復雜環境條件下地鐵降水回灌系統設計與研究

許亮 歐志亮 郭高軒 沈媛媛 戚琦 南英華 芮小平

摘 要：針對北京市地鐵豐益橋南站和豐益橋南站—終點區間施工降水回灌場地周邊復雜環境，基于抽水試驗、場地回灌試驗、周邊回灌試驗等，從回灌池的深度、回灌井的深度、單井回灌水量、回灌井布置等方面設計了回灌系統。分別采用解析法和數值法檢驗了回灌系統方案的合理性，最終確定了以84眼小口徑井和1眼大口井進行補充的回灌方案能滿足施工降水排水需求。經實際運行顯示，系統回灌總量7261×104 m3，實現了地鐵降水排水100%資源性回灌。

關鍵詞：復雜環境;豐益橋;地鐵降水;回灌系統;數值模擬

Abstract： According to the complex environment around the construction precipitation recharge site at Fengyiqiao South Station and Fengyiqiao South Station-terminal section of Beijing Metro， the recharge system is designed from the aspects of recharge pool depth， recharge well depth， single well recharge amount and recharge well layout and based on the results of pumping test， site recharge test and peripheral recharge test. Analytical method and numerical method are used to test the rationality of the recharge system. Finally， it is determined that the recharge scheme supplemented by 84 wells and 1 large well can meet the demand of construction dewatering and drainage. The actual operation shows that the total recharge amount of the system is 7261×104 m3， with 100% resource recharge of subway precipitation and drainage realized. This enriches the engineering demonstration of precipitation recharge and is beneficial to protect the environment and save groundwater resources. It has great economic value and significance for Beijing， a big city with severe water shortage.

Keywords： complicated environment; Fengyi Bridge Subway; subway dewatering; recharge system

近年來，我國地鐵建設十分迅速。據不完全統計，僅“十二五”期間，地鐵線路新增1920 km，“十三五”期間城軌地鐵快速發展，地鐵長度約為“十二五”的3倍。截至2020年12月31日，全國（不含港澳臺）共有44個城市開通運營城市軌道交通線路233條，運營里程7545.5 km，車站4660座（王洋，2021）。在地鐵施工中，由于受施工技術限制，往往需要進行較大范圍、長時間的降水工程，以確保施工安全、工程進度和工程質量。遺憾的是，以往絕大多數地鐵施工降水多將降水排入市政工程排水系統（丁國洪，2020），部分無雨水收集系統的地區則直接排入生活用水系統，未進行回灌，增加了污水處理的載荷和污水處理的費用（牛景濤等，2004;王兆吉，2012;陳堅等，2016;劉久榮，2003;何滿潮等，2002;孫穎等，2001;李懷正，2002），造成了水資源的極大浪費。

地鐵降水工程具有規模大、排泄集中、排水場地有限、局部漏斗穩定等特點，水資源管理部門以及城建部門也時常面對降水抽取的地下水“白白”流走而無可奈何的尷尬。如北京城市地下水開采量占總供水量的2/3以上，“南水”進京后，地下水占總用水量的比例依然約為50%，但每年仍有約2億m3的地鐵施工降水白白流走（北京市水文地質工程地質大隊，2017a）。如何科學合理地解決降水排水確保安全施工與保護珍貴地下水資源之間的矛盾，成為擺在諸多水文地質和工程地質工作人員面前的一道難題。

本文以豐益橋南站地鐵站施工降水的實際情況，針對回灌場地小、回灌量大、回灌周期長的特點，采用了小口徑井與大口井相結合的布井方案，運用解析法和數值法分別按最大降水排水量16×104 m3·d-1進行場地回灌，持續時間為1年，并進行了預測，檢驗了回灌方案的合理性，實際運行結果表明，設計的回灌系統能滿足地鐵降水，最終實現地下水百分百回灌地下。

