人類活動(dòng)對濟(jì)南某小區(qū)周邊水文地質(zhì)條件的影響分析

宿慶偉

(1.山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，山東 濟(jì)南 250014；2.山東省地礦工程勘察院，山東 濟(jì)南 250014；3.山東省地下水環(huán)境保護(hù)與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，山東 濟(jì)南 250014)

0 引言

城市是人類及社會(huì)發(fā)展的首要領(lǐng)地，在城市化進(jìn)程中，如何處理與城市建設(shè)密切相關(guān)的水文地質(zhì)條件尤為重要。該文以濟(jì)南市某小區(qū)為研究對象，小區(qū)于2015年建成后交付使用，當(dāng)年年底位于地下車庫西南的制冷機(jī)房出現(xiàn)局部地面鼓脹、裂縫、滲水等問題。根據(jù)研究區(qū)監(jiān)測井水位數(shù)據(jù)，2017年7月25日地下水位達(dá)31.65m，高于工程勘察期間(2013年3月)所提出的抗浮水位28.5m，建筑結(jié)構(gòu)安全受到嚴(yán)重威脅，因此，查清該區(qū)地下水位升高原因，提出合理抗浮水位尤為重要。

1 地質(zhì)背景

1.1 氣象水文

研究區(qū)位于濟(jì)南市北部，屬暖溫帶大陸性氣候，春季干燥少雨，夏季炎熱多雨，根據(jù)濟(jì)南多年平均降水量資料(圖1)，多年平均降水量為646.55mm，降雨多集中在6—9 月份，12 月至第二年3 月降雨量較小，最大降水量1194.50mm(1962 年)，最小降水量340mm(1989 年)[1-5]。研究區(qū)附近無地表水系分布，離研究區(qū)最近的為小清河，位于研究區(qū)北部約4.2km。

圖1 濟(jì)南市1956—2017年降水量直方圖

1.2 基礎(chǔ)地質(zhì)

研究區(qū)位于濟(jì)南市北部，地貌單元屬于山前傾斜平原[6-7]，場地自然標(biāo)高為33.87～34.45m，根據(jù)現(xiàn)場鉆揭露情況情況，研究區(qū)地層主要為第四系，巖性為粉質(zhì)黏土、碎石土，厚度15m左右，下伏基巖為中生代燕山期輝長巖，該次鉆探未揭穿。

1.3 水文地質(zhì)

1.3.1 含水層分布特征

根據(jù)地下水的含水介質(zhì)性質(zhì)，研究區(qū)地下水類型可分為松散巖類孔隙水和基巖裂隙水。松散巖類孔隙水含水層巖性以碎石土為主，含水層呈透鏡體分布，頂板埋深14.5～14.8m，底板埋深16.4～17m，厚0.8～1.60m，研究區(qū)孔隙水水位標(biāo)高30.75～31.35m，含水層富水性一般，根據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果，單井涌水量80～85m3/d,滲透系數(shù)0.35～3.10m/d。基巖裂隙水含水層巖性主要為全風(fēng)化及強(qiáng)風(fēng)化輝長巖，富水性一般，含水層頂板埋深16.4～17m，底板埋深22～25m，厚5～8.6m，研究區(qū)裂隙水水位標(biāo)高30.73～31.36m，根據(jù)抽水試驗(yàn)結(jié)果，單井涌水量92～102m3/d,滲透系數(shù)3.21～4.1m/d。

1.3.2 各含水層水力聯(lián)系分析

為查明場區(qū)各含水層之間的水力聯(lián)系，該次勘察有針對性的布設(shè)了2組水井進(jìn)行分層抽水，每組水井由2眼水井組成，分別對第四系孔隙及基巖裂隙水進(jìn)行抽水試驗(yàn)(圖2)。

