地下水回灌技術在海綿體城市建設中的應用

張戰勝 盧士濤 韋九洲 李亮亮 許濤濤

摘 要：濟南作為建設海綿體城市試點之一，基坑排水需要進行回灌。作者通過以濟南某地鐵車站基坑排出的地下水如何進行回灌開展論述。首先通過試驗對比各地層的回灌量，確定回灌地層；然后通過單井回灌量確定回灌井的布置方案，最后形成回灌系統，將基坑排出的地下水基本回灌到地下相應地層中。

關鍵詞：地下水； 滲透系數； 回灌井； 回灌量

【文章編號】1627-6868（2016）06-0006-03

引言

濟南作為“泉城”，聞名于世，目前作為國家海綿體城市建設第一批試點城市之一，再一次出現在公眾視野之中。海綿城市建設的要點就是要遵循生態優先等原則，將自然途徑與人工措施相結合，在確保城市排水防澇安全的前提下，最大限度地實現雨水在城市區域的積存、滲透和凈化，促進雨水資源的利用和生態環境保護。

濟南作為新興的一線城市，城市基礎建設正在大行其道。而城市基礎設施建設必然涉及到地下工程和基坑開挖，濟南地下水較豐富，開挖基坑不可避免需要外排地下水，及時做了相應的止水帷幕也需要降排水，未進行海綿體城市建設之前，基坑排水一般直接進入了雨水管道，地下水白白浪費。為了做好濟南市試點海綿體城市建設，濟南市政府發文通知，各大型基坑特別是地鐵建設項目的基坑外排水必須組織回灌。

1.概況

1.1某地鐵車站基坑設計概況

濟南某地鐵車站，基坑開挖深度為16.51m。圍護樁采用Ф1000鉆孔灌注樁，樁間距1.5m；四周設置封閉的止水帷幕，采用支護樁外側單獨一排Ф0.8m三管高壓旋噴樁的形式，止水帷幕底標高為基坑底以下2.5m。

1.2 地層及水文地質條件

該車站基坑施工范圍內的地層比較簡單，自上而下主要分為①雜填土、②黃土、②1粉土、③粉質黏土、③細砂層、④粉質黏土層等地層。

根據勘察資料該場區地下水主要潛水及承壓水。潛水含水層為②1粉土，主要為上層滯水；承壓水含水層為③1細砂層，厚度2.1m，穩定水位埋深7.50～9.20m，主要接受大氣降水入滲補給及第四系松散巖類孔隙水滲透補給，排泄與人工開采為主。根據勘察報告建議，該層地下水的滲透系數為120m/d，影響半徑R為149.90m。

1.3基坑降水方案設計原則

本工程基坑開挖深度較大，原基坑降水設計方案中降水疏干主要需考慮疏干②1粉土潛水和③1細砂層承壓水的涌水量，其次考慮③1細砂層承壓水的影響，防止在基坑開挖過程中承壓水從最不利點產生突涌，對基坑穩定性造成危害。根據設計計算，帷幕實施前的基坑涌水量可達到45000 m3/d，帷幕實施后的基坑涌水量大約2000m3/d。采用管井降水，間距15米，坑內兩側按照梅花形布置。

2.地下水回灌試驗

2.1回灌試驗目的

合理設置回灌井可有效維持建（構）筑物區的地下水水位，消除或降低基坑降水對周邊環境的影響。同時有效利用基坑降水抽出的地下水作為回灌水源，不僅節約水資源，確保自然生態系統中水資源的相對平衡，而且減少了采用自來水回灌的回灌成本。

2.2回灌井布設

本次地下水人工回灌的目的層為②1粉土層、③粉質粘土層、③1細砂層和三層混合層，共設置4口回灌井（編號分別為H01、H02、H03、H04），回灌水采用抽水井作為水源。

回灌井過濾器分別位于各試驗地層，回灌井深度不超過止水帷幕深度，暫定18.0m。井孔直徑700mm，井管采用直徑273mm壁厚3mm的無縫鋼管，過濾器采用圓孔過濾管，孔徑為12mm，每周設置9個圓孔，縱向間距為100mm，底部設置沉淀管1m。回灌井結構設計圖、回灌試驗系統運行示意圖如圖1、2所示。