1 降水工程概況

豐益橋南站和豐益橋南站—終點區間位于北京市豐臺區。豐益橋南站為島式車站，明挖主體結構為地下三/兩層框架結構，車站有效站臺中心里程為右SK29+551.279，軌面標高18.797 m。標準三層明挖段覆土約為4.6 m，底板埋深約27.5 m，明挖段標準段結構總寬23.1 m、總高22.9 m;標準兩層明挖段覆土約10.8 m，底板埋深約27.5 m，明挖段標準段結構總寬23.1 m、總高16.85 m。車站總長269 m，兩層明挖段長67.95 m，三層明挖段長201.05 m。底板底面標高14.628～14.555 m，豐益橋南站—終點區間自豐益橋南站北端引出，設置有正線及折返線共4條線，折返線段設有風井1座。風井為地下3層雙跨結構，風井總長37.00 m。軌面標高17.998～17.925 m，底板埋深約29.112～29.775 m，底板底面標高14.628～14.555 m，標準段總寬14.30 m、總高24.12 m，豐益橋南站—終點區間在風井明挖結構施工完成后進行暗挖施工。

為保證工程順利進行，降水要求水位控制在標高14.628～14.555 m。降水排水量約16×104 m3·d-1。依據工程降水施工方案，需要施工261眼降水井進行排水。按照北京市最嚴格水資源管理要求，為保護地下水資源，應將排水全部回灌地下。根據現場條件，擬在豐草河下游距站點0.5 km外采用河道或者回灌井來消納降水排水量，最終實現降水排水全部回灌地下，排水周期為365 d。

2 回灌區概況

2.1 地質背景

回灌區位于永定河沖洪積扇的中部，為永定河沖洪積平原地貌。地形較為平坦，地面標高為40.2～44.97 m。該地區屬于暖溫帶半干旱半濕潤氣候區，多年平均降水量572.5 mm，全年降水多集中在6—9月，其間降水量占年降水量的85%以上。降水工程南端豐草河屬蓮花河的一條支流，為季節性河流，起源于豐臺五里店地區，經豐臺鎮、西三環在萬泉寺鐵路橋附近匯入蓮花河，全長約7.8 km，河道流域面積22.1 km2。新豐草河在回灌區的地層劃分為人工堆積層、第四紀新近沉積層及古近紀巖層3類，其中地表覆蓋地層為人工堆積層（Q4ml），巖性主要為素填土、雜填土;第四紀新近沉積層（Q4al+pl）巖性主要為黏質粉土—砂質粉土、粉質黏土—黏土、細中砂、圓礫、細砂、砂質粉土、卵石、粉細砂組成;古近紀沉積巖（E）由全風化泥巖、強風化泥巖和強風化礫巖組成。

區域上第四系自西向東厚度逐漸增厚，巖性顆粒由粗變細。單層砂卵礫石含水層主要分布于豐臺—西鐵匠營一帶，第四系厚度一般35～45 m，含水層滲透性能好，滲透系數75～500 m·d-1，單井出水量一般在5000 m3·d-1左右（圖1和圖2）。

2.2 回灌條件分析

（1）地鐵施工場地周邊最近的河道為老豐草河。豐益橋南站南端施工主體與老豐草河上開口凈距約34.1 m。地鐵施工區距離河道近，在降水井影響半徑范圍內，利用河道入滲會造成用電資源浪費，且按照降水方案會造成水位不能降至設計深度，引起地鐵工程安全問題。

（2）距離降水區較遠的河道為新豐草河，河道經整理與修葺，兩側不透水，僅底部透水。若采用河道入滲，則因為河道蓄存范圍小，底部透水能力差，不能全部入滲地下。

（3）新豐草河河道內有豐臺區高壓線主線基站1座，長期蓄水易使高壓線倒塌，進而造成豐臺區全部斷電，經濟損失巨大。河道具有雨季排洪作用，若河道蓄水，則影響河道雨季行洪作用，造成的內澇，損失不可估量。故應采用地下水回灌。

（4）經現場調查，回灌場地兩側為城市雨水排水管道。回灌場地限制在寬14 m、長350 m的范圍內。

（5）整個地鐵降水排水工期為365 d。回灌具有回灌量大、回灌周期長、回灌場地小的特點。

3 方案設計

3.1 設計原則

降水回灌除滿足一般降水規范要求外，還必須遵循以下原則：1）回灌井布置考慮對交通、周邊環境的影響;2）管井布置應避開地下管線、地下構筑物、空中電纜，控制距橋梁、建筑物基礎的距離符合相關產權單位的要求;3）盡量減少回灌井施工所占用的地面空間，減少拆遷工作量;4）盡量降低回灌工程成本;5）考慮對地下水資源的保護。

