探析某巖溶地區地下水治理與利用

江西省核工業地質局二六七大隊 崔英華

一、引言

隨著西部巖溶山區城市建設的高速發展，城市地下空間的開發利用規模越來越大，大型商住小區地下工程開挖深度越來越深。由于長期缺乏可持續發展的理念，保護環境的意識淡薄，地下工程的勘察設計、施工和運營使用階段，對環境保護重視不夠，地下工程建造過程中，因局部改變了地下水流場狀態，會引起滲流、潛蝕，突涌和管涌，對地下工程基礎、支護結構和周圍環境造成影響，甚至引發安全事故。地下水位上升對地下工程結構產生浮托作用，若防水措施或抗浮措施不當，將引起地下工程結構上浮，影響其正常使用。

二、巖溶地區地下工程建設的地下水環境效應

（一）環境地質負效應

1.泉水干涸斷流

泉點作為地下水的天然露頭之一，在巖溶地區也是常見的地下水露頭。有的巖溶泉一直是作為當地的著名旅游景觀而存在的，如西南巖溶地區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，對地下水的徑流系統及補給通道都產生了很大的改變，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，也因近年貴陽環城路及高鐵的建設，大量公路及鐵路隧道的開鑿，對圣泉泉域造成了較大的改變，改變了圣泉的補給域范圍及補給徑流通道，使有名的黔靈圣泉也失去了往日的風采。

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。因為紅粘土具有上硬下軟的地質剖面，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，對基坑邊坡而言就是軟基座邊坡。因為深大基坑開挖及樁孔開挖頻繁的抽排地下水，在基坑周圍會產生較大的水力梯度，加劇基坑邊坡向坑內位移變形，引發基坑周圍地面塌陷。隨著基坑頻繁抽排地下水持續時間的延續，遠離基坑區域下部的巖溶通道充填物被掏空，在真空吸蝕作用下，引發地面塌陷。在貴陽巖溶盆地中的巖溶強發育地段噴水池一帶，在20世紀90年代，也是因為大量深基坑頻繁的抽排地下水，引發多次地面塌陷，對城市交通及通信造成了較大影響。

（二）地下盆池浮托效應

因城市用地日趨緊張，巖溶地區地下工程基坑越挖越深，形成深大的池體。當地下工程底板埋置深度超過地下水位線時，由于在地下室周圍與地下室底板之間存在水位差，將產生滲透壓力，地下工程埋深越大，水位差越大，滲透壓也越大。地下工程外墻發生的滲漏水事故往往就是因為地下工程外墻設計抗滲等級及自防水混凝土強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，會改變場地巖溶地下水原有滲流場的水動力格局，形成局部的巖溶地下水排泄基準面。當地下工程外墻及底板全部澆筑完成，形成封閉的地下空間，就如同在大腳盆中放置了一個臉盆，當地下水受到上游迎水面外墻的阻滯，地下水位被雍高，地下室迎水側水位與地下室底板下水位產生的水位差會越來越大（如圖1、圖2），地下室底板承受的浮力水頭會越來越高，當浮托力超過結構抗浮力時，就出現上浮，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。

圖1 地下水天然流場

圖2 地下工程建設對地下水流場的改變

三、地下結構對巖溶地下水滲流影響的數值模擬

（一）工程案例概況

為更進一步研究巖溶區深埋地下工程建設對地下水環境的影響，特別是對場地地下水位的影響，選擇典型巖溶盆地中的某深大基坑工程為例，進行數值模擬計算。項目場地位于黔中某市，為典型的巖溶峰林及殘丘盆地地貌區。該工程項目地下結構為一大底盤地下室，平面占地面積20000m2，地下室底板埋深24m～27m，底板標高1350.0m～1347.0m，為某地區目前最深地下室。

場地及附近無斷層通過，地層呈單斜產出，巖層產狀120°∠12°。場地巖土構成自地表向下依次由雜填土、殘積紅粘土及三疊系下統某組（T1a）中厚層狀白云巖組成。雜填土層分布于場地表層，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某組中厚層白云巖，分布廣厚，巖質較硬，巖體較破碎，巖石質量等級為Ⅳ級。

