巖溶地區(qū)地下工程建設(shè)對(duì)地下水滲流的影響分析

葉安強(qiáng) 張洋 楊士友

摘要：隨著國家西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，巖溶地區(qū)地下工程的開挖深度越來越深，由于地下工程建造對(duì)場(chǎng)地水文地質(zhì)環(huán)境改變的不可逆性，將對(duì)原有的地下水環(huán)境造成不同程度的危害，而且由于深埋大斷面地下工程抵抗高水頭壓力的能力弱，在高水頭外水壓力下結(jié)構(gòu)滲漏風(fēng)險(xiǎn)大，同時(shí)地下結(jié)構(gòu)上浮的風(fēng)險(xiǎn)也大，因此研究地下工程建造及運(yùn)行期間改變場(chǎng)地地下水的影響因素具有重要意義。本文以黔中巖溶場(chǎng)地某大型深埋地下工程為例，通過地下室建造對(duì)場(chǎng)地地下水流場(chǎng)改變的數(shù)值模擬計(jì)算，獲得地下工程建造對(duì)地下水滲流場(chǎng)的影響規(guī)律，并對(duì)巖溶地區(qū)地下工程抗浮水位的取值進(jìn)行了探討，為科學(xué)合理地確定巖溶地區(qū)地下工程的抗浮水位提供了有益的參考。

關(guān)鍵詞：巖溶地區(qū)；地下工程；地下水；滲流；抗浮水位

1.引言

隨著西部巖溶山區(qū)城市建設(shè)的高速發(fā)展，城市地下空間的開發(fā)利用規(guī)模越來越大，大型商住小區(qū)地下工程開挖深度越來越深。由于長期缺乏可持續(xù)發(fā)展的理念，保護(hù)環(huán)境的意識(shí)淡薄，地下工程的勘察設(shè)計(jì)、施工和運(yùn)營使用階段，對(duì)環(huán)境保護(hù)重視不夠，地下工程建造過程中，因局部改變了地下水流場(chǎng)狀態(tài)，會(huì)引起滲流、潛蝕，突涌和管涌，對(duì)地下工程基礎(chǔ)、支護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境造成影響，甚至引發(fā)安全事故[1]。地下水位上升對(duì)地下工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生浮托作用，若防水措施或抗浮措施不當(dāng)，將引起地下工程結(jié)構(gòu)上浮，影響其正常使用。

目前黔中巖溶山區(qū)城市地下空間的建造深度一般10m～20m，超過20m的為少數(shù)，因此對(duì)深埋地下工程建設(shè)對(duì)場(chǎng)地地下水滲流場(chǎng)的影響研究較少，然而隨著地下空間開發(fā)深度的增加，高水頭地下水壓水問題越發(fā)顯得突出。研究地下空間建設(shè)對(duì)地下水狀態(tài)的影響評(píng)價(jià)方法和影響程度，達(dá)到環(huán)境保護(hù)和地下工程結(jié)構(gòu)安全的目標(biāo)，對(duì)完善地下空間工程建設(shè)環(huán)境評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及現(xiàn)行勘察設(shè)計(jì)規(guī)范的不足，促進(jìn)地下空間開發(fā)建設(shè)切實(shí)落實(shí)環(huán)境保護(hù)，資源節(jié)約的建設(shè)理念，具有重要意義。

2.巖溶地區(qū)地下工程建設(shè)的地下水環(huán)境效應(yīng)

2.1環(huán)境地質(zhì)負(fù)效應(yīng)

（1）泉水干涸斷流

泉點(diǎn)作為地下水的天然露頭之一，在巖溶地區(qū)也是常見的地下水露頭。有的巖溶泉一直是作為當(dāng)?shù)氐闹糜尉坝^而存在的，如西南巖溶地區(qū)的貴陽市有名的薛家井（又名豆芽井）和圣泉，已有二三百年的歷史。在20世紀(jì)90年代初，薛家井附近噴水池周邊大量興建高層建筑，深大基坑開挖及大量混凝土灌注，對(duì)地下水的徑流系統(tǒng)及補(bǔ)給通道都產(chǎn)生了很大的改變，造成薛家井流量逐年減少，水位不斷降低甚至斷流。位于黔靈山脈的老貴陽八景之一的圣泉，也因近年貴陽環(huán)城路及高鐵的建設(shè)，大量公路及鐵路隧道的開鑿，對(duì)圣泉泉域造成了較大的改變，改變了圣泉的補(bǔ)給域范圍及補(bǔ)給徑流通道，使有名的黔靈圣泉也失去了往日的風(fēng)采。

