郭 鑫，閆秀英，隋明昊

（1.山西冶金巖土工程勘察有限公司，山西 太原 030002；2.建研院檢測(cè)中心有限公司，北京 100013）

0 引言

山西省某村莊近十多年來(lái)發(fā)生地下水位明顯上升現(xiàn)象，引起村民地窖淹沒(méi)，院落冒水，部分房屋地基不均勻沉降，房屋墻體開(kāi)裂，嚴(yán)重影響著居民人身安全及正常的生產(chǎn)生活。通過(guò)設(shè)置引潛流工程外排地下水、設(shè)置止水帷幕堵、截地下水、設(shè)置降水井、開(kāi)挖人工渠疏通水流多種手段并舉，達(dá)到良好的治理效果，可為同類(lèi)工程提供參考。

1 工程目的

通過(guò)開(kāi)展村莊區(qū)域水文地質(zhì)勘查，查明地下水水位上升原因，以及區(qū)域地下水補(bǔ)給、徑流、排泄特征，提出經(jīng)濟(jì)有效、科學(xué)合理的治理方案，為地方政府解決人民群眾的急事難事，保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)安全提供科學(xué)依據(jù)。

2 水文地質(zhì)調(diào)查

該村以南分布多處尾礦庫(kù)，在對(duì)尾礦庫(kù)調(diào)查中發(fā)現(xiàn)部分尾礦庫(kù)存在安全隱患或?qū)χ苓叚h(huán)境存在明顯影響，現(xiàn)對(duì)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題簡(jiǎn)述如下。

2.1 尾礦庫(kù)壩體裂縫、塌陷

尾礦庫(kù)壩體多采用二期筑壩法，即包括初期壩和后期壩兩部分，初期壩多采用土石壩，后期壩是利用尾礦砂在初期壩上筑壩加高，即隨著庫(kù)區(qū)尾礦砂堆放，不斷加高壩體，這種筑壩方法簡(jiǎn)單易行，費(fèi)用低，但壩體固結(jié)度偏低、孔隙比大、含水量高、壩體強(qiáng)度低，不利于壩體穩(wěn)定。調(diào)查過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，部分尾礦庫(kù)壩體頂部已發(fā)生裂縫，最長(zhǎng) 50 m，寬度最大 10 cm，有進(jìn)一步向臨空面移動(dòng)、滑動(dòng)的趨勢(shì)，穩(wěn)定性較差。

2.2 尾礦庫(kù)滲漏

尾礦庫(kù)的尾礦床起沉淀池的作用，通常在庫(kù)尾形成大小不一的積水塘，選礦廠(chǎng)廢水在此簡(jiǎn)單沉淀、澄清后，再抽取排放。代縣程晉鐵礦二選廠(chǎng)距離某村住宅區(qū)最近處約 150 m，處于某村地下水上游區(qū)域，尾礦庫(kù)有上下兩處積水塘，下部有排水和滲漏的水體，冬季部分區(qū)域凍結(jié)成冰，選礦廢水一部分沿溝渠排放，一部分直接下滲補(bǔ)給地下水。

3 水文地質(zhì)鉆探

3.1 地層巖性

根據(jù)本次勘探采樣所揭露的地層情況，按地層沉積年代（2）、成因類(lèi)型，將場(chǎng)地勘探范圍內(nèi)的地層主要?jiǎng)澐譃?4 層，有第四系全新統(tǒng)沖洪積物，新近人工堆積物 Q4；第四系上更新統(tǒng)沖洪積、坡積物（Q3）；下伏基巖為變質(zhì)巖。

場(chǎng)地西側(cè)，北側(cè)粉細(xì)砂呈連續(xù)性，地下水具有承壓性；南側(cè)，東側(cè)粉細(xì)砂呈透鏡體形式，如圖1 所示。

圖1 地質(zhì)剖面圖

3.2 水文地質(zhì)試驗(yàn)

該村水位整體為東南高，西北側(cè)低。該村地面標(biāo)高 843.57～853.27 m，房屋區(qū)地下水位埋深1.5～8.53 m，水位標(biāo)高 838.842～851.749 m，勘察期間為平水期-枯水期，據(jù)調(diào)查，豐水期村中低洼處地下水位可至地面，較 2012 年建尾礦庫(kù)前水位上升 3～4 m。通過(guò)野外試驗(yàn)，了解巖土層的水文地質(zhì)參數(shù)，評(píng)價(jià)其滲透性等特征。