圖2 井組布置圖

為查明含水層的水力聯(lián)系，在基巖裂隙水抽水時(shí)同步觀測孔隙水水位，在JCH1抽水第一降深時(shí)，同時(shí)監(jiān)測JCQ1水井的水位。試驗(yàn)開始時(shí)JCH1水位為31.36m，JCQ1初始水位為31.35m，實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至45min，JCH1水位趨于穩(wěn)定，此時(shí)，JCH1水位為24.29m，下降7.07m，JCQ1水位為31.17m，與實(shí)驗(yàn)開始時(shí)水位相比下降0.18m；在JCH2抽水第一降深時(shí)，同時(shí)監(jiān)測JCQ2水井的水位。試驗(yàn)開始時(shí)JCH2水位為30.70m，JCQ2初始水位為30.72m.當(dāng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行至50min，JCH2水位趨于穩(wěn)定，此時(shí)，JCH2水位為19.25m，下降11.45m，JCQ2水位為29.55m，與實(shí)驗(yàn)開始時(shí)水位相比下降1.17m，說明兩層含水層水力聯(lián)系較為密切，而同一井組不同含水層的地下水位標(biāo)高基本一致，也反映了兩層水具有一定的水力聯(lián)系(表1、圖3)。

表1 抽水試驗(yàn)觀測記錄

圖3 抽水試驗(yàn)S-t曲線示意圖

2 人類活動(dòng)對研究區(qū)水文地質(zhì)條件的影響分析

2.1 人防通道的封堵及蓄水

研究區(qū)附近已知的人防通道有兩處，第一個(gè)緊鄰研究區(qū)的南北向通道，在研究區(qū)與站前街之間，濟(jì)南市政府大院東南角有入口；第二個(gè)在朗誠中心(現(xiàn)東泰凱悅中心)有入口，南北向分布，該人防通道尺寸較大。兩處人防通道均常年有水。2015年初，朗誠中心基坑施工，其內(nèi)的人防通道被挖除，并進(jìn)行了封堵，當(dāng)時(shí)水量較大，封堵困難。2018年10月工作期間，項(xiàng)目組對兩處人防通道的水面標(biāo)高進(jìn)行了測量，水面標(biāo)高分別為31.34m,31.15m；研究區(qū)觀測孔及JCH1,JCQ1水井的水位標(biāo)高分別為31.45m,31.53m。

研究區(qū)原為濟(jì)南市人民政府機(jī)關(guān)所在地，地下人防通道發(fā)達(dá)，空間大?，F(xiàn)水位比人防通道封堵前上升約2m。研究區(qū)地處山前平原的后緣，地勢較低，地層為粉質(zhì)黏土、粉土、卵石層，卵石層呈透鏡體狀分布，具有透水性。人防通道水流方向由南向北，在朗誠中心處被封堵后，其內(nèi)水流正常排泄通道被切斷，此處將形成具有一定蓄水能力的“小型水庫”。

人防通道高約3m，寬2～3m，為磚石砌體結(jié)構(gòu)，年久失修，在水頭壓力下“小型水庫”的滲漏將對周邊地下水形成持續(xù)的補(bǔ)給，周圍土體因長期浸泡而趨于飽和，地下水位會(huì)在一定程度內(nèi)上升。調(diào)查資料顯示，研究區(qū)建設(shè)前，人防通道內(nèi)水位較低，被截?cái)嗪笏伙@著上升，人防通道由原來的導(dǎo)水通道轉(zhuǎn)變成了具有持續(xù)補(bǔ)給的“蓄水池”，對地下水影響影響較大。

研究區(qū)水力梯度平均值為6.78×10-3，朗誠中心南北兩側(cè)水位差值理論為0.44m，而實(shí)測水位標(biāo)高差值為2.48m，其對應(yīng)的水力梯度為41.3×10-3，明顯比研究區(qū)平均水力梯度高，由此可知，人防通道的截?cái)嘈纬傻摹佰账?yīng)”對區(qū)域地下水位影響較大，朗誠中心基礎(chǔ)與人防通道形成半弧形擋水結(jié)構(gòu)，改變了地下水流場和補(bǔ)徑排條件，造成研究區(qū)地下水位上升(圖4)。

1—水文孔及水文標(biāo)高；2—挖探孔及水文標(biāo)高；3—已知水文孔；4—人防工程；5—工作區(qū)范圍；6—已有建筑物圖4 研究區(qū)水位等值線圖(2018年9月)

