基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究的淺層地下水人工回灌影響因素分析

何 曄，黃鑫磊，占光輝

（1. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072；2. 國土資源部地面沉降監(jiān)測(cè)與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072；3. 上海地面沉降控制工程技術(shù)研究中心，上海 200072）

基于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究的淺層地下水人工回灌影響因素分析

何 曄1,2,3，黃鑫磊1,2,3，占光輝1,2,3

（1. 上海市地質(zhì)調(diào)查研究院，上海 200072；2. 國土資源部地面沉降監(jiān)測(cè)與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200072；3. 上海地面沉降控制工程技術(shù)研究中心，上海 200072）

近年來上海工程性地面沉降引起的地面沉降漏斗嚴(yán)重影響了周邊地區(qū)生命線工程的建設(shè)及運(yùn)營安全，淺層地下水人工回灌技術(shù)在工程性地面沉降防治中的應(yīng)用已受到關(guān)注。通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，對(duì)淺層地下水人工回灌試驗(yàn)中影響回灌量的各因素，包括回灌井結(jié)構(gòu)、回灌井壓力以及回灌井使用時(shí)間等進(jìn)行了分析探討。

工程性地面沉降；沉降防治；淺層地下水；人工回灌；試驗(yàn)研究；影響因素

上海的區(qū)域地面沉降已得到較好控制，但沉降不均勻現(xiàn)象較為突出，在局部地區(qū)依然發(fā)育著多個(gè)由工程建設(shè)引起的沉降漏斗，漏斗中心沉降量普遍超過10mm[1～3]。如在虹橋、三林、陸家嘴等工程建設(shè)密集地區(qū)，都發(fā)育有明顯的沉降漏斗。上海對(duì)工程性地面沉降問題也高度重視，《上海市地面沉降“十二五”防治規(guī)劃》提出，減少差異地面沉降是上海市地面沉降防治的重點(diǎn)任務(wù)，2013年7月1日開始施行的《上海市地面沉降防治管理?xiàng)l例》進(jìn)一步明確了工程性地面沉降的防治管理[4]。

近年來的研究及實(shí)踐應(yīng)用證明，淺層地下水人工回灌技術(shù)是一種方法簡單、技術(shù)可行的有效手段[5,6]。而淺層含水層由于其土性以粉性土為主，顆粒較細(xì)，滲透性較差，因此相較于深層地下水回灌來說更加不利，回灌量較小。現(xiàn)有的研究普遍認(rèn)為淺層地下水人工回灌量較小主要是地層條件所限，尚缺乏對(duì)淺層地下水人工回灌量影響因素的系統(tǒng)研究分析，即如何在淺層地下水人工回灌實(shí)際應(yīng)用中最大限度增加回灌量從而提高工程性地面沉降控制效果。

本文結(jié)合淺層地下水人工回灌現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，著重針對(duì)影響回灌量的各因素進(jìn)行分析總結(jié)，探討淺層地下水人工回灌技術(shù)的應(yīng)用實(shí)效，為后續(xù)工程性地面沉降防治研究提供借鑒[7,8]。

1 淺層地下水人工回灌試驗(yàn)場(chǎng)概況

為研究分析淺層地下水人工回灌量各影響因素，選擇上海某在建工程深基坑旁建設(shè)了淺層地下水人工回灌試驗(yàn)場(chǎng)，共建設(shè)第一含水層地下水回灌井2口、地下水位觀測(cè)井3口、地面沉降水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)剖面2條（圖1）。

1.1 試驗(yàn)場(chǎng)地質(zhì)條件

根據(jù)試驗(yàn)場(chǎng)鉆探及工勘資料，第一含水層可分為兩個(gè)亞層，即⑦1層砂質(zhì)粉土和⑦2層粉砂，試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)⑦1層與⑦2層差異較大，使得整個(gè)含水層呈現(xiàn)典型的二元結(jié)構(gòu)。含水層上部即⑦1層為粉土，并夾有大量黏土，滲透性較差；而含水層下部即⑦2層為粉砂，富水性及滲透性都相對(duì)較好。淺層地下水人工回灌試驗(yàn)場(chǎng)地質(zhì)特征見表1。

