地下水下降區房屋變形各因素影響度的評估

阮啟林，陳伯恒，呂 玲

(1．湖北省鄂東南地質大隊，湖北 大冶 435100;2．湖北省地質環境總站，湖北 黃石 435000;3．湖北省地質環境總站，湖北武漢 430034)

0 引言

湖北省鄂州市某銅鐵礦區內有5個獨立法人礦山在同一水文地質單元內疏排地下水，該礦區附近有兩個自然村多戶民房發生開裂等房屋變形而遭受財產損失。在礦山采空區及其塌落范圍未影響到建筑物的情況下，如何確定房屋變形影響因素以及各影響因素的影響程度和每個礦山的責任程度劃分顯得尤其重要。本文根據該礦區勘查監測資料，對房屋變形各影響因素影響度的評估方法進行探討，以期為多個礦山排水誘發地質環境問題的責任分割拓寬技術思路。

1 礦區地質環境特征及房屋變形概況

該礦區附近有兩個自然村多戶民房發生開裂變形，針對房屋開裂變形區曾開展過專項環境地質勘查①王明啟等，鄂州市汀祖鎮陳盛灣、劉昌灣房屋開裂環境地質調查報告，2004。，此次勘查取得的主要技術認識如下:

(1)該礦區礦體圍巖為大理巖和巖漿巖。礦坑充水含水層主要為巖溶承壓含水層，其次為巖漿巖裂隙潛水含水層(圖1)，二者厚度之和約170 m;第四系松散巖類含水層富水性弱，為礦坑充水越流補給層。巖溶含水層主要夾在巖漿巖之間或埋藏在砂頁巖隔水層之下而與區域大理巖或灰巖相連，礦坑充水含水層為無限邊界。

(2)截至2001年，該礦區先后有5個獨立法人礦山在同一水文地質單元內疏排地下水，各礦山礦坑排水基本情況如表1。通過鉆孔地下水位動態觀測，確認5個礦山對CH1孔(基本在房屋開裂區的中心部位)地下水位的聯合降深Sk=27．45 m。

圖1 鄂州市某礦區地質環境圖Fig.1 Geological environment map of a ore district in Ezhou City．第四系松散巖類含水巖組;2．蒲圻群砂頁巖隔水層;3．巖漿巖裂隙含層;4．地質界線;5．覆蓋型大理巖界線;6．埋藏型大理巖界線;7．第四下伏巖漿巖;8．第四系下伏大理巖;9．第四系、巖漿巖下伏大理巖;10．四系、三疊中下統蒲圻群下伏大理巖;11．礦山編號;12．鉆孔及編號;3．房屋開裂區。

(3)鉆孔揭露房屋開裂區第四系平均厚度為11 m，第四系主要由粘土、亞粘土夾中細砂組成。在3個鉆孔(CH1、CH3、CH4)采取了14個膨脹土脹縮性測試樣，其中4個土樣為膨脹潛勢［1］弱的膨脹土。經計算，膨脹土變形量有的已超過地基容許變形量(表2)。

(4)礦山附近兩個自然村共170戶，產生開裂等變形的房屋共115戶，房屋變形較普遍。初步確定房屋變形因素有三:①房屋陳舊與房屋建筑質量差(下稱房屋自身致裂因素);②大氣引發膨脹土效應;③礦坑排水導致地面沉降和膨脹土效應(以下簡稱“礦坑排水致裂因素”)。

2 礦山疏排水影響度的評估思路

因本區5個礦山疏排地下水所形成的聯合下降漏斗在CH1孔處水位降深為27．45 m，故各礦山對CH1孔的水位降深(Si)的影響程度就是各礦山對礦坑排水總影響度的分割。

CH1孔巖溶水和巖漿巖裂隙水混合水位標高為－15 m左右而處在承壓狀態，其至排水礦山的最近距離r=280 m，巖溶水和巖漿巖裂隙水含水層總厚度(M)約170 m。因r＞1．5 m(255 m)，故各礦山對 CH1孔的降深(Si)可按無限邊界壓承完整井流公式(泰斯公式)直接計算，

式中:Qi——各礦山排水量(m3/d);T——大理巖與巖漿巖平均導水系數(m2/d)［2］;a——巖溶含水層與巖漿巖裂隙含水層平均壓力傳導系數(m2/d);ti——各礦山排水時間(d);ri——各礦山至CH1孔的距離(m)。

通過上述公式可求出各礦山對于觀測孔CH1的降深值，從而確定礦山疏排水對房屋開裂變形的影響程度。

3 房屋變形各影響因素影響度的評估

3．1 房屋自身致裂因素影響度

在115戶開裂房屋中，土磚房和土磚、粘土磚混砌房共14戶，且均在上世紀50—80年代初建成，房屋基礎為塊石干砌，使用時間均在23年以上。據房屋基礎結構、建筑材料、使用年限綜合分析，115戶開裂房中的14戶土房和土磚與粘土磚混砌房，基本代表了房屋自身致裂因素所占的比例，即房屋自身致裂因素的影響度(P)為:P=×100%=12．17%。11

表1 各礦坑疏排地下水情況表Table 1 Dewatering and drainage of underground in each pit

表2 膨脹土膨脹率測試結果及變形量計算結果表Table 2 Calculation results of test results of expansion ration and deformation

3．2 大氣引發膨脹土效應對房屋開裂的影響度

在采取的14個土樣中有4個土樣為膨脹潛勢弱的膨脹土，即膨脹土致裂的隨機概率為4/14=28．57%。此28．57%的隨機概率受大氣影響深度和礦坑排水導致地下水位下降兩個因子控制。