2.2 地下構(gòu)筑物改變地下水運(yùn)移條件

研究區(qū)一帶第四系厚度為15～20m，2013年后建筑物基礎(chǔ)深度多為8～15m(圖5)。其中人防通道底板埋深8～11m，濟(jì)南市政務(wù)服務(wù)中心基礎(chǔ)埋深12.5m，麗天酒店基礎(chǔ)埋深10m，朗誠中心基礎(chǔ)埋深12m，和信SOHO基礎(chǔ)埋深15m，和信花園小區(qū)基礎(chǔ)埋深10m，火車站站臺(tái)灌注樁20m，經(jīng)緯嘉園8m，帝景苑8～12m，華景苑8～12m，普利中心基礎(chǔ)埋深17m，樁基礎(chǔ)50～55m。這些構(gòu)筑物在含水層中形成阻水結(jié)構(gòu)，會(huì)在一定程度上的改變地下水運(yùn)移、儲(chǔ)存條件。

1—地下水流向；2—已知水文孔；3—人防工程；4—工作區(qū)范圍；5—已有構(gòu)筑物基礎(chǔ)埋深圖5 研究區(qū)附近深基礎(chǔ)構(gòu)筑物及人防通道分布圖

2018年8月18日—20日，受臺(tái)風(fēng)“溫比亞”影響，濟(jì)南市三天降雨量平均值92.4mm，市區(qū)降雨量87.7mm，至8月20日全市累計(jì)降雨量640.9mm，比往年同期多30.7%。降雨結(jié)束后，8月21日項(xiàng)目組對各個(gè)挖探孔進(jìn)行了水位測量，并與8月16日的測量結(jié)果進(jìn)行了對比，不同地方水位差異各異，政務(wù)中心觀測孔水位上升幅度最大為0.97m，兩個(gè)人防通道分別升高0.50m和0.55m。

根據(jù)下雨前后的水位變化可知，政府中心觀測孔起伏最大，說明此處地下水排泄能力較差或有持續(xù)補(bǔ)給。人防通道下雨前后漲幅達(dá)0.56m，說明上游水量較豐富。朗誠中心南北兩側(cè)漲幅不一，推斷地下水運(yùn)移受阻，引起壅水效應(yīng)。

由下雨前后研究區(qū)周邊水位標(biāo)高變化圖(圖6)可以看出：水流方向呈SN向，水位等值線整體平緩，在朗誠中心出現(xiàn)扭曲、密集。等值線的密集說明此處差異較大，水力梯度較大,人防通道內(nèi)外水位落差達(dá)0.95～1.65m，南北兩側(cè)水位落差達(dá)1.6～2.5m。可以看出，朗誠中心的建設(shè)及其對人防通道的封堵對地下水的運(yùn)移影響顯著。

1—挖探孔位置；2—已有水文孔；3—人防工程；4—工作區(qū)范圍；5—已有構(gòu)筑物圖6 下雨前后水位標(biāo)高變化(2018年8月21日)

2.3 研究區(qū)工程建設(shè)前后地下水流場變化分析

研究區(qū)位于趵突泉泉域匯集排泄區(qū)，工程建設(shè)以前地下水由西南向東北徑流，最終排泄小清河，地下水保持著較為流場的排泄通道，水力梯度維持在千分之幾的正常水平，隨著城市建設(shè)，研究區(qū)周邊深基礎(chǔ)建筑物越來越多，北部因受深基礎(chǔ)的阻擋，造成地下水徑流不暢，而人防通道的阻截進(jìn)步一加劇了該區(qū)地下水位的升高，造成朗誠中心南北兩側(cè)水力梯度差異明顯，使該區(qū)由以前的徑流排區(qū)轉(zhuǎn)變?yōu)橐恍⌒偷摹靶钏畢^(qū)”，導(dǎo)致附近地下水位明顯升高，引發(fā)一系列工程問題。

3 抗浮水位確定及處理措施

3.1 抗浮水位確定原則及影響因素分析

根據(jù)《建筑巖土工程勘察設(shè)計(jì)規(guī)范》(J13146—2015)和《高層建筑巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ/T72—2017)，抗浮水位確定原則應(yīng)考慮該區(qū)的實(shí)測最高水位、地下水位年變幅、地下水的補(bǔ)徑排條件及各含水層的水力聯(lián)系，而影響因素應(yīng)考慮各含水層與大氣降水的入滲關(guān)系、地下水的開采、建筑物周圍環(huán)境及城市規(guī)劃等。

