北京下凹式立交橋雨洪水入滲技術與方案研究

江 劍（北京市地質工程勘察院，北京100048）

北京下凹式立交橋雨洪水入滲技術與方案研究

江 劍
（北京市地質工程勘察院，北京100048）

北京市夏季暴雨集中，易形成內澇災害，城市中西部區域屬于永定河沖洪積扇中上部區域，含水層為單一或2～3層的砂卵礫石，具備優良的水資源回灌條件，該區域可以利用不同的方式進行雨洪水的回灌，減弱雨洪水災害性，形成地下水資源。北京市城區分布大量的下凹式立交橋，由于地勢低、匯水條件強，排水壓力增加，更易形成災害，針對北京西部分布的下凹橋區的雨洪水解決對策，本文以石景山麻峪橋區為例，在地下水回灌試驗的基礎上研究了雨洪水入滲的技術。研究證實，下凹式橋區可建設入滲池、管井、大口井、輻射井4個回灌方案解決積水問題。論文研究成果為北京立交橋城市暴雨積水解決、城市排水防澇工程體系提供了依據，對城市防洪減災具有重要意義。

雨洪水；地下水；人工回灌；回灌能力；防洪

0　引言

北京市屬于大陸性季風氣候，80%的大氣降水集中了年內7—9月份，受氣候影響，降水季節頻現暴雨現象，雨水短時集中排洪壓力陡增，常形成內澇積水、造成交通癱瘓，甚至形成洪澇、地質災害，威脅城市安全（朱文君，2012）。北京市各條道路主干道上分布有大量的下凹式立交橋，橋區地面下凹、地勢低，匯水條件好，進一步加劇了雨洪水災害發生的可能性和危害，例如“7·21”暴雨造成城區蓮花橋、復興門橋、東直門橋等共95處道路發生積水斷路，“6·23”暴雨造成蓮花橋、豐益橋、豐北橋等20處道路積水中斷，對城市交通、居民生命財產造成了極大損害。為此，北京市提出下凹式立交橋雨洪泵站改造規劃，按照排、蓄、滲的方針控制利用橋區雨洪水，提高防洪性能。

雨洪水既是一種災害因素，又是一種資源，下凹橋區可以利用積蓄池、回灌井等回灌方式，將雨洪水快速入滲地下，緩解暴雨時間城市河道管道排洪壓力，減少災害發生。本文在地下水回灌方式選擇的基礎上，以麻峪下凹式立交橋橋區為典型區域，通過地下水回灌試驗，計算了入滲能力，結合橋區水文地質和現場環境提出了4種回灌方案，研究成果為下凹橋區的改造及暴雨防災減災提供了依據。

1　區域概況

北京市城區位于太行山山前地帶，地形西高東低，坡降為1‰～3‰，西部邊緣海拔為200～700m的低山丘陵，城區地面標高一般在60m以下，市中心海拔43.71m。區內第四系地層山前薄、平原區厚，由西向東由數十米增至數百余米。第四系主要由河流沖洪積作用形成，含水層巖性與結構具有明顯的規律性：西部山前到東部平原沉積物顆粒由粗變細，含水層結構由單一層逐漸過渡到多層，地下水類型由單一潛水逐漸過渡為潛水、承壓水。區域地下水由山前向平原，由北西向南東流動，西部、西北部地下水標高大于50m，埋深超過40m，東部、東南部地下水位標高在16m左右，地下埋深在15m左右。

20世紀80年代后，受北京市地下水大規模開發和氣候干旱影響，特別是1999年后的連續干旱，地下水超采程度加大，區域地下水位連續下降。為此，北京市開展了大量的工作研究地下水回灌問題（劉家祥等，1988；北京市水文地質工程地質公司，1985；北京市地質礦產勘查開發局，2008）。由于沖洪積扇中上部區域第四系含水層顆粒相對粗、開放性好，具有良好的人工補給條件，特別是城區西部地帶含水層為單一或2～3層的砂卵礫石結構，地下水回灌條件優良，可以利用砂石坑、河道渠道、回灌水井進行水資源回灌（圖1）。北京市先期整治的20座下凹式立交橋可以利用入滲池、管井、輻射井進行雨洪水的回灌，解決排洪問題同時增加地下水資源。