圖1 試驗(yàn)場(chǎng)設(shè)施平面布置Fig.1 The facilities layout of land subsidence monitoring and groundwater recharge

表1 淺層地下水人工回灌試驗(yàn)場(chǎng)地質(zhì)特征Table 1 The geological features in experimental site for shallow aquifer groundwater artificial recharge

1.2 回灌井結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)場(chǎng)為正常沉積區(qū)，本次回灌試驗(yàn)的目的含水層為第一承壓含水層，分為⑦1、⑦2兩層，其中⑦1層埋深28.37～31.77m，層厚3.4m。試驗(yàn)場(chǎng)區(qū)內(nèi)共建設(shè)兩口第一承壓含水層回灌井H1和H2，其中H1井深44m，濾水管位置30～42m，濾水管長度12m；H2井深37m，濾水管位置30～36m，濾水管長度6m。擴(kuò)大孔徑是增加回灌量提升回灌效果的一種有效成井工藝[2,3]。此次試驗(yàn)，回灌井H1孔徑取為800mm，作為比對(duì)回灌井H2孔徑取650mm，回灌井結(jié)構(gòu)示意見圖2。

圖2 試驗(yàn)場(chǎng)地層及回灌井結(jié)構(gòu)示意Fig.2 The stratums and recharge wells structure in experimental site

2 淺層地下水人工回灌試驗(yàn)分析

本次試驗(yàn)場(chǎng)在基坑施工完畢后，針對(duì)第一承壓含水層先后進(jìn)行了三組自來水壓力回灌試驗(yàn)。第一組回灌試驗(yàn)于2013年6月24日14:20開始，對(duì)回灌井H2進(jìn)行單井回灌，于7月4日9:55結(jié)束；第二組回灌試驗(yàn)于2013年7月8日12:00開始，對(duì)兩口井同時(shí)回灌進(jìn)行群井試驗(yàn)，于7月18日12:00停止回灌井H2回灌，變?yōu)榛毓嗑瓾1單井回灌，8月14日10:30回灌試驗(yàn)結(jié)束；第三組回灌試驗(yàn)于2013年10月14日10:00開始，對(duì)回灌井H1進(jìn)行單井回灌，于10月29號(hào)11:15結(jié)束。

三次單井回灌試驗(yàn)期間回灌量和回灌壓力的變化情況如圖3所示。

劃痕實(shí)驗(yàn)及Transwell小室法結(jié)果顯示，與對(duì)照組比較，SCC-15細(xì)胞中過表達(dá)miR-219能降低SCC-15細(xì)胞的遷移及侵襲能力。然而，當(dāng)共轉(zhuǎn)染miR-219和PRKCI后，SCC-15細(xì)胞的遷移能力比單獨(dú)轉(zhuǎn)染miR-219的SCC-15細(xì)胞降低了50%以上(P<0.01)，SCC-15細(xì)胞的侵襲能力比單獨(dú)轉(zhuǎn)染miR-219的SCC-15細(xì)胞降低了50%以上(P<0.05)。說明由于PRKCI的過表達(dá)，逆轉(zhuǎn)了miR-219抑制腫瘤遷移及侵襲能力的作用(圖2E，圖2F)。

圖3 三組回灌試驗(yàn)回灌量與回灌壓力變化曲線Fig.3 The quantity and pressure of recharge well of three tests

2.1 回灌井結(jié)構(gòu)的影響

對(duì)比第一組單井回灌試驗(yàn)和第二組單井回灌試驗(yàn)，從圖3中可明顯看出第二組回灌量大于第一組。其中，第一組單井回灌試驗(yàn)于2013年6月24日14:20開始，對(duì)H2進(jìn)行自來水管網(wǎng)壓力回灌，于7月4日9:55結(jié)束，平均回灌流量為4.2m3/h，連續(xù)回灌約10天，累計(jì)回灌量1013.81m3；第二組單井回灌試驗(yàn)于2013年7月18日12:00開始，對(duì)H1進(jìn)行自來水管網(wǎng)壓力回灌，于8月14日10:30結(jié)束，平均回灌流量為5.5m3/h，連續(xù)回灌約27天，累計(jì)回灌量3533.34m3。