(1)各含水層水力聯(lián)系與大氣降水入滲關(guān)系。該區(qū)涉及含水層主要為第四紀(jì)松散巖類孔隙水和基巖裂隙水，局部地區(qū)第四紀(jì)碎石層與全風(fēng)化閃長巖直接接觸，分層抽水試驗(yàn)證實(shí)二者具有一定的水力聯(lián)系，含水層的主要補(bǔ)給來源為大氣降水，雖然該區(qū)硬化程度較高，但南部地區(qū)的大氣降水仍可順地勢自南向北補(bǔ)給到該區(qū)，因此，該區(qū)地下水水位仍主要受大氣降水的影響。

(2)地下水開采量。目前濟(jì)南市的水源地主要分布于東西郊，該區(qū)基本無地下水開采，因此，地下水開采量對該區(qū)地下水位基本無影響。

(3)研究區(qū)與周邊水系的關(guān)系。研究區(qū)周邊地表水系主要為北部的小清河，該河為濟(jì)南市的孔隙水的排泄通道，不會(huì)對地下水位造成影響，而西側(cè)的人防通道因受阻截，目前已成為一“人工暗河”，人防通道內(nèi)的水自南而來匯集于此，對地下水的升高起著顯著的作用。

(4)研究區(qū)周圍環(huán)境對地下水補(bǔ)徑排影響。研究區(qū)2013年以后周邊高層建筑明顯增多，尤其是北部的深基礎(chǔ)建筑，阻擋了地下水向北徑流，造成該區(qū)地下水徑流、排泄條件變差，對地下水位雍高起到一定的作用。

3.2 抗浮水位確定

綜合前面分析，該次抗浮水位以勘察期間地下水位等值線圖(封水期)為基礎(chǔ)，參考抗浮設(shè)防水位應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)公式：地下水最高水位=勘察期間該層地下水最高水位+該層地下水在相當(dāng)于勘察時(shí)期的年變幅+可能的意外補(bǔ)給造成的該層水位上升值[8-12]。結(jié)合研究區(qū)水文地質(zhì)條件變化情況及項(xiàng)目自身特點(diǎn)，抗浮水位可按以下公式計(jì)算：

H=A+b+c+d+e

式中：A—研究期間地下水水位標(biāo)高；b—地下水水位年變幅；c—水位雍高值m；d—地坪升高及周圍地表水體定水頭補(bǔ)給造成的地下水位升高；e—政策影響等不可預(yù)見因素造成的水位升幅及安全儲(chǔ)。

研究區(qū)勘察期間孔隙水地下水位標(biāo)為30.75～31.35m，近3年最高水位為33.26m，研究區(qū)地面高程約33.94m，抗浮水位不宜超過地面標(biāo)高，因此，研究區(qū)抗浮水位標(biāo)高H=31.35+1+0.5+0+0.75=33.60m。

3.3 處理措施

研究區(qū)抗浮設(shè)防水位定為33.60m。建議以該抗浮水位為標(biāo)準(zhǔn)對建筑物結(jié)構(gòu)安全進(jìn)行檢測，若主體結(jié)構(gòu)安全，可考慮將建筑物所處區(qū)域地下水下位控制在抗浮水位以下，在建筑物外圍施工排水滲溝，深約3m，底部鋪設(shè)排水墊層，上部充填卵石等粒料，將地下水導(dǎo)出研究區(qū)，或在建筑物周邊打設(shè)降水井，雨季或該區(qū)地下水位超過抗浮水位時(shí)，進(jìn)行降水，保證建筑物周邊地下水位不超過抗浮水位。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)周邊深基礎(chǔ)建筑物的增多及人防通道的阻截，使研究區(qū)地下水徑流條件改變，是造成研究區(qū)地下水位升高的主要原因。

(2)根據(jù)抗浮設(shè)防水位確定原則及影響因素，研究區(qū)抗浮水位為33.6m，并以此水位為標(biāo)準(zhǔn)對構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)俺去進(jìn)行重新驗(yàn)算。

(3)人類工程建設(shè)應(yīng)充分了解區(qū)域的水文地質(zhì)條件，盡量做到工程建設(shè)不影響周邊環(huán)境，防止因周邊水文地質(zhì)條件的改變對工程造成不良影響。