地下富水城市的地鐵車(chē)站對(duì)地下水滲流影響探討

高 揚(yáng) ，王 鑫，張 康，雷炳霄 ，曾純品

（1. 山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開(kāi)發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)(山東省地礦工程勘察院)，濟(jì)南 250014； 2. 濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250100；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，濟(jì)南 250014）

近年來(lái)，隨著大量地下空間工程的修建，因其對(duì)地下水滲流條件的改變導(dǎo)致環(huán)境問(wèn)題不斷凸顯。例如，宿慶偉對(duì)濟(jì)南某小區(qū)周邊地下水位上升的原因及水文地質(zhì)條件的變化特征的調(diào)查表明，由于人類(lèi)活動(dòng)的影響，該小區(qū)周邊的水文地質(zhì)條件發(fā)生了較大變化，小區(qū)周?chē)稍瓉?lái)的徑流排泄區(qū)慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)小型的蓄水區(qū)，造成這里地下水位大幅上升，并對(duì)構(gòu)筑物產(chǎn)生了不利影響[1]。陳麗影、時(shí)曉以成都國(guó)際機(jī)場(chǎng)為例，通過(guò)數(shù)值模擬分析地下空間的開(kāi)挖對(duì)地下水環(huán)境的影響，結(jié)果表明：地下空間結(jié)構(gòu)在建設(shè)期間及建設(shè)完成后，地下水的滲流條件發(fā)生改變，生成新的局部分水嶺，新的補(bǔ)徑排關(guān)系確立[2-3]。Ni 等通過(guò)研究臨江城市的地下水位變化，得出城市地下空間建設(shè)是水位變化重要原因的結(jié)論[4]。Lee 等通過(guò)對(duì)韓國(guó)大邱廣域市地下水位的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，構(gòu)建模型，得出地鐵建設(shè)會(huì)影響周邊地下水水位變化的結(jié)論[5]。地下工程結(jié)構(gòu)對(duì)地下水產(chǎn)生影響，可能引發(fā)工程與環(huán)境問(wèn)題，如圖1所示。 發(fā)對(duì)地下水環(huán)境的影響展開(kāi)研究[10]。鄭品等通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)，對(duì)比了有物體阻擋和沒(méi)有物體阻擋下地下水滲流情況的變化[11]?？梢?jiàn)，地下空間工程建設(shè)對(duì)地下水環(huán)境的影響，正在引起越來(lái)越多學(xué)者的關(guān)注。筆者將基于一維滲流理論，通過(guò)對(duì)修建地鐵車(chē)站前后的地下水滲流特點(diǎn)進(jìn)行分析，探索地鐵車(chē)站對(duì)地下水滲流的影響規(guī)律，以期得到受車(chē)站阻隔作用影響的地下水位壅高及流量解析式，相應(yīng)成果可為地下富水城市的地鐵車(chē)站建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 滲流影響分析

圖1 地下結(jié)構(gòu)對(duì)地下水環(huán)境的影響[6] Figure 1 Influence of underground structure on groundwater environment[6]

1.1 未建地鐵車(chē)站時(shí)的地下水滲流分析

未建地鐵車(chē)站時(shí)，可根據(jù)擬建車(chē)站位置的勘察結(jié)果及地層條件，概括為如下基本條件及假設(shè)。

1) 假設(shè)沿地下水流動(dòng)方向上有觀測(cè)孔A 及觀測(cè)孔B，觀測(cè)孔A 測(cè)得的水位高度為h1，觀測(cè)孔B 測(cè)得的水位高度為h2，兩孔之間地下水的流動(dòng)滿(mǎn)足由觀測(cè)孔A 流向觀測(cè)孔B 的條件，且為潛水流；

2) 隔水層均質(zhì)同向，底部隔水層水平；

3) 由于城市內(nèi)道路硬化等因素，不考慮滲流段的大氣降雨入滲補(bǔ)給的影響，雨季地下水流量的變化主要由洪水期時(shí)觀測(cè)孔的水位高度的變化體現(xiàn)；

