淺析區(qū)域地下水控水帷幕帶關(guān)鍵部位的選擇
——以貴港市為例

◎覃劍文，覃 純＊，李俊志

1.廣西地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測站，廣西 南寧 530201

2.山東省煤田地質(zhì)局第四勘探隊，山東 濰坊 261200

在巖溶發(fā)育地區(qū)開挖深基坑時，強排地下水容易引發(fā)巖溶塌陷，對當?shù)厝藛T的安全、財產(chǎn)造成威脅。區(qū)域地下水位恢復是有效遏制巖溶塌陷的關(guān)鍵，準確選定截流控水注漿帷幕帶位置，可以有效治理巖溶塌陷地質(zhì)災害。

在止水帷幕的止水效果方面，蒲勇[1]在復雜巖溶地質(zhì)條件下，開展了抽水實驗；在地下連續(xù)墻施工方面，常龍等[2]分析了巖土分層特征，不良地質(zhì)和工程水文地質(zhì)等影響因素；徐木新[3]研究分析了巖溶地質(zhì)、高水位和與外界貫通條件等不利影響因素；王洪波等[4]運用水文地質(zhì)資料、地球物理探測及連通試驗手段，對南京上元門車站基坑巖性、巖溶裂隙發(fā)育特征及相對富水性進行深入研究，并根據(jù)薄弱地層圍巖及裂隙類型，對基坑涌水進行了有效治理。

上述文獻選定截流控水和注漿帷幕帶位置的方法較為簡易、直接，針對如何在條件復雜的城市巖溶塌陷區(qū)圈定關(guān)鍵部位不連續(xù)注漿帷幕帶的討論尚有欠缺。研究小組在充分研究貴港市建成區(qū)水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，運用多種物探相互印證、鉆探揭露關(guān)鍵巖溶通道等措施來確定截流控水帷幕帶并實施治理，遏制巖溶塌陷產(chǎn)生。

1 工程概況

廣西貴港市位于潯郁巖溶平原上，屬亞熱帶季風氣候區(qū)，城區(qū)主要以環(huán)城公路為界，總面積約160 km2，常住人口約60 萬人。建成區(qū)位于城區(qū)西北部，東起中山路，西至迎賓大道，南起新華路，北至桂林路，面積約15 km2。根據(jù)《貴港市建成區(qū)巖溶地面塌陷地質(zhì)災害治理工程勘查報告》（以下簡稱“勘查報告”）可知，該區(qū)域在2013年5 月至2019 年12 月期間進入了巖溶塌陷暴發(fā)高峰期，期間每年發(fā)生巖溶塌陷40 多處，塌陷坑總數(shù)200 多個，巖溶塌陷導致區(qū)內(nèi)道路毀壞、房屋毀壞、地下管道破裂等。據(jù)不完全統(tǒng)計，在此期間共造成直接經(jīng)濟損失500 多萬元，市本級財政投入治理費用超過3000 萬元。該區(qū)域地質(zhì)災害隱患直接對5000人生命財產(chǎn)構(gòu)成威脅，潛在經(jīng)濟損失約1.5 億元。

研究小組通過詳細勘查、準確定位，在治理區(qū)布置了2 段地下水阻水帷幕帶，確定66處巖溶塌陷隱患點。據(jù)《貴港市建成區(qū)巖溶地面塌陷地質(zhì)災害治理工程監(jiān)理工作總結(jié)》，地下水阻水帷幕帶竣工后，治理區(qū)地下水降落漏斗消失，基坑涌水由36000 m3/d 降低至不足1000 m3/d，基坑涌水減少98.7%。2019 年治理工程開始施工，2020 年治理區(qū)發(fā)生巖溶塌陷5 處。2020年底治理工程竣工后至今，沒有新的巖溶塌陷發(fā)生。