3.2.1 抽水試驗(yàn)

按照規(guī)范表 B.1.1 中潛水非完整孔的公式計(jì)算滲透系數(shù)。滲透系數(shù)K計(jì)算如式（1）所示。

式中：K為滲透系數(shù)，m/d；Q為穩(wěn)定流量，m3/d；S為抽水井降深，m；L為濾水管長(zhǎng)度，m；r為抽水井半徑，m。

影響半徑（R）計(jì)算如式（2）所示。

式中：R為影響半徑，m；H為含水層厚度，m。

經(jīng)計(jì)算，兩組抽水試驗(yàn)成果匯總表如表1 所示。

表1 抽水試驗(yàn)計(jì)算成果表

由計(jì)算成果可知，某村南部上層孔隙含水層滲透系數(shù)為 0.045～0.077 m/d，平均值為 0.061 m/d，即 7.06×10-5cm/s，屬于弱透水土體。

3.2.2 注水試驗(yàn)

根據(jù)《水文地質(zhì)手冊(cè)》提出的計(jì)算方法計(jì)算試驗(yàn)段巖土體滲透系數(shù)。試驗(yàn)巖土層的滲透系數(shù)應(yīng)按式（3）計(jì)算。

式中：K為試驗(yàn)巖土層的滲透系數(shù)，cm/min；A為形狀系數(shù)，計(jì)算公式參照《水文地質(zhì)手冊(cè)》表11-3-2，采用公式：A=5.5r；H1、H2為在試驗(yàn)時(shí)間t1、t2時(shí)的試驗(yàn)水頭，cm；t1、t2為注水試驗(yàn)?zāi)骋粫r(shí)刻的試驗(yàn)時(shí)間，min。

經(jīng)過(guò)將試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理后計(jì)算，各組注水試驗(yàn)成果匯總?cè)绫? 所示。

表2 注水試驗(yàn)成果匯總表

3.2.3 壓水試驗(yàn)［1］

1）透水率。試段透水率采用壓力值和流量值按式（4）計(jì)算。

式中：q為試段透水率，Lu，取兩位有效數(shù)字；L為試段長(zhǎng)度，m；Q為計(jì)算流量，L/min；p為試段壓力，MPa。

2）滲透系數(shù)k。試段位于地下水位以下，透水性較?。╭＜10 Lu）、P-Q曲線(xiàn)為層流時(shí)，巖體滲透系數(shù)計(jì)算見(jiàn)式（5）。

式中：k為滲透系數(shù)，m/d；Q為壓入流量，m3/d；H為試驗(yàn)水頭，m；r為鉆孔半徑，m。

經(jīng)過(guò)將試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理后計(jì)算，各組壓水試驗(yàn)成果匯總?cè)绫? 所示。根據(jù)壓水試驗(yàn)成果可以看出，尾礦庫(kù)前沿勘查區(qū)基巖上部透水性為微透水～中等透水，透水率 0.57～18.08 Lu，平均值為 5.93 Lu，滲透系數(shù)為 0.07～0.22 m/d，平均值為 0.11 m/d，裂隙系數(shù)0.4～0.6，節(jié)理較發(fā)育。

表3 壓水試驗(yàn)成果匯總表

3.3 水質(zhì)分析

本次工作共采取 7 組地下水水樣及 1 組尾礦庫(kù)水樣進(jìn)行全分析，檢測(cè)項(xiàng)目包括 pH 值總硬度、鉀、鈉、鈣、鎂、鐵、鋁、銨的含量以及氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽、重碳酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽的含量等。

水質(zhì)全分析測(cè)試數(shù)據(jù)質(zhì)量可靠，符合技術(shù)規(guī)范要求。水化學(xué)類(lèi)型成果如表4 所示。

從檢測(cè)結(jié)果可知，地下水礦化度均＜1.5 g/L，屬于淡水。水化學(xué)類(lèi)型基本符合地下水自基巖山區(qū)至洪積扇前緣的礦化作用過(guò)程，地下水中 HCO3-、Mg2+含量均較高，與當(dāng)?shù)刈冑|(zhì)巖區(qū)鋁酸鹽礦物、含鎂礦物溶濾作用有關(guān)，說(shuō)明某村地下水與上游基巖山區(qū)潛水、尾礦庫(kù)滲水具有水力聯(lián)系。

