高 揚(yáng) ，王 鑫，張 康，雷炳霄 ，曾純品

（1. 山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)(山東省地礦工程勘察院)，濟(jì)南 250014； 2. 濟(jì)南軌道交通集團(tuán)有限公司，濟(jì)南 250100；3. 山東省地下水環(huán)境保護(hù)與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，濟(jì)南 250014）

近年來，隨著大量地下空間工程的修建，因其對地下水滲流條件的改變導(dǎo)致環(huán)境問題不斷凸顯。例如，宿慶偉對濟(jì)南某小區(qū)周邊地下水位上升的原因及水文地質(zhì)條件的變化特征的調(diào)查表明，由于人類活動(dòng)的影響，該小區(qū)周邊的水文地質(zhì)條件發(fā)生了較大變化，小區(qū)周圍由原來的徑流排泄區(qū)慢慢轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€(gè)小型的蓄水區(qū)，造成這里地下水位大幅上升，并對構(gòu)筑物產(chǎn)生了不利影響[1]。陳麗影、時(shí)曉以成都國際機(jī)場為例，通過數(shù)值模擬分析地下空間的開挖對地下水環(huán)境的影響，結(jié)果表明：地下空間結(jié)構(gòu)在建設(shè)期間及建設(shè)完成后，地下水的滲流條件發(fā)生改變，生成新的局部分水嶺，新的補(bǔ)徑排關(guān)系確立[2-3]。Ni 等通過研究臨江城市的地下水位變化，得出城市地下空間建設(shè)是水位變化重要原因的結(jié)論[4]。Lee 等通過對韓國大邱廣域市地下水位的長期監(jiān)測，構(gòu)建模型，得出地鐵建設(shè)會(huì)影響周邊地下水水位變化的結(jié)論[5]。地下工程結(jié)構(gòu)對地下水產(chǎn)生影響，可能引發(fā)工程與環(huán)境問題，如圖1所示。 發(fā)對地下水環(huán)境的影響展開研究[10]。鄭品等通過室內(nèi)試驗(yàn)，對比了有物體阻擋和沒有物體阻擋下地下水滲流情況的變化[11]?？梢?，地下空間工程建設(shè)對地下水環(huán)境的影響，正在引起越來越多學(xué)者的關(guān)注。筆者將基于一維滲流理論，通過對修建地鐵車站前后的地下水滲流特點(diǎn)進(jìn)行分析，探索地鐵車站對地下水滲流的影響規(guī)律，以期得到受車站阻隔作用影響的地下水位壅高及流量解析式，相應(yīng)成果可為地下富水城市的地鐵車站建設(shè)提供參考依據(jù)。

1 滲流影響分析

圖1 地下結(jié)構(gòu)對地下水環(huán)境的影響[6] Figure 1 Influence of underground structure on groundwater environment[6]

1.1 未建地鐵車站時(shí)的地下水滲流分析

未建地鐵車站時(shí)，可根據(jù)擬建車站位置的勘察結(jié)果及地層條件，概括為如下基本條件及假設(shè)。

1) 假設(shè)沿地下水流動(dòng)方向上有觀測孔A 及觀測孔B，觀測孔A 測得的水位高度為h1，觀測孔B 測得的水位高度為h2，兩孔之間地下水的流動(dòng)滿足由觀測孔A 流向觀測孔B 的條件，且為潛水流；

2) 隔水層均質(zhì)同向，底部隔水層水平；

3) 由于城市內(nèi)道路硬化等因素，不考慮滲流段的大氣降雨入滲補(bǔ)給的影響，雨季地下水流量的變化主要由洪水期時(shí)觀測孔的水位高度的變化體現(xiàn)；

4) 兩觀測孔間的地下水流動(dòng)為一維流，且是漸變流并趨于穩(wěn)定。

根據(jù)上述條件建立地下水滲流模型，如圖2 所示。

工程建設(shè)與地下水運(yùn)動(dòng)的影響是互饋的，地下水會(huì)對地下空間結(jié)構(gòu)造成影響，同時(shí)地下結(jié)構(gòu)施工對地下水的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)也存在一定的影響[7-8]。許劼等以南京地鐵為工程背景，分析了玄武湖水下隧道施工對地下水排泄的影響機(jī)理[9]。曹洪等基于有限元法，提出了考慮阻水結(jié)構(gòu)的模擬方法，并對廣州城區(qū)地下空間開