2 巖溶塌陷致災水文地質(zhì)條件

2.1 治理區(qū)巖溶發(fā)育強烈

據(jù)勘查報告統(tǒng)計，治理區(qū)入巖434 個鉆孔中，遇溶洞163 個，鉆孔遇洞率37.6%，線巖溶率為29.3%（埋深0～20 m），巖溶強發(fā)育。巖溶發(fā)育程度隨著地層深度的增大而減弱（見圖1）。

圖1 巖溶塌陷治理區(qū)巖溶發(fā)育與深度關(guān)系曲線圖

2.2 地下水補徑排條件復雜

治理區(qū)內(nèi)地下水賦存主要有2 種形式：碳酸鹽巖溶洞裂隙水、巖溶溝槽上層滯水。巖溶溝槽上層滯水主要賦存于溶溝、溶槽內(nèi)，呈條帶狀分布，與下部的溶洞裂隙水有較完整的碳酸鹽巖相隔，埋深淺，水量中等。下伏的碳酸鹽巖溶洞裂隙水，水量豐富，水文地質(zhì)單元面積大，補徑排條件復雜，在治理區(qū)內(nèi)呈樹枝狀分布。治理區(qū)地下水總體上自北向南徑流，由向斜兩翼向核部徑流，再沿核部向東徑流。北東側(cè)、北西側(cè)地下水強徑流帶在馬草江一帶匯合后，向東徑流，經(jīng)由馬草江公園—市檢察院—白溝井—東湖、郁江排泄。

地下水除接受大氣降雨入滲補給外，還接受北西側(cè)龍山一帶基巖裂隙水的側(cè)向補給。補給方式除分散入滲，還有地表水流沿落水洞、天窗直接灌入地下，治理區(qū)大量基坑也因此成為地表水直接灌入的通道。

治理區(qū)地下水在原始自然狀態(tài)下，主要以泉群形式在馬草江公園至貴港市人民檢察院一帶的溶潭、河流中排泄。深層地下水徑流至東湖一帶，于郁江排泄。淺層巖溶水形成的泉水流量較大，一般為5～100 L/s，洪峰期最大可達200～300 L/s，季節(jié)變化也大，多為季節(jié)性泉。受人類工程活動影響，萬豪基坑排水降深達18m，釣魚臺深基坑排水降深達10m，地下水以深基坑為排泄中心，形成局地性降落漏斗，改變了地下水流場。

2.3 地下水與地表水聯(lián)系密切

治理區(qū)地表水系發(fā)育，主要有鯉魚江支流木蘭河、馬草江等。木蘭河自西北方向流入，馬草江自北東方向流入，兩者最終在馬草江公園南側(cè)匯合后形成石鼓江，并向南徑流。木蘭河、馬草江河道斷面呈U 型，切割深度一般為3～10 m，寬3～8 m，水深一般為1～3 m。萬豪基坑東側(cè)110 m 處為馬草江，南側(cè)依次為景觀湖和木蘭河，距離分別為20 m和160m。地表水與地下水互補關(guān)系明顯，萬豪基坑實施大流量抽排地下水后，周邊的馬草江、木蘭河和景觀湖水位下降明顯，曾出現(xiàn)景觀湖干涸、河流斷流現(xiàn)象。

2.4 地下水動態(tài)變化分析

研究小組利用治理區(qū)18個地下水長期監(jiān)測孔成果繪制地下水等值水位線如圖2 所示、地下水位動態(tài)變化曲線如圖3 所示。由圖2、圖3 可知，治理區(qū)地下水動態(tài)季節(jié)性變化明顯，受基坑排水影響嚴重。ZK06 孔水位變幅為0.98～12.00 m，ZK13 孔水位變幅為3.70～11.47 m，受工程影響變幅大。ZK12、SEZK27 受基坑抽水影響，其水位埋深明顯低于其他監(jiān)測孔。

