基于水化學(xué)特征的礦區(qū)填土地基水害水源分析

靳玉琪，龍建輝，任 杰，倪向龍

(1.太原理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，山西 太原 030000；2.深圳市勘查研究院有限公司，廣東 深圳 518026；3.中國建筑西南勘察設(shè)計研究院有限公司，四川 成都 610000;4.同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

0 引 言

山西是我國的煤炭大省，同時又地處黃土高原。山西省的許多區(qū)域位于黃土丘陵溝壑區(qū)內(nèi)，土地資源缺乏但煤炭資源豐富，因此常在黃土溝谷區(qū)挖填造地來進(jìn)行礦區(qū)建設(shè)。填土的來源主要為場區(qū)附近的黃土，黃土在重塑填埋的過程中，黃土結(jié)構(gòu)性會發(fā)生破壞，同時填土的密實度等都會受到填土質(zhì)量的影響，水入滲后，黃土填土所表現(xiàn)的濕陷性要比同類土的原狀土更加明顯。在這種人造特殊地質(zhì)結(jié)構(gòu)下，填土地基遇水害造成不均勻沉降從而引起地基、建筑差異變形災(zāi)害的例子屢見不鮮，且水害可能來源多元且不易確定[1-3]。

目前，利用水化學(xué)數(shù)據(jù)來判別水害水源的方法有很多種，包括水質(zhì)類型對比分析、同位素分析法、特征組分判別、灰色系統(tǒng)理論、模糊數(shù)學(xué)、可拓實識別法、水化學(xué)成分守恒原理法等。這些方法主要針對水害水源單一的情況，相關(guān)文獻(xiàn)對其進(jìn)行了詳細(xì)研究，而對于多來源水害問題，在確定水害來源的主次問題上研究尚不夠深入[4-7]，因此，有必要對該問題進(jìn)行深入探討。

相關(guān)文獻(xiàn)對礦區(qū)礦井突水水源問題與礦區(qū)場地地下水水質(zhì)問題進(jìn)行了詳細(xì)的研究并取得了豐碩的成果，但是對于填土地基水害水源分析研究較少[8-14]。筆者以山西省柳林縣某礦區(qū)地基水害為例，在現(xiàn)場調(diào)查的基礎(chǔ)上查明礦區(qū)填土區(qū)域上部建筑的破壞情況，并結(jié)合工程鉆探方法確定填土區(qū)域地層情況，從鉆孔內(nèi)分層采取土樣測定含水率，繪制區(qū)域含水率等值線圖，采集研究區(qū)內(nèi)地下水與地表水水樣測試其主要離子化學(xué)組分，利用水質(zhì)類型對比分析法與層次聚類法查明填土地基地下水化學(xué)特征，分析填土地基的水害具體來源。

1 研究區(qū)概況

研究區(qū)地貌單元屬于黃土丘陵區(qū)，次級地貌單元屬于山間河谷區(qū)，該河谷區(qū)地勢東北高西南低，河谷呈東～西向展布，斷面形態(tài)呈“U型”，最高點位于東北山頂，頂面高程+988 m，最低點位于西側(cè)溝內(nèi)，地面高程+870 m，相對高差118 m。柳林縣礦區(qū)位于河谷支溝內(nèi)，2006年因建房需要將其支溝回填，原支溝溝底高程+834～+850 m，回填后高程+868～+871 m，溝底最深填土厚度21～30 m，溝谷側(cè)壁處填土深度約10 m。研究區(qū)回填后地勢平坦，東北及西南側(cè)為斜坡，地形向兩側(cè)逐級變高。部分房屋臨坡切坡而建，其東側(cè)緊鄰煤礦工業(yè)廣場，人類工程活動對地形地貌的改變較為強(qiáng)烈，南側(cè)緊鄰煤礦排水渠，水渠常年流水，排水渠主要排放王家溝煤礦礦井廢水和工業(yè)廣場污水。2017年7月雨季后，礦區(qū)房屋開始明顯變形開裂，并且日益嚴(yán)重。房屋破損原因為地基土被水浸泡而產(chǎn)生不均勻沉降。分析判斷浸泡地基土的水來源可能為：① 自來水管道開挖正逢雨季，大量雨水沿開挖溝槽灌入浸泡地基土；② 煤礦排水渠可能滲漏浸泡地基土；③ 地下管網(wǎng)可能滲漏浸泡地基土；④ 場地周邊可能存在砂巖裂隙水側(cè)向徑流補(bǔ)給浸泡地基土(圖1)。

圖1 研究區(qū)鉆孔取樣位置與建筑物破壞程度分布

2 研究內(nèi)容與方法

對該研究區(qū)水害水源進(jìn)行精確判斷采取現(xiàn)場調(diào)查查明礦區(qū)建筑物具體的破壞情況，并根據(jù)實際破壞情況沿原始溝谷的走向方向布置3條勘探線，共27個勘探點，其中ZK1～ZK26為沉降破壞區(qū)鉆孔，ZK27為砂巖裂隙水控制鉆孔。在鉆孔內(nèi)直接測量初見水位和穩(wěn)定水位，通過水位位置初步判斷水源。