圖2 兩觀測孔間的潛水運(yùn)動(dòng) Figure 2 Schematic of diving movement between two observation holes

由于城市內(nèi)大多數(shù)情況下水位的變化幅度不大，故可根據(jù)上述模型忽略地下水滲流過程中的豎向速度分量vz，地下水滲流過程水位的降低可視為由于地層的阻隔作用而引起的勢能損失。

根據(jù)上述條件和假設(shè)，可得如下數(shù)學(xué)模型：

對式(1)進(jìn)行積分求解，可得觀測孔A、B 之間任意一點(diǎn)的地下水位，即

式中：L 為兩觀測孔間距離，m；x 為擬求水位處距觀測孔A 的距離，m；h1為觀測孔A 的水位高度，m；h2為觀測孔B 的水位高度，m。

對式(2)進(jìn)行求導(dǎo)，可得h 關(guān)于x 的函數(shù)關(guān)系，即

引入達(dá)西定律，可得任意斷面處的單寬流量公式，即

式中：K 為滲透系數(shù)，m·d-1；qx為與觀測孔A 距離為x 處的單寬流量，m2·d-1。

將式(3)代入式(4)，可得

式(5)即是流經(jīng)觀測孔A、B 之間任意斷面的單寬流量公式。

1.2 地鐵車站對地下水滲流影響機(jī)制分析

1.2.1 地鐵車站基本條件

1) 由于地鐵車站基坑一般采用地連墻或止水帷幕等結(jié)構(gòu)措施，故假設(shè)地鐵結(jié)構(gòu)外端為隔水邊界。

2) 通常車站長度為300～500 m，與中粗砂等含水層的影響半徑R 相當(dāng)，且由于地鐵車站兩端一般為直徑6 m 的盾構(gòu)區(qū)間，盾構(gòu)施工時(shí)采取注漿等措施對原滲水通道有堵塞作用，透水能力大幅降低，故可以忽略地下水遇車站結(jié)構(gòu)時(shí)產(chǎn)生的繞流問題，因此將車站兩端盾構(gòu)區(qū)間與車站結(jié)構(gòu)共同視為隔水邊界。

3) 車站結(jié)構(gòu)建成后與建成前相比，車站外的地層結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化，流經(jīng)車站結(jié)構(gòu)處的水流量不變。

1.2.2 地下水壅高分析

如圖3 所示，為解決地鐵車站的阻水作用對地下水滲流帶來的影響，不妨再作如下分析。

圖3 地鐵車站結(jié)構(gòu)附近潛水流鏡像關(guān)系 Figure 3 Schematic of mirror relationship of a phreatic flow near subway station structure

1) 設(shè)觀測孔B 位于迎水面車站結(jié)構(gòu)處，且水位高度為h2；觀測孔A 位于車站外迎水方向上，且水位高度為h1；地下水流動(dòng)，滿足由觀測孔A 流向觀測孔B的條件。

2) 根據(jù)鏡像原理，可假設(shè)車站結(jié)構(gòu)背水面一側(cè)有一虛觀測孔A′，其距離與觀測孔A 到觀測孔B 的距離相同；水位與觀測孔A 相同，都是h1；地下水流動(dòng)，同樣也滿足由觀測孔A′流向觀測孔B 的條件。

3) 根據(jù)疊加原理，由于車站結(jié)構(gòu)的隔水作用，則車站結(jié)構(gòu)處(觀測孔B 處)的地下水位受到由觀測孔A流向觀測孔B的流量與由觀測孔A′流向觀測孔B的流量的疊加影響。

根據(jù)以上假設(shè)，由觀測孔A 流向觀測孔B 的流量q1與由觀測孔A′流向觀測孔B 的流量q2大小相等，方向相反，故實(shí)際區(qū)域與鏡像區(qū)域兩側(cè)的流量疊加之后，其結(jié)果為

由式(6)可知，受到地鐵車站阻水作用影響后，觀測孔A、B 之間任意斷面的地下水流量為0。此時(shí)，觀測孔B 的地下水位高度與觀測孔A 的地下水位高度相同，即

因地鐵車站隔水作用產(chǎn)生的水位壅高為

式中：h 為車站建成后車站結(jié)構(gòu)處的水位高度，m；Δh為考慮地鐵車站阻水作用后的圍護(hù)結(jié)構(gòu)處的水位壅高值，m；h1、h2為地鐵車站建設(shè)前觀測孔A、B 內(nèi)的水位高度，m。

