环境效应,为城市规划及地下空间开发、地下水及环境保护提供数据和技术支撑。关键词 潼湖生态智慧区;地下水;地下空间 潼湖生态智慧区位于惠州市西部,属广东省珠三角地带,所涉及的行政区包括潼湖、沥林、潼侨和陈江街道的部分区域。惠州市作为国家中等城市地下空间开发利用示范城市,选取潼湖生态智慧区作为试点工作区,区内有着重要的淡水湿地资源,将打造成为国家生态文明建设示范区。自上世纪8 0年代以来,区内开展了多项地质调查工作,包括基础地质、水文地质、工程地质及环境地质工作,基本查明了区内地质条件特征及地下水的赋存条件、分布规律,但就地下空间开发利用对区内地质条件影响尤其是与地下水的相互影响关系未进行分析研究。结合以上情况,本文主要根据潼湖生态智慧区水文地质特征及规律,阐述地下空间开发利用对地下水的影响及引发的环境效应,地下水对地下空间开发利用的影响。1.区域地质背景潼湖生态智慧区在区域上位于莲花山深断裂以西的东江断块内,断块内次级断块发育。区内出露地层(图1)有三叠系小坪组(Tx),岩性为砂砾岩、砂岩,紫红色,倾向南南东,倾角2 0 2 5,分布于北部;侏罗系桥源组(Jq y)、塘厦组(Jt)、漳平组(J2h)和南山村组(Jk n),为北东东南西西向延伸的向斜的组成部分,地层倾角1 5 4 3,其中桥源组、塘厦组和漳平组为河湖相紫色为主的碎屑岩,南山村组为火山喷出岩或次火山岩;白垩系浈水组(Kz h),岩性为厚层巨厚层状碎屑岩,局部呈条带状、透镜体,主要在东部出露;白垩系第三系丹霞组(K2E1d)岩性为紫红色中厚层巨厚层状碎屑岩,分布在东北部;第四系(Q)主要为河湖相沉积物,由黏土或粉质黏土、含有机质粉质黏土、砂性土、含卵石或角砾粉质黏土等组成,广泛分布于潼湖湿地及入湿地河流两岸。侵入岩岩性主要为花岗岩,侵入时代为白垩纪侏罗纪,分布于西北部及东南部丘陵区。生态区范围内地表水系主要有东江及支流石马河、潼湖和水库等。石马河是东江的一级支流,自南向北流经潼湖围的西边,于桥头镇的建塘处注入东江。潼湖流域内有三和、陈江、马过渡、梧村、甲子、埔仔等支流汇入潼湖干流,经谢岗涌排入石马河,由东岸涌注入东江,水面约7.0k m2,水深12.5 m。水库主要作为饮用水水源地,包括观洞水库、梧村水库及黄沙水库等。地下水类型主要为松散岩类孔隙水、基岩裂隙水两大类,其中基岩裂隙水分为碎屑岩裂隙水、火成岩类裂隙水二个亚类。松散岩类孔隙水水量贫乏中等;碎屑岩类裂隙水总体水量不大,局部受断裂影响水量较大;火成岩类裂隙水水量贫乏。图1 潼湖生态智慧区及邻区区域地质简图11第四系沉积物;2白垩系-第三系沉积;3晚侏罗-早白垩纪南山村组;4漳平组;5塘厦组;6桥源组;7三叠系地层;8泥盆系;9白垩纪侵位的花岗岩;1 0侏罗纪侵位花岗岩;1 1逆冲断裂/正断裂830DOI:10.16631/15-1331/p.2022.06.0072.地下水开发利用已引发的环境效应2.1区内基岩岩性主要为侏罗系河湖相碎屑沉积泥质粉砂岩、粉砂岩、泥岩及北部出露的三叠系小坪组砂砾岩、砂岩等,为碎屑岩建造;未见灰岩类可溶性岩石分布,不存在岩溶塌陷问题。地下水环境状况受早期人类活动出现湿地面积萎缩退化和局部地下水受到污染外,其他工程地质环境灾害效应不突出,区内地质灾害弱发育。2.2区内地下水资源分布不均,中部湿地范围推测古河道地下水较丰富,湿地周边丘陵山地地下水较贫乏,目前无大量抽取地下水资源。民井取水呈分散式开采,开采量较少,现状未见由地下水开发引起的问题。2.3区内共存在1 1个建筑用石采石场,主要采用露天式开挖,多数形成负地形凹陷,由于开挖至地下水位线之下,矿山范围内的地下水主要从采坑四周向采坑低洼处径流,人为改变地下水自然径流流向,造成采坑低洼处形成积水,矿山开采需要抽水设备进行抽排水排泄,排水量一般2 0 02 0 0 0 m3/d。