北京下凹式立交桥雨洪水入渗技术与方案研究

江 剑（北京市地质工程勘察院，北京100048）

北京下凹式立交桥雨洪水入渗技术与方案研究

江 剑
（北京市地质工程勘察院，北京100048）

北京市夏季暴雨集中，易形成内涝灾害，城市中西部区域属于永定河冲洪积扇中上部区域，含水层为单一或2～3层的砂卵砾石，具备优良的水资源回灌条件，该区域可以利用不同的方式进行雨洪水的回灌，减弱雨洪水灾害性，形成地下水资源。北京市城区分布大量的下凹式立交桥，由于地势低、汇水条件强，排水压力增加，更易形成灾害，针对北京西部分布的下凹桥区的雨洪水解决对策，本文以石景山麻峪桥区为例，在地下水回灌试验的基础上研究了雨洪水入渗的技术。研究证实，下凹式桥区可建设入渗池、管井、大口井、辐射井4个回灌方案解决积水问题。论文研究成果为北京立交桥城市暴雨积水解决、城市排水防涝工程体系提供了依据，对城市防洪减灾具有重要意义。

雨洪水；地下水；人工回灌；回灌能力；防洪

0　引言

北京市属于大陆性季风气候，80%的大气降水集中了年内7—9月份，受气候影响，降水季节频现暴雨现象，雨水短时集中排洪压力陡增，常形成内涝积水、造成交通瘫痪，甚至形成洪涝、地质灾害，威胁城市安全（朱文君，2012）。北京市各条道路主干道上分布有大量的下凹式立交桥，桥区地面下凹、地势低，汇水条件好，进一步加剧了雨洪水灾害发生的可能性和危害，例如“7·21”暴雨造成城区莲花桥、复兴门桥、东直门桥等共95处道路发生积水断路，“6·23”暴雨造成莲花桥、丰益桥、丰北桥等20处道路积水中断，对城市交通、居民生命财产造成了极大损害。为此，北京市提出下凹式立交桥雨洪泵站改造规划，按照排、蓄、渗的方针控制利用桥区雨洪水，提高防洪性能。

雨洪水既是一种灾害因素，又是一种资源，下凹桥区可以利用积蓄池、回灌井等回灌方式，将雨洪水快速入渗地下，缓解暴雨时间城市河道管道排洪压力，减少灾害发生。本文在地下水回灌方式选择的基础上，以麻峪下凹式立交桥桥区为典型区域，通过地下水回灌试验，计算了入渗能力，结合桥区水文地质和现场环境提出了4种回灌方案，研究成果为下凹桥区的改造及暴雨防灾减灾提供了依据。

1　区域概况

北京市城区位于太行山山前地带，地形西高东低，坡降为1‰～3‰，西部边缘海拔为200～700m的低山丘陵，城区地面标高一般在60m以下，市中心海拔43.71m。区内第四系地层山前薄、平原区厚，由西向东由数十米增至数百余米。第四系主要由河流冲洪积作用形成，含水层岩性与结构具有明显的规律性：西部山前到东部平原沉积物颗粒由粗变细，含水层结构由单一层逐渐过渡到多层，地下水类型由单一潜水逐渐过渡为潜水、承压水。区域地下水由山前向平原，由北西向南东流动，西部、西北部地下水标高大于50m，埋深超过40m，东部、东南部地下水位标高在16m左右，地下埋深在15m左右。

20世纪80年代后，受北京市地下水大规模开发和气候干旱影响，特别是1999年后的连续干旱，地下水超采程度加大，区域地下水位连续下降。为此，北京市开展了大量的工作研究地下水回灌问题（刘家祥等，1988；北京市水文地质工程地质公司，1985；北京市地质矿产勘查开发局，2008）。由于冲洪积扇中上部区域第四系含水层颗粒相对粗、开放性好，具有良好的人工补给条件，特别是城区西部地带含水层为单一或2～3层的砂卵砾石结构，地下水回灌条件优良，可以利用砂石坑、河道渠道、回灌水井进行水资源回灌（图1）。北京市先期整治的20座下凹式立交桥可以利用入渗池、管井、辐射井进行雨洪水的回灌，解决排洪问题同时增加地下水资源。