（2）地面塌陷

在巖溶盆地中往往上覆較厚的紅粘土層，而且地下水豐富。因?yàn)榧t粘土具有上硬下軟的地質(zhì)剖面，在基巖面附近或溶槽底部的紅粘土常呈軟塑甚至流塑狀態(tài)，對(duì)基坑邊坡而言就是軟基座邊坡。因?yàn)樯畲蠡娱_挖及樁孔開挖頻繁的抽排地下水，在基坑周圍會(huì)產(chǎn)生較大的水力梯度，加劇基坑邊坡向坑內(nèi)位移變形，引發(fā)基坑周圍地面塌陷。隨著基坑頻繁抽排地下水持續(xù)時(shí)間的延續(xù)，遠(yuǎn)離基坑區(qū)域下部的巖溶通道充填物被掏空，在真空吸蝕作用下，引發(fā)地面塌陷。在貴陽巖溶盆地中的巖溶強(qiáng)發(fā)育地段噴水池一帶，在20世紀(jì)90年代，也是因?yàn)榇罅可罨宇l繁的抽排地下水，引發(fā)多次地面塌陷，對(duì)城市交通及通信造成了較大影響。

2.2地下盆池浮托效應(yīng)

因城市用地日趨緊張，巖溶地區(qū)地下工程基坑越挖越深，形成深大的池體。當(dāng)?shù)叵鹿こ痰装迓裰蒙疃瘸^地下水位線時(shí)，由于在地下室周圍與地下室底板之間存在水位差，將產(chǎn)生滲透壓力，地下工程埋深越大，水位差越大，滲透壓也越大。地下工程外墻發(fā)生的滲漏水事故往往就是因?yàn)榈叵鹿こ掏鈮υO(shè)計(jì)抗?jié)B等級(jí)及自防水混凝土強(qiáng)度低于地下水滲透壓所致。

地下工程深基坑的開挖及大量抽排地下水，會(huì)改變場(chǎng)地巖溶地下水原有滲流場(chǎng)的水動(dòng)力格局，形成局部的巖溶地下水排泄基準(zhǔn)面。當(dāng)?shù)叵鹿こ掏鈮暗装迦繚仓瓿桑纬煞忾]的地下空間，就如同在大腳盆中放置了一個(gè)臉盆，當(dāng)?shù)叵滤艿缴嫌斡嫱鈮Φ淖铚叵滤槐挥焊撸叵率矣畟?cè)水位與地下室底板下水位產(chǎn)生的水位差會(huì)越來越大（如圖1、圖2），地下室底板承受的浮力水頭會(huì)越來越高，當(dāng)浮托力超過結(jié)構(gòu)抗浮力時(shí)，就出現(xiàn)上浮，造成地下工程底板起拱開裂滲水甚至梁柱斷裂的上浮事故。

3.地下結(jié)構(gòu)對(duì)巖溶地下水滲流影響的數(shù)值模擬

3.1工程案例概況

為更進(jìn)一步研究巖溶區(qū)深埋地下工程建設(shè)對(duì)地下水環(huán)境的影響，特別是對(duì)場(chǎng)地地下水位的影響，選擇典型巖溶盆地中的某深大基坑工程為例，進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。項(xiàng)目場(chǎng)地位于黔中安順市，為典型的巖溶峰林及殘丘盆地地貌區(qū)。該工程項(xiàng)目地下結(jié)構(gòu)為一大底盤地下室，平面占地面積20000m2，地下室底板埋深24m～27m，底板標(biāo)高1350.0m～1347.0m，為安順地區(qū)目前最深地下室。

場(chǎng)地及附近無斷層通過，地層呈單斜產(chǎn)出，巖層產(chǎn)狀120°∠12°。場(chǎng)地巖土構(gòu)成自地表向下依次由雜填土、殘積紅粘土及三疊系下統(tǒng)安順組（T1a）中厚層狀白云巖組成。雜填土層分布于場(chǎng)地表層，主要由碎磚塊、砼塊、灰渣混粘土等建筑垃圾組成，局部地段表層為0.10m～0.20m的砼地坪，場(chǎng)地雜填土層厚度0.00m～6.00m；紅粘土層下伏于雜填土層之下，厚度一般6.00m～10.00m；底部基巖層為三疊系下統(tǒng)安順組中厚層白云巖，分布廣厚，巖質(zhì)較硬，巖體較破碎，巖石質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)。