根據(jù)水樣檢測(cè)報(bào)告，8 組水樣中 Fe3+離子檢測(cè)成果如表5 所示。檢測(cè)成果中有 6 組含量均<0.04 mg/L。程晉尾礦庫(kù)（SYWK1-1）內(nèi) Fe3+離子含量為 0.09 mg/L，某村住宅區(qū)南，在 CZ06 鉆孔位置附近水井水樣內(nèi) Fe3+離子含量為 0.06 mg/L，說(shuō)明某村南部地下水與程晉尾礦庫(kù)水有補(bǔ)給關(guān)系，存在水力聯(lián)系。

表5 Fe3+離子檢測(cè)成果表

4 地下水上升原因分析

引起地下水位上升的原因是多種因素：一是自然因素，二是人為因素。自然因素是大氣降水，人為因素是尾礦庫(kù)的建設(shè)、運(yùn)行。

4.1 自然因素

4.1.1 大氣降水

據(jù)氣象局資料顯示該縣，本區(qū) 1967－1990 年平均降雨量 433.4 mm，1991－2009 年多年平均降雨量420.8 mm，2010－2020 年年均降雨量 449.89 mm，在 2005 年以前豐水年該村地下水位也在緩慢上升。大氣降水是地下水的補(bǔ)給來(lái)源之一，但對(duì)該村長(zhǎng)期地下水水位抬升影響甚微。

4.1.2 地形地貌及地層巖性

該村房屋住宅區(qū)地貌單元屬于洪積扇前緣及河流階地上，處于地貌巖性分帶區(qū)域，經(jīng)過(guò)本次勘查，工作區(qū)地層巖性以及含水層特征基本符合該地貌的沉積特征。

該村南部屬于洪積扇上部，多為礫石、卵石、漂礫，沉積不顯層理，僅在其間所夾細(xì)粒層中顯示層理。粗大的顆粒直接出露地表，或僅覆蓋薄土層，十分有利于吸收降水及山區(qū)匯流的地表水，是地下水主要補(bǔ)給區(qū)。此帶巖土層有一定的透水性，地形坡降大，地下徑流較強(qiáng)烈，地下水的礦化度較低。

向下至該村住宅區(qū)域，隨著地形變緩、地層為黏性土與砂的互層，顆粒變細(xì)，透水性變差，地下徑流受阻，上游補(bǔ)給量增大，潛水位上升幅度增大，以致溢出地表。

4.2 人為因素

4.2.1 尾礦庫(kù)建設(shè)

該村以南洪積扇及溝谷中分布多處尾礦庫(kù)，所屬企業(yè)共 7 家，尾礦庫(kù)選址多位于沖溝中上部，改變了原始的地形地貌，尾礦庫(kù)內(nèi)部尾砂、尾礦并未完全壓實(shí)，內(nèi)部空隙大、孔隙率高，容水度大于原始地層，間接增大了大氣降水對(duì)地下水的滲透補(bǔ)給量。尾礦庫(kù)同時(shí)也阻隔或減緩了大氣降水的排泄，外部尾礦庫(kù)坡度設(shè)計(jì)不合理，均造成該村地下水上游區(qū)域大氣降水入滲量增大。另外，尾礦庫(kù)在排放尾砂時(shí)，因未做好防滲處理，選礦排水或沉淀池排水也增加了對(duì)地下水的補(bǔ)給。

在 Fe3+離子檢測(cè)分析后發(fā)現(xiàn)，程晉尾礦庫(kù)內(nèi) Fe3+離子含量為 0.09 mg/L，該村住宅區(qū)南附近水井內(nèi) Fe3+離子含量為 0.06 mg/L，說(shuō)明該村南部地下水與程晉尾礦庫(kù)水有補(bǔ)給關(guān)系，存在水力聯(lián)系。

因此，尾礦庫(kù)的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中，對(duì)地形地貌的改變以及壩體底部滲漏，均直接或間接地增大了地下水的補(bǔ)給來(lái)源，是造成該村地下水上升的主要原因。