4) 兩觀測(cè)孔間的地下水流動(dòng)為一維流，且是漸變流并趨于穩(wěn)定。

根據(jù)上述條件建立地下水滲流模型，如圖2 所示。

工程建設(shè)與地下水運(yùn)動(dòng)的影響是互饋的，地下水會(huì)對(duì)地下空間結(jié)構(gòu)造成影響，同時(shí)地下結(jié)構(gòu)施工對(duì)地下水的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也存在一定的影響[7-8]。許劼等以南京地鐵為工程背景，分析了玄武湖水下隧道施工對(duì)地下水排泄的影響機(jī)理[9]。曹洪等基于有限元法，提出了考慮阻水結(jié)構(gòu)的模擬方法，并對(duì)廣州城區(qū)地下空間開(kāi)

圖2 兩觀測(cè)孔間的潛水運(yùn)動(dòng) Figure 2 Schematic of diving movement between two observation holes

由于城市內(nèi)大多數(shù)情況下水位的變化幅度不大，故可根據(jù)上述模型忽略地下水滲流過(guò)程中的豎向速度分量vz，地下水滲流過(guò)程水位的降低可視為由于地層的阻隔作用而引起的勢(shì)能損失。

根據(jù)上述條件和假設(shè)，可得如下數(shù)學(xué)模型：

對(duì)式(1)進(jìn)行積分求解，可得觀測(cè)孔A、B 之間任意一點(diǎn)的地下水位，即

式中：L 為兩觀測(cè)孔間距離，m；x 為擬求水位處距觀測(cè)孔A 的距離，m；h1為觀測(cè)孔A 的水位高度，m；h2為觀測(cè)孔B 的水位高度，m。

對(duì)式(2)進(jìn)行求導(dǎo)，可得h 關(guān)于x 的函數(shù)關(guān)系，即

引入達(dá)西定律，可得任意斷面處的單寬流量公式，即

式中：K 為滲透系數(shù)，m·d-1；qx為與觀測(cè)孔A 距離為x 處的單寬流量，m2·d-1。

將式(3)代入式(4)，可得

式(5)即是流經(jīng)觀測(cè)孔A、B 之間任意斷面的單寬流量公式。

1.2 地鐵車(chē)站對(duì)地下水滲流影響機(jī)制分析

1.2.1 地鐵車(chē)站基本條件

1) 由于地鐵車(chē)站基坑一般采用地連墻或止水帷幕等結(jié)構(gòu)措施，故假設(shè)地鐵結(jié)構(gòu)外端為隔水邊界。

2) 通常車(chē)站長(zhǎng)度為300～500 m，與中粗砂等含水層的影響半徑R 相當(dāng)，且由于地鐵車(chē)站兩端一般為直徑6 m 的盾構(gòu)區(qū)間，盾構(gòu)施工時(shí)采取注漿等措施對(duì)原滲水通道有堵塞作用，透水能力大幅降低，故可以忽略地下水遇車(chē)站結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生的繞流問(wèn)題，因此將車(chē)站兩端盾構(gòu)區(qū)間與車(chē)站結(jié)構(gòu)共同視為隔水邊界。

3) 車(chē)站結(jié)構(gòu)建成后與建成前相比，車(chē)站外的地層結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，流經(jīng)車(chē)站結(jié)構(gòu)處的水流量不變。

1.2.2 地下水壅高分析

如圖3 所示，為解決地鐵車(chē)站的阻水作用對(duì)地下水滲流帶來(lái)的影響，不妨再作如下分析。

圖3 地鐵車(chē)站結(jié)構(gòu)附近潛水流鏡像關(guān)系 Figure 3 Schematic of mirror relationship of a phreatic flow near subway station structure