根據(jù)式(8)可知，受到地鐵車站阻水作用時(shí)，地下水流將會(huì)產(chǎn)生壅高，其壅高值與觀測孔A 點(diǎn)的位置以及觀測點(diǎn)A 處的水位高度有關(guān)。

為盡可能準(zhǔn)確地得到地下水位的壅高值，應(yīng)將觀測孔A 的位置，設(shè)置于迎水一側(cè)與地鐵車站相距地層影響半徑R 處。然而，在工程實(shí)踐中，由于場地條件的限制，水位觀測孔的位置不可能恰好位于其影響半徑處。為解決這個(gè)問題，可引入水力坡度的概念，即在水流方向上的兩個(gè)觀測孔內(nèi)的水位差與其距離之比，即

式中：h1、h2為勘察期間水流方向上的任意兩觀測孔內(nèi)的地下水位，m；L0為兩觀測孔的距離，m。

由勘察孔之間的水力坡度，可得迎水一側(cè)與地鐵車站相距地層影響半徑R 處的水位差，有

根據(jù)式(10)，可以在勘察階段，根據(jù)研究區(qū)沿水流方向上任意兩勘察孔的觀測水位及地層條件，即可求得受擬建地鐵車站阻隔作用后的地下水位最大壅高值。

1.2.3 抗浮設(shè)防水位分析

由前述分析可知，當(dāng)?shù)叵滤饔龅降罔F車站的阻隔作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的水位壅高值，車站抗浮水位應(yīng)取上述基于長觀水位及降雨量資料的抗浮設(shè)防水位值與考慮地鐵車站阻隔作用的地下水壅高值之和，即

式中：Hf為考慮地下水雍高影響的抗浮設(shè)防水位建議值，m；Ho為基于長觀水位及降雨量資料得到的抗浮水位建議值，m；Δh 為按照筆者所述方法推導(dǎo)出的考慮地鐵車站阻隔作用的地下水位壅高值，m。

1.2.4 地下水流量分析

若使車站結(jié)構(gòu)對地下水滲流的影響最小，即不產(chǎn)生壅高等問題，需維持與原地質(zhì)結(jié)構(gòu)相同的滲流條件，即受地鐵車站阻隔作用的地下水流量與未建地鐵車站時(shí)流經(jīng)此斷面的地下水流量相同。

未建車站時(shí)，原地質(zhì)條件下的單寬流量可采用式(5)求得，因此受地鐵車站阻隔作用的地下水流量為

式中：Q 為受地鐵車站阻隔作用的地下水總流量，m3·d-1；B 為車站總長度，m。

2 工程實(shí)例分析

2.1 車站工程概況

濟(jì)南某地鐵車站沿東西走向敷設(shè)，全站全長345.62 m，采用明挖法施工，地連墻支護(hù)結(jié)構(gòu)。

綜合室內(nèi)滲透試驗(yàn)和現(xiàn)場鉆孔抽水試驗(yàn)的結(jié)果，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，基坑地下水控制所需的各層巖土的滲透系數(shù)可按表1 中的建議值選用。地連墻進(jìn)入19-3 中風(fēng)化閃長巖地層。

表1 各層巖土滲透系數(shù)建議值 Table 1 Recommended values of the permeability coefficient of each layer

2.2 地下水位壅高值

根據(jù)勘察期間水位測量的結(jié)果，運(yùn)用繪圖軟件，繪制的未建車站時(shí)擬建車站位置處的流網(wǎng)圖，見圖4。

圖4 濟(jì)南某地鐵車站建設(shè)前的地下水流網(wǎng)圖 Figure 4 The flow-net of groundwater before the construction of a subway station in Jinan

可以看出，擬建地鐵車站為東西向。未建地鐵車站時(shí)，地下水流向?yàn)镾W 至NE，擬建地鐵車站與地下水流向近似正交關(guān)系；地鐵建成后，受地鐵車站的阻隔作用，新的局部分水嶺將生成，地下水滲流條件發(fā)生改變，地下水的補(bǔ)徑排關(guān)系將重新確定。

