地下工程對地下流場變化影響
——以黔中白云巖區(qū)為例

華 興，喬衛(wèi)濤，曾禹人

(貴州省地質(zhì)調(diào)查院，貴州 貴陽 550081)

隨著我國城市的發(fā)展，地下工程越來越多，工程建設(shè)中地下水問題也越來越突出[1，2]。近年來黔中地區(qū)開展城鎮(zhèn)化建設(shè)，黔中貴安新區(qū)作為山地特色新型城鎮(zhèn)的核心示范區(qū)，如何科學(xué)地控制預(yù)測工程活動與地下水的相互作用而產(chǎn)生的工程、環(huán)境地質(zhì)問題，保障城市地質(zhì)要素的穩(wěn)定成為一個重要的課題。本文以黔中城市群貴安新區(qū)作為研究區(qū)，通過揭示近年來在地下工程規(guī)模不斷擴大的現(xiàn)狀下，在降雨量等自然條件影響下，白云巖中賦存地下水流場及水位動態(tài)變化規(guī)律，解析地下工程建設(shè)對地下水的影響，對今后相同條件下工程建設(shè)對地下的合理利用和規(guī)避，有序規(guī)劃發(fā)展城鎮(zhèn)設(shè)施建設(shè)具有十分重要的意義。

1 研究區(qū)

1.1 位置及概況

研究區(qū)位于貴州省中部(圖1)，為黔中山原二級高原夷平面地帶，整體呈西高東低走勢，地形相對高差多小于50 m。由低山丘陵和山間盆地組成。

圖1 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造圖

研究區(qū)屬亞熱帶季風(fēng)氣候，雨量充沛，降雨集中，4-9月雨量占全年雨量的78%，年平均降雨量達1 129.5 mm。豐富的降雨為地下水提供了充足的補給源。研究區(qū)內(nèi)地下水以裂隙流、管道流為主，埋深淺且流動迅速，賦存相對較均一，工程活動一定程度上都會對地下水流場產(chǎn)生影響。

1.2 水文地質(zhì)特征

研究區(qū)位于近南北向復(fù)式向斜西翼，地層自上而下依次為：第四系松散層、三疊系中統(tǒng)花溪組；三疊系中下統(tǒng)安順組。研究區(qū)總體呈單斜構(gòu)造，主要發(fā)育有F1大斷裂影響褶曲形態(tài)。

區(qū)內(nèi)含水層主要為第四系松散堆積層含水層、三疊系中統(tǒng)花溪組一段第二亞段白云巖巖溶含水層、三疊系中下統(tǒng)安順組二段白云巖巖溶含水層。之間由泥質(zhì)白云巖、泥巖、溶塌角礫白云巖等地層組成隔水層。以上含水層在地下工程因素誘發(fā)下經(jīng)不同尺度通道改變地下水動力場。

2 地下水流場特征

研究區(qū)存在兩個相互獨立的地下水集中排泄系統(tǒng)，結(jié)合近5 a來，受工程活動影響程度不同，天然狀態(tài)下的地下水動力場發(fā)生變異特征和規(guī)律，分析兩個系統(tǒng)時空演化規(guī)律亦呈現(xiàn)的差異性。

2.1 地下水位動態(tài)變化

自2020年7月21日至10月13日地下水系統(tǒng)各監(jiān)測點水位動態(tài)變化(圖3)可以看出，研究區(qū)野雞坡地下河與中八地下河在地下工程活動的影響下，地下河上下游動態(tài)特征產(chǎn)生顯著的分異變化，表明地下工程對地下水系統(tǒng)通過改變水?dāng)嗝妫瑥亩绊懙叵滤μ荻群偷叵滤畡討B(tài)變化特征。

野雞坡地下河水位動態(tài)曲線(圖2a)，表明在地下工程上游水位比下游高4.5～10 m，且上游水位變幅平緩，最高水位1 248.815 m，最低水位1 248.654 m，水位峰值出現(xiàn)在9月13日強降雨后，變幅僅0.09 m。下游水位最高水位1 238.058 m，最低水位1 234.846 m，變幅比上游高一個數(shù)量級，水位峰值出現(xiàn)在9月14日后，較上游峰值晚一日。反映出因地下工程縮小過水?dāng)嗝妫瑢?dǎo)致上游地下水阻滯，不僅抬高地下水水頭，同時調(diào)節(jié)系統(tǒng)徑流條件。

中八地下河水位動態(tài)曲線(圖2b)，最高水位1 244.719 m，最低水位1 237.829 m，變幅6.89 m，顯示出隨降雨暴起暴落的響應(yīng)特征。在研究區(qū)僅在地表有少量道路和淺表廊管工程，反映出淺表工程對地下水系統(tǒng)流場變化無影響，地下水仍然表現(xiàn)出明顯的山區(qū)雨源性地下河特征。

