張麗紅，陳亮，姜玉敏，李哲，王秀芬

(1.山東省地質礦產勘查開發(fā)局八〇一水文地質工程地質大隊(山東省地礦工程勘察院)，山東 濟南 250014；2.山東省地下水環(huán)境保護與修復工程技術研究中心，山東 濟南 250014)

0 引言

隨著城市化的不斷深入，城市地下空間的大力開發(fā)勢必成為城市發(fā)展的必然趨勢。地下空間的開挖改變地下水滲流場，并引發(fā)一系列水文地質問題以及一系列次生工程地質問題[1]。地下水反復浸潤巖層軟弱結構面導致基坑邊坡失穩(wěn)；地下水位上升產生對結構的上浮托力，破壞地庫底板等。隨著工程項目的增加與各地不斷涌現出的地下結構遭破壞的安全問題，工程建設者逐漸重視地下空間開挖對地下水滲流場的影響以及地下水補徑排條件發(fā)生改變對工程結構造成的影響。地下構筑物建設完成后，局部形成了“擋水墻”，改變了原地質體的滲透性，使局部水文地質條件發(fā)生改變。因此，研究地下水補徑排條件的改變對地下構筑物安全的影響分析及地庫涌水機理，對地下空間的開發(fā)建設具有重要意義[2]。只有調查清楚項目區(qū)水文地質條件，為地下工程的安全提供可靠的參數，才能更有效地開發(fā)和利用好地下空間，以便更好的服務城市建設。

1 地質背景

1.1 氣象水文

濟南市地處暖溫帶半濕潤大陸性季風型氣候區(qū)，多年平均降水648.0mm，降水空間分布不均，總的分布趨勢是由東南往西北遞減[3]。據2021年統(tǒng)計資料(圖1)。濟南市多年平均降雨量為678.36mm，在6—9月集中降水，12月至翌年3月較小，降雨量的大小直接影響到地下水的補給量。從氣象資料分析，最大降水出現在1962年1194mm，最小降水出現在1989年340mm，一年之中降水主要集中在7—9月份，多以暴雨形式降落，三個月的降雨量約占全年降雨量的70%。2021年降雨量高達1089.6mm，這是自1959年以來降雨量第四次超過1000mm的年份。

圖1 濟南市1959—2021年降雨量直方圖

研究區(qū)東側緊鄰泄洪溝，地勢較低，底板標高約88m，河道寬度近20m、深度6～8m，此河道用于汛期城市泄洪和市政管網排水，根據調查，該泄洪溝是濟南東部韓倉河的小分支，往年河道內水隱伏于地板之下，2021年因降水之多河道內出現地表徑流，向北11km處匯入小清河。

1.2 工程地質

研究區(qū)位于趵突泉泉域東部邊緣，屬于濟南市趵突泉泉域間接補給區(qū)，東側緊鄰東塢斷裂帶，該斷裂為趵突泉泉域與白泉泉域的分界線，是一條相對阻水斷層，是區(qū)域地下水流動的重要控制因素之一[4]。研究區(qū)出露地層由老至新依次為古生界寒武系、奧陶系與第四系，結合本次鉆探及歷史資料成果，研究區(qū)地層自上而下為奧陶紀馬家溝群五陽山組、土峪組、北庵莊組、東黃山組，其中本次鉆探揭露的地層為北庵莊組，且未穿過該完整地層，巖性以第四系粉質黏土、奧陶紀北庵莊組灰?guī)r、泥質灰?guī)r為主(圖2)。

1—第四紀大站組；2—奧陶紀馬家溝群五陽山組；3—奧陶紀馬家溝群土峪組；4—奧陶紀馬家溝群北庵莊組；5—奧陶紀馬家溝群東黃山組；6—奧陶紀九龍群三山子組a段；7—奧陶紀九龍群三山子組c段；8—寒武紀九龍群炒米店組；9—早白堊世閃長玢巖脈；10—早白堊世閃長玢巖；11—實測及推測斷層；12—監(jiān)測井；13—研究區(qū)范圍圖2 研究區(qū)區(qū)域地質圖

(1)粉質黏土為黃褐色，可塑，韌性中等，稍有光澤；見針狀孔隙及鐵質浸染，層厚0.5～10.5m，層底標高75.02～88.6m，層底埋深6.7～27.0m。

(2)碎石層為青灰色，隱晶質結構，層狀構造，巖心呈碎塊狀、塊狀、少量短柱狀，溶蝕及節(jié)理裂隙非常發(fā)育，黏性土充填；巖心采取率40%～50%，局部地段采取率很低，巖石堅硬程度為較軟巖，巖體完整程度為破碎。

