基于现场试验研究的浅层地下水人工回灌影响因素分析

何 晔，黄鑫磊，占光辉

（1. 上海市地质调查研究院，上海 200072；2. 国土资源部地面沉降监测与防治重点实验室，上海 200072；3. 上海地面沉降控制工程技术研究中心，上海 200072）

基于现场试验研究的浅层地下水人工回灌影响因素分析

何 晔1,2,3，黄鑫磊1,2,3，占光辉1,2,3

（1. 上海市地质调查研究院，上海 200072；2. 国土资源部地面沉降监测与防治重点实验室，上海 200072；3. 上海地面沉降控制工程技术研究中心，上海 200072）

近年来上海工程性地面沉降引起的地面沉降漏斗严重影响了周边地区生命线工程的建设及运营安全，浅层地下水人工回灌技术在工程性地面沉降防治中的应用已受到关注。通过现场试验研究，对浅层地下水人工回灌试验中影响回灌量的各因素，包括回灌井结构、回灌井压力以及回灌井使用时间等进行了分析探讨。

工程性地面沉降；沉降防治；浅层地下水；人工回灌；试验研究；影响因素

上海的区域地面沉降已得到较好控制，但沉降不均匀现象较为突出，在局部地区依然发育着多个由工程建设引起的沉降漏斗，漏斗中心沉降量普遍超过10mm[1～3]。如在虹桥、三林、陆家嘴等工程建设密集地区，都发育有明显的沉降漏斗。上海对工程性地面沉降问题也高度重视，《上海市地面沉降“十二五”防治规划》提出，减少差异地面沉降是上海市地面沉降防治的重点任务，2013年7月1日开始施行的《上海市地面沉降防治管理条例》进一步明确了工程性地面沉降的防治管理[4]。

近年来的研究及实践应用证明，浅层地下水人工回灌技术是一种方法简单、技术可行的有效手段[5,6]。而浅层含水层由于其土性以粉性土为主，颗粒较细，渗透性较差，因此相较于深层地下水回灌来说更加不利，回灌量较小。现有的研究普遍认为浅层地下水人工回灌量较小主要是地层条件所限，尚缺乏对浅层地下水人工回灌量影响因素的系统研究分析，即如何在浅层地下水人工回灌实际应用中最大限度增加回灌量从而提高工程性地面沉降控制效果。

本文结合浅层地下水人工回灌现场试验研究，着重针对影响回灌量的各因素进行分析总结，探讨浅层地下水人工回灌技术的应用实效，为后续工程性地面沉降防治研究提供借鉴[7,8]。

1 浅层地下水人工回灌试验场概况

为研究分析浅层地下水人工回灌量各影响因素，选择上海某在建工程深基坑旁建设了浅层地下水人工回灌试验场，共建设第一含水层地下水回灌井2口、地下水位观测井3口、地面沉降水准监测剖面2条（图1）。

1.1 试验场地质条件

根据试验场钻探及工勘资料，第一含水层可分为两个亚层，即⑦1层砂质粉土和⑦2层粉砂，试验场地内⑦1层与⑦2层差异较大，使得整个含水层呈现典型的二元结构。含水层上部即⑦1层为粉土，并夹有大量黏土，渗透性较差；而含水层下部即⑦2层为粉砂，富水性及渗透性都相对较好。浅层地下水人工回灌试验场地质特征见表1。

图1 试验场设施平面布置Fig.1 The facilities layout of land subsidence monitoring and groundwater recharge

表1 浅层地下水人工回灌试验场地质特征Table 1 The geological features in experimental site for shallow aquifer groundwater artificial recharge

1.2 回灌井结构设计

试验场为正常沉积区，本次回灌试验的目的含水层为第一承压含水层，分为⑦1、⑦2两层，其中⑦1层埋深28.37～31.77m，层厚3.4m。试验场区内共建设两口第一承压含水层回灌井H1和H2，其中H1井深44m，滤水管位置30～42m，滤水管长度12m；H2井深37m，滤水管位置30～36m，滤水管长度6m。扩大孔径是增加回灌量提升回灌效果的一种有效成井工艺[2,3]。此次试验，回灌井H1孔径取为800mm，作为比对回灌井H2孔径取650mm，回灌井结构示意见图2。

图2 试验场地层及回灌井结构示意Fig.2 The stratums and recharge wells structure in experimental site