圖2 治理區(qū)監(jiān)測孔分布及地下水位等值線圖

圖3 治理區(qū)地下水位動態(tài)變化曲線圖

3 巖溶塌陷致災因素分析

3.1 地層巖性

治理區(qū)主要分布石炭系下統(tǒng)堯云嶺組（C1y）、石炭系下統(tǒng)英塘組（C1yt）兩組地層。堯云嶺組（C1y）為質(zhì)純灰?guī)r，巖溶發(fā)育。英塘組（C1yt）為灰?guī)r、白云巖局部夾硅質(zhì)巖。在硅質(zhì)巖與灰?guī)r、白云巖接觸帶，地下水易于賦存，受硅質(zhì)巖阻水作用，地下水容易形成泉水出露。研究小組據(jù)治理區(qū)巖溶塌陷分布圖分析，該區(qū)域受地層、巖性控制明顯。

3.2 地質(zhì)構(gòu)造

治理區(qū)位于貴縣向斜尾端、向斜核部，受構(gòu)造影響，巖體節(jié)理裂隙發(fā)育，主要有NW 向、NE 向2 個節(jié)理組，規(guī)模較大的節(jié)理帶寬度為1.0～2.0 m，裂隙間為泥質(zhì)充填，多為陡傾角節(jié)理，近于垂直，沿構(gòu)造節(jié)理裂隙走向常發(fā)育溶洞、溶槽或溶隙，構(gòu)成了地下水強徑流帶。NW 向、NE 向發(fā)育的F1、F2 斷層有明顯的隔水作用，形成地下水相對分水嶺，斷層外地下水向北東、南西向徑流，F(xiàn)1、F2 斷層間的地下水自北向南流，從向斜兩翼向核部徑流，形成相對獨立的水文地質(zhì)單元，地下水徑流受構(gòu)造控制明顯。

3.3 巖溶發(fā)育程度

治理區(qū)石炭系下統(tǒng)堯云嶺組（C1y）、石炭系下統(tǒng)英塘組（C1yt）兩組地層巖溶發(fā)育程度強，特別是堯云嶺組（C1y）為質(zhì)純灰?guī)r，巖溶發(fā)育最為突出。勘查報告統(tǒng)計分析了135份巖土工程勘查報告中的18166 個鉆孔，其中深大溶洞的鉆孔有160 個，主要分布在桂林路、布山大道一帶，巖溶遇洞率普遍＞20%，盛世嘉園—貴港城區(qū)公路管理局—家和居—貴港市財政局—馬草江公園東側(cè)—貴港市人民檢察院巖溶遇洞率＞30%，巖溶中等—強烈發(fā)育。研究小組分析發(fā)現(xiàn)，巖溶塌陷與巖溶發(fā)育程度高度一致，巖溶發(fā)育程度對塌陷的控制作用明顯。

3.4 地下水強徑流帶

據(jù)勘查報告，治理區(qū)共劃分了3 條主要徑流帶，命名為1#、2#和3#。2#強徑流帶由體育中心—華泰官邸—盛世嘉園—貴港城區(qū)公路管理局—家和居—萬豪基坑—馬草江公園—龍床井—白凹窩延伸，與1#、3#地下水強徑流帶匯合于白凹窩一帶，并由西向東于郁江排泄。其流向也基本與木蘭河流向（SEE 向）一致，帶寬在20～80 m 之間，深度在30～80 m 之間。在萬豪基坑邊的勘查孔內(nèi)的深度72 m 處發(fā)現(xiàn)高度為5 m 的溶洞，溶洞內(nèi)地下水與基坑涌水點有直接連通關(guān)系。2#地下水強徑流帶沿線深大溶洞、巖溶塌陷、溶潭、溶井發(fā)育，巖溶發(fā)育強烈。

由圖2 可知，治理區(qū)形成了一個以萬豪大酒店深基坑為中心的地下水位降落漏斗，平面形態(tài)類似鏟狀簸箕，其西側(cè)、南側(cè)的地下水位等值線驟降，影響范圍約330m；簸箕狀漏斗的開口端向北東，影響范圍最大達1200～1500 m。地下水降落漏斗中心深度約20 m，按2 km 的影響范圍來計算，降落漏斗邊緣水力坡度約為10‰。