場(chǎng)地地下水類型為松散巖類上層滯水和巖溶裂隙溶洞水兩類型。上層滯水分布于場(chǎng)地表層的雜填土層中，紅粘土層為相對(duì)隔水層，場(chǎng)地地勢(shì)相對(duì)較低，在雨季時(shí)在雜填土與紅粘土接觸帶含較豐富的上層滯水，但水量季節(jié)性變化較大。

勘察期間觀測(cè)到的鉆孔中穩(wěn)定水位為1355.42m～ 1358.37m，場(chǎng)地處于地下水徑流—排泄地段。場(chǎng)地勘察所施鉆的300個(gè)鉆孔，有22個(gè)孔鉆遇巖溶洞隙，地下室基坑開挖也揭露較多的溶洞，這些地下巖溶空間為場(chǎng)地巖溶地下水的主要徑流通道（如圖3）。

根據(jù)場(chǎng)地附近部分鉆孔2006年—2012年地下水位長期觀測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，區(qū)內(nèi)地下水位枯、豐水期水位動(dòng)態(tài)變幅在1.00m～3.50m（如圖4），按地下水位變幅2m考慮，建議的地下室抗浮水位為1360.00m。

3.2模擬計(jì)算方法

本工程數(shù)值模擬計(jì)算采用業(yè)界公認(rèn)的水、氣質(zhì)量守恒+多相的達(dá)西定律為理論基礎(chǔ)，采用美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的TOUGH2軟件進(jìn)行分析計(jì)算。模擬以1358.00m為基坑初始水位，在歷經(jīng)2014年初至2016年初720天時(shí)間后的水位變化情況。模擬結(jié)果為：該工程地下室建成后，場(chǎng)地地下水位標(biāo)高將由最初的1358.00m上升至1362.00m以上，地下水位壅高達(dá)4m之多，比詳勘報(bào)告預(yù)測(cè)推定的抗浮水位高2m（圖5、圖6）。此模擬結(jié)果與2016年6月由某公司開展的“安順.塔山小區(qū)一期工程5、6、8號(hào)樓地下室水文地質(zhì)勘查”時(shí)實(shí)測(cè)的水位值1363.78m只相差1.78m，比較相近。

3.3模擬計(jì)算結(jié)果分析

模擬計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值存在1.78m的差距，經(jīng)分析，主要有兩方面的原因，一是由于場(chǎng)地下伏基巖巖溶發(fā)育，地下室內(nèi)超深開挖的基礎(chǔ)較多，11號(hào)樓還采用了旋挖樁施工工藝進(jìn)行基礎(chǔ)施工，其最大樁長達(dá)20m。旋挖樁施工過程中，大量的混凝土灌注使得地下水徑流通道受堵，也一定程度加劇了地下水位的抬升。二是本工程地下室周圍存在深大肥槽，采用松散建筑垃圾隨意回填，成為降雨下滲的主要通道，地表水能快速的下滲進(jìn)入地下室底板以下，形成包圍地下室的環(huán)形水體，進(jìn)一步抬升了地下水位。

4.巖溶區(qū)地下結(jié)構(gòu)抗浮水位取值探討

巖溶山區(qū)場(chǎng)地，因抗浮水位確定不準(zhǔn)確，導(dǎo)致抗浮工程失效，底板起拱、開裂滲水的工程案例并不鮮見。如何科學(xué)、合理地確定巖溶場(chǎng)地地下結(jié)構(gòu)的抗浮水位顯得尤為重要，抗浮水位取值過低安全風(fēng)險(xiǎn)高，取值偏高則會(huì)增加工程投資，建議從以下四個(gè)階段來預(yù)測(cè)推定地下結(jié)構(gòu)的抗浮水位。