可知在其他條件相同的情況下，回灌井H1的回灌量明顯大于H2，是后者的1.3倍。這主要是由于兩口井結(jié)構(gòu)不同，H1井深44m，濾水管位置30～42m，濾水管長度12m，而H2井深37m，濾水管位置30～36m，濾水管長度6m，則一方面H1井濾水管長度大于H2，另一方面H1井深44m，插入⑦2層較深，而⑦2層為粉砂，富水性及滲透性都相對(duì)較好，且回灌井H1孔徑取為800mm，H2孔徑為650mm，故按此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)回灌井H1回灌量應(yīng)大于H2，而實(shí)際試驗(yàn)結(jié)果也確是如此，可知在相同地質(zhì)條件及現(xiàn)實(shí)情況允許下，回灌井深度越深其回灌量越大。

2.2 回灌壓力的影響

從圖3中可以看出，回灌井回灌量與回灌壓力負(fù)相關(guān)性明顯，隨著回灌持續(xù)時(shí)間增加，回灌壓力逐漸增大，回灌量逐漸減小。如果當(dāng)回灌壓力到達(dá)一定值時(shí)，仍繼續(xù)回灌則容易出現(xiàn)回灌井井口周圍地面滲水的情況，這時(shí)可以再采取井口周邊注漿加固等措施進(jìn)行減緩，但一般效果不明顯。

在回灌運(yùn)行過程中，需要保持對(duì)回灌壓力的持續(xù)觀察和記錄，當(dāng)回灌壓力明顯增大時(shí)，需要注意控制回灌水源的流量，適當(dāng)依據(jù)回灌壓力的變化相應(yīng)減小回灌流量，避免源頭水量過大造成回灌壓力增大而出現(xiàn)地面滲水情況。

這也是淺層地下水回灌和深層回灌的一個(gè)主要的不同之處，上海深層的地層一般砂粒顆粒較大，而淺層顆粒較小多為粉砂，滲水性差距較大，且淺層地下水位一般高于深層地下水位，故回灌時(shí)表現(xiàn)為回灌量小，回灌難度大，當(dāng)淺層地下水人工回灌到一定程度時(shí)，地下水位有一定抬升，需要繼續(xù)回灌時(shí)則易表現(xiàn)出回灌壓力增大，回灌量減小。這也是目前淺層地下水回灌的一個(gè)難點(diǎn)，在出現(xiàn)新技術(shù)之前，則需要對(duì)回灌壓力進(jìn)行持續(xù)觀測(cè)以便調(diào)節(jié)回灌源頭的水量，防止回灌壓力過大對(duì)回灌井造成損害。

2.3 回?fù)P的影響

當(dāng)回灌井回灌量較小時(shí)，可以對(duì)其進(jìn)行回?fù)P，一般來說回?fù)P后的凈回灌量（即回灌量-回?fù)P量）會(huì)大于回?fù)P前的凈回灌量，這可能與一般認(rèn)識(shí)有所不同，但回?fù)P能帶出濾水管上的一些附著物，雖然暫時(shí)抽出一些地下水，但在回?fù)P后能增加回灌量，總的來說凈回灌量有所增加，且回?fù)P帶出濾水管上的一些附著物能避免濾管堵塞，從而延長回灌井使用時(shí)間。因此在回灌井回灌運(yùn)行期間，設(shè)定適當(dāng)?shù)幕負(fù)P頻率和回?fù)P時(shí)間，對(duì)回灌井回灌效果是有幫助的。表2給出現(xiàn)場(chǎng)回灌試驗(yàn)的一些數(shù)據(jù)作為參考。

表2 回灌試驗(yàn)中回?fù)P前后回灌量對(duì)比Table 2 Quantity of water recharge before and after drawing water out of recharge wells

2.4 回灌井影響半徑的影響

從表3可知，距離回灌井越遠(yuǎn)，觀測(cè)井水位抬升越小，即受回灌井影響越小。故回灌井設(shè)計(jì)中需考慮回灌井的影響半徑，從而相應(yīng)把回灌井布置在需要保護(hù)的建筑物或構(gòu)筑物周圍，通過回灌井的布置形成水幕，從而減少甚至抵消降排水的影響，達(dá)到零水位降深與零沉降。