塌陷點主要分布于主徑流帶及其影響區(qū)域內(nèi)，2013年塌陷主要發(fā)生在金港大道、公路管理局小區(qū)、港北區(qū)人民武裝部一帶。2013—2014 年，釣魚臺深基坑開挖，2015 年，布山大道、仙衣路、荷城中學一帶塌陷頻發(fā)。巖溶塌陷有逐年向地下水徑流帶上游發(fā)展的趨勢。

4 截流、阻流區(qū)域控水關(guān)鍵部位的圈定

4.1 注漿帷幕選擇條件

目標層具有較好的可注性；目標層具有適當?shù)暮穸龋荒繕藢右忻鞔_的主補給方向且該方向上占有絕大多數(shù)補給量；圈定集中徑流帶；查明不透水邊界。

4.2 注漿帷幕關(guān)鍵部位水文地質(zhì)條件分析

4.2.1 巖體可注性

萬豪基坑位于貴縣向斜核部，貴縣向斜軸向NE，在馬草東公園一帶受斷層F1、F2 共同作用，軸向偏轉(zhuǎn)呈NW—SE 走向。受斷裂構(gòu)造影響，治理區(qū)內(nèi)節(jié)理構(gòu)造較為發(fā)育，多具有NW 向、NE 向2 個節(jié)理組，規(guī)模較大的節(jié)理帶寬度為1.0～2.0 m，裂隙間為泥質(zhì)充填，多為陡傾角節(jié)理，近于垂直。節(jié)理裂隙縱橫交錯，使?jié){液在各個方向上擴散。深基坑長期大流量抽排地下水，形成了面積較大的降落漏斗，附近地層失水具備良好的注漿條件。

4.2.2 深度與厚度

在萬豪基坑邊勘查孔內(nèi)的深度72 m 處發(fā)現(xiàn)高度為5 m 的溶洞，溶洞內(nèi)地下水與基坑涌水點有直接連通關(guān)系。帷幕帶鉆孔深度、注漿層厚度確定為80 m。從巖溶發(fā)育深度，地下水深度連通關(guān)系方面看，注漿目標層厚度較大。注漿深度大于基坑深度（24 m）和地下水最深的通道底部深度（77m），地下水從帷幕底部繞流的可能性較小。

4.2.3 注漿帷幕帶可攔截大部分地下水補給

受NW 向、NE 向發(fā)育的F1、F2 斷層控制，治理區(qū)形成相對獨立的水文地質(zhì)單元。地下水自北向南流，在馬草江公園一帶折向東于郁江排泄。研究小組在馬草江公園一帶設置注漿帷幕帶，可攔截補給方向絕大部分地下水補給量。降落漏斗中心位于萬豪基坑邊，在基坑邊設置注漿帷幕帶也可以縮小帷幕帶寬度。

4.2.4 注漿帷幕帶選擇

根據(jù)勘查報告，治理區(qū)地表水系流向與地下水徑流方向基本一致。依據(jù)多項物探成果相互印證、鉆探揭露、連通試驗劃定和地下水等值線圖分析，研究小組認為萬豪基坑內(nèi)集中涌水點位于2#地下水強徑流帶上，萬豪基坑長期強排地下水是形成降落漏斗的根源，萬豪基坑與2#地下水強徑流帶有直接連通關(guān)系。在萬豪基坑邊設置注漿帷幕帶，可以直觀地反映注漿效果，形成截流、阻水帷幕帶，阻擋上游地下水。