2 浅层地下水人工回灌试验分析

本次试验场在基坑施工完毕后，针对第一承压含水层先后进行了三组自来水压力回灌试验。第一组回灌试验于2013年6月24日14:20开始，对回灌井H2进行单井回灌，于7月4日9:55结束；第二组回灌试验于2013年7月8日12:00开始，对两口井同时回灌进行群井试验，于7月18日12:00停止回灌井H2回灌，变为回灌井H1单井回灌，8月14日10:30回灌试验结束；第三组回灌试验于2013年10月14日10:00开始，对回灌井H1进行单井回灌，于10月29号11:15结束。

三次单井回灌试验期间回灌量和回灌压力的变化情况如图3所示。

划痕实验及Transwell小室法结果显示，与对照组比较，SCC-15细胞中过表达miR-219能降低SCC-15细胞的迁移及侵袭能力。然而，当共转染miR-219和PRKCI后，SCC-15细胞的迁移能力比单独转染miR-219的SCC-15细胞降低了50%以上(P<0.01)，SCC-15细胞的侵袭能力比单独转染miR-219的SCC-15细胞降低了50%以上(P<0.05)。说明由于PRKCI的过表达，逆转了miR-219抑制肿瘤迁移及侵袭能力的作用(图2E，图2F)。

图3 三组回灌试验回灌量与回灌压力变化曲线Fig.3 The quantity and pressure of recharge well of three tests

2.1 回灌井结构的影响

对比第一组单井回灌试验和第二组单井回灌试验，从图3中可明显看出第二组回灌量大于第一组。其中，第一组单井回灌试验于2013年6月24日14:20开始，对H2进行自来水管网压力回灌，于7月4日9:55结束，平均回灌流量为4.2m3/h，连续回灌约10天，累计回灌量1013.81m3；第二组单井回灌试验于2013年7月18日12:00开始，对H1进行自来水管网压力回灌，于8月14日10:30结束，平均回灌流量为5.5m3/h，连续回灌约27天，累计回灌量3533.34m3。

可知在其他条件相同的情况下，回灌井H1的回灌量明显大于H2，是后者的1.3倍。这主要是由于两口井结构不同，H1井深44m，滤水管位置30～42m，滤水管长度12m，而H2井深37m，滤水管位置30～36m，滤水管长度6m，则一方面H1井滤水管长度大于H2，另一方面H1井深44m，插入⑦2层较深，而⑦2层为粉砂，富水性及渗透性都相对较好，且回灌井H1孔径取为800mm，H2孔径为650mm，故按此结构设计回灌井H1回灌量应大于H2，而实际试验结果也确是如此，可知在相同地质条件及现实情况允许下，回灌井深度越深其回灌量越大。

2.2 回灌压力的影响

从图3中可以看出，回灌井回灌量与回灌压力负相关性明显，随着回灌持续时间增加，回灌压力逐渐增大，回灌量逐渐减小。如果当回灌压力到达一定值时，仍继续回灌则容易出现回灌井井口周围地面渗水的情况，这时可以再采取井口周边注浆加固等措施进行减缓，但一般效果不明显。

在回灌运行过程中，需要保持对回灌压力的持续观察和记录，当回灌压力明显增大时，需要注意控制回灌水源的流量，适当依据回灌压力的变化相应减小回灌流量，避免源头水量过大造成回灌压力增大而出现地面渗水情况。

这也是浅层地下水回灌和深层回灌的一个主要的不同之处，上海深层的地层一般砂粒颗粒较大，而浅层颗粒较小多为粉砂，渗水性差距较大，且浅层地下水位一般高于深层地下水位，故回灌时表现为回灌量小，回灌难度大，当浅层地下水人工回灌到一定程度时，地下水位有一定抬升，需要继续回灌时则易表现出回灌压力增大，回灌量减小。这也是目前浅层地下水回灌的一个难点，在出现新技术之前，则需要对回灌压力进行持续观测以便调节回灌源头的水量，防止回灌压力过大对回灌井造成损害。