表3 回灌期間各觀測(cè)井水位抬升統(tǒng)計(jì)Table 3 Raising of groundwater level of observation wells for duration of experiment水位

2.5 回灌井使用時(shí)間的影響

比較圖3中的回灌量，可知圖中第三組H1單井回灌試驗(yàn)回灌量小于第二組H1單井回灌試驗(yàn)的H1回灌量。這表明隨著使用時(shí)間的增加，回灌井回灌量有所減小，也反映了反復(fù)抽灌對(duì)回灌井的回灌能力有影響。選取相對(duì)優(yōu)良的管材，提升回灌井質(zhì)量，可以相應(yīng)延長回灌井使用壽命。

3 結(jié)論和建議

本文通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究，針對(duì)目前在工程性地面沉降中應(yīng)用廣泛的淺層地下水人工回灌技術(shù)中影響回灌量各因素進(jìn)行了分析，希望從回灌井設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行等方面在現(xiàn)有技術(shù)條件下最大限度地提升回灌量，從而提高工程性地面沉降控制效果。

（1）在最初設(shè)計(jì)方面，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)環(huán)境及條件考慮回灌井的結(jié)構(gòu)及回灌井的布置，在現(xiàn)實(shí)允許的情況下，增加濾管長度，使需保護(hù)建筑物或構(gòu)筑物盡量在回灌井影響半徑之內(nèi)，另外盡量對(duì)管路進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化；

（2）在施工方面，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)各種材質(zhì)嚴(yán)格把關(guān)，施工過程嚴(yán)格把控，保證回灌井深度及孔徑等；

（3）在運(yùn)行期間，通過持續(xù)觀測(cè)回灌壓力及相應(yīng)的回?fù)P頻率，使回灌井盡量處于高效工作狀態(tài)，且需對(duì)回灌水源的水質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，必要時(shí)采取一定處理措施避免回灌井堵塞，從而延長回灌井使用時(shí)間。

從現(xiàn)有的成果上來看，目前在防治工程性地面沉降實(shí)際應(yīng)用方面已經(jīng)取得了一定的進(jìn)展。下一步還需在以下兩方面加以研究，從而更好地滿足實(shí)際工程的需要：把回灌井設(shè)計(jì)和工程隔水帷幕設(shè)計(jì)以及降水設(shè)計(jì)相結(jié)合，即一體化設(shè)計(jì)優(yōu)化，從而站在整個(gè)建設(shè)工程的高度上對(duì)全局把控，考慮多方面因素影響，從而得出最優(yōu)設(shè)計(jì)；發(fā)展新技術(shù)，突破地層條件對(duì)淺層地下水人工回灌的束縛。

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Analysis of factors influencing artificial recharge of a shallow groundwater table based on field and experimental studies

HE Ye1,2,3, HUANG Xin-Lei1,2,3, ZHAN Guang-Hui1,2,3
(1. Shanghai Institute of Geological Survey, Shanghai 200072, China; 2. Key Laboratory of Land Subsidence Monitoring and Prevention, Ministry of Land and Resources, Shanghai 200072, China; 3. Shanghai Engineering Research Center of Land Subsidence, Shanghai 200072, China)

In recent years, ground subsidence funnels caused by engineering-related subsidence have impacted the construction and operational safety of transportation corridors operating in areas surrounding Shanghai. At present, the technology of artificial recharge of shallow aquifers to control engineering-related subsidence has received attention. This study discusses the results of field and experimental studies of artificial shallow groundwater recharge, to explore the factors that influence the quantity of recharge water required in a particular situation, as well as the structure of the recharge well (depth, diameter, etc.), the operational pressure of the recharge well, the rate and duration of recharge, etc.

engineering-related subsidence; land subsidence control; shallow groundwater; artificial recharge; experimental studies; influencing factors

P642.26

A

2095-1329(2015)03-0075-03

10.3969/j.issn.2095-1329.2015.03.017

2015-07-01

2015-07-28

何曄(1987-),男,碩士,主要從事基坑降水與地面沉降防治研究.

電子郵箱: yqiqie@163.com

聯(lián)系電話: 021-56617046

國土資源部公益性行業(yè)科研專項(xiàng)(201311045);上海市科委科研項(xiàng)目(12231200700)