圖1　北京市城近郊區水文地質圖Fig.1 Hydrogeologic map on the suburbs and city of Beijing

2　雨洪水人工回灌技術與適宜方式

2.1地下水人工回灌研究狀況

雨洪水回灌技術屬于地下水人工回灌研究范疇，地下水人工回灌又稱地下水人工補給或地下水人工回注，一般指利用天然場地或人工設施將地表水或其他來源的水注入地下的行為（供水水文地質手冊，1983）。18世紀末歐洲法國、英國開始研究地下水人工回灌問題，20世紀中期以后世界水資源短缺，地下水回灌研究、工程實踐逐漸興起，比較典型的有美國、荷蘭、日本等（張學真，2005）。美國1889 年在南普拉特河沖積扇首次以蓄洪補給地下水。20世紀50年代在加州濱海地區、奧倫奇市等地利用井灌、河道、人工湖等進行地下水人工補給，20世紀70年代為解決城市防洪問題提出“就地滯洪蓄洪”方案，并在開始實施“含水層儲存和回采工程（ASR）計劃”利用含水層調蓄水資源，典型工程有加州富雷斯諾市的“Leaky Areas”地下水回灌系統、芝加哥曾修建了地下隧道蓄水系統（李恒太等，2008）。荷蘭地下水補給工程96%為砂丘入滲系統，典型工程為阿姆斯特丹供水公司的河流-沙丘供水系統（River-Dune Water Supply System），可提供6600×104m3地下水用于供水。日本是城市雨洪利用較早的國家，1980年開始推行雨水貯留滲透計劃，利用滲井、滲溝、滲池等入滲設施將地面徑流就地人滲地下，控制徑流匯集、減小洪峰流量、補給地下水。國內走在地下水回灌研究前列的省市有北京、天津、陜西、浙江等地，20世紀50年代末上海開始采用廢棄深井回灌的方法增加深井的出水量。1963年，上海市廣泛開展人工補給地下水研究和運用，以控制地面沉降（費瑾，1982；上海地質礦產局，1986）。60年代末，北京在石景山、密云、順義等地開始地下水回灌研究，利用砂石坑、河渠、大口井開展了大量的回灌試驗工作，提出了相應的調蓄方案。

2.2橋區雨洪水回灌適宜方式

地下水直接回灌方式，包括地面入滲和地下灌注兩種。地面入滲法，又稱淺層回灌法或水擴散法，主要是利用水庫、坑塘、水池、洼地、河床、溝道等地面集輸水工程設施，依靠地表水和地下水之間的天然水頭差入滲地表水，補給地下水。地面入滲法常需要借助自然條件如天然河道、洼地，工程面積大，需要地表之下土層有良好的入滲地質條件。地下灌注法是指采用管井、大口井、大口井輻射井、坑道將水回灌地下補給地下水的方法，地下灌注法具有多種優點，包括：不受地形條件限制、不受弱透水層與地下水位限制、受地面條件影響小、占地面積小、回灌量大、應用靈活等，因此廣受應用。北京地區曾利用大口井、深井等方式進行回灌，例如1980年利用首鋼大口井進行回灌試驗，大口井深25m，直徑8m，回灌量可達0.5～0.1m3/s。

由于北京市下凹橋區面積狹小，地勢低，雨洪水多為短時暴雨，四周匯水造成橋區大量積水，短時排水進入河渠十分困難，并且城區河渠多襯砌，難以入滲，不具備灌溉入滲的條件。因此，不能使用灌溉、渠道、河流等方式入滲，北京市下凹式立交橋改造計劃將建設蓄水池，因此，地面入滲法中的滲透池法可以用作下凹橋區雨洪水的入滲。另外，管井、大口井、地下坑道等地下灌注法占地面積小、入滲量大，因此，地下入滲法也可作為橋區雨洪水入滲的方式。北京市下凹橋區雨洪水可利用的方式及條件見表1。

