地下工程对地下流场变化影响——以黔中白云岩区为例

华 兴，乔卫涛，曾禹人

(贵州省地质调查院，贵州 贵阳 550081)

随着我国城市的发展，地下工程越来越多，工程建设中地下水问题也越来越突出[1，2]。近年来黔中地区开展城镇化建设，黔中贵安新区作为山地特色新型城镇的核心示范区，如何科学地控制预测工程活动与地下水的相互作用而产生的工程、环境地质问题，保障城市地质要素的稳定成为一个重要的课题。本文以黔中城市群贵安新区作为研究区，通过揭示近年来在地下工程规模不断扩大的现状下，在降雨量等自然条件影响下，白云岩中赋存地下水流场及水位动态变化规律，解析地下工程建设对地下水的影响，对今后相同条件下工程建设对地下的合理利用和规避，有序规划发展城镇设施建设具有十分重要的意义。

1 研究区

1.1 位置及概况

研究区位于贵州省中部(图1)，为黔中山原二级高原夷平面地带，整体呈西高东低走势，地形相对高差多小于50 m。由低山丘陵和山间盆地组成。

图1 研究区地质构造图

研究区属亚热带季风气候，雨量充沛，降雨集中，4-9月雨量占全年雨量的78%，年平均降雨量达1 129.5 mm。丰富的降雨为地下水提供了充足的补给源。研究区内地下水以裂隙流、管道流为主，埋深浅且流动迅速，赋存相对较均一，工程活动一定程度上都会对地下水流场产生影响。

1.2 水文地质特征

研究区位于近南北向复式向斜西翼，地层自上而下依次为：第四系松散层、三叠系中统花溪组；三叠系中下统安顺组。研究区总体呈单斜构造，主要发育有F1大断裂影响褶曲形态。

区内含水层主要为第四系松散堆积层含水层、三叠系中统花溪组一段第二亚段白云岩岩溶含水层、三叠系中下统安顺组二段白云岩岩溶含水层。之间由泥质白云岩、泥岩、溶塌角砾白云岩等地层组成隔水层。以上含水层在地下工程因素诱发下经不同尺度通道改变地下水动力场。

2 地下水流场特征

研究区存在两个相互独立的地下水集中排泄系统，结合近5 a来，受工程活动影响程度不同，天然状态下的地下水动力场发生变异特征和规律，分析两个系统时空演化规律亦呈现的差异性。

2.1 地下水位动态变化

自2020年7月21日至10月13日地下水系统各监测点水位动态变化(图3)可以看出，研究区野鸡坡地下河与中八地下河在地下工程活动的影响下，地下河上下游动态特征产生显著的分异变化，表明地下工程对地下水系统通过改变水断面，从而影响地下水水力梯度和地下水动态变化特征。

野鸡坡地下河水位动态曲线(图2a)，表明在地下工程上游水位比下游高4.5～10 m，且上游水位变幅平缓，最高水位1 248.815 m，最低水位1 248.654 m，水位峰值出现在9月13日强降雨后，变幅仅0.09 m。下游水位最高水位1 238.058 m，最低水位1 234.846 m，变幅比上游高一个数量级，水位峰值出现在9月14日后，较上游峰值晚一日。反映出因地下工程缩小过水断面，导致上游地下水阻滞，不仅抬高地下水水头，同时调节系统径流条件。

中八地下河水位动态曲线(图2b)，最高水位1 244.719 m，最低水位1 237.829 m，变幅6.89 m，显示出随降雨暴起暴落的响应特征。在研究区仅在地表有少量道路和浅表廊管工程，反映出浅表工程对地下水系统流场变化无影响，地下水仍然表现出明显的山区雨源性地下河特征。

图2 地下水位动态变化

2.2 地下水梯度场演化规律

研究区自1982年开展水文普查，这一时期地面仅有少量砖瓦房，无基础建设工程活动，人类活动对地下水的影响程度相对较弱，地下水为天然状态。地下水系统间以自然隔水层为界，分别向汪官河排泄，地下水埋深较深，野鸡坡地下河总水力坡度为19‰，中八地下河总水力坡度为16‰，水力梯度由1 246 m水平向1 228 m水平平缓变化(图3a)。

2020年，随着地下广场、地铁线路、道路网络等工程的实施，地下水流场发生了剧烈变化。图3b是2017年基础建设初步完成之后地下水水位变化现状，可见潜水位明显抬升，尤其两个集中排泄系统，野鸡坡地下河水力坡度变缓为9.1‰，中八地下河水力坡度变缓为10.3‰，因道路路基换填和深基坑开挖把场区分散排泄系统也割裂为互无联系的8个子系统。反映出地下工程上游流场梯度线增密，使地下水源源不断向地下建筑物内渗漏；下游水力梯度减缓，地下水缓慢向下游渗出；导致地下建筑内常年积水。

图3 地下水流场变化

3 地下水流场变化主要影响因素分析

众多学者在地下水量变化与降雨量之间的关系做了大量研究，但在工程尺度，人类活动对地下水流场的阶段变化影响更为显著[3]。

3.1 水利工程对地下水流场的影响

勘查区汪官河是区内各地下河系统的排泄基准面，历年来地下水排泄点水头随着地表河水位变化而变化。至2017年修建3级景观坝以来，汪官河上游水位由1 228 m提升至1 234.5 m，提升了6.5 m，中游水位由1 227 m提升至1 231.5，提升了4.5 m。同时野鸡坡地下河下游水位由1 227.1 m提升至1 234.5 m，提升了7.4 m；中八地下河下游水位由1 230 m提升至1 232.82 m，提升了2.82 m。排泄区水位的变化直接影响了地下水系统水力坡度，减少了下游段水位埋深。

3.2 深基坑开挖对地下水流场的影响

基于2007年测绘区域地形图与2019年遥感影像对比，勘查区最典型的深基坑工程即为地铁S1号线建设工程，基坑由北西向南东施工，贯穿勘查区，基坑最深处达12 m，最宽处达90 m，基坑底板标高深于区内各地下水系统水头以及排泄基准面标高，开过程中基坑北西段诱发了地下突水，导致坑内长期积水，增加了施工难度和工程成本。深基坑工程人工切断了南北两侧地下水水力联系，形成新的地下水系统边界。

3.3 地下空间利用对地下水流场的影响

从图至图等水位线变化趋势可看出，因贵安高铁站地下广场的修建，而造就的地下水降深漏斗的形成与扩展，已永久改变了区域地下水流场特征。如地下广场北西侧地下水流场网上游水头等值线线加密，造成地下水继续向地下建筑物内渗漏。地下水流场下游等值线变疏，且1 244 m等值线上移，使下游水力坡度变小，地下水缓慢出流，造车地下建筑物长期积水难消。

3.4 城镇化建设对地下水流场的影响

由于城市化进程的加快，许多原来的农田、阶地都被换填、开挖为交通道路，分割了原有完整的地下水流场，由两岸两个完整的分散系统，切割为相互无水力联系的6个子系统。加之道路两侧的堆填大量填土和住房建设工程，急剧扩张工程中引发的土地类型改变导致了降雨入渗补给量减少。

4 结语

(1)研究区地下水流场分析结果表明，地下工程对地下水流场影响是相互且长期的，将导致工程外延一定范围内地下水流场格局变化。

(2)地下工程导致上游水位阻滞，抬高地下水头，稳定流场动态变化，同时诱发建筑物内突水，造成经济损失。

(3)地下水工程周边地下水头上升明显，导致浮托力增加，致使原有设计不能有效应对新水文条件，容易引起工程结构的破坏。