已停采的采场由于未进行抽排水,形成矿湖。3.地下水对地下空间开发利用的影响新区规划重要建设项目主要位于湿地南、北两侧冲积平原和丘陵坡地地带范围,目前地下空间开发主要为高层建筑地下室、地下箱涵/管涵及下沉式道路通道等,地下开发利用深度不大,地下水的影响主要以松散层孔隙水为主,含水层主要为粉质粘土,水量贫乏,随着开挖深度增加,含水层主要为基岩,地下水类型为基岩裂隙水,水量贫乏,对施工渗水、积流易于抽排疏干,对地下空间工程施工影响较少。规划的科教园位于潼湖断裂带附近,断裂造成岩石破碎,施工及营运过程中需防御软弱结构面的影响。规划的大数据产业园含水层主要为古河道中的粉性土及砂土,含水量中等,对施工及营运造成了一定程度的影响。除此之外,地下水对地下空间开发利用的影响主要表现在以下方面:3.1可能引发地面沉降地下工程施工中为保证开挖面的稳定,往往需要采用人工降水措施。大面积的人工降水将导致局部形成地下水的“漏斗式”下降,使地下水的动力场和化学场发生变化。加速上部松散土体和软弱土的固结及不均匀沉降,由此可能引起地面沉降、地面开裂或建筑物变形损坏。3.2水头压力的影响中浅层地下空间开发主要受第四系松散孔隙水影响较大,区内第四系松散孔隙水水位埋深0.3 57.4 1 m,地下水位变化幅度约1.0 02.2 0 m,含水层厚度1.3 21 3.3 m,底部埋深1.9 41 5.0 2 m。由于区内含水层水头有一定的高度,在大深度的竖井(基坑)开挖以及隧道掘进过程中,坑底及隧道底部将承受水头压力作用,当坑底所受承压水水头压力大于上覆土层的压力时,基坑有产生突涌的可能,严重时可能引发地面沉降,地裂缝等次生灾害。3.3水质的影响根据收集区内水样测试结果(表1),区内地下水对混凝土结构多具微腐蚀性,对钢筋混凝土结构中钢筋具微腐蚀性。因地下水介质局部受污染水质恶化和化学组分变化影响,具体建筑物工程施工尚需再进一步采取水样测试分析评价其腐蚀性的影响。表1地下水腐蚀性综合评价表腐蚀介质单位水质化验结果评价界限标准值环境类型/渗透性评价结果备 注S O42-m g/L0.6 11 9.3 53 0 0类微腐蚀M g2+m g/L0.2 72.4 25.0B类微腐蚀HC O3-mm o l/L1.0 0 82.5 5 91.0A类微腐蚀总矿化度m g/L6 1.2 22 8 3.7 52 0 0 0 0类微腐蚀对混凝土结构的腐蚀性评价C l-m g/L4.56 5.4 81 0 0干湿交替微腐蚀对钢筋混凝土结构中钢筋的腐蚀性评价 3.4地下水补径排条件的影响区内地下水补给来源主要有:大气降水渗入补给、侧向径流补给、农田灌溉入渗补给、山塘水库渗漏补给、河流及湿地补给;总体径流由南北两侧往湖盆方向,汇集于中部,由东往西向东江排泄。区内分布一条近东西向展布的古河道,由于古河道内含水层渗透性强,水量丰富,地下工程基坑/基槽开挖、沉井施工、隧道掘进开挖过程中,可能产生流砂、管涌、突水、突泥现象,易导致基坑侧壁边坡失稳、塌方等工程安全事故,甚至可能引发地面塌陷等地质灾害。区内规划的地铁2号线,位于潼湖开发区东侧,见图2,直接改变地下水径流方向,由原来的单一向930 水文地质、环境地质、工程地质湖盆中心径流变为向两侧径流,且南北向的路段横穿地下水径流区断面,水流场的改变间接引起水力场的改变,地下工程特别是连续性切断地下水径流断面的地下工程,引发的水力场改变可能引起地下工程本身的变形破坏和线状工程周边地下工程甚至地表产生的变形破坏,包含上浮和隆起以及地下工程下伏地层失去地下水补给后,岩土体孔隙缺少了地下水的支持引发地面沉降。