图1　北京市城近郊区水文地质图Fig.1 Hydrogeologic map on the suburbs and city of Beijing

2　雨洪水人工回灌技术与适宜方式

2.1地下水人工回灌研究状况

雨洪水回灌技术属于地下水人工回灌研究范畴，地下水人工回灌又称地下水人工补给或地下水人工回注，一般指利用天然场地或人工设施将地表水或其他来源的水注入地下的行为（供水水文地质手册，1983）。18世纪末欧洲法国、英国开始研究地下水人工回灌问题，20世纪中期以后世界水资源短缺，地下水回灌研究、工程实践逐渐兴起，比较典型的有美国、荷兰、日本等（张学真，2005）。美国1889 年在南普拉特河冲积扇首次以蓄洪补给地下水。20世纪50年代在加州滨海地区、奥伦奇市等地利用井灌、河道、人工湖等进行地下水人工补给，20世纪70年代为解决城市防洪问题提出“就地滞洪蓄洪”方案，并在开始实施“含水层储存和回采工程（ASR）计划”利用含水层调蓄水资源，典型工程有加州富雷斯诺市的“Leaky Areas”地下水回灌系统、芝加哥曾修建了地下隧道蓄水系统（李恒太等，2008）。荷兰地下水补给工程96%为砂丘入渗系统，典型工程为阿姆斯特丹供水公司的河流-沙丘供水系统（River-Dune Water Supply System），可提供6600×104m3地下水用于供水。日本是城市雨洪利用较早的国家，1980年开始推行雨水贮留渗透计划，利用渗井、渗沟、渗池等入渗设施将地面径流就地人渗地下，控制径流汇集、减小洪峰流量、补给地下水。国内走在地下水回灌研究前列的省市有北京、天津、陕西、浙江等地，20世纪50年代末上海开始采用废弃深井回灌的方法增加深井的出水量。1963年，上海市广泛开展人工补给地下水研究和运用，以控制地面沉降（费瑾，1982；上海地质矿产局，1986）。60年代末，北京在石景山、密云、顺义等地开始地下水回灌研究，利用砂石坑、河渠、大口井开展了大量的回灌试验工作，提出了相应的调蓄方案。

2.2桥区雨洪水回灌适宜方式

地下水直接回灌方式，包括地面入渗和地下灌注两种。地面入渗法，又称浅层回灌法或水扩散法，主要是利用水库、坑塘、水池、洼地、河床、沟道等地面集输水工程设施，依靠地表水和地下水之间的天然水头差入渗地表水，补给地下水。地面入渗法常需要借助自然条件如天然河道、洼地，工程面积大，需要地表之下土层有良好的入渗地质条件。地下灌注法是指采用管井、大口井、大口井辐射井、坑道将水回灌地下补给地下水的方法，地下灌注法具有多种优点，包括：不受地形条件限制、不受弱透水层与地下水位限制、受地面条件影响小、占地面积小、回灌量大、应用灵活等，因此广受应用。北京地区曾利用大口井、深井等方式进行回灌，例如1980年利用首钢大口井进行回灌试验，大口井深25m，直径8m，回灌量可达0.5～0.1m3/s。

由于北京市下凹桥区面积狭小，地势低，雨洪水多为短时暴雨，四周汇水造成桥区大量积水，短时排水进入河渠十分困难，并且城区河渠多衬砌，难以入渗，不具备灌溉入渗的条件。因此，不能使用灌溉、渠道、河流等方式入渗，北京市下凹式立交桥改造计划将建设蓄水池，因此，地面入渗法中的渗透池法可以用作下凹桥区雨洪水的入渗。另外，管井、大口井、地下坑道等地下灌注法占地面积小、入渗量大，因此，地下入渗法也可作为桥区雨洪水入渗的方式。北京市下凹桥区雨洪水可利用的方式及条件见表1。