(3)灰?guī)r為青灰色，隱晶質結構，層狀構造，巖心呈塊狀、柱狀，單塊長20～60cm，局部呈碎塊狀，局部地段巖石表面見溶孔及溶蝕裂隙，節(jié)理裂隙充填方解石脈及黏性土，巖心采取率60%～90%，局部地段采取率很低，巖石堅硬程度為堅硬巖，巖體較為完整。

(4)泥質灰?guī)r為灰黃—灰黑—肉紅色，隱晶質結構，中厚層構造，巖質新鮮，局部巖心呈短柱狀，局部呈破碎和溶蝕裂隙發(fā)育，巖心采取率70%。

根據鉆孔資料及抽水試驗成果，研究區(qū)內主要透水段為防水底板之下的碎石層以及巖溶發(fā)育段。經鉆探分析可得，研究區(qū)的巖溶發(fā)育厚度為0.7～15.5m(含溶蝕裂隙和碎石夾層)，勘察深度內埋深為80m，巖溶發(fā)育的頂板平均埋深約25～35m。根據高密度點電法和電測深結合來探測巖溶發(fā)育(富水區(qū))分布情況，得到研究區(qū)的巖溶發(fā)育深度為30～190m。綜合分析，研究區(qū)的巖溶發(fā)育層具有不連續(xù)、厚度不均勻的特點，整體巖溶比較發(fā)育，富水性較好。

1.3 水文地質

1.3.1 地下水類型

研究區(qū)下伏馬家溝群北庵莊組灰?guī)r，地下水類型為碳酸鹽巖類裂隙巖溶水。該層含水層裂隙巖溶發(fā)育，厚度大于186m，地下水主要賦存在碎石層、溶蝕裂隙和溶洞內，富水性好。水位年變幅約30～40m，單井出水量<1000m3/d。

1.3.2 地下水補徑排條件

研究區(qū)的巖溶發(fā)育層不連續(xù)、厚度不均勻，巖溶發(fā)育厚度在7～35m，在勘察深度200m以內，整體巖溶比較發(fā)育，富水性較好。經分析，研究區(qū)內馬家溝群北庵莊組巖溶較發(fā)育，厚度大于186m，為研究區(qū)內巖溶含水層的主要賦存層位。

(1)補給條件：動態(tài)觀測資料表明，巖溶水水位的變化與降水關系密切，研究區(qū)南部大面積出露北庵莊組灰?guī)r，直接接受大氣降水補給[5]。

(2)徑流特征：研究區(qū)馬家溝群北庵莊組總體上為北傾單斜構造，巖溶水的運動方向和地形及巖層的傾斜方向大體一致。在接受上述形式的補給后沿巖溶通道運動，局部受地形、構造等條件作用下運動方向略有改變，總體徑流方向為由南向北徑[6]。研究區(qū)內勘察期間(2021年12月)研究區(qū)的水位標高在76～88m，地下水總體流向為東南向西北徑流。

(3)排泄條件：研究區(qū)范圍內無地下水開采情況，所有的園林、生活用水均來自管網統(tǒng)一調配。區(qū)域資料表明，北庵莊組灰?guī)r巖溶發(fā)育程度普遍較高，是該地區(qū)重要的含水層。自研究區(qū)至濟南巖體一線地層出露較研究區(qū)碎石層及巖溶發(fā)育地段為穩(wěn)定，北庵莊組地層穩(wěn)定的發(fā)育為中—淺層巖溶地下水向北運移提供了良好的徑流通道[7]。所以，水平徑流及潛流排泄是本區(qū)巖溶水的最重要排泄方式。此外，研究區(qū)內部分地下構筑物的涌水也是特定條件下巖溶水的排泄途徑。

2 地庫涌水機理及成因分析

2021年進入汛期以來，研究區(qū)附近多處地下車庫出現涌水現象，積水嚴重，存在影響地下構筑物功能性和安全性的隱患。2021年濟南地區(qū)降水偏多，地下水水位整體抬升，當地下水位抬升超過地庫防水底板，缺少相對隔水層的防護，地下水直接對基礎防水造成破壞，導致地下水在建筑基礎薄弱處涌出[8]。地庫停噴之后形成了白色絮狀物堆積，原因是當底板之下的巖溶水流出地庫底板時，壓力和溫度變化，巖溶水中的礦物質發(fā)生沉淀，沉淀在涌水口形成疏松多孔物質。絮狀物的成分主要是CaCO3，通過對比車庫涌水、深部巖溶水以及地表水進行取樣分析，水化學類型相似度較高，進一步證明了地庫涌出水來源為地下水巖溶水。