1) 設(shè)觀測(cè)孔B 位于迎水面車(chē)站結(jié)構(gòu)處，且水位高度為h2；觀測(cè)孔A 位于車(chē)站外迎水方向上，且水位高度為h1；地下水流動(dòng)，滿(mǎn)足由觀測(cè)孔A 流向觀測(cè)孔B的條件。

2) 根據(jù)鏡像原理，可假設(shè)車(chē)站結(jié)構(gòu)背水面一側(cè)有一虛觀測(cè)孔A′，其距離與觀測(cè)孔A 到觀測(cè)孔B 的距離相同；水位與觀測(cè)孔A 相同，都是h1；地下水流動(dòng)，同樣也滿(mǎn)足由觀測(cè)孔A′流向觀測(cè)孔B 的條件。

3) 根據(jù)疊加原理，由于車(chē)站結(jié)構(gòu)的隔水作用，則車(chē)站結(jié)構(gòu)處(觀測(cè)孔B 處)的地下水位受到由觀測(cè)孔A流向觀測(cè)孔B的流量與由觀測(cè)孔A′流向觀測(cè)孔B的流量的疊加影響。

根據(jù)以上假設(shè)，由觀測(cè)孔A 流向觀測(cè)孔B 的流量q1與由觀測(cè)孔A′流向觀測(cè)孔B 的流量q2大小相等，方向相反，故實(shí)際區(qū)域與鏡像區(qū)域兩側(cè)的流量疊加之后，其結(jié)果為

由式(6)可知，受到地鐵車(chē)站阻水作用影響后，觀測(cè)孔A、B 之間任意斷面的地下水流量為0。此時(shí)，觀測(cè)孔B 的地下水位高度與觀測(cè)孔A 的地下水位高度相同，即

因地鐵車(chē)站隔水作用產(chǎn)生的水位壅高為

式中：h 為車(chē)站建成后車(chē)站結(jié)構(gòu)處的水位高度，m；Δh為考慮地鐵車(chē)站阻水作用后的圍護(hù)結(jié)構(gòu)處的水位壅高值，m；h1、h2為地鐵車(chē)站建設(shè)前觀測(cè)孔A、B 內(nèi)的水位高度，m。

根據(jù)式(8)可知，受到地鐵車(chē)站阻水作用時(shí)，地下水流將會(huì)產(chǎn)生壅高，其壅高值與觀測(cè)孔A 點(diǎn)的位置以及觀測(cè)點(diǎn)A 處的水位高度有關(guān)。

為盡可能準(zhǔn)確地得到地下水位的壅高值，應(yīng)將觀測(cè)孔A 的位置，設(shè)置于迎水一側(cè)與地鐵車(chē)站相距地層影響半徑R 處。然而，在工程實(shí)踐中，由于場(chǎng)地條件的限制，水位觀測(cè)孔的位置不可能恰好位于其影響半徑處。為解決這個(gè)問(wèn)題，可引入水力坡度的概念，即在水流方向上的兩個(gè)觀測(cè)孔內(nèi)的水位差與其距離之比，即

式中：h1、h2為勘察期間水流方向上的任意兩觀測(cè)孔內(nèi)的地下水位，m；L0為兩觀測(cè)孔的距離，m。

由勘察孔之間的水力坡度，可得迎水一側(cè)與地鐵車(chē)站相距地層影響半徑R 處的水位差，有

根據(jù)式(10)，可以在勘察階段，根據(jù)研究區(qū)沿水流方向上任意兩勘察孔的觀測(cè)水位及地層條件，即可求得受擬建地鐵車(chē)站阻隔作用后的地下水位最大壅高值。

1.2.3 抗浮設(shè)防水位分析

由前述分析可知，當(dāng)?shù)叵滤饔龅降罔F車(chē)站的阻隔作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的水位壅高值，車(chē)站抗浮水位應(yīng)取上述基于長(zhǎng)觀水位及降雨量資料的抗浮設(shè)防水位值與考慮地鐵車(chē)站阻隔作用的地下水壅高值之和，即