2.3回灌試驗過程及結果分析

按照回灌水位標高高出原始水位標高1m-20m（或不同壓力下）的情況進行回灌試驗，測定回灌水量和地下水位變化情況。根據試驗結果得到的成果表及Q-P（流量-壓強）對應曲線圖如下：

（1）貯水系數

根據試驗結果，在合理的壓力范圍內（一般不超過0.20 MPa），砂層上部的粉質黏土層單井貯水系數為1.215 m3/h，砂層單井貯水系數為5.731 m3/h，砂層下部的粉質黏土層單井貯水系數為2.527 m3/h。

（2）主要回灌地層與滲透系數的關系

根據以往經驗，某個地層的回灌的滲透系數一般小于抽水的滲透系數。根據現場壓力回灌試驗，按照《水利水電工程注水試驗規程》（SL345-2007）的相應規定，計算回灌時的滲透系數：

K=16.67Q/（AH）

其中K——試驗巖土層滲透系數，cm/s；Q——注入流量，L/min

H——試驗水頭，cm；等于試驗水位與地下水位之差；A——形狀系數，cm；

根據試驗結果計算地下水位以下各地層的滲透系數如下：

根據計算，砂層回灌的滲透系數平均值大于勘察報告的滲透系數（勘察報告推薦的滲透系數為120m/d，折合1.39×10-1 cm/s），因此需要做一定的調整。由于壓水井壁管底部未封孔，且下部回填的均是濾料，且測試的只是側面的部分，按照50%進行折減，細砂層回灌的滲透系數取1.01×10-1 cm/s，粉質黏土層回灌的滲透系數取4.84×10-2 cm/s。從結果看出，粉質黏土層的滲透系數也較大，可能存在砂層透鏡體，或者與砂層產生越流有關。

（3）單井回灌量與回灌壓力的關系

根據試驗結果顯示，當采用壓力回灌時，在允許的壓力值范圍內，單井回灌量與壓力在某個區間段存在一定的線性關系，但是整個段是非線性關系。

3.地下水回灌系統設計及運行

3.1回灌系統設計

根據試驗結果，回灌井的回灌地層位于粉質黏土與細砂層的復合地層，過濾器長度6m，回灌井深度18m。按照單井正常壓力回灌5 m3/h計算，單井一天回灌量約120 m3/h，按照75%進行折合，每天至少90 m3/h，按照基坑涌水量2000 m3/h，則需要22.2眼回灌井。考慮到雨季施工，涌水量增加則按照24眼井進行設計。施工場地位于地鐵站兩側的綠化帶內，施工完畢后及時復綠，確保與環境的和諧統一。回灌系統采用離心泵取水、離心泵壓力回灌的方式。

3.2回灌系統的正常運行

按照試驗結果，回灌井按照設計要求成井后，固井、封井、洗井，焊設及安裝回灌設備及管路，另外針對抽取的地下水設置過濾裝置，確保回灌水的水質要求。然后組織人員24小時值班正常回灌。根據回灌結果統計，目前日常回灌總量在1800m3/h以上，基本滿足市政府及項目組的要求。

4.結論及建議

在地下水回灌技術應用于海綿體城市建設中，首先應調查基坑排水量及主要含水地層，并針對主要含水地層開展回灌試驗，確定單井回灌量，最終確定回灌井的井身結構及數量，然后安裝回灌系統進行正常回灌。

由于存在雨季施工及枯水期與豐水期，加上回灌系統在長期壓力狀態下，會改變含水層的結構，導致回灌量減少。因此建議在回灌井設計時，有條件的情況下采取加大井徑及井深的方式，增加回灌量的安全儲備。另外針對回灌井，建議應定期回揚，盡量恢復因壓力回灌導致的含水層結構的改變，確保回灌井的回灌性能。

參考文獻

[1]水利水電工程注水試驗規程（SL345-2007）.中國水利水電出版社，2008

[2]武永霞、張楠、陸建生.地下水回灌技術在淺層承壓含水層中的實踐與探討[j]，巖土工程技術，2010年第24卷第三期