地鐵建設對白沙古井的影響分析

彭柏興

(長沙市勘測設計研究院，長沙 410007)

0 引言

城市地鐵主要以地下線為主，對城市地下水環境的影響主要表現為:阻滯地下水的排泄、引起地下水位升降、誘發地表水體與地下水貫通，加重地下水的污染［1］;當隧道穿越城市古河道且與主要導水層重合時，導致區域地下水環境發生改變［2］;地下結構影響過水斷面，地下水位局部壅高，對一些中、低層建筑物的安全和防水性能相對較差的地下室或地下停車場的正常使用造成一定影響［3］。

白沙井自古為“長沙第一泉”，對歷史文化名城長沙有著特殊意義。長沙地鐵1號線從白沙古井附近通過(見圖1)，盡管有專家認為線路對白沙井基本沒有影響［4］，但廣大市民對當年“白沙井斷流”記憶猶深，針對地鐵工程對白沙古井的潛在影響反響很大［5-6］。文章在分析區域地質、水文地質資料基礎上，厘定了白沙井含水層的分布范圍和補給水源，分析了水量變化原因，對地鐵1號線工程對白沙井的影響進行了探討，提出了相應措施。

1 關于白沙井保護的論爭及觀點

1.1 建房之爭

1999年，某單位擬在白沙井后白沙嶺修建宿舍。市政府聽取了地質專家和廣大市民的意見及媒體呼吁［5］，宿舍停建。

1.2 斷流之害

2001年，賀龍體育館重建。人工挖孔樁穿透白沙井含水層，施工排水導致白沙井斷流。后采用回灌手段恢復地下水位。

1.3 2種觀點

文獻［4］認為:白沙井附近的區間線路主要從含水層下的黏土和基巖中穿過，對白沙井基本沒有影響。地鐵1號線由芙蓉路改至黃興中路轉勞動路，恰恰體現了尊重“保護白沙井”的民意。

圖1 地鐵1號線與白沙井關系圖Fig.1 Relationship between Metro line 1 and Baisha well

文獻［6］認為:地鐵1號線工程將古湘江主河槽的白沙井組含水層一分為二，導致水源層變窄，將出現無水可供局面。白沙井組含水層之下的地鐵如同開了一條排水溝，最終可能導致“失去白沙井”，呼吁1號線局部改道。

2 白沙井的水文地質條件

2.1 區域地質特征與氣象、水文

長沙地貌分為剝蝕構造丘陵與河流堆積階地兩類:北、西、南三面環山，中、東部為湘江、瀏陽河階地，階地自南往北由老至新遞降。

長沙屬亞熱帶濕潤季風氣候區，多年平均降雨量1 394.6 mm，每年4—8月的降雨量約占全年80%。區內主要河流為湘江、瀏陽河、撈刀河及靳江河，湘江由南而北縱貫城區，多年平均水位29.48 m，最大變幅達13.83 m，對市區地下水影響最大。

地鐵沿線第四系地層具典型河流相二元結構，由粉質黏土和砂礫石組成，基底為白堊紀、泥盆紀及震旦紀巖層。地下水以砂礫層中的孔隙水為主，局部分布巖溶水，基巖裂隙水不甚發育。孔隙水具有埋藏淺、變幅小、季節性變化明顯等特征，補、排、徑流特點如下:

1)補給。補給源為大氣降水、地表水入滲和地下徑流。水平方向上由南往北、高階地向低階地;垂直向上，下伏土層接受上覆土層的滲透補給;

2)徑流。高階地的地下水向低階地徑流，低階地的地下水向河谷徑流，徑流大致與河流方向垂直;

3)排泄。主要為泉、蒸發和人工開采。

2.2 地層結構

白沙井出露于湘江東岸Ⅲ級階地中，從上而下分為4層:

1)粉質黏土。棕紅、褐黃色，網紋結構，硬塑-堅硬狀，滲透系數為0.24 m/d，厚度為4.0～9.5 m。

2)中粗砂。褐黃色，石英質，濕-飽和，松散-稍密，含黏土15% ～30%，透鏡狀分布，滲透系數5.0m/d，層厚為0.5～2.8 m。

3)卵石。灰黃、淺黃，中密-密實狀，飽和。卵石含量50% ～70%，粒徑2～5 cm、大者20～30 cm，次圓-圓狀，中粗砂充填。滲透系數為20.0 m/d，層厚為5.6 m左右，最小3.0 m(見圖2)。卵石層頂板標高最高58.10 m，最低54.22m，平均標高55m，為白沙井之含水層。