表1　下凹橋區雨洪水回灌方式表Tab.1 Artificial recharge methods on the rain flood in sunken overpasses

3　地下水回灌試驗

通過地下水回灌試驗研究麻峪橋區雨洪水回灌方案，麻峪下凹式立交橋位于北京門頭溝與石景山交界地帶、西部主干路阜石路之上，屬永定河沖洪積扇頂部地帶，橋區地層第四系厚度約40m，表層為約7m砂質粉土填土，下部約33m的砂卵礫石層，地下水位埋深28m。2013年7.21暴雨該橋區匯集水量達54000m3。

3.1試驗區概況

由于麻峪橋區不具備試驗的水源、輸水等試驗條件，選擇同屬于永定河沖洪積扇頂部的首鋼區域進行試驗，利用試驗場的地下水源熱泵系統進行試驗。試驗場有#1-#5共5眼抽灌井、2眼沉砂井，見圖2。試驗區地層地表為0～7.5m的粘砂，含水層為砂礫石夾；抽灌井管徑均φ529mm、深度為79～88m；沉砂井井深20m，各抽灌井下入自動水位計進行試驗。

圖2試驗場設施平面分布圖Fig.2 Plane distribution of the facilities in the test site

3.2試驗過程與結果

試驗分兩個過程。第一過程利用#5開展抽水試驗，時間為9小時，抽水時#1、#2、#3、#4水位沒有變化，#5抽水數據見表2。

表2　#5抽水試驗數據表Tab.2 Pumping test data of the No. 5 well

由于#5抽水時#1、#2、#3、#4水位沒有變化，說明#5抽水對其下游的水井沒有影響，可以利用#5抽水水源通過熱泵系統灌入其他井進行試驗，因此第二階段進行定流量回灌試驗，將#5抽水水源回灌到#2中，#1、#3作為監測井，回灌試驗流量148m3/h，進行17d，各井水位變化見圖3，數據見表3。

表3　回灌試驗各井水位變化數值表Tab.3 The changes value of well Water level during the artificial recharge test

試驗結果圖3顯示：抽水井#5水位出現短時的下降，其后比較穩定；監測井#3水位一直比較穩定；監測井#4水位持續上升；回灌井#2前期水位持續上升，360小時后出現穩定。可知，試驗期間區域水位變化不大，可以利用回灌井#2和監測井#1數據進行水文地質參數計算。

圖3　回灌試驗各井水位變化圖Fig.3 The changes of well Water level during the artificial recharge test

3.3結果計算與探討

利用抽水試驗數據進行滲透系數計算，計算公式為：

式中：K為滲透系數（m/d），Q為抽水流量（m3/d），R為抽水影響半徑（m），S為水位降深（m），H為含水層厚度（m）。

由于抽水時距離抽水井#5為81m觀測井#4水位沒有變化，并且回灌試驗時距離回灌井48m處監測井水位沒有變化，36m處監測井水位上升1.54m，參照上述數值取R為45m；#5含水層厚度為42.55m；將表2數據代入式（1），求得K為83.03m/d。

回灌試驗為1眼回灌井、1眼監測井系統，利用表3試驗數據進行滲透系數的計算，公式為：

式中：K為滲透系數（m/d）；Q為回灌流量（m3/ d），根據試驗監測數據Q為3550m3/d；r1為觀測孔#1到回灌井距離（m），為36m；rw為回灌井半徑（m），為0.2645m；H為含水層厚度（m），根據回灌井地層含水層厚度和回灌時初始水位，確定H 為35.13m；S為監測井#1水位上升值（m），Sw為回灌井#2水位上升值（m）。根據表3數據計算S、Sw，S平均值為6.18m，Sw平均值為2.12m。將數據代入式（2），求得K為24.81m/d。

兩種方法求取得滲透系數對比顯示出較大的差異，經分析認為是在回灌時回灌井中的水位高于回灌井外的實際地下水位，井損造成計算K值偏小。也就是說，由于井損的存在，當進行水資源回灌時，利用抽水試驗求取的滲透系數和回灌井監測水位代入式（2）求取回灌量時，滲透系數應該乘以一定的系數，即式（2）相應調整為：