（1）勘察期間在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)鉆孔中的地下水位（有條件的場(chǎng)地可設(shè)置至少3個(gè)水位觀測(cè)孔），水位觀測(cè)孔最好設(shè)在巖溶洞隙發(fā)育的孔位，或者選擇在巖體相對(duì)較破碎的孔位，以查明場(chǎng)地勘察期間真實(shí)地下水位。（2）收集場(chǎng)地及附近有無長期地下水位觀測(cè)孔，收集3年—5年鉆孔水位動(dòng)態(tài)變化幅度觀測(cè)資料，將勘察期間水位與多年長觀地下水位資料對(duì)比分析，查明場(chǎng)地歷史最高水位。（3）若場(chǎng)地?zé)o地下水位長觀資料，應(yīng)收集場(chǎng)區(qū)5年—10年的降雨資料，并調(diào)查訪問場(chǎng)地所處地貌單元的匯水面積和近3年—5年汛期暴雨時(shí)段最大積水深度。作為場(chǎng)地意外補(bǔ)給可能帶來的地下水位升高值的參考項(xiàng)。初步按“勘察期間實(shí)測(cè)地下水位”+“地下水位季節(jié)變化幅度”（旱季勘察時(shí)加變化幅度大值，雨季勘察時(shí)加變幅小值）+“意外補(bǔ)給可能帶來的地下水位升高值”，來初步預(yù)測(cè)和推定地下工程的抗浮水位。（4）在查明場(chǎng)地歷史最高水位或者按4.3條初步推定抗浮水位的基礎(chǔ)上，還必須考慮地下工程建設(shè)的空間阻滯效應(yīng)及基礎(chǔ)施工等因素的影響，其影響程度的權(quán)重建議按35%考慮，即巖溶區(qū)地下工程的抗浮水位應(yīng)按：歷史最高水位+意外補(bǔ)給可能帶來的地下水位升高值+地下空間阻滯效應(yīng)水位；或者按：“勘察期間實(shí)測(cè)地下水位”+“地下水位季節(jié)變化幅度”+“意外補(bǔ)給可能帶來的地下水位升高值”+“地下空間阻滯效應(yīng)水位”來綜合確定抗浮水位。

5.結(jié)論

（1）巖溶區(qū)地下工程建設(shè)將對(duì)場(chǎng)地水環(huán)境產(chǎn)生諸多環(huán)境負(fù)效應(yīng)，而且通常是不可逆的效應(yīng)。（2）地下結(jié)構(gòu)對(duì)地下水滲流場(chǎng)的影響與地下結(jié)構(gòu)的埋置深度密切相關(guān)，隨埋藏深度增加，地下空間對(duì)地下水滲流場(chǎng)的影響越明顯，但隨時(shí)間的推移，這種影響會(huì)趨于穩(wěn)定。（3）在巖溶區(qū)地下結(jié)構(gòu)抗浮評(píng)價(jià)時(shí)地下結(jié)構(gòu)對(duì)地下水滲流場(chǎng)的阻滯效應(yīng)常被忽略，導(dǎo)致按常規(guī)方法預(yù)測(cè)推定的抗浮水位與實(shí)測(cè)值存在較大偏差，對(duì)深埋地下工程進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)充分考慮地下空間阻滯效應(yīng)的影響。

參考文獻(xiàn)：

[1]康景文，朱文匯，等.地下空間建造對(duì)地下水滲流影響初步研究[A].全國巖土工程師論壇文集[C]. 2018. 53-59.

[2]程麗娟，候攀，等.城市深層地下工程中地下水管控方法探討[A].全國巖土工程師論壇文集[C]. 2018. 75-80.

[3]劉卡丁.地下空間可持續(xù)發(fā)展深圳益田村—地下停車庫抗浮問題的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].隧道建設(shè)， 2014， 34（2）： 140-146.

[4]余良剛.巖體基坑地下室抗浮設(shè)計(jì)水頭合理取值研究[D].青島理工大學(xué)， 2013.

[5]董雪妍，丁堅(jiān)平，段先前，等.黔中地區(qū)巖溶深基坑抗浮水位及涌水量預(yù)測(cè)[J].貴州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）， 2017， 34（1）： 119-122.

[6]張?jiān)诿鳎瑢O保衛(wèi)，徐宏聲.地下水賦存狀態(tài)與滲流特征對(duì)基礎(chǔ)抗浮的影響[J].土木工程學(xué)報(bào)， 2001， 34（1）： 73-78.

[7]高層建筑巖土工程勘察標(biāo)準(zhǔn). JGJ/T72-2017[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社， 2017.

[8]貴州地質(zhì)工程勘察院.安順?biāo)叫^(qū)（一期）5號(hào)、6號(hào)、7號(hào)、8號(hào)樓巖土工程勘察報(bào)告[R]. 2012.