4.2.5 不透水邊界

萬豪基坑東側(cè)巖性為質(zhì)純的灰?guī)r，巖溶發(fā)育強烈，基坑內(nèi)多處可見高大溶洞。馬草江從基坑東100 m 外經(jīng)過，東南側(cè)為溶潭、景觀湖，馬草江、溶潭、景觀湖均與地下水形成互補關(guān)系。研究小組選擇在萬豪基坑北側(cè)設置注漿帷幕帶，如果在萬豪基坑東側(cè)出現(xiàn)繞流，地下水與地表水即可恢復互補關(guān)系，區(qū)域地下水位可恢復到天然狀態(tài)。

萬豪基坑西側(cè)巖體完整，巖性為白云巖局部夾硅質(zhì)巖，硅質(zhì)巖相對隔水，形成了天然的隔水邊界，地下水不容易在這一側(cè)出現(xiàn)繞流。北側(cè)的注漿帷幕帶配合隔水邊界帷幕，能夠取得更好的截水效果。

4.2.6 誘發(fā)巖溶塌陷的深大基坑充水水源及導水通道分析

根據(jù)勘查報告，地下水在萬豪基坑內(nèi)的水頭高度可達2 m，壓力較大。萬豪基坑壁懸掛式泉點較少，研究小組分析，萬豪基坑突涌水的補給水源應為淺層地下水和深部紊流地下水。治理區(qū)北部地下水匯入地下水徑流帶，途中接受上層滯水和松散巖類孔隙水的補給，多條徑流帶最終于萬豪基坑涌水點匯集，形成了萬豪基坑的水源補給和導水通道。萬豪基坑的充水水源及導水通道模型如圖4 所示。研究小組認為，深層地下水徑流帶截流控水應是治理工程中的選擇重點。

圖4 萬豪基坑充水水源及導水通道模型示意圖

4.3 注漿帷幕關(guān)鍵部位的確定

研究小組認為，多條徑流帶匯集的關(guān)鍵位置為萬豪基坑北側(cè)東部區(qū)域，應將該區(qū)域作為帷幕截流控水的關(guān)鍵區(qū)域。帷幕注漿治理截流后，可有效控制2#主徑流帶，較大程度地阻斷金港大道南北側(cè)的水力聯(lián)系，恢復北側(cè)地下水位，降低治理區(qū)的巖溶塌陷風險。

5 治理效果

治理前，萬豪基坑涌水量為36000 m3/d。馬草江公園北側(cè)帷幕帶形成后，萬豪基坑東側(cè)地下水開始出現(xiàn)少量繞流，但涌水量不足1000 m3/d。各監(jiān)測孔地下水位平均漲幅4.12 m，治理區(qū)地下水位基本恢復正常，區(qū)域地下水降落漏斗基本消除，治理區(qū)內(nèi)塌陷地質(zhì)災害明顯減少。由此可見，實施截流帷幕帶成效良好。

6 結(jié) 語

廣西貴港市地質(zhì)環(huán)境復雜，深基坑長期強排地下水，引發(fā)大量巖溶塌陷地質(zhì)災害，給市民生命財產(chǎn)安全造成威脅。該市地下水徑流帶復雜、基坑多、抽排水強度大，車輛運行干擾、電磁干擾強，按常規(guī)方法難以確定截、阻流控水注漿帷幕帶部位。研究小組在充分研究該區(qū)水文地質(zhì)條件、詳細分析巖溶塌陷致災因素的基礎(chǔ)上，在地下水強徑流帶上劃定隔水邊界，初步擬定馬草江公園萬豪基坑作為注漿帷幕帶部位，并對選定的部位巖體可注性、注漿層厚度、充水水源、導水通道進行分析，論證注漿帷幕帶圈定的合理性。從施工成果看，注漿帷幕帶竣工后，區(qū)域地下水位上升明顯，有效遏制了巖溶塌陷發(fā)生。

此次研究僅考慮了截流注漿帷幕帶對上游地下水的攔截作用，缺少對可能出現(xiàn)的地下水繞流效應及其對區(qū)域地下水位上升影響的考量，在其他地區(qū)參照使用此方法時應補充。