表1　下凹桥区雨洪水回灌方式表Tab.1 Artificial recharge methods on the rain flood in sunken overpasses

3　地下水回灌试验

通过地下水回灌试验研究麻峪桥区雨洪水回灌方案，麻峪下凹式立交桥位于北京门头沟与石景山交界地带、西部主干路阜石路之上，属永定河冲洪积扇顶部地带，桥区地层第四系厚度约40m，表层为约7m砂质粉土填土，下部约33m的砂卵砾石层，地下水位埋深28m。2013年7.21暴雨该桥区汇集水量达54000m3。

3.1试验区概况

由于麻峪桥区不具备试验的水源、输水等试验条件，选择同属于永定河冲洪积扇顶部的首钢区域进行试验，利用试验场的地下水源热泵系统进行试验。试验场有#1-#5共5眼抽灌井、2眼沉砂井，见图2。试验区地层地表为0～7.5m的粘砂，含水层为砂砾石夹；抽灌井管径均φ529mm、深度为79～88m；沉砂井井深20m，各抽灌井下入自动水位计进行试验。

图2试验场设施平面分布图Fig.2 Plane distribution of the facilities in the test site

3.2试验过程与结果

试验分两个过程。第一过程利用#5开展抽水试验，时间为9小时，抽水时#1、#2、#3、#4水位没有变化，#5抽水数据见表2。

表2　#5抽水试验数据表Tab.2 Pumping test data of the No. 5 well

由于#5抽水时#1、#2、#3、#4水位没有变化，说明#5抽水对其下游的水井没有影响，可以利用#5抽水水源通过热泵系统灌入其他井进行试验，因此第二阶段进行定流量回灌试验，将#5抽水水源回灌到#2中，#1、#3作为监测井，回灌试验流量148m3/h，进行17d，各井水位变化见图3，数据见表3。

表3　回灌试验各井水位变化数值表Tab.3 The changes value of well Water level during the artificial recharge test

试验结果图3显示：抽水井#5水位出现短时的下降，其后比较稳定；监测井#3水位一直比较稳定；监测井#4水位持续上升；回灌井#2前期水位持续上升，360小时后出现稳定。可知，试验期间区域水位变化不大，可以利用回灌井#2和监测井#1数据进行水文地质参数计算。

图3　回灌试验各井水位变化图Fig.3 The changes of well Water level during the artificial recharge test

3.3结果计算与探讨

利用抽水试验数据进行渗透系数计算，计算公式为：

式中：K为渗透系数（m/d），Q为抽水流量（m3/d），R为抽水影响半径（m），S为水位降深（m），H为含水层厚度（m）。

由于抽水时距离抽水井#5为81m观测井#4水位没有变化，并且回灌试验时距离回灌井48m处监测井水位没有变化，36m处监测井水位上升1.54m，参照上述数值取R为45m；#5含水层厚度为42.55m；将表2数据代入式（1），求得K为83.03m/d。

回灌试验为1眼回灌井、1眼监测井系统，利用表3试验数据进行渗透系数的计算，公式为：

式中：K为渗透系数（m/d）；Q为回灌流量（m3/ d），根据试验监测数据Q为3550m3/d；r1为观测孔#1到回灌井距离（m），为36m；rw为回灌井半径（m），为0.2645m；H为含水层厚度（m），根据回灌井地层含水层厚度和回灌时初始水位，确定H 为35.13m；S为监测井#1水位上升值（m），Sw为回灌井#2水位上升值（m）。根据表3数据计算S、Sw，S平均值为6.18m，Sw平均值为2.12m。将数据代入式（2），求得K为24.81m/d。

两种方法求取得渗透系数对比显示出较大的差异，经分析认为是在回灌时回灌井中的水位高于回灌井外的实际地下水位，井损造成计算K值偏小。也就是说，由于井损的存在，当进行水资源回灌时，利用抽水试验求取的渗透系数和回灌井监测水位代入式（2）求取回灌量时，渗透系数应该乘以一定的系数，即式（2）相应调整为：