2.1 研究區(qū)特殊的水文地質條件

2.1.1 地形因素

研究區(qū)南部大面積裸露奧陶紀灰?guī)r，為泉水(地下水)直接補給區(qū)，為巖溶水的快速補給提供了條件。研究區(qū)東側泄洪溝，往年泄洪溝近乎干涸，而2021年豐水期大溝內出現地表徑流，地表水的水位標高為90m，高于地塊內巖溶地下水的水位標高(85m)。研究區(qū)四面環(huán)山，地勢低洼，周圍的地下水均向此區(qū)域匯集，形成地下水的匯水區(qū)，這種地形因素為地庫底板涌水提供了動力條件。

2.1.2 巖溶發(fā)育條件

本次研究采用高密度電法和電阻率測深法探查了研究區(qū)內的巖溶發(fā)育情況，圈定了研究區(qū)巖溶發(fā)育區(qū)6處，推斷了斷裂構造1條。

(1)巖溶發(fā)育Ⅰ位于鳳凰路，由南向北穿過經十路，面積為34000m2；巖溶發(fā)育區(qū)Ⅱ、巖溶發(fā)育區(qū)Ⅲ位于龍奧北路，巖溶發(fā)育區(qū)Ⅱ位于面積相對較??；巖溶發(fā)育區(qū)Ⅳ位于經十路，面積為20800m2；巖溶發(fā)育區(qū)Ⅴ、巖溶發(fā)育區(qū)Ⅵ位于舜華北路，面積分別為7200m2、14000m2。

(2)推斷斷層點1處，位于高密度G3線850m處，結合地質資料分析為東塢斷裂反映，走向NNW，傾向SW。

研究區(qū)巖溶普遍較發(fā)育，為地下水提供賦存空間，且重點研究區(qū)位于趵突泉泉域東緣，東側緊鄰隔水斷層東塢斷裂，地下水易受斷裂阻擋而富集[9]。

而且通過地庫內的工勘資料發(fā)現，淺部地層較為破碎，而且?guī)r溶較發(fā)育，這就為地表水和地下水發(fā)生水力聯系提供條件，也會成為補給研究區(qū)巖溶地下水的重要來源之一。

2.1.3 地下水的補給與徑流條件

動態(tài)觀測資料表明，巖溶水水位的變化與降水關系密切，研究區(qū)南部大面積出露北庵莊組灰?guī)r，直接接受大氣降水補給。研究區(qū)馬家溝群北庵莊組總體上為北傾單斜構造，為中—淺層巖溶地下水向北運移提供了良好的徑流通道，巖溶水的運動方向和地形及巖層的傾斜方向大體一致。在接受上述形式的補給后沿巖溶通道運動，局部受地形、構造等條件作用下運動方向略有改變，總體徑流方向為由南向北徑流。研究區(qū)內勘察期間(2021年12月)水位標高在76～88m，地下水總體流向為東南向西北徑流。

2.2 研究區(qū)人類工程建設活動

研究區(qū)工程建設活動改變了局部的工程地質條件，地庫共有負四層，車庫防水底板標高為75.5m。該區(qū)域基礎開挖深度15～20m，剝離了大部分的第四系粉質黏土(含雜填土)、全風化灰?guī)r、部分強風化灰?guī)r和部分碎石層等，致使建筑基礎直接接觸強風化—中風化灰?guī)r。

隨著研究區(qū)及附近建設范圍不斷外擴，研究區(qū)一帶的地下空間結構發(fā)生了顯著變化，工程地質活動主要集中在60m范圍內。密集的地下構筑物減小了第四系孔隙含水層和淺層風化帶灰?guī)r的儲水空間，同時削弱了淺層含水層的滲透能力。沿地塊周邊道路地下基礎構筑物等均為隔水基礎，這些地下構筑物以在含水層中充當永久性的“擋水墻(體)”，在減少淺層巖溶水儲水空間的同時，很大程度上阻塞了巖溶水的徑流通道[10]。

2.3 大氣降水與水位模擬

地下水的補給來源有大氣降水、地表水、凝結水、來自其他含水層或含水系統(tǒng)的水等，從水文循環(huán)角度來看大氣降水是地下水最主要的補給源。根據濟南巖溶水的動態(tài)特征、氫氧同位素等證實巖溶水的補給來源是大氣降水[11]。