3.2 回灌設計

在充分考慮回灌場地復雜條件的基礎上，根據抽水試驗、現場回灌試驗，結合以往資料將回灌方案設計如下：

（1）確定回灌池的深度（H）

地鐵降水排水后，經沉淀，流入下游回灌區，出水口高程與回灌池距離520 m，地表高程差為1.2 m，水力坡度2.3‰，靠自流進入回灌池。根據回灌場地的具體情況，按照施工的規范和水力坡度，設計回灌池深度為5 m。

（2）確定回灌井的深度（h）

根據勘察結果，降水工程地區地下水水位埋深19.6～24.8 m，水位年變幅2～3 m，含水層富水性較好，整個工程區第四系厚度相對較薄，回灌井深度要求鉆進至含水層底板，以利于地下水入滲。本次水井設計全部鉆進至古近系0.5 m，井深約40 m。

（3）單井回灌水量確定（Q）

根據在回灌場地周邊注水試驗，在抽水場地內北部地區實施了兩抽一灌的回灌試驗，回灌井井深40 m，回灌延續時間8 h，靜水位埋深 24.33 m，井管為水泥管，水泥管半徑200 mm。在自然重力條件下回灌量為100 m3·h-1，8 h水位上升了9.42 m，水位埋深為14.91 m，地下水位近似穩定，故該區域單井的回灌量可達2400 m3·d-1。

按照現場回灌試驗，參考附近地區抽水試驗結果，區內滲透系數確定為200 m·d-1。根據現有地鐵施工場地內成井工藝及水井條件，選擇管徑為529 mm的鋼管，經計算單井回灌量理論值為48 750 m3·d-1。

參考場地周邊的北京水源四廠回灌試驗成果，水源四廠回灌井為直徑529 mm的鋼管，回灌量為2880 m3·d-1。試驗初始水位埋深23.89 m，試驗周期3個月，試驗末期，水位上升了17.89 m，水位埋深為6 m。

綜上，根據場地的井群迭加效應，考慮當前施工的技術、工期以及野外試驗，采用80～100 m3·h-1，能基本滿足水井入滲，而不引起水位高于水井口。由于實施群井回灌，整個回灌工程持續時間為365 d，有一定的衰減，故考慮采用最低值（80 m3·h-1）較保險，回灌量定為1920 m3·d-1。

（4）回灌井布置

根據地鐵施工降水資料，本次回灌量為16×104 m3·d-1，受實際條件限制，回灌場地僅分布于新豐草河南岸，河道的紅線范圍，回灌場地與排水場地最近距離為520 m。回灌場地南北長14 m，東西長350 m。按步驟（3）中設計單井回灌量1920 m3·d-1，則水井數量為84眼。為了減少水井間干擾，井間距離盡量增大，布置回灌井為兩排，各井間距為10 m，兩側分別距離回灌池南北界2 m。為了確保當小口徑回灌井發生堵塞時，排水能夠全部入滲，補充了1眼大口井（井徑2 m，井深15 m），作為備用回灌井（圖3）。

（5）回灌水位驗算

1）解析法檢驗回灌水位

采用大井計算法，將已知數據代入Dupuit公式，求取回灌后終止水頭hw。

潛水注水井Dupuit公式（1）。

式中，Q為注水井流量（m3·d-1），設計流量為16×104 m3·d-1;K為滲透系數（m·d-1），回灌區地層巖性以單層砂卵礫石為主，滲透系數取200 m·d-1;H 0為初始水頭（m），為第四系厚度減去初始水位埋深，根據實測水位埋深，場區潛水含水層地下水位埋深19.45～25.5 m，本次計算選取最不利條件19.45 m進行計算;為終止水位埋深（m）;M為含水層厚度（m）;hw為終止水頭（m），為含水層厚度減去終止水位埋深;R為影響半徑（m）; rw為概化井（井群）半徑（m），根據井位布置，井群概化半徑為160 m。

