北京市雨水排蓄地下廊道建設(shè)地質(zhì)適宜性研究

喬　玲

(北京市水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊，北京 100195)

北京市水資源緊缺，供需矛盾突出。降水時空分布不均，雨水利用率不高。2012年“7.21”和2016年“7.20”兩次強降雨，引發(fā)嚴重內(nèi)澇，導(dǎo)致全城癱瘓，造成巨大經(jīng)濟損失，嚴重威脅城市安全。同時，雨污合流已成為北京市地區(qū)水環(huán)境污染日益嚴重的主要原因之一[1]。

為進一步提高中心城防洪排澇能力，北京市將啟動規(guī)劃建設(shè)西部、東部排蓄廊道工程，預(yù)計廊道總長約100 km，蓄滯能力達到800萬m3，地下水廊道將實現(xiàn)雨水從地下排出，有效避免城市內(nèi)澇[2]。規(guī)劃雨水廊道對于改善城市內(nèi)澇、加強雨水利用和改善水環(huán)境具有十分重要的意義。而建設(shè)雨水綜合廊道，則要在綜合考慮地質(zhì)、水文地質(zhì)條件、地質(zhì)環(huán)境等問題基礎(chǔ)上開展。本文以保證首都防洪安全為前提，在北京市中心城區(qū)范圍內(nèi)，從區(qū)域穩(wěn)定性、巖土體穩(wěn)定性、地下水影響等方面分析了影響雨水管廊建設(shè)的地質(zhì)因素，構(gòu)建了雨水綜合廊道建設(shè)適宜性評價指標體系，確定了雨水綜合廊道建設(shè)的適宜深度，劃分出雨水調(diào)蓄綜合廊道建設(shè)適宜性分區(qū)。

1　研究區(qū)概況

北京市平原區(qū)是由永定河、潮白河、溫榆河、薊運河、大石河等河流相互作用疊置塑造而成的山前緩傾斜沖洪積原，地勢西北高，東南低。北京市中心城區(qū)主要位于永定河沖洪積扇上(見圖1)，第四紀厚度自山前不足10 m到東南部逐漸增厚，最厚處達600 m，含水層也由山前單一的砂卵礫石層逐漸過渡到礫砂、砂質(zhì)黏土互層的多層結(jié)構(gòu)[3]。北京市中心城地面沉降主要發(fā)生在永定河沖洪積扇和潮白河沖積扇交接地帶黏性土層沉積厚度較大的地區(qū)。

圖1　研究區(qū)位置圖

北京市中心城區(qū)地下水總體徑流方向由西北向東南流，局部受地下水開采或工程降水的影響，地下水流場相應(yīng)變化。潛水在各大河流沖積扇頂部一般埋深都較大，永定河沖洪積扇頂部地區(qū)達到40 m；沖洪積扇中下部及各沖積平原區(qū)，地下潛水水位埋深一般10～25 m。承壓水在開采的條件下，改變了其自然流場，尤其是東郊來廣營以東、王四營以南等地形成降落漏斗，承壓水頭埋深25～50 m。

2　地下廊道建設(shè)地質(zhì)適宜性分析

2.1　評價指標確定

影響北京市平原區(qū)地下空間開發(fā)的地質(zhì)因素主要包括區(qū)域穩(wěn)定性、圍巖穩(wěn)定性、不良地質(zhì)作用和地下水等因素。

(1)區(qū)域穩(wěn)定性。地下空間使用期限內(nèi)的工程場地應(yīng)無地殼差異性升降，無活動性斷裂和強烈地震影響而產(chǎn)生開裂、沉降或破壞，或由于振動引起地下水運動狀態(tài)的改變以及發(fā)生砂土液化等。若遇活動性斷裂，大型的工業(yè)場地或地下線性工程必須避讓[4-7]。

