強滲透地區地鐵降水回灌方案研究

歐志亮　沈媛媛　許亮

關鍵詞：地鐵降水;強滲透性;資源性回灌;數值模擬

隨著城市建設快速發展，基坑工程降水規模越來越大，消耗了大量的地下水資源。近年來北京地鐵施工降水量每年約2億m³（北京市水文地質工程地質大隊，2017），施工降水通常直接利用市政污水管網排放，造成地下水資源的極大浪費，使極度缺水的北京地區水資源供需矛盾更加突出。《北京市人民政府關于全面推進節水型社會建設的意見》中指出，強化行業節水，全面提高重點領域節水水平，加強施工降水綜合利用，嚴禁直接排入污水管網（北京市人民政府，2016）。如何開展施工降水綜合利用成為政府部門和科技工作者面臨的問題。

施工降水的人工回灌近年來受到關注，對于防止地面沉降，保護地下水資源具有重要作用（陸建生等，2014;曹丙海，2017;胡冰冰等，2021）。以往研究大多集中于降水回灌對地面沉降的控制，姚旭初等（2005）應用數值模擬法對某工程水源熱泵項目抽水回灌方案進行了可行性評價，張瑛穎等（2007）提出了數值法能夠對基坑降水方案和回灌方案設計提供參考，耿冬青等（2011a）綜合運用解析法和數值法對基坑降水和回灌系統進行了設計并應用于工程實踐中;還有多位學者開展了不同回灌方案下基坑周圍地面沉降的預測分析，以期為工程施工提出有益的理論指導（姚紀華等，2013;黃英超等，2014;景劉闖等，2015;王國富等，2017;王鵬等，2018;姚燕明等，2020）。對于基坑降水的資源性回灌還沒有較為系統的研究，沒有形成統一的規范標準和具體操作方法。

北京地鐵房山線北延線某地鐵站施工降水量大，為保障施工安全，節約地下水資源，需要開展地鐵降水人工回灌工程。該區域回灌場地有限，含水層滲透性強。本文以北京地鐵房山線北延線某地鐵站施工降水工程為例，在分析工程特點及區域水文地質條件的基礎上，提出降水資源性回灌方案，構建地下水流數值模型，模擬降水回灌后區域地下水位變化趨勢，評價回灌方案的可行性，評價回灌對降水區的影響，為回灌方案實施和應急措施制定提供技術支撐，為類似工程提供借鑒和方案參考。

1工程概況及水文地質條件

北京軌道交通房山線北延線工程某地鐵站位于京滬鐵路和北京西三環交叉位置的東北方向，其施工需進行降水排出施工區。該工程附近沒有可用的市政管網供排水，附近僅有豐草河河道，且河道內有高壓連接線站，下游河道未疏通，為防止電站倒塌，不能向下游河道排水。為了保證施工安全，同時避免地下水資源浪費，需要對地下水進行回灌處理。該工程降水量大，計劃施工最大排水量約為16×10⁴m³·d^-1，排水周期為一年。

工程所在區域位于永定河沖洪積扇中部，為永定河沖洪積平原，地勢平坦，地面標高40.2～44.97 m。該區氣候屬于暖溫帶半干旱半濕潤氣候區，多年平均降水量572.5mm，降水多集中在6—9月份。豐草河河道穿過工程所在區域，為季節性河流，河道寬13～26 m，距離施工車站34～38 m。區域第四系厚度約40 m，巖性為砂卵礫石，含水層為單層潛水含水層，滲透性能好，野外抽水試驗結果顯示工程區域地層滲透系數為204.92m·d^-1。地下水位埋深24 m左右，水位降深5m時，單井出水量約為5000 m³·d^-1。該區地下水主要接受大氣降水補給和側向徑流補給，地下水由西北向東南方向徑流，水力梯度為1.5‰～2.0‰，側向流出區外。地下水動態主要受大氣降水影響，每年7—9月豐水期水位開始上升，到2—3月達到最高水位后逐漸下降，至次年6月水位最低，年變幅約為2～3 m。

2回灌方案設計

2.1回灌方式分析

地下水人工回灌方法一般分為地面入滲法和地下灌注法兩大類（冶雪艷等，2011）。地面入滲法主要適用于地表土層透水性較好，包氣帶厚度在20 m以內的地區。地下灌注法主要指管井注入法，又稱深層回灌法，是將回灌水源通過鉆孔、大口徑井或坑道等直接注入含水層中的方法。地下灌注法又分為無壓回灌、壓力回灌和真空回灌3種（耿冬青等，2011b）。影響施工降水回灌的條件主要有回灌場地水文地質條件、回灌水源的水量和水質、回灌方案的經濟可行性等因素。

工程區域地下水位埋深約為24 m，包氣帶厚度較大，不適宜采用地面入滲法進行回灌。由于地鐵施工設計排水量大并且排水周期長達一年，為滿足回灌需求，進一步分析地下灌注法的適宜性。地下灌注的回灌入滲能力主要受場地條件、地下水類型、含水層的滲透性、含水層厚度等因素的影響：1）工程降水回灌，需要有適宜的地下水回灌場地;2）地下水類型主要分為潛水和承壓水，潛水含水層回灌體現為含水層孔隙的填充，承壓含水層回灌表現為含水層體積的膨脹，因此潛水含水層更有利于地下水回灌;3）含水層的滲透性直接影響回灌效果，地下水回灌一般選擇在巖性為礫石和中粗砂等滲透系數大的地區，滲透性越強可回灌的水量就越多;4）含水層厚度決定了含水層的儲水空間，含水層厚度越大，可回灌量相對越大。分析工程周邊場地情況和水文地質條件可知，距離降水區東北部約500 m有河道及兩岸可作為回灌場地，工程所在區域含水層為滲透性極強的潛水含水層，并且含水層具有一定的厚度，為回灌提供了必要的儲水空間，該區適宜采用地下灌注法進行施工降水的回灌。