圖2 地下水位動態(tài)變化

2.2 地下水梯度場演化規(guī)律

研究區(qū)自1982年開展水文普查，這一時期地面僅有少量磚瓦房，無基礎(chǔ)建設(shè)工程活動，人類活動對地下水的影響程度相對較弱，地下水為天然狀態(tài)。地下水系統(tǒng)間以自然隔水層為界，分別向汪官河排泄，地下水埋深較深，野雞坡地下河總水力坡度為19‰，中八地下河總水力坡度為16‰，水力梯度由1 246 m水平向1 228 m水平平緩變化(圖3a)。

2020年，隨著地下廣場、地鐵線路、道路網(wǎng)絡(luò)等工程的實施，地下水流場發(fā)生了劇烈變化。圖3b是2017年基礎(chǔ)建設(shè)初步完成之后地下水水位變化現(xiàn)狀，可見潛水位明顯抬升，尤其兩個集中排泄系統(tǒng)，野雞坡地下河水力坡度變緩為9.1‰，中八地下河水力坡度變緩為10.3‰，因道路路基換填和深基坑開挖把場區(qū)分散排泄系統(tǒng)也割裂為互無聯(lián)系的8個子系統(tǒng)。反映出地下工程上游流場梯度線增密，使地下水源源不斷向地下建筑物內(nèi)滲漏；下游水力梯度減緩，地下水緩慢向下游滲出；導(dǎo)致地下建筑內(nèi)常年積水。

圖3 地下水流場變化

3 地下水流場變化主要影響因素分析

眾多學(xué)者在地下水量變化與降雨量之間的關(guān)系做了大量研究，但在工程尺度，人類活動對地下水流場的階段變化影響更為顯著[3]。

3.1 水利工程對地下水流場的影響

勘查區(qū)汪官河是區(qū)內(nèi)各地下河系統(tǒng)的排泄基準(zhǔn)面，歷年來地下水排泄點水頭隨著地表河水位變化而變化。至2017年修建3級景觀壩以來，汪官河上游水位由1 228 m提升至1 234.5 m，提升了6.5 m，中游水位由1 227 m提升至1 231.5，提升了4.5 m。同時野雞坡地下河下游水位由1 227.1 m提升至1 234.5 m，提升了7.4 m；中八地下河下游水位由1 230 m提升至1 232.82 m，提升了2.82 m。排泄區(qū)水位的變化直接影響了地下水系統(tǒng)水力坡度，減少了下游段水位埋深。

3.2 深基坑開挖對地下水流場的影響

基于2007年測繪區(qū)域地形圖與2019年遙感影像對比，勘查區(qū)最典型的深基坑工程即為地鐵S1號線建設(shè)工程，基坑由北西向南東施工，貫穿勘查區(qū)，基坑最深處達12 m，最寬處達90 m，基坑底板標(biāo)高深于區(qū)內(nèi)各地下水系統(tǒng)水頭以及排泄基準(zhǔn)面標(biāo)高，開過程中基坑北西段誘發(fā)了地下突水，導(dǎo)致坑內(nèi)長期積水，增加了施工難度和工程成本。深基坑工程人工切斷了南北兩側(cè)地下水水力聯(lián)系，形成新的地下水系統(tǒng)邊界。

3.3 地下空間利用對地下水流場的影響

從圖至圖等水位線變化趨勢可看出，因貴安高鐵站地下廣場的修建，而造就的地下水降深漏斗的形成與擴展，已永久改變了區(qū)域地下水流場特征。如地下廣場北西側(cè)地下水流場網(wǎng)上游水頭等值線線加密，造成地下水繼續(xù)向地下建筑物內(nèi)滲漏。地下水流場下游等值線變疏，且1 244 m等值線上移，使下游水力坡度變小，地下水緩慢出流，造車地下建筑物長期積水難消。

3.4 城鎮(zhèn)化建設(shè)對地下水流場的影響

由于城市化進程的加快，許多原來的農(nóng)田、階地都被換填、開挖為交通道路，分割了原有完整的地下水流場，由兩岸兩個完整的分散系統(tǒng)，切割為相互無水力聯(lián)系的6個子系統(tǒng)。加之道路兩側(cè)的堆填大量填土和住房建設(shè)工程，急劇擴張工程中引發(fā)的土地類型改變導(dǎo)致了降雨入滲補給量減少。

4 結(jié)語

(1)研究區(qū)地下水流場分析結(jié)果表明，地下工程對地下水流場影響是相互且長期的，將導(dǎo)致工程外延一定范圍內(nèi)地下水流場格局變化。

(2)地下工程導(dǎo)致上游水位阻滯，抬高地下水頭，穩(wěn)定流場動態(tài)變化，同時誘發(fā)建筑物內(nèi)突水，造成經(jīng)濟損失。

(3)地下水工程周邊地下水頭上升明顯，導(dǎo)致浮托力增加，致使原有設(shè)計不能有效應(yīng)對新水文條件，容易引起工程結(jié)構(gòu)的破壞。