式中α为系数，根据本次抽水试验和回灌试验求取的渗透系数，可计算得α为0.289。利用该系数可以进行桥区雨洪水入渗时的回灌量的计算。

4　麻峪桥回灌方案研究

根据前述桥区雨洪水适宜性分析结论，麻峪桥区适宜回灌的方式有渗透池法、管井回灌、大口井、辐射井及渗水廊道，相应可设计4种方案进行雨洪水回灌。

4.1入渗池方案

麻峪桥区改造方案中建设的蓄水池长31.95m、宽25.00m，有效水深4.8～7.2m。可将该蓄水池建设成为底部入渗的渗透池，并预留蓄水池、过滤池、沉淀池等水处理池及回灌池，取入渗池面积为100m2，进行雨洪水入渗，该方案统称为入渗池法。入渗池的回灌通过池底面入渗时，回灌量可以用一维流来进行计算，计算公式为达西定律公式：

式中：Q为灌入土壤中的水量（m3/d）；K为池底土体的垂向渗透速度（m/d）；Sa为入渗池底的面积（m2）；I为垂直入渗水力梯度，其值约为1。

取麻峪桥区垂向渗透系数约为30m/d，代入式（4）计算，得100m2入渗池理论入渗能力为3000m3/d，如要解决“7·21”暴雨的54000 m3雨洪水理论上需18d。

4.2管井入渗方案

可在麻峪桥区入渗池周围新建回灌井，进行雨洪水的回灌。管井回灌采用重力回灌，满足裘布衣公式计算条件，可利用式（5）计算潜水含水层回灌水量（考虑井损公式乘以折减系数）。

式中：Q为单井回灌量（m3/d），K为渗透系数（m/d），H0为潜水含水层厚度（m），R为回灌影响半径（m），h0为回灌稳定水位（m），rw为管井半径（m），α为考虑井阻等效应的回灌量折减系数。

方案设计回灌管井为潜水完整井，井径529mm；麻峪地区潜水水位高度为12m；式（5）中的折减系数α与回灌井回灌水位相关，由于缺乏α与回灌水水位的关系数值，因此采用回灌试验中水位在6m的系数0.289，相应回灌井中水位升高值Sw为6m，确定h0为18m；影响半径为150m。将各参数带入式（5），计算出单眼井的理论入渗量为8036m3/d，取8000m3/d；拟在在调蓄池四角各布置1眼管井，共4眼回灌管井，不考虑管井相互影响总回灌量可为3.2万m3/d。如要解决“7·21”暴雨的54000 m3雨洪水理论上需1.7d。

4.3大口井回灌方案

一般将井径大于2m的管井称为大口井，北京在施大口井井径为2～3m，井深至水位以上，混凝土井壁上设置回渗孔，采用人工方式开挖。大口井回灌示意图见图4。

图4　大口井回灌示意图Fig.4 The recharge schematic view on large opening well

本方案设计大口井直径3m，拟在入渗池四角设置4眼大口井，井深为28m，井壁、井底同时渗水，属于非完整井，可采用公式（6）计算入渗能力：

式中：Q为单井回灌量（m3/d）；K为渗透系数（m/d）；h0为潜水位至井底的高度（m）；S为回灌井中水位上升值（m）；R为回灌影响半径（m）；r为大口井半径（m）；α为考虑井阻等效应的回灌量折减系数。相应确定计算参数，见表4。

表4　大口井回灌量计算参数表Tab.4 The Parameters to Calculate the recharge water yield using large opening well

各参数带入式（6）计算出单眼大口井的理论入渗量为5453m3/d，取5500m3/d；可在调蓄池周围布置4眼回灌管井，不考虑回灌井相互影响计算总回灌量为22000m3。如要解决“7·21”暴雨的54000m3雨洪水理论上需要2.5d。