4.2.2 農(nóng)業(yè)及生活排水

該村周邊多為旱作農(nóng)田，農(nóng)業(yè)灌溉及生活排水是地下水補(bǔ)給來(lái)源之一，但影響甚微，不會(huì)造成地下水區(qū)域性抬升。

綜上所述，尾礦庫(kù)的建設(shè)運(yùn)營(yíng)，改變了原始地形地貌形態(tài)，壩體底部滲漏增大了地下水的補(bǔ)給來(lái)源。尾礦庫(kù)改變了原有地表降水、地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件，使山前洪積扇經(jīng)過(guò)該村的地下水量增大。尾礦庫(kù)是該村地下水位上升的主要原因［2］。

5 多種治理方案并舉

5.1 本次治理原則

針對(duì)該村工作區(qū)水文地質(zhì)條件，結(jié)合以往治理方案的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，本次治理原則為“因地制宜，技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)安全，快速高效”，改善受災(zāi)區(qū)地質(zhì)環(huán)境，降低地下水水位，基本恢復(fù)工作區(qū)正常的生活地質(zhì)環(huán)境。

5.2 治理措施

根據(jù)該村水位上升誘發(fā)的災(zāi)害現(xiàn)狀，工作區(qū)宜采用“堵排結(jié)合，綜合治理”的技術(shù)方法，如圖2～圖4 所示，工程包括以下三部分。

圖2 治理措施平面布置圖

圖3 降水井設(shè)計(jì)圖（單位：mm）

圖4 引潛流工程管涵（單位：mm）

5.2.1 設(shè)置引潛流工程外排地下水

排水工程為降低該村地下水水位，現(xiàn)計(jì)劃對(duì)村莊上游做排水工程。該村排水工程主要包括截潛流工程、蓄水池及排水管線(xiàn)工程。其中截潛流范圍為該村南側(cè)村東至村西，長(zhǎng)度 900 m，截潛流上游為來(lái)水面，下游做防滲處理，在開(kāi)挖深度范圍內(nèi)阻斷了地下水流入村莊的可能，從而降低該村的地下水水位。潛流水量集中至蓄水池處，經(jīng)泵站泵送至排水管線(xiàn)，將潛水排入排水渠，村北 X118 高蘇線(xiàn)公路側(cè)為人工排水渠，渠寬 3 m，深約 1.5～2.0 m，將地下水排向村外。

本建筑物分為兩期建筑，一期工程主要建設(shè)內(nèi)容包括新建樁號(hào) 0+607-0+900 段截、引潛流工程，蓄水池工程和樁號(hào) 0+908.3-1+500 段排水工程；二期工程主要建設(shè)內(nèi)容包括新建樁號(hào) 0+000-0+607 段截、引潛流工程。

1）樁號(hào) 0+0 0-0+90 0 段截、引潛流工程。樁號(hào) 0+00～0+900 段截、引潛流工程，采用開(kāi)挖截、流槽后鋪設(shè)復(fù)合土工膜截流，利用無(wú)砂混凝土管將水流引出的方式進(jìn)行。

截流槽開(kāi)挖深度 10～13 m，開(kāi)挖底寬 3.5 m，上游側(cè)開(kāi)挖坡度 1∶0.75，下游側(cè)開(kāi)挖坡度 1∶1.5；下游側(cè)采用 400g/0.5 mm/400 g 復(fù)合土工膜（兩布一膜）進(jìn)行截水防滲，復(fù)合土工膜上層 1.0 m 內(nèi)采用開(kāi)挖料回填，防止其被砂礫石碾壓破壞；截流槽底部采用砂礫石回填，厚 0.5 m，因其作為無(wú)砂混凝土的基礎(chǔ)，其回填相對(duì)密度不應(yīng)低于 0.75；其上布設(shè)一條直徑 600 mm 無(wú)砂混凝土管道進(jìn)行引流，管道長(zhǎng)度 900 m，坡度與地面高差一致，采用 0.4 % 管座，采用 C15 素混凝土進(jìn)行澆筑，為使管道更有效引水，周邊采用砂礫石回填，頂部 3.0 m 及管上 2.5 m 下游側(cè)范圍內(nèi)采用開(kāi)挖料回填，管道末端引水至村西南角新建的 250 m3/蓄水池中。