式中α為系數，根據本次抽水試驗和回灌試驗求取的滲透系數，可計算得α為0.289。利用該系數可以進行橋區雨洪水入滲時的回灌量的計算。

4　麻峪橋回灌方案研究

根據前述橋區雨洪水適宜性分析結論，麻峪橋區適宜回灌的方式有滲透池法、管井回灌、大口井、輻射井及滲水廊道，相應可設計4種方案進行雨洪水回灌。

4.1入滲池方案

麻峪橋區改造方案中建設的蓄水池長31.95m、寬25.00m，有效水深4.8～7.2m。可將該蓄水池建設成為底部入滲的滲透池，并預留蓄水池、過濾池、沉淀池等水處理池及回灌池，取入滲池面積為100m2，進行雨洪水入滲，該方案統稱為入滲池法。入滲池的回灌通過池底面入滲時，回灌量可以用一維流來進行計算，計算公式為達西定律公式：

式中：Q為灌入土壤中的水量（m3/d）；K為池底土體的垂向滲透速度（m/d）；Sa為入滲池底的面積（m2）；I為垂直入滲水力梯度，其值約為1。

取麻峪橋區垂向滲透系數約為30m/d，代入式（4）計算，得100m2入滲池理論入滲能力為3000m3/d，如要解決“7·21”暴雨的54000 m3雨洪水理論上需18d。

4.2管井入滲方案

可在麻峪橋區入滲池周圍新建回灌井，進行雨洪水的回灌。管井回灌采用重力回灌，滿足裘布衣公式計算條件，可利用式（5）計算潛水含水層回灌水量（考慮井損公式乘以折減系數）。

式中：Q為單井回灌量（m3/d），K為滲透系數（m/d），H0為潛水含水層厚度（m），R為回灌影響半徑（m），h0為回灌穩定水位（m），rw為管井半徑（m），α為考慮井阻等效應的回灌量折減系數。

方案設計回灌管井為潛水完整井，井徑529mm；麻峪地區潛水水位高度為12m；式（5）中的折減系數α與回灌井回灌水位相關，由于缺乏α與回灌水水位的關系數值，因此采用回灌試驗中水位在6m的系數0.289，相應回灌井中水位升高值Sw為6m，確定h0為18m；影響半徑為150m。將各參數帶入式（5），計算出單眼井的理論入滲量為8036m3/d，取8000m3/d；擬在在調蓄池四角各布置1眼管井，共4眼回灌管井，不考慮管井相互影響總回灌量可為3.2萬m3/d。如要解決“7·21”暴雨的54000 m3雨洪水理論上需1.7d。

4.3大口井回灌方案

一般將井徑大于2m的管井稱為大口井，北京在施大口井井徑為2～3m，井深至水位以上，混凝土井壁上設置回滲孔，采用人工方式開挖。大口井回灌示意圖見圖4。

圖4　大口井回灌示意圖Fig.4 The recharge schematic view on large opening well

本方案設計大口井直徑3m，擬在入滲池四角設置4眼大口井，井深為28m，井壁、井底同時滲水，屬于非完整井，可采用公式（6）計算入滲能力：

式中：Q為單井回灌量（m3/d）；K為滲透系數（m/d）；h0為潛水位至井底的高度（m）；S為回灌井中水位上升值（m）；R為回灌影響半徑（m）；r為大口井半徑（m）；α為考慮井阻等效應的回灌量折減系數。相應確定計算參數，見表4。

表4　大口井回灌量計算參數表Tab.4 The Parameters to Calculate the recharge water yield using large opening well

各參數帶入式（6）計算出單眼大口井的理論入滲量為5453m3/d，取5500m3/d；可在調蓄池周圍布置4眼回灌管井，不考慮回灌井相互影響計算總回灌量為22000m3。如要解決“7·21”暴雨的54000m3雨洪水理論上需要2.5d。