為簡化計(jì)算，可將圖4 所示受車站阻隔作用的地下水流近似看作南北向流動(dòng)，則可選取南北向的12-12’地質(zhì)剖面作為本次計(jì)算剖面，取隔水底板標(biāo)高為-8 m，A 點(diǎn)取C08XZ45 號孔，A 點(diǎn)水位標(biāo)高為h1=22.92 m；則B 點(diǎn)取C08XZ3 號孔，B 點(diǎn)水位標(biāo)高為h2=20.68 m。

AB 兩觀測孔間的直線距離L0=187 m。

含水層滲透系數(shù)K，本次取根據(jù)C08XZ7 號孔土層參數(shù)計(jì)算的含水層綜合滲透系數(shù)，即K=4.752× 10-3cm/s。其滲透系數(shù)與粉砂相當(dāng)，影響半徑可取經(jīng)驗(yàn)值R=50 m。

將上述參數(shù)代入式(11)，解得受車站結(jié)構(gòu)影響的地下水壅高值，如表2 所示。

表2 濟(jì)南某地鐵車站地下水壅高計(jì)算 Table 2 Groundwater backup calculation of a subway station in Jinan m

由于車站建設(shè)前與建成后地下水位測量的時(shí)間不一致，難以采用水位直接進(jìn)行對比，因此采用水力坡度J 作為參考指標(biāo)。車站建設(shè)前原始水力坡度、車站建成后實(shí)測地下水水力坡度與計(jì)算值的對比關(guān)系如表3 所示。

表3 水力坡度原始值、實(shí)測值與計(jì)算值對比關(guān)系 Table 3 Comparison of original, measured and calculated value of hydraulic gradient

可以看出，車站建成后受到地鐵車站的阻隔作用，水力坡度會(huì)明顯減小，雖然仍會(huì)有一定的水力坡度，但這是由于理論計(jì)算時(shí)忽略了地下水從車站結(jié)構(gòu)兩側(cè)繞流情況而引起的?？偟膩碚f，實(shí)測值與理論值的擬合度較高，該理論值的計(jì)算結(jié)果相對較保守，所以可作為設(shè)計(jì)參考依據(jù)。

2.3 抗浮設(shè)防水位

本工點(diǎn)場地的地下水穩(wěn)定，水位埋深0.7～3.7 m，高程介于19.94～22.92 m 之間，勘察期間(2016 年8 月)屬年較高水位期，基于3～5 年長觀水位及降雨量資料(見圖5)，可按照文獻(xiàn)[12]提出的方法得到抗浮設(shè)防水位建議值(見表4)。 根據(jù)式(11)，考慮地鐵車站對地下水滲流阻隔作用，抗浮設(shè)防水位為Hf=22.92+0.60=23.52 m，故本次抗浮設(shè)防水位的建議值取23.52 m。

圖5 濟(jì)南市1956—2018 年降雨量 Figure 5 Rainfall histogram of Jinan City from 1956 to 2018

表4 基于觀測資料得到的抗浮設(shè)防水位一覽 Table 4 Anti-floating water level based on observation data m

2.4 地下水流量

地下水產(chǎn)生壅高的原因是地鐵車站阻隔了含水層中正常的地下水滲流，根據(jù)式(5)求得未建車站時(shí)流經(jīng)此位置的單寬流量q=1.5 m2/d；車站東西總長度約350 m，受地鐵車站阻隔作用的總流量為Q=qB=1.5× 350=525 m3/d。因此，若想地下水滲流過程中不受地鐵車站阻隔影響產(chǎn)生壅高，則需采取措施排導(dǎo)的地下水流量為525 m3/d。

3 結(jié)語

1) 根據(jù)一維滲流理論，對未建地鐵車站時(shí)的地下水滲流情況進(jìn)行了分析，并結(jié)合鏡像原理及疊加原理，分析了地鐵車站對地下水滲流的影響機(jī)制，得到了受地鐵車站阻隔作用的地下水壅高值，以及地下水流量的解析式。

2) 運(yùn)用本研究得到的理論公式，分析了濟(jì)南某地鐵車站因受車站阻隔作用引起的地下水位壅高、地下水流量變化等，并提出了考慮地下水壅高的抗浮設(shè)防水位建議值。

3) 車站處受阻隔作用而產(chǎn)生地下水壅高值，與含水層的影響半徑、水力坡度等有關(guān)。在實(shí)際工作中，當(dāng)遇到具有一定的水力坡度的強(qiáng)透水含水層時(shí)，地鐵車站建成后可能產(chǎn)生的地下水壅高應(yīng)當(dāng)引起工程人員的重視。