2021年6月至10月上旬為本年汛期時間段，較往年持續(xù)時間長，大氣降雨處于歷史較高水平，7月14日區(qū)域降雨強度逼近歷史極限值。此外，2021年汛期短時強降是近十年來降水次數最多、強度偏大的一年。濟南地區(qū)6月份多為枯水期，2021年6月份大氣降水相比往年偏多，使得巖溶地下水在進入豐水期(7—10月)之前得到良好的補給。濟南市2021年累計降雨量達1089.6mm，為多年年均降雨量678.36mm的1.54倍。2021年超常降雨導致巖溶地下水位大幅上升，雨季來臨之時巖溶地下水得到了良好地補給，這是導致是地下構筑物底板涌水的主要因素。

根據區(qū)域資料顯示，區(qū)域巖溶地下水位呈現持續(xù)快速抬升趨勢，趵突泉2021年10月27日水位上升至歷史新高30.18m，變幅較大。綜合分析，2021年是一個降水極多年份。

根據研究區(qū)周邊地下水監(jiān)測數據，利用OriginPro2021軟件中的Neural Network Regression工具進行人工神經網絡擬合，推斷了研究區(qū)的巖溶水波動規(guī)律。本場區(qū)2021年度枯水期水位標高為59.2m，水位埋深34.3m，經過豐水期若干次強降雨補給，水位快速抬升，最高抬升至89.91m(10月8日)，水位埋深3.59m，變幅為30.65m。由于地庫涌水，承壓水泄壓后實際達到的最大水位標高，較計算值低。研究區(qū)內的水位標高高于車庫底板標高，地下水排泄壓力導致地庫防水底板破壞而涌水(圖3)。

圖3 研究區(qū)內水文觀測孔水位擬合曲線圖

2017年為枯水年，全年降水523mm，在2017年建設項目工程勘察階段，50m的勘察深度內未見地下水，造成工程設計階段選取的抗浮水位及相關參數不適于2021年極多降水年份的地下水條件，這是造成研究區(qū)地下構筑物遭破壞的另一主要原因。

2.4 保泉政策的實施

根據歷年觀測資料，泉水位的升高與降雨量的關系比較明顯，在豐水期7—10月份水位上升，在枯水期3—6月份水位下降，泉水位受大氣降水的影響比較顯著，泉水位變化具有典型的季節(jié)性[12]。

研究區(qū)范圍內無地下水開采情況，所有的園林、生活用水均來自管網統(tǒng)一調配。人為工程活動改變泉水的天然動態(tài)特征，并且地下水位動態(tài)存在年內季節(jié)變化、年際周期性變化及隨機波動等一定的規(guī)律性。自2001年起，濟南市作出了封井保泉的重大舉措，先后組織開展了三輪封井保泉攻堅戰(zhàn)[13]。為了保障泉水的持續(xù)噴涌，緩解日益突出的水資源供需矛盾，濟南市在啟動引黃供水工程的同時充分利用南水北調東線的水源，將外調水與當地地表水相結合，在泉域巖溶水的直接補給區(qū)開展回灌補源工程[14]。歷年的保泉實踐，逐步摸索出一套保持泉水持續(xù)噴涌行之有效的措施辦法，其中最核心的是堅持了“增雨、置采、補源、控流、節(jié)水”的十字方針[15]。

自2003年以來，為了保障濟南泉水的持續(xù)噴涌，濟南市城鄉(xiāng)水務局陸續(xù)發(fā)文關停部分城區(qū)水廠和部分自備井，水廠和自備井的關停直接導致當下水開采量的減少，進而使得區(qū)域地下水位整體上升，當遇到豐水年份，區(qū)域地下水位會居高不下。

3 地庫涌水應急治理措施

由于地下水的長時間噴涌，最終造成車庫底板的破壞變形，需對車庫實施應急降排水工程，并對地下構筑物防滲結構進行修復與加固。

3.1 地庫涌水應急治理措施比選

地庫涌水應急治理措施主要有構筑物底板外圍設置導水槽、建筑物外圍設置降水井、增設抗拔樁、地庫內施工降水井直接降水等[16]。

(1)構筑物底板外圍設置導水槽

在涌水構筑物底板外圍設置便于排水的導水槽，采用的方法是在構筑物底板周圍的區(qū)域開挖通道，這個通道開挖深度應大于各地塊基底開挖深度，同時導水通道可以緩解樓體建筑對淺層地下水徑流的影響，確保將水體釋放至研究區(qū)以外[17]。

但是這種方法適用于以淺層地下水徑流為涌水來源的地庫情況，涉及深度為約3～5m以內的地庫涌水情況，而對于本地塊涌水情況，地庫開挖深度近18m，加之地庫涌水主要來源于深部承壓巖溶水，因此本地塊不適宜采用設置導水槽。