式中：Hf為考慮地下水雍高影響的抗浮設(shè)防水位建議值，m；Ho為基于長(zhǎng)觀水位及降雨量資料得到的抗浮水位建議值，m；Δh 為按照筆者所述方法推導(dǎo)出的考慮地鐵車(chē)站阻隔作用的地下水位壅高值，m。

1.2.4 地下水流量分析

若使車(chē)站結(jié)構(gòu)對(duì)地下水滲流的影響最小，即不產(chǎn)生壅高等問(wèn)題，需維持與原地質(zhì)結(jié)構(gòu)相同的滲流條件，即受地鐵車(chē)站阻隔作用的地下水流量與未建地鐵車(chē)站時(shí)流經(jīng)此斷面的地下水流量相同。

未建車(chē)站時(shí)，原地質(zhì)條件下的單寬流量可采用式(5)求得，因此受地鐵車(chē)站阻隔作用的地下水流量為

式中：Q 為受地鐵車(chē)站阻隔作用的地下水總流量，m3·d-1；B 為車(chē)站總長(zhǎng)度，m。

2 工程實(shí)例分析

2.1 車(chē)站工程概況

濟(jì)南某地鐵車(chē)站沿東西走向敷設(shè)，全站全長(zhǎng)345.62 m，采用明挖法施工，地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)。

綜合室內(nèi)滲透試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)鉆孔抽水試驗(yàn)的結(jié)果，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，基坑地下水控制所需的各層巖土的滲透系數(shù)可按表1 中的建議值選用。地連墻進(jìn)入19-3 中風(fēng)化閃長(zhǎng)巖地層。

表1 各層巖土滲透系數(shù)建議值 Table 1 Recommended values of the permeability coefficient of each layer

2.2 地下水位壅高值

根據(jù)勘察期間水位測(cè)量的結(jié)果，運(yùn)用繪圖軟件，繪制的未建車(chē)站時(shí)擬建車(chē)站位置處的流網(wǎng)圖，見(jiàn)圖4。

圖4 濟(jì)南某地鐵車(chē)站建設(shè)前的地下水流網(wǎng)圖 Figure 4 The flow-net of groundwater before the construction of a subway station in Jinan

可以看出，擬建地鐵車(chē)站為東西向。未建地鐵車(chē)站時(shí)，地下水流向?yàn)镾W 至NE，擬建地鐵車(chē)站與地下水流向近似正交關(guān)系；地鐵建成后，受地鐵車(chē)站的阻隔作用，新的局部分水嶺將生成，地下水滲流條件發(fā)生改變，地下水的補(bǔ)徑排關(guān)系將重新確定。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，可將圖4 所示受車(chē)站阻隔作用的地下水流近似看作南北向流動(dòng)，則可選取南北向的12-12’地質(zhì)剖面作為本次計(jì)算剖面，取隔水底板標(biāo)高為-8 m，A 點(diǎn)取C08XZ45 號(hào)孔，A 點(diǎn)水位標(biāo)高為h1=22.92 m；則B 點(diǎn)取C08XZ3 號(hào)孔，B 點(diǎn)水位標(biāo)高為h2=20.68 m。

AB 兩觀測(cè)孔間的直線(xiàn)距離L0=187 m。

含水層滲透系數(shù)K，本次取根據(jù)C08XZ7 號(hào)孔土層參數(shù)計(jì)算的含水層綜合滲透系數(shù)，即K=4.752× 10-3cm/s。其滲透系數(shù)與粉砂相當(dāng)，影響半徑可取經(jīng)驗(yàn)值R=50 m。

將上述參數(shù)代入式(11)，解得受車(chē)站結(jié)構(gòu)影響的地下水壅高值，如表2 所示。

表2 濟(jì)南某地鐵車(chē)站地下水壅高計(jì)算 Table 2 Groundwater backup calculation of a subway station in Jinan m