對于大氣影響深度，規范要求按相關觀測資料確定，無觀測資料時可按土的濕度系數確定為3～5 m。因房屋開裂區松散層天然孔隙水水位埋深為3 m左右，故大氣對膨脹土的影響深度取3 m。從表2可以看出，在具弱膨脹潛勢的4個土樣中，只有一個土樣(CH1-2)處在大氣影響深度范圍內。也就是說，在膨脹土致裂的隨機概率28．57%中，大氣引發膨脹土脹縮性效應的只占1/4。因此，大氣引發膨脹土效應對房屋開裂的影響度(P2)為:P2==7．14%。

3．3 礦坑排水致裂總影響度

礦坑排水導致地下水位下降的破壞形式，表現在地面沉降和誘發膨脹土效應兩個方面，其總貢獻度(P3)為100%減去房屋自身致裂因素的貢獻度(P1)與大氣引發膨脹土效應的貢獻度(P2)，即:

4 各礦山對礦坑排水致裂總影響度的分割

4．1 各礦山影響度分割基本原理

前文的礦山疏排水影響度評估思路已提出礦山對CH1孔的降深(Si)可按無限邊界壓承完整井流公式(泰斯公式)直接計算，即:

式中:Qi——各礦山排水量(m3/d);T——大理巖與巖漿巖平均導水系數(m2/d);a——巖溶含水層與巖漿巖裂隙含水層平均壓力傳導系數(m2/d);ti——各礦山排水時間(d);ri——各礦山至CH1孔的距離(m)。

但式(1)的假定條件是含水層均質、各向同性，但客觀上含水層的水理性質大都是不均一的，故在實際工作中按式(1)直接進行計算的Si往往不能滿足:

式中:Sk——各礦山排水對CH1孔的聯合降深(Sk=27．45 m)。

為使式(1)的計算結果能夠滿足式(2)和消去式(1)中的導水系數T(避免T值選擇的隨機性)，則需按下述方法進行處理:

式中:i——礦山順序號碼;(i+1)——排在i號礦山后的礦山號碼。

據式(1)有:

聯解式(2)、(3)，即可求出各礦山對于觀測孔CH1的降深值。

4．2 各礦山影響度計算

將表1中各礦山的平均排水量Qi、累計排水時間ti、各礦山至CH1孔的距離ri和壓力傳導系數a(a=97 023 m2/d，據鄂東南同類礦區——大冶市鯉泥湖銅鐵礦區豎井大理巖巖溶含水層與巖漿巖裂隙含水層非穩定流混合抽水試驗求得)，代入式(3)得:

由式(4)～(7)與Sk=S1+S2+S3+S4+S5得:

由式(8)得:

故分別可得:

各礦山對CH1孔水位降深(Si)占總降深(Sk)之比，乘以所有礦坑排水導致地下水位度下降的總影響程度P3，即為各礦坑排水對房屋開裂變形的影響度(P3i):

表3 房屋開裂各影響因素貢獻度評估結果表 單位:%Table3 Evaluation results of contribution degree of each influencing fartors in cracking of a building

5 各因素影響度評估結果與責任程度的關系

房屋開裂各影響因素的影響度(表3)，在理論上基本等同于責任程度。原因如下:①因為房屋自身致裂影響度的確定難度較大，其涉及到房屋使用年限、地基承載力、地基處理工藝、基礎結構、上層建筑材料、地基底面附加應力分布狀況等;②本文在房屋自身致裂影響度的評估中，只考慮了房屋基礎結構、建筑材料和使用年，而未考慮礦山排水對其開裂的加劇作用。因此，本文提出的房屋自身致裂影響比較粗糙，只能作為責任程度界定的參考依據。

各礦山排水在CH1孔處的降深(Si)對聯合降深(Sk)的分割，既符合非穩定流理論，也符合CH1孔的水位降深實際觀測值(即Sk=∑Si=27．45 m)，故各礦山排水對房屋開裂的影響度就是各礦山的責任程度。

一般來說，在劃分以礦山水文地質及工程地質作用為主所引發的環境地質問題的責任時，為避免問題復雜化，大多向弱勢群體利益傾斜。若此，可令P1、P2均為零，則各礦山的責任程度為表3所示。

6 結束語

礦坑主要充水含水層為承壓無限邊界時，各抽水礦井對于仍然處在承壓狀態，與抽水礦井足夠遠或為完整井井型的觀測孔的降深(Si)，可按∑Si聯解求出。求出的Si就是各礦山排水在水位下降方面的貢獻度;對于因礦山排水而導致的地質環境問題或地質災害，均可按Si的大小劃分各礦山的責任程度。鄂州市行政管理部門利用勘查單位按此方法提供的數據較好地解決了該地下水下降區附近兩個自然村多戶民房開裂等房屋變形的補償問題。

本文在各礦山影響度的計算過程中，含水層壓力傳導系數a采用的是同類礦區經驗值。若有觀測孔的長期觀測資料和各礦坑排水資料，則可按下式求出:

式中:Sk1——ti時段內的多井排水聯合降深;Sk2——ti+Δt時段內的多井排水聯合降深;Δt——ti時段后的延長時段;其余符號同前。

設 Sk1/Sk2=P1，log2．25a=P2，整理上式得:

計算出P2值就可計算出導壓系數a。

［1］ GBJ112－87，膨脹土地區建筑技術規范［S］．

［2］ 陳宗希．地下水不穩定井流計算方法［M］．北京:地質出版社，1983．