(2)建筑物外圍設置降水井

通過設置降水井是降低地下水水位最直接、最有效的方法，建筑物基礎建設階段基坑降排水多采用該種降水措施。

由于本項目地庫涌水主要來源于巖溶水垂直向上頂托補給，水井得到的影響半徑效果不明顯；加之目前水位高出底板7～8m，如果在構筑物外圍設置地下水降水井，必須設計深層地下水降水井和大泵量潛水泵，并進行長期的抽取地下水，才有可能降低地板水位，此方法造價成本高，降低水位效果不明顯。且場區(qū)內外圍緊鄰市政道路，下埋復雜市政管線，不存在施工條件。

(3)增設抗拔樁

地庫周圍地下水位較高，底板上浮導致變形縫變形過大，變形縫防水失效，多處裂隙引發(fā)涌水，急需采取措施阻止其進一步上浮，一般采用在構筑物底板內部增設抗拔樁，主要是在原抗拔樁的基礎上，采取“自上而下”壓密注漿法在其上浮底板一側增設鋼管注漿樁[18]。若滿足抗浮設防水位，設計抗拔樁的布設間距很小，抗拔樁的密度大，導致整個地庫底板的防水均被抗拔樁破壞，加之造價極高，因此不宜采用該方法。

(4)地庫內施工降水井直接降水

直接在地下車庫內施工降水井，抽水形成地下水降落漏斗，保證降水井周邊水位穩(wěn)定在安全水位之下。相對其他降水抗浮措施，該種降水方式較適用于巖溶水的疏排，降水措施成本最低，對構筑物結構影響最小，施工周期最短，因此本次建議采取地庫內建設以降水井為主的應急降水系統(tǒng)。

3.2 應急降水井的布設

3.2.1 抗浮設防水位的確定

研究區(qū)主要含水層為巖溶水含水層，通過本次工作查明在豐水期中部巖溶水含水層水位抬升到一定程度后會在淺部巖溶發(fā)育區(qū)域富集，從而頂托地庫防水底板薄弱處。根據相關標準及文獻，本次工作選取歷史最高水位作為抗浮設防水位[19]，由于場地內缺少長序列觀測數據，本次利用周邊水位數據進行了擬合，推斷場地內歷史最高水位為89.91m。

綜上，基于目前掌握數據，建議抗浮設防水位選用89.91m。

3.2.2 降水井的布設

通過鉆探及抽水試驗發(fā)現，巖溶發(fā)育段多集中在地庫以下30m范圍內，30m以下巖溶發(fā)育相對較弱；抽水試驗的最大抽水量約500m3/d，最大動水位埋深為21.5m(地庫底板算起)，推斷井深30m能夠滿足降水需求。

根據抽水試驗，當抽水量為500m3/d時，地面算起降水影響半徑為68.8m，推算地庫底板算起的影響半徑為37m(圖4)。因此，布設降水井應考慮在其37m半徑范圍內覆蓋已有涌水點。

圖4 地下車庫應急降水井點位分布圖

根據降水影響半徑，在場區(qū)內布設8眼降水井可覆蓋全部涌水點，且基本覆蓋地下車庫。同時啟動抽水時，群孔抽水實際降水效果優(yōu)于單井試驗數據計算出的理論值(圖5)。

圖5 地下車庫抽水試驗影響范圍示意圖(單位：m)

3.3 地庫防滲結構修復與加固

根據現場踏勘，研究區(qū)地庫中現有多處地下水涌出點，主要以點狀和條帶狀涌水為主。且發(fā)育多個底板明顯變形區(qū)域，涌水點多發(fā)于結構強度相對較低的薄弱帶或巖溶發(fā)育區(qū)。建議根據抗浮設防水位，對地庫防水底板進行修復和加固。

4 結論

(1)通過工程勘察、地球物理勘探、取樣分析等手段，基本查清了研究區(qū)地庫涌水原因。影響預測抗浮設防水位的因素較多，2021年的超強降雨造成地下水補給量突增，前期建設項目施工時的抗浮設防水位的確定未考慮極端豐水年的地下水位，是導致該地下構筑物底板涌水的主要因素。

(2)研究區(qū)周邊深基礎建筑物的增多及人防通道等地下空間的阻截，使研究區(qū)地下水徑流條件發(fā)生改變，地下水補徑排未達到平衡，是造成研究區(qū)地下水位升高的另一主要原因。

(3)人類工程建設應充分了解區(qū)域的水文地質條件，盡量不破壞地下水流動系統(tǒng)，防止因周邊水文地質條件的改變對工程造成不良影響。