(2)圍巖穩(wěn)定性。地下空間是在巖土體中開拓出來的，因此地下巖土體穩(wěn)定性問題是地下空間開發(fā)中普遍存在的工程地質(zhì)問題[8]。巖土體的種類和空間分布對其地下空間開發(fā)利用的適宜性影響較大。巖土體結(jié)構(gòu)單一，巖性為砂土、碎石土的容易滿足巖土體穩(wěn)定性要求，為地下工程適宜區(qū)。飽和黏性土、非飽和黏性土巖土體穩(wěn)定性較差，為工程建設(shè)適宜性較差區(qū)。

(3)不良地質(zhì)作用。不良地質(zhì)作用主要包括巖溶塌陷、砂土液化、地面沉降及地裂縫等。在巖溶區(qū)存在坍塌滑動的潛在危險，為地下工程建設(shè)不適宜區(qū)。飽和砂土發(fā)生液化后失去抗剪能力，巖土體自穩(wěn)能力喪失，地下空間圍巖穩(wěn)定性降低，為地下工程建設(shè)不適宜區(qū)。地裂縫是地表巖土體在自然因素或人為因素作用下，產(chǎn)生開裂并在地面形成一定長度和寬度的現(xiàn)象，地裂縫能導(dǎo)致地下工程圍護結(jié)構(gòu)開裂，地基失穩(wěn)，應(yīng)以避讓。

(4)地下水影響。地下水對巖土體工程性質(zhì)有很大影響，地下水引發(fā)的工程地質(zhì)問題是城市地下空間普遍存在的重大問題。地下水易軟化巖石，浸潤巖體結(jié)構(gòu)面，且常將泥質(zhì)物帶入結(jié)構(gòu)面，將結(jié)構(gòu)面變成軟弱結(jié)構(gòu)面，從而大大削弱巖體強度；地下水還能產(chǎn)生動水壓力和靜水壓力，促使巖土體的變形失穩(wěn)與破壞，在地下水位高的區(qū)域開發(fā)地下空間，必須考慮抗浮問題。

同時，地下工程的修建對地下水也有一定的影響。參考地鐵工程對地下水流場的影響分析，地鐵與地下水流場正交，減少了地下水過水?dāng)嗝娴拿娣e，從而使第四系全新統(tǒng)承壓含水層地下水水位產(chǎn)生一定程度的壅高。地鐵走向與水流方向正交，建設(shè)初期短時內(nèi)對水位有壅高的影響，建成后影響逐漸減小[9]。走向與地下水流向基本一致，對地下水的阻隔作用不甚顯著，地下水流場所受到的影響較小[10-13]。

2.2　地下廊道建設(shè)適宜區(qū)劃分

2.2.1適宜深度確定

地下空間的開發(fā)利用深度一般分為四層，地表至地下10 m為淺層開發(fā)，地下10～30 m為次淺層開發(fā)，地下30～50 m為次深層開發(fā)，地下50 m以下為深層開發(fā)。目前，北京地區(qū)1～6層不帶地下室工程建筑，基礎(chǔ)埋深一般不超過3 m。帶1～2層地下室的6層以上多層建筑和高層建筑物，基礎(chǔ)的埋深一般在6 m左右。地下照明、通訊、電力及燃氣、上水、污水管線等，主要沿道路和人行便道鋪設(shè)，埋設(shè)深度2～6 m。地鐵工程深度一般是20 m，局部達到30 m。

卵礫石地層壓縮性較低，地基土的承載力很高，是良好的地基持力層。據(jù)研究，中心城西部和西南部地區(qū)第一層卵石層埋深小于10 m，中心城北部、東北部、東部和東南部大部分地區(qū)第一層卵石層埋深20～30 m?？紤]到中心城區(qū)分布多層地下室的高層建筑物及地下各種公共設(shè)施，地下廊道建設(shè)適宜深度應(yīng)建在埋深30 m以下第一砂卵礫石層中。