2.2回灌方案

選擇新豐草河下游段，距離地鐵降水區約500 m的河道南岸有限場地區域作為回灌區，東西長350 m，南北長14 m。回灌區北側距河道6m。根據歷史資料以及野外抽水和回灌試驗確定單井回灌量為1920m³·d^-1，布設85眼回灌井，其中84眼管井和1眼大口井。回灌井每排42眼，東西向每眼井間距8m，共計2排，南北向間距10m。在東側開挖一口直徑2m大口井，用于提高回灌能力，進行應急回灌或洗井排水（圖1）。施工排水利用封閉輸水管線輸入回灌池，經由池底輸水管道分別向水井內注水回灌。

3回灌方案評價

3.1數值模型

為論證回灌方案的可行性，分析并概化了區域水文地質條件，建立了區域地下水流數值模型，用于回灌方案的模擬和預測。模擬區以抽水井群和回灌井群為中心，充分考慮井群影響半徑，考慮區域地下水流場，以遠大于井群抽水影響半徑的范圍劃定模擬區邊界（圖2），東西向和南北向距離約15km，模擬區面積90.9 km²。模擬區域范圍遠大于基坑降水及回灌影響半徑，因此模擬區域邊界為定水頭邊界，西部AB邊界為定水頭邊界，水頭值為28～30m，東南部CD邊界為定水頭邊界，其余邊界為零流量邊界。模型底部為隔水邊界，頂部為開放邊界。含水層概化為均質各項同性含水層，空間網格剖分為10m×10m的正方形網格。含水層滲透系數為200 m·d^-1，且認為在回灌過程中滲透系數保持不變。該項目地下水流動問題用公式（1）來描述。利用2014年6月—2015年6月水位數據進行模擬驗證，一個月為一個時段，結果表明建立的數值模型能夠較好的模擬水位變化過程（圖3），可以用于回灌方案的預測。

3.2回灌方案評價

3.2.1方案可行性評價

利用模型模擬抽水區水位維持在14.05～14.5 m，回灌區回灌量為16×10⁴m³·d^-1的情況下，回灌井的水位變化情況。模擬結果顯示（圖4、圖5）：回灌5d后回灌井群中心地下水水位標高上升到30.1 m，距離地面14.3m;回灌10d后，地下水水位標高為32.6 m，距離地面11.8m;回灌15 d后，回灌井水位標高為33.9m，距離地面10.5m;回灌365 d后回灌井水位距離地面5.3 m。結果表明，以16×10⁴m³·d^-1的回灌量回灌365 d，研究區回灌井水位未超過地面，說明本回灌方案能夠滿足回灌需求，方案可行。

3.2.2井間距的影響

為研究井間距對回灌區水位變化的影響，在設計方案即南北兩排井間距離10 m的基礎上，改變兩排回灌井南北方向的距離，設置南北向井間距離為50 m和100 m兩種情景，進行模擬分析。結果表明（圖6）：當南北向井間距離由10 m變為50 m時，回灌區水位比井間距10 m時降低0.7 m;當井間距離增大到100 m時，回灌區水位較井間距10 m時降低1.5 m;即增大回灌井間距離，回灌后水位上升幅度有所減小。但設計方案井間距離10 m時，能夠滿足回灌的需求，考慮到場地條件的限制及工程經濟性，可以選擇井間距離為10 m作為回灌井設計方案。

3.2.3回灌對抽水區的影響

為研究回灌對抽水區的影響，利用模型模擬僅有回灌情況下的地下水位變化。在不抽水情況下，回灌井中心地面標高為44.4 m，初始水位為20.25 m;回灌5d后，回灌井中心處水位為30.1 m，上升了9.85 m，距離地面14.3 m。回灌90 d，水位距離地面5.7 m;365 d后，水位距離地面2.6 m（圖7）。在抽水井處，水位逐漸上升，90 d后從初始的21.06 m上升到27.4 m，365 d后水位上升到31.8 m，水位共上升了10.74 m。回灌使抽水區水位平均上升了4～6 m，回灌影響半徑約為2000 m。由此可知，由于回灌區地下水位上升，部分地下水從高水位的回灌區向低水位的抽水區徑流。因此若排水時間越長，則回灌區向抽水區地下水徑流量越大，需要排出的水量也越大。

4結論及建議

1）回灌區位于永定河沖洪積扇中部，含水層滲透能力強，在有限場地條件下，通過合理布局回灌井，利用管井注入方式進行回灌，具備16×10⁴m³·d^-1的回灌能力。回灌區對降水區水位產生一定影響，需在回灌過程中，監測降水區和回灌區水位變化，以應對回灌期間可能產生的突發情況。該回灌方案成功應用于北京某地鐵站降水回灌工程中，為類似工程提供了借鑒和參考。

2）利用數值模擬技術，從區域尺度進行模擬，并滿足場地尺度精度要求，能夠為回灌方案提供較為準確的模擬和預測結果，模擬預測不同回灌情景，為回灌方案的制定提供依據。

3）基坑降水資源性回灌為施工降水綜合利用提供了途徑，是保護地下水資源的有效手段，對提高建筑行業節水水平具有重要意義，建議在強滲透性的適宜回灌的區域，類似工程廣泛開展施工降水的資源性回灌。