由于地下水迳流的改变,站点建筑物存在地下水径流通过,故在结构运营过程中需做好止水,若建筑物存在裂缝会发生地下水渗流,甚至有垮塌的危险。图2 地铁2号线规划示意图1仲恺高铁站;22号线;3潼湖生态智慧区范围3.5地下水对地下工程的浮力作用地下空间开发地下停车场、高层建筑地下室、地下箱涵和地下管廊等建(构)筑物基底面位于地下水位以下,受到垂直于表面的静水压力所产生的浮力作用,受地下水垂向/侧向补给、径流和排泄及地层渗透速率差异等因素影响,地下水位大幅升高而上部结构自重或附加荷载小于地下水浮力时,地下结构可能在巨大的浮托力作用下,发生起拱、穿底、上浮、位移变形或剪切破坏损毁现象。因此,地下空间开发利用应合理确定地下水抗浮水位及抗浮计算。3.6施工中地下水的渗透破坏土体在渗透力作用下其颗粒发生移动,或颗粒成分及骨架结构发生改变的现象称为渗透破坏,渗透破坏有管涌和流土(砂)两种形式,流砂一般是指在向上的渗透力作用下,土颗粒间的有效应力减小为零,颗粒群发生悬浮、移动的现象,多发生在颗粒级配均匀的饱和粉砂、细砂及粉土层中。管涌一般是指在渗透水流作用下,土中的细颗粒在粗颗粒形成的孔隙中移动,以致流失,随着土的孔隙不断增大,渗流速度不断增大,较粗的颗粒也逐渐被水流带走,最终导致土体内形成贯通的渗流通道,造成土体塌陷的现象,管 涌破 坏 是 一 个 渐 进 破 坏 的 过程,渗透破坏的发生 与渗 透 力 大 小 及 土 的 颗 粒 级配、密实度、渗透性等条件有关。3.7地下水对软弱结构面的软化地下管涵、下沉式道路等浅层工程建构筑物的基底多位于第四系土层中,一般在地下水位之下,受地下水渗透湿润或浸泡后地基持力层可变软化,强度降低。饱和粉细砂层、粉土层地基的地基承载力一般较低,不满足设计要求时需要进行地基加固处理。而高层建筑物地下室及桩基础埋深较大,可至风化岩层。区内岩性主要为碎屑建造泥质砂岩、粉砂岩及泥岩,其风化残积土层及全强风化岩层均有遇水浸泡后易于软化、甚至崩解的特性,地基强度并随之降低。地下水对基础持力层的强度影响严重时可能产生质量问题。4.地下空间资源开发利用可能引发的环境效应4.1地下空间施工对地下水的污染影响地下空间工程施工开挖时会将含水层上部的黏性土形成的相对隔水层破坏,使得地表水与地下水形成通道,引起地下水中某些物理化学组分和微生物含量发生变化,可能导致地下水的污染,水质恶化。4.2地下空间开发对地下水位的影响区内现分布有大量鱼塘水体,也是地下水充足补给源的组成部分。地下工程施工进行地表水抽排疏干及大量填埋鱼塘,水草植被破坏致蓄水能力变差,使地下水的补给源相应减少,枯水期地下水位深度变深,年度水位变化幅度加大。4.3地下空间开发可能引起砂土的渗流液化(流砂)问题绝大部分基坑开挖均需降水,使坑外地下水位高于坑内,围护墙后侧地下水向下渗流,绕过墙趾后地下水将向上渗流,在地基土中产生自下向上的渗透力。当水头差增大而使水力梯度达到临危梯度时,就会出现流砂现象。当土中渗流的水力梯度小于临界水力梯度时,容易产生“机械潜蚀”或“管涌”。当大面积土体流失,将引发大面积的地基变形和地面塌陷。4.4可能引发一些地质灾害问题地下空间开挖施工大片区堆填新填土,地下工程明挖施工形成深基坑边坡及大量抽排地下水时可加速上部松散土体和软弱土的固结及不均匀沉降,引发地下水位升降幅度加大,地质环境条件改变,可能诱发地面沉降、开裂、边坡崩塌等地质灾害发生的环境效应。(下转0 4 3页)040图3 硇洲岛不同层位地下水等水位线图水,部分耗于开采,其余部分通过向上越流的方式最终入海。中、深层承压水接受补给后主要表现在水头压力的增加,成为弹性储存。在水平方向上,由水头