2.3 回扬的影响

当回灌井回灌量较小时，可以对其进行回扬，一般来说回扬后的净回灌量（即回灌量-回扬量）会大于回扬前的净回灌量，这可能与一般认识有所不同，但回扬能带出滤水管上的一些附着物，虽然暂时抽出一些地下水，但在回扬后能增加回灌量，总的来说净回灌量有所增加，且回扬带出滤水管上的一些附着物能避免滤管堵塞，从而延长回灌井使用时间。因此在回灌井回灌运行期间，设定适当的回扬频率和回扬时间，对回灌井回灌效果是有帮助的。表2给出现场回灌试验的一些数据作为参考。

表2 回灌试验中回扬前后回灌量对比Table 2 Quantity of water recharge before and after drawing water out of recharge wells

2.4 回灌井影响半径的影响

从表3可知，距离回灌井越远，观测井水位抬升越小，即受回灌井影响越小。故回灌井设计中需考虑回灌井的影响半径，从而相应把回灌井布置在需要保护的建筑物或构筑物周围，通过回灌井的布置形成水幕，从而减少甚至抵消降排水的影响，达到零水位降深与零沉降。

表3 回灌期间各观测井水位抬升统计Table 3 Raising of groundwater level of observation wells for duration of experiment水位

2.5 回灌井使用时间的影响

比较图3中的回灌量，可知图中第三组H1单井回灌试验回灌量小于第二组H1单井回灌试验的H1回灌量。这表明随着使用时间的增加，回灌井回灌量有所减小，也反映了反复抽灌对回灌井的回灌能力有影响。选取相对优良的管材，提升回灌井质量，可以相应延长回灌井使用寿命。

3 结论和建议

本文通过现场试验研究，针对目前在工程性地面沉降中应用广泛的浅层地下水人工回灌技术中影响回灌量各因素进行了分析，希望从回灌井设计、施工、运行等方面在现有技术条件下最大限度地提升回灌量，从而提高工程性地面沉降控制效果。

（1）在最初设计方面，根据现场地质环境及条件考虑回灌井的结构及回灌井的布置，在现实允许的情况下，增加滤管长度，使需保护建筑物或构筑物尽量在回灌井影响半径之内，另外尽量对管路进行设计优化；

（2）在施工方面，对现场各种材质严格把关，施工过程严格把控，保证回灌井深度及孔径等；

（3）在运行期间，通过持续观测回灌压力及相应的回扬频率，使回灌井尽量处于高效工作状态，且需对回灌水源的水质进行检测，必要时采取一定处理措施避免回灌井堵塞，从而延长回灌井使用时间。

从现有的成果上来看，目前在防治工程性地面沉降实际应用方面已经取得了一定的进展。下一步还需在以下两方面加以研究，从而更好地满足实际工程的需要：把回灌井设计和工程隔水帷幕设计以及降水设计相结合，即一体化设计优化，从而站在整个建设工程的高度上对全局把控，考虑多方面因素影响，从而得出最优设计；发展新技术，突破地层条件对浅层地下水人工回灌的束缚。

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Analysis of factors influencing artificial recharge of a shallow groundwater table based on field and experimental studies

HE Ye1,2,3, HUANG Xin-Lei1,2,3, ZHAN Guang-Hui1,2,3
(1. Shanghai Institute of Geological Survey, Shanghai 200072, China; 2. Key Laboratory of Land Subsidence Monitoring and Prevention, Ministry of Land and Resources, Shanghai 200072, China; 3. Shanghai Engineering Research Center of Land Subsidence, Shanghai 200072, China)

In recent years, ground subsidence funnels caused by engineering-related subsidence have impacted the construction and operational safety of transportation corridors operating in areas surrounding Shanghai. At present, the technology of artificial recharge of shallow aquifers to control engineering-related subsidence has received attention. This study discusses the results of field and experimental studies of artificial shallow groundwater recharge, to explore the factors that influence the quantity of recharge water required in a particular situation, as well as the structure of the recharge well (depth, diameter, etc.), the operational pressure of the recharge well, the rate and duration of recharge, etc.

engineering-related subsidence; land subsidence control; shallow groundwater; artificial recharge; experimental studies; influencing factors

P642.26

A

2095-1329(2015)03-0075-03

10.3969/j.issn.2095-1329.2015.03.017

2015-07-01

2015-07-28

何晔(1987-),男,硕士,主要从事基坑降水与地面沉降防治研究.

电子邮箱: yqiqie@163.com

联系电话: 021-56617046

国土资源部公益性行业科研专项(201311045);上海市科委科研项目(12231200700)