2）新建蓄水池。新建的 250 m3/蓄水池采用 C30 鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，蓄水池凈內(nèi)徑 7.5 m，池凈高 5.6 m，池壁及池底厚 0.4 m，池壁頂上砌筑 1.5 m 高 24 mm 磚墻與頂面齊平后采用彩鋼房屋頂進(jìn)行封閉。內(nèi)設(shè)一臺(tái) WQ150-12-11 污水潛水泵。

3）樁號(hào) 0+908.3-1+500 段排水工程。管道最大埋深約 5 m，管道直徑 500 mm，采用環(huán)剛度等級(jí)為 SN8 的 PE 雙壁波紋管，長(zhǎng)度 592 m，將水流排入村西現(xiàn)有的排水渠。

5.2.2 設(shè)置止水帷幕堵、截地下水

沿該村東、南、西周邊做止水帷幕［3］，深度 20～28 m。通過(guò)改變地下水徑流、排泄途徑，使 30 m 上層地下水不再流經(jīng)該村住宅區(qū)域。

三軸攪拌樁設(shè)計(jì)參數(shù)如下。①本工程場(chǎng)地內(nèi)屬地下水補(bǔ)給—徑流區(qū)，地下水類(lèi)型按埋藏條件劃分主要為潛水，按含水層孔隙性質(zhì)劃分為松散巖類(lèi)孔隙水。三軸水泥土攪拌樁，樁徑為 850 mm，間距為 600 mm，樁長(zhǎng)為 20～28 m，采用三軸攪拌樁設(shè)備進(jìn)行施工，采用套接一孔法施工，采用二噴二攪的施工工藝，確保在樁體范圍內(nèi)必須做到水泥攪拌均勻。②三軸水泥土攪拌樁水泥采用 425 級(jí)普通硅酸鹽水泥，水灰比為 1.5～2.0，水泥摻入比為被加固土重量（土重）的約 20 %，單位加固土體體積的水泥用量即為 360 kg。

5.2.3 設(shè)置降水井、開(kāi)挖人工渠疏通水流及

設(shè)置止水帷幕形成后，在村內(nèi)布設(shè)降水井，井深 15 m，抽排村莊范圍內(nèi)地下水，使水位下降 6～7 m，恢復(fù)到以前正常生態(tài)水位。

1）降水井。降水井采用管井井點(diǎn)降水，井徑 0.7 m，采用直徑為 0.4 m 濾水管，濾料應(yīng)采用潔凈的濾砂d=3～5 mm，不均勻系數(shù)＜2。底部 2 m 為沉砂管，應(yīng)采用不透水管。

2）場(chǎng)地設(shè)置 6 口觀測(cè)井，進(jìn)行長(zhǎng)期水位觀測(cè)。以枯水期水位為基準(zhǔn)，平水期、豐水期水位上升超過(guò)枯水期水位 2 m 以上，方可啟動(dòng)降水設(shè)備。豐水期降水應(yīng)采取間歇式抽水，每日抽水總時(shí)間不宜＞4 h，防止因降水井急速降水，引起房屋基礎(chǔ)變形沉降，地面沉降。

3）村東沖溝、村西為人工開(kāi)挖渠、村北人工排水渠，及時(shí)對(duì)溝渠修繕、疏通，增強(qiáng)降雨及生活用水向村外排泄。

6 結(jié)語(yǔ)

1）尾礦庫(kù)的建設(shè)與運(yùn)行改變了原始地形地貌，也改變了降水、地下水補(bǔ)給、徑流、排泄條件，使山前洪積扇經(jīng)過(guò)該村的地下水量增大，抬升了地下水位。此外，各尾礦庫(kù)先期“濕排”工藝期間，壩體上部廢水滲流補(bǔ)給地下水，也增大了地下水的補(bǔ)給量。

2）村莊地下水上升治理工程方案采用“堵排結(jié)合、綜合治理”方案，截潛排水工程有效疏散了上層來(lái)水，止水帷幕的設(shè)置起到隔水，增長(zhǎng)滲流途徑的目的，有組織地采用管井降水，抽排村莊范圍內(nèi)地下水，使水位下降 6～7 m，恢復(fù)到以前正常生態(tài)水位。保證了村民的人身安全及正常的生產(chǎn)生活。Q