4)基巖。白堊紀泥質砂巖，膠結緊密，為隔水層。基巖頂板標高總體上由東向西傾斜，與地下水徑流方向一致。

圖2 砂卵石層厚度等值線圖［4］Fig.2 Contour map of thickness of gravel strata

2.3 白沙井的成因

白沙井位于南北向展布的槽谷東側砂卵石層被切割的斜坡地帶，西側地形較高，標高60.0～63.0 m;東為高達14 m的陡坎，坡底高程49.36～51.36 m。孔隙水在內迭階地上由高階地流向低階地過程中，在溝谷切割較深部位以泉的形式排泄，為侵蝕下降泉(見圖3)，泉口地表標高50.71 m。

圖3 白沙井出露地層示意圖Fig.3 Sketch of outcropping stratum of Baisha well

3 地鐵工程對白沙井的影響分析

3.1 含水層的界定

白沙井組砂礫層是地下水的蓄水層和導水層，厘定白沙井含水層的分布范圍十分必要。有的專家將白沙井補給范圍桎梏于白沙路、人民路、芙蓉路、勞動路轄持的0.4 km2之內;一些專家則認為白沙井含水層南北向長數km，東西寬數百m到千余m［4］。上述觀點忽視了新構造運動的抬升與掀斜對含水層厚度及分布的影響。文獻［4］更是將中更統洞井鋪組、新開鋪組與白沙井組模糊化。

中新生代以來，湘中、湘北地區上地幔活動出現“三盆”隆起區(麻陽、洞庭、衡陽3盆地)，地殼厚度僅30 km。長沙地區位于洞庭、衡陽2個莫霍面隆起地區之間的洞庭坳陷南緣，由北往南，奠霍面隆起逐步下降，從而決定了長沙地區南升北降的運動模式。長沙第四系地層的沉積特征［7］表明:新開鋪組與洞井鋪組均為河流與湖泊交替出現的古地理環境的沉積物。砂礫石偏度分析結果反映新開鋪組的水動力條件比較平穩，當時長沙地區可能為廣闊湖面，豐水期可與古洞庭湖連通。白沙井組底部則為河流沉積，沉積物質來源主要是湘江及瀏陽河兩大水系，其底部的粗碎屑表明盆地周圍有一段快速上升的歷史。可見，白沙井組與新開鋪組2個地質時期的新構造運動強度、幅度存在明顯差異［8］。

區內基巖頂板等高線圖(見圖4)為上述觀點提供了證據［9］:在白沙井附近基巖的標高為36 m左右，白沙井東側賀龍體育館臺地的基巖標高46 m左右，往西于城南西路基巖標高在50 m以上，成為地下水徑流的“阻水丁壩”。基面頂板標高等值線圖表明，新構造運動形成的由南向北掀斜，形成了一個近SN-NW向的分水嶺，地下徑流并非完全的南北向。

3.2 地下水的補給來源與范圍

城市地下水的補給主要有3種來源:大氣降水、地表水輸入和區外地下水輸入［10］(見圖5)。

根據監測資料，白沙井的泉水流量最大4.46 L/s，最小0.41 L/s，年平均流量為2.17 L/s。其水源主要為大氣降水和地下徑流，大氣降水最終經下滲轉化為地下徑流。大氣降水的補給范圍可用降雨入滲系數法推測

Q年=1 000·α·F·A。

式中:Q年為泉流量，m3/a;A為多年平均降雨量，mm;F為補給面積，km2;α為降雨入滲系數，據經驗取0.02。

由長沙多年平均降雨量和白沙井平均泉流量可估算出白沙井的補給面積達2.45 km2。考慮城區建筑物和交通網絡對真實補給面積的影響，且Ⅲ級階地后緣砂卵石層和IV級階地砂、卵石層有一定連通，其補給范圍應延至南端的Ⅳ級階地。

圖4 場地附近基巖頂板等高線圖Fig.4 Contour map of bedrock roof

圖5 城市地下水補給及傳輸［10］Fig.5 Recharge sources and pathways of urban ground water

白沙井附近區域的等水位線圖(見圖6)反映了地形地貌對地下水流向的影響，區域地下水總體流向為自南向北，在白沙井區域則轉向北西。

圖6 白沙井附近的等水位線圖Fig.6 Contour map of ground water level

3.3 水量的動態變化特征

長沙市環境監測站對白沙井的長期監測資料顯示，13年前白砂古井的流量動態反應為明顯的豐、枯水期，而目前白沙井的流量動態基本穩定在1～1.5 L/s，相對于13年前的數據，泉流量有變小的趨勢(見圖7)。無獨有偶，湖南省地質環境監測總站設置在湘江二級階地開福寺與湘雅路附近的鴛鴦井監測孔的地下水位動態也呈階段性緩慢下降趨勢(見圖8)。觀測井水量減少的根本原因是補給面的減少。