由于車(chē)站建設(shè)前與建成后地下水位測(cè)量的時(shí)間不一致，難以采用水位直接進(jìn)行對(duì)比，因此采用水力坡度J 作為參考指標(biāo)。車(chē)站建設(shè)前原始水力坡度、車(chē)站建成后實(shí)測(cè)地下水水力坡度與計(jì)算值的對(duì)比關(guān)系如表3 所示。

表3 水力坡度原始值、實(shí)測(cè)值與計(jì)算值對(duì)比關(guān)系 Table 3 Comparison of original, measured and calculated value of hydraulic gradient

可以看出，車(chē)站建成后受到地鐵車(chē)站的阻隔作用，水力坡度會(huì)明顯減小，雖然仍會(huì)有一定的水力坡度，但這是由于理論計(jì)算時(shí)忽略了地下水從車(chē)站結(jié)構(gòu)兩側(cè)繞流情況而引起的?？偟膩?lái)說(shuō)，實(shí)測(cè)值與理論值的擬合度較高，該理論值的計(jì)算結(jié)果相對(duì)較保守，所以可作為設(shè)計(jì)參考依據(jù)。

2.3 抗浮設(shè)防水位

本工點(diǎn)場(chǎng)地的地下水穩(wěn)定，水位埋深0.7～3.7 m，高程介于19.94～22.92 m 之間，勘察期間(2016 年8 月)屬年較高水位期，基于3～5 年長(zhǎng)觀水位及降雨量資料(見(jiàn)圖5)，可按照文獻(xiàn)[12]提出的方法得到抗浮設(shè)防水位建議值(見(jiàn)表4)。 根據(jù)式(11)，考慮地鐵車(chē)站對(duì)地下水滲流阻隔作用，抗浮設(shè)防水位為Hf=22.92+0.60=23.52 m，故本次抗浮設(shè)防水位的建議值取23.52 m。

圖5 濟(jì)南市1956—2018 年降雨量 Figure 5 Rainfall histogram of Jinan City from 1956 to 2018

表4 基于觀測(cè)資料得到的抗浮設(shè)防水位一覽 Table 4 Anti-floating water level based on observation data m

2.4 地下水流量

地下水產(chǎn)生壅高的原因是地鐵車(chē)站阻隔了含水層中正常的地下水滲流，根據(jù)式(5)求得未建車(chē)站時(shí)流經(jīng)此位置的單寬流量q=1.5 m2/d；車(chē)站東西總長(zhǎng)度約350 m，受地鐵車(chē)站阻隔作用的總流量為Q=qB=1.5× 350=525 m3/d。因此，若想地下水滲流過(guò)程中不受地鐵車(chē)站阻隔影響產(chǎn)生壅高，則需采取措施排導(dǎo)的地下水流量為525 m3/d。

3 結(jié)語(yǔ)

1) 根據(jù)一維滲流理論，對(duì)未建地鐵車(chē)站時(shí)的地下水滲流情況進(jìn)行了分析，并結(jié)合鏡像原理及疊加原理，分析了地鐵車(chē)站對(duì)地下水滲流的影響機(jī)制，得到了受地鐵車(chē)站阻隔作用的地下水壅高值，以及地下水流量的解析式。

2) 運(yùn)用本研究得到的理論公式，分析了濟(jì)南某地鐵車(chē)站因受車(chē)站阻隔作用引起的地下水位壅高、地下水流量變化等，并提出了考慮地下水壅高的抗浮設(shè)防水位建議值。

3) 車(chē)站處受阻隔作用而產(chǎn)生地下水壅高值，與含水層的影響半徑、水力坡度等有關(guān)。在實(shí)際工作中，當(dāng)遇到具有一定的水力坡度的強(qiáng)透水含水層時(shí)，地鐵車(chē)站建成后可能產(chǎn)生的地下水壅高應(yīng)當(dāng)引起工程人員的重視。