4.4辐射井回灌方案

辐射井回灌是在大口井的侧壁增设水平井，水平井延伸到主要含水层，辐射井回灌量包括井底及侧壁的渗透量及水平井渗透水量，其回灌形式见图5。

图5　辐射井回灌示意图Fig.5 The recharge schematic view on radiant well

辐射井回灌量计算可以在大口井回灌量的基础上叠加上水平井的回灌量而求得，水平井回灌水量按照如下公式计算：

式中：Q为辐射井竖井总出水量（m3/d）；A为水平井干扰系数，α为1.609/n0.6864；n为辐射管根数；q为水平井单井（管）渗水量（m3/d），可用式（8）计算：

式中：L为水平井长度（m），设计辐射井单根辐射管长度5m；m为回灌井中水位至地下水位含水层厚度（m）；h为静水位至井底含水层厚度（m）；ζ为折减系数，设计辐射井中控制水位m为6m，折减系数取0.289。单根辐射管入渗量计算参数取值见表5。

表5　大口井回灌量计算参数表Tab.5 The Parameters to Calculate the recharge water yield using radiant well

经计算辐射井单井理论入渗能力为14252m3/d，取辐射井单井能力14200 m3/d。在该区入渗池的4角设置4眼辐射井，总能力可达56800m3/d，理论上1d即可入渗“7·21”暴雨的54000m3雨洪水。

表6　麻峪桥区雨洪水入渗方案汇总表Tab.6 summary of artificial recharge programs to solve the rain flood problem in MaYu bridge

4.5推荐回灌方案

将前述4个回灌方案汇总，见表6。上述方案对比，辐射井回灌能力较大，推荐采用辐射井方案进行麻峪桥区雨洪水的入渗。

5　结论

雨洪水入渗补给是雨洪利用、增加地下水的重要途径，但是国内外多地的地下水人工补给工程建设和运行不可避免遇到两个问题，一个是雨洪水的水质问题，另一个是回灌过程中的堵塞效应，极大地影响到了回灌工程的建设、运行和管理。雨洪水一般水质较差，尤其是前期雨洪水悬浮物多、有机物含量多、水质指标差、成分复杂，中后期雨洪水水质较好，但是整体水质清洁，各污染物含量均远远低于城市污水，其回灌地下是可能的。建议下凹桥区雨洪水先期以排为主，其后进行回灌；雨洪水回灌工程需设置必要的过滤、沉淀甚至絮凝设施，进行水质的预处理，下凹桥区回灌工程可在回灌池、回灌井中加入砂、砾石及其他填料，进一步过滤雨洪水，并且对回灌工程定期维护，进行填料清除、回扬、洗井等，保证工程效益发挥。

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Research on the Water Infiltration Technology during the Rainy Seasons in the Recessed Overpass of Beijing

JIANG Jian
（Beijing Institute of Geological & Prospecting Engineering， Beijing 100048）

Beijing is easy to suffer rainstorm disaster in summer due to heavy rains. The central and western areas belong to the upper area of alluvial-proluvial fan of the Yongding River， the aquifer is composed of unilaminar or stratified layers of goose soft stone which provides good condition for water recharge. Water in this area can be recharged in different ways to control rainstorm disaster and form underground water resource. There are many recessed overpass in Beijing city， because of low lying， strong catchment， dewatering stress increasing and disaster is easier to occur. Towards the solution for flood in recessed overpass area in west Beijing， this paper uses the case of Mayuqiao area in Shijingshan， based on underground water recharge experiment， to study the technology of flood infiltration. According to the research， infiltration pool， tube well， dug well and radial well can be built to solve hydrops problem. The research result provides basis for solving rainstorm hydrops and system of dewatering and flood control in overpass areas in Beijing， which is important for flood disaster control in the city.

Rain flood； Groundwater artificial recharge； Recharge ability； Plood protection

P641.25

A

1007-1903（2016）01-0062-07

10.3969/j.issn.1007-1903.2016.01.013

基金课题：北京市地质矿产勘查开发局2013地质科研资助项目（dkjdzky2013006）。

江剑（1975 - ），男，硕士，主要从事水文地质工作、浅层地温能开发利用研究；E-mail：szy_bj@263.net