2.2.2適宜區(qū)劃分

以地下空間開發(fā)利用適宜性為目的的工程地質(zhì)分區(qū)與地上建設(shè)的地基條件的工程地質(zhì)分區(qū)不同，它應(yīng)對地下空間工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量做出綜合的工程地質(zhì)評價。根據(jù)現(xiàn)行工程地質(zhì)理論，對地下空間開發(fā)利用工程地質(zhì)適宜性評定宜采用多因素工程地質(zhì)條件綜合疊加分析法[4]。依據(jù)場地的穩(wěn)定性、圍巖穩(wěn)定性、地下水條件、不良地質(zhì)作用等將場地工程建設(shè)適宜性分為適宜、較適宜、適宜性差和不適宜四類(表1)。

表1　地下空間工程建設(shè)適宜性分類

按照上述標準，將中心城地下空間工程地質(zhì)環(huán)境適宜性分為四個區(qū)，見圖2。

圖2　中心城地下空間適宜性分區(qū)圖

I區(qū)：適宜性較好區(qū)。分布于永定河沖積扇頂頂部地區(qū)，地表除薄層粉土外，其下為較厚的砂卵石層。本區(qū)工程地質(zhì)條件良好，地下開發(fā)空間的圍巖穩(wěn)定性較好，地下水位埋深普遍在35 m以下。淺層開發(fā)空間內(nèi)一般不需降水，可采用通用地下施工與作業(yè)技術(shù)；在次淺層空間域內(nèi)開發(fā)時需采取降水措施。在山前地帶基巖揭露亦淺，在掘進時需采用基巖開挖設(shè)備。

Ⅱ區(qū)：適宜性中等。主要分布于永定河故河道二級階地。為多層巖土體結(jié)構(gòu)，由西向東砂卵石層埋深加大，厚度變薄，地下水埋深25～35 m不等，區(qū)域穩(wěn)定性較好，地面沉降影響較小，巖土體穩(wěn)定性較好。一般需要降水，巖土可掘性較好，可采用通常地下施工與作業(yè)技術(shù)，建筑防水要求高，施工技術(shù)難度一般。

Ⅲ區(qū)：適宜性差。位于中心城中北部，地處溫榆河、潮白河、永定河沖積平原，扇緣交匯部位。該區(qū)較穩(wěn)定，地層以粉土、黏性土為主夾有砂性土，表層多分布新近沉積土層，地下水條件復(fù)雜，為潛水位以下承壓水水位以上，地面沉降危害一般(累計沉降量300～500 mm，沉降速率≤10 mm/a)[14]，工程地質(zhì)條件較復(fù)雜，洼里地區(qū)有巖溶塌陷風(fēng)險，施工時需加強圍巖穩(wěn)定措施，防止流砂與塌方發(fā)生。

IV區(qū)：不適宜區(qū)。主要分布于中心城的東北和東南部，地層以粉土、黏性土為主，夾有砂性土，表層多分布新近沉積土層，地下水條件復(fù)雜，受開采影響地下水位埋深較大，地下飽和砂土和粉土易發(fā)液化，區(qū)域穩(wěn)定性差，有活動斷裂和地裂縫，地面沉降危害嚴重(累計沉降量500～1000 mm，沉降速率30～50 mm/a)[14]，工程地質(zhì)條件復(fù)雜，施工時需加強圍巖穩(wěn)定措施，防止流砂與塌方發(fā)生。

3　結(jié)　論

雨水廊道對于改善城市內(nèi)澇、加強雨水利用和改善水環(huán)境具有十分重要的意義。綜合考慮區(qū)域穩(wěn)定性、巖土體穩(wěn)定性、地下水水位等地質(zhì)因素，對北京市中心城區(qū)雨水廊道建設(shè)適宜性進行了評價，劃分為四個區(qū)。適宜性較好區(qū)分布范圍在東冉村-玉淵潭-十八里店以南，南崗?fù)?羊坊-大白樓以北地區(qū)。適宜性中等區(qū)分布在昆明湖-故宮-通州城關(guān)一線。適宜性較差區(qū)分布在海淀-平房-清河-洼里-東壩一帶，不適宜區(qū)分布在清河-洼里-東壩以北地區(qū)，王四營以南。