圖7 白沙井地下水流量動態變化Fig.7 Time-dependent variation of groundwater flow of Baisha well

圖8 鴛鴦井1999—2009年地下水水位動態變化Fig.8 Time-dependent variation of groundwater level of Yuanyang well from 1999 to 2009

3.4 地鐵工程對白沙井水環境的影響

地鐵工程對地下水環境的影響分為施工期間的影響和建成后的潛在影響。施工影響表現為施工降水和止水措施引發的地下水動力場和化學場變化;建成后的影響表現為影響地下水的過水面積和水力坡度，進而改變地下水徑流條件。后者具有“滯后性”和“累積效應”［11］，更應引起重視。

3.4.1 車站基坑施工降水的影響長沙地鐵站點均采用明挖施工，其前提必須降水或止水(見圖9)。在白沙井水地下徑流方向，上述觀測井的水量減少的根本原因是補給面的減少。自南而北，有新建西路站(CK23+98)、赤黃路站(CK22+588)、南湖路站(CK21+732)和侯家塘站(CK20+672)，均在含水層中施工。故需考慮降水漏斗對白沙井水源的影響。工程施工降水影響范圍可按下式估算

式中:r0為基坑等效半徑，m;A為基坑面積，m2;K為滲透系數，m/d;S為降深，m。

圖9 單一含水層圍護結構示意圖Fig.9 Retaining structure in single aquifer

當不采取隔水、止水措施時，以位于白沙井東南向約400 m的田漢大劇院的侯家塘站為例，其影響半徑達 297.12 m，總涌水量 1 710.25 m3/d［12］。體育場擴建、田漢大劇院附近高層建筑基坑排水時，均造成白沙井水量干枯或減少，正是因為降落漏斗影響到白沙井補給源范圍所致。

3.4.2 隧道結構對地下水徑流的影響

隧道結構的主體全部位于潛水面以下，施工降水深度都在5 m以上。長距離、大降深的線狀工程施工降水對環境產生的擾動是地鐵工程需要考慮的重要問題之一。

地鐵1號一期工程為水平間距在10～15 m、直徑6 m的2條平行隧道。自芙蓉路向北，由新建西路站—赤黃路站—南湖路站—侯家塘站3個區間中，地面標高由75m—67m—68m—57m，含水層的坡降與地面標高基本一致，隧道大部分段需穿過白沙井組Q2b和新開鋪組Q2x的砂卵石含水層，線路與地下徑流相交。隧道結構在減少蓄水空間的同時也減少了地下水的過水斷面。由公式Q=kωI(Q為單位時間內過水斷面ω的流量，K為滲透系數，I為水力梯度)可知，假設滲透系數不因施工而改變，僅過水斷面改變，地下水的流量也是不容忽視的。

若考慮地下水補給面積因城市建設造成的折減，隧道結構對整個含水層的過水面積的影響更顯突出。

3.4.3 地下水壅高

車站基坑和隧道結構占據部分含水層，減小了地下水過水面積，使地下水的補給受阻而改變地下水的徑流場。一般地，在迎水方向一側，因徑流受線路結構阻擋而使地下水位局部壅高，另一側因接受補給量減少而使水頭降低，減緩了水力坡度和流速，導致排泄泉點水量減少。

3.5 減緩地下水影響的措施

地鐵隧道和車站對地下水徑流的阻礙作用，可通過工程措施來有效減緩其對地下水的影響:

1)調整隧道底板標高，減少隧道和車站占據主要含水層厚度空間的比例。如在地下徑流方向，盡可能將地鐵工程置于非含水層中。

2)采用敷設涵管達到減輕地下水位“壅高”。

3)在明挖施工的車站和隧道區段，采用在頂部回填一定厚度透水的砂卵石層，以增加地下水的滲量，達到減少地下水位壅高影響。

4)區間優先采用盾構法施工，對站點采用地下連續墻隔水，基坑內外地下水無水力聯系，可減少施工降水影響范圍和程度。

4 結論

1)白沙井水來源于白沙井組，該地層受新構造的影響主要集中于二環線以南區域。對白沙井水源保護僅拘泥于井址附近有失偏頗。

2)監測資料表明白沙古井有下降趨勢，其流量已無季節性變化規律，城市建設中的深大基坑大大減少了過水斷面，地面硬化和城市化又大量削弱了地表徑流的補給面積，地鐵1號線的建設必然會加劇這一影響，采取預防措施是十分必要的。

3)長沙已于2007年被國務院批準為“兩型社會”試驗區，地下工程建設如何保證人與自然和諧是科學發展觀的具體體現。在工程實踐中，加強地下空間的工程地質、水文地質研究，是城市地下空間開發建設的基本保證。

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