場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。上層滯水分布于場地表層的雜填土層中，紅粘土層為相對隔水層，場地地勢相對較低，在雨季時在雜填土與紅粘土接觸帶含較豐富的上層滯水，但水量季節性變化較大。

勘察期間觀測到的鉆孔中穩定水位為1355.42m～1358.37m，場地處于地下水徑流—排泄地段。場地勘察所施鉆的300個鉆孔，有22個孔鉆遇巖溶洞隙，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地巖溶地下水的主要徑流通道。根據場地附近部分鉆孔2006年—2012年地下水位長期觀測數據的統計結果，區內地下水位枯、豐水期水位動態變幅在1.00m～3.50m，按地下水位變幅2m考慮，建議的地下室抗浮水位為1360.00m。

（二）模擬計算方法

本工程數值模擬計算采用業界公認的水、氣質量守恒+多相的達西定律為理論基礎，采用美國勞倫斯伯克利國家實驗室開發的TOUGH2軟件進行分析計算。模擬以1358.00m為基坑初始水位，在歷經2014年初至2016年初720天時間后的水位變化情況。模擬結果為：該工程地下室建成后，場地地下水位標高將由最初的1358.00m上升至1362.00m以上，地下水位壅高達4m之多，比詳勘報告預測推定的抗浮水位高2m。

（三）模擬計算結果分析

模擬計算結果與實測值存在1.78m的差距，經分析，主要有兩方面的原因，一是由于場地下伏基巖巖溶發育，地下室內超深開挖的基礎較多，11號樓還采用了旋挖樁施工工藝進行基礎施工，其最大樁長達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入地下室底板以下，形成包圍地下室的環形水體，進一步抬升了地下水位。

四、巖溶區地下結構抗浮水位取值探討

巖溶山區場地，因抗浮水位確定不準確，導致抗浮工程失效，底板起拱、開裂滲水的工程案例并不鮮見。如何科學、合理地確定巖溶場地地下結構的抗浮水位顯得尤為重要，抗浮水位取值過低安全風險高，取值偏高則會增加工程投資，建議從以下四個階段來預測推定地下結構的抗浮水位。

（1）勘察期間在現場實測鉆孔中的地下水位（有條件的場地可設置至少3個水位觀測孔），水位觀測孔最好設在巖溶洞隙發育的孔位，或者選擇在巖體相對較破碎的孔位，以查明場地勘察期間真實地下水位。（2）收集場地及附近有無長期地下水位觀測孔，收集3年—5年鉆孔水位動態變化幅度觀測資料，將勘察期間水位與多年長觀地下水位資料對比分析，查明場地歷史最高水位。（3）若場地無地下水位長觀資料，應收集場區5年—10年的降雨資料，并調查訪問場地所處地貌單元的匯水面積和近3年—5年汛期暴雨時段最大積水深度。作為場地意外補給可能帶來的地下水位升高值的參考項。初步按“勘察期間實測地下水位”+“地下水位季節變化幅度”（旱季勘察時加變化幅度大值，雨季勘察時加變幅小值）+“意外補給可能帶來的地下水位升高值”，來初步預測和推定地下工程的抗浮水位。（4）在查明場地歷史最高水位或者按4.3條初步推定抗浮水位的基礎上，還必須考慮地下工程建設的空間阻滯效應及基礎施工等因素的影響，其影響程度的權重建議按35%考慮，即巖溶區地下工程的抗浮水位應按：歷史最高水位+意外補給可能帶來的地下水位升高值+地下空間阻滯效應水位；或者按：“勘察期間實測地下水位”+“地下水位季節變化幅度”+“意外補給可能帶來的地下水位升高值”+“地下空間阻滯效應水位”來綜合確定抗浮水位。

五、結論

（1）巖溶區地下工程建設將對場地水環境產生諸多環境負效應，而且通常是不可逆的效應。（2）地下結構對地下水滲流場的影響與地下結構的埋置深度密切相關，隨埋藏深度增加，地下空間對地下水滲流場的影響越明顯，但隨時間的推移，這種影響會趨于穩定。（3）在巖溶區地下結構抗浮評價時地下結構對地下水滲流場的阻滯效應常被忽略，導致按常規方法預測推定的抗浮水位與實測值存在較大偏差，對深埋地下工程進行抗浮設計時，應充分考慮地下空間阻滯效應的影響。