同時本次研究共取28件水樣，其中沉降區(qū)目標(biāo)水樣14件，可能水來源水樣14件，見表1。

表1 水樣匯總

3 研究結(jié)果與分析

3.1 研究區(qū)水文地質(zhì)分析

根據(jù)地層含水率的變化情況，將填土含水率突變位置定義為地下水毛細(xì)水帶頂部，將鉆孔全部完成后統(tǒng)一測量得到的水位線定義為穩(wěn)定水位線(圖2)。從圖2中可以看出原始地形埋藏深，沖溝被分隔成兩個溝谷，洼地的毛細(xì)水帶頂部與穩(wěn)定地下水位埋藏深度基本一致，并無異常，且與原始地形線的走向基本吻合。同時通過對研究區(qū)穩(wěn)定水位的地下水位埋深進(jìn)行統(tǒng)計分析發(fā)現(xiàn)(圖3)，沉降區(qū)穩(wěn)定地下水埋深除ZK19,ZK20和ZK21異常外，均在12 m左右，且砂巖裂隙水控制鉆孔穩(wěn)定地下水埋深為11 m，地下水高程相互吻合，說明砂巖裂隙水對填土區(qū)域形成了側(cè)向補(bǔ)給。其中ZK19,ZK20和ZK21地下水位埋深出現(xiàn)異常，所揭露的毛細(xì)水帶頂部高程是最高的，距離地表埋深僅3～4 m，由圖2b明顯可見，煤礦排水渠存在滲水點。但依據(jù)富水量的大小來說，砂巖裂隙水補(bǔ)給是主要的。

圖2 研究區(qū)穩(wěn)定水位線分布剖面圖

圖3 研究區(qū)鉆孔位置穩(wěn)定水位埋深

3.2 研究區(qū)水化學(xué)特征分析

3.2.1 常規(guī)水化學(xué)組分特征

對該礦區(qū)填土地基所采取的28個水樣進(jìn)行常規(guī)水化學(xué)特征分析，得到水化學(xué)組分統(tǒng)計特征值見表2。沉降區(qū)目標(biāo)水樣呈弱堿性，其TDS值較高，且離子濃度變異系數(shù)均低于1，說明填土地基地下水內(nèi)部分布較穩(wěn)定，具有穩(wěn)定的水源補(bǔ)給。

表2 礦區(qū)填土沉降區(qū)目標(biāo)水樣與可能水來源水樣主要離子特征值

3.2.2 水質(zhì)類型與相關(guān)性分析

通過Piper三線圖(圖4)與水樣水質(zhì)類型分類可以看出，水樣陰陽離子分布較為集中，沉降區(qū)填土穩(wěn)定水位水樣類型為HCO3·Cl-Na·Mg,HCO3-Na與HCO3·SO4·Cl-Na，砂巖裂隙水的水質(zhì)類型為HCO3·Cl-Na·Mg，生活污水的水質(zhì)類型為Cl-Na·Ca，而煤礦水的水質(zhì)類型為Cl·HCO3-Na，其中砂巖裂隙水與沉降區(qū)目標(biāo)水樣水質(zhì)類型相似，可能兩者之間存在水力聯(lián)系(表3)。

圖4 研究區(qū)水質(zhì)類型Piper三線圖

表3 水樣舒卡列夫分類

續(xù)表

表4 填土地基沉降區(qū)目標(biāo)水樣水化學(xué)組分相關(guān)系數(shù)矩陣

3.2.3 水化學(xué)聚類分析

圖5 研究區(qū)填土地基水害水源聚類分析

由離子含量聚類分析發(fā)現(xiàn)：ZK27的4件砂巖裂隙水水樣在可信度R=9時與目標(biāo)地下水樣聚成一類；煤礦污水的4件水樣與自來水的2件水樣在可信度R=15時與目標(biāo)地下水樣聚成一類；雨水的2件水樣在可信度R=25時與目標(biāo)地下水聚成一類。

菜窖水僅僅與雨水在可信度R=20時聚成一類。根據(jù)對聚類結(jié)果與水化學(xué)特征的分析發(fā)現(xiàn)，沉降區(qū)地下水的特征與砂巖裂隙水是最接近的。因此判斷地下水來源主要是來自砂巖裂隙水補(bǔ)給，其次來自煤礦污水、雨水的入滲。

3.3 研究區(qū)填土水化學(xué)成因分析

研究區(qū)填土沉降部位地下水的補(bǔ)給和運(yùn)移與周邊環(huán)境可能會發(fā)生一系列的作用，例如水解作用、陰陽離子交替吸附吸附作用與蒸發(fā)濃縮作用等，這些作用導(dǎo)致填土地基地下水的水離子的類型與TDS濃度等發(fā)生改變。

3.3.1 主要離子來源分析

圖6 研究區(qū)填土地基水化學(xué)Gibbs圖

3.3.2 主要離子分化過程分析

圖7 研究區(qū)填土地基地下水主要離子比值

4 結(jié) 論

1)礦區(qū)填土地基沉降區(qū)毛細(xì)水帶頂部與穩(wěn)定地下水位埋藏深度基本一致，與原始地形線的走向基本吻合，且沉降區(qū)地下水位與兩側(cè)原始坡體水位基本相同，初步說明砂巖裂隙水對填土區(qū)域形成了側(cè)向補(bǔ)給。

3)沉降區(qū)水樣與砂巖裂隙水水樣水質(zhì)類型相似，兩者之間存在水力聯(lián)系。煤礦水與生活污水屬于地表排水，地表水與填土地基地下水可能存在微弱離子交換作用。

4)綜合分析后，煤礦區(qū)填土地基地下水來源主要是來自砂巖裂隙水補(bǔ)給，其次來自煤礦污水、雨水的入滲，且研究區(qū)水化學(xué)成分濃度主要受巖石溶解控制。