4.4輻射井回灌方案

輻射井回灌是在大口井的側壁增設水平井，水平井延伸到主要含水層，輻射井回灌量包括井底及側壁的滲透量及水平井滲透水量，其回灌形式見圖5。

圖5　輻射井回灌示意圖Fig.5 The recharge schematic view on radiant well

輻射井回灌量計算可以在大口井回灌量的基礎上疊加上水平井的回灌量而求得，水平井回灌水量按照如下公式計算：

式中：Q為輻射井豎井總出水量（m3/d）；A為水平井干擾系數，α為1.609/n0.6864；n為輻射管根數；q為水平井單井（管）滲水量（m3/d），可用式（8）計算：

式中：L為水平井長度（m），設計輻射井單根輻射管長度5m；m為回灌井中水位至地下水位含水層厚度（m）；h為靜水位至井底含水層厚度（m）；ζ為折減系數，設計輻射井中控制水位m為6m，折減系數取0.289。單根輻射管入滲量計算參數取值見表5。

表5　大口井回灌量計算參數表Tab.5 The Parameters to Calculate the recharge water yield using radiant well

經計算輻射井單井理論入滲能力為14252m3/d，取輻射井單井能力14200 m3/d。在該區入滲池的4角設置4眼輻射井，總能力可達56800m3/d，理論上1d即可入滲“7·21”暴雨的54000m3雨洪水。

表6　麻峪橋區雨洪水入滲方案匯總表Tab.6 summary of artificial recharge programs to solve the rain flood problem in MaYu bridge

4.5推薦回灌方案

將前述4個回灌方案匯總，見表6。上述方案對比，輻射井回灌能力較大，推薦采用輻射井方案進行麻峪橋區雨洪水的入滲。

5　結論

雨洪水入滲補給是雨洪利用、增加地下水的重要途徑，但是國內外多地的地下水人工補給工程建設和運行不可避免遇到兩個問題，一個是雨洪水的水質問題，另一個是回灌過程中的堵塞效應，極大地影響到了回灌工程的建設、運行和管理。雨洪水一般水質較差，尤其是前期雨洪水懸浮物多、有機物含量多、水質指標差、成分復雜，中后期雨洪水水質較好，但是整體水質清潔，各污染物含量均遠遠低于城市污水，其回灌地下是可能的。建議下凹橋區雨洪水先期以排為主，其后進行回灌；雨洪水回灌工程需設置必要的過濾、沉淀甚至絮凝設施，進行水質的預處理，下凹橋區回灌工程可在回灌池、回灌井中加入砂、礫石及其他填料，進一步過濾雨洪水，并且對回灌工程定期維護，進行填料清除、回揚、洗井等，保證工程效益發揮。

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Research on the Water Infiltration Technology during the Rainy Seasons in the Recessed Overpass of Beijing

JIANG Jian
（Beijing Institute of Geological & Prospecting Engineering， Beijing 100048）

Beijing is easy to suffer rainstorm disaster in summer due to heavy rains. The central and western areas belong to the upper area of alluvial-proluvial fan of the Yongding River， the aquifer is composed of unilaminar or stratified layers of goose soft stone which provides good condition for water recharge. Water in this area can be recharged in different ways to control rainstorm disaster and form underground water resource. There are many recessed overpass in Beijing city， because of low lying， strong catchment， dewatering stress increasing and disaster is easier to occur. Towards the solution for flood in recessed overpass area in west Beijing， this paper uses the case of Mayuqiao area in Shijingshan， based on underground water recharge experiment， to study the technology of flood infiltration. According to the research， infiltration pool， tube well， dug well and radial well can be built to solve hydrops problem. The research result provides basis for solving rainstorm hydrops and system of dewatering and flood control in overpass areas in Beijing， which is important for flood disaster control in the city.

Rain flood； Groundwater artificial recharge； Recharge ability； Plood protection

P641.25

A

1007-1903（2016）01-0062-07

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.01.013

基金課題：北京市地質礦產勘查開發局2013地質科研資助項目（dkjdzky2013006）。

江劍（1975 - ），男，碩士，主要從事水文地質工作、淺層地溫能開發利用研究；E-mail：szy_bj@263.net