計算結果見表1。說明在最不利條件下，排水量能全部回灌地下。

2）數值法

由于回灌場地狹小，回灌井與地鐵施工降水井距離有限，回灌地區會形成局部水丘，降水井周邊會形成較為穩定的降落漏斗，為檢驗回灌方案能否全部回灌，用數值模型進行了檢驗。

①模型概化

模擬區以降水井和抽水井群為中心，充分考慮井群影響半徑，以遠大于井群影響半徑的東西向和南北向大約15 km的范圍為研究對象。

對模擬區進行高度概化，假設第四系厚度為40 m，含水介質為均質各項同性。模型概化為一層，空間網格剖分為10 m×10 m的正方形網格，剖分為約1 440 000個網格。工作區域地下水流向為自西向東偏南，水力梯度為1.5‰。含水層滲透系數取200 m·d-1，并認為在回灌的全過程，其滲透系數保持不變，即不考慮回灌可能引起滲透系數減小或堵塞等情況。總回灌量為16×104 m3·d-1，單井回灌量取1920 m3·d-1，84眼回灌井。

以區域地下水流場為參考，劃定模擬區邊界（圖1）。按照常年監測數據結果（北京市水文地質工程地質大隊，2017b）模型西部邊界（AB）為定水頭邊界，水頭值為28～30 m，東南部邊界（CD）為定水頭邊界，水頭值為15 m。其余邊界（BC、DE和AE）為零流量邊界。用公式（3）描述水文地質概念模型：

式中，Ω為滲流區域;h為含水體的水位標高（m）;hr為混合邊界的水位標高（m）;Kx、Ky、Kz分別為x，y，z方向的滲透系數（m·d-1）;S為自由面以下含水體釋水率（m-1）;ε為源匯項（d-1）;h0為含水體的初始水位分布（m）;Γ1為含水體的一類邊界;Γ2為滲流區域的側向邊界;Γ3為含水體的混合邊界條件;Γ4為滲流區域的下邊界，即承壓含水體底部的隔水邊界;為邊界面的法線方向;q（x，y，z，t）為定義為二類邊界的單位面積的流量（m·d-1），流入為正，流出為負，隔水邊界為0。

②模擬結果

回灌量恒定為160 000 m3·d-1，回灌5 d后，井水位距離地面14.3 m;回灌365 d后，回灌井水位距離地面5.3 m。說明能全部回灌地下（表2、圖4）。

綜上，采用以上回灌系統能滿足地鐵降水全部回灌。

4 運行效果

回灌工程從2017年8月12日起正式回灌，截止2020年4月20日，共歷時983 d，總回灌量7261×104 m3，平均日排水量為7.23×104 m3（圖5）。地鐵施工降水排水過程中水資源零外排，實現降水排水的100%回灌，實現了資源性回灌，節約了地下水源。

根據不連續監測結果，靜水位為21.9 m，回灌后水位埋深最高為9.47 m。通過回灌過程2017年8月12日—2018年5月17日觀測水位顯示（圖6），水位埋深基本大于9 m。說明在月回灌量為230×104 m3時，水位埋深大于10 m。通過對比2017年9月和2018年3月。2017年9月回灌量為186.4×104 m3，月平均水位埋深9.807 m，2018年3月回灌量為105.58×104 m3，月平均水位埋深12.63 m。回灌量降低80.82×104 m3，水位降低2.823 m。通過對比發現本次回灌平均回灌量僅7.23×104 m3。遠低于設計的16×104 m3·d-1回灌量。在以后設計地下水回灌時要考慮實際施工過程，設計出合理的降水排水量，才能使設計的回灌井布局更加合理。

5 結論

地鐵施工中降水排水量巨大，直接外排會造成巨大的水資源浪費，科學可行的回灌方案是一種有效解決工程施工和水資源管理矛盾的有效手段。在有限場地內進行精細試驗是確定合理的回灌井井深、井間距和回灌方式的關鍵。解析法和數值法相結合能夠進一步提高回灌區水位變化的預測精度，提高回灌方案的可靠性。豐益橋南站地區回灌工程歷時983 d，總回灌量7261×104 m3，平均日排水量為7.23×104 m3，表明在沖洪積扇中上游的強滲透地層，有限場地內進行回灌方案優化設計，進行資源性百分百回灌是基本可行的。

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