地下水下降区房屋变形各因素影响度的评估

2013-01-17阮启林陈伯恒

资源环境与工程 2013年3期

阮启林，陈伯恒，吕玲

(1．湖北省鄂东南地质大队，湖北大冶 435100;2．湖北省地质环境总站，湖北黄石 435000;3．湖北省地质环境总站，湖北武汉 430034)

0 引言

湖北省鄂州市某铜铁矿区内有5个独立法人矿山在同一水文地质单元内疏排地下水，该矿区附近有两个自然村多户民房发生开裂等房屋变形而遭受财产损失。在矿山采空区及其塌落范围未影响到建筑物的情况下，如何确定房屋变形影响因素以及各影响因素的影响程度和每个矿山的责任程度划分显得尤其重要。本文根据该矿区勘查监测资料，对房屋变形各影响因素影响度的评估方法进行探讨，以期为多个矿山排水诱发地质环境问题的责任分割拓宽技术思路。

1 矿区地质环境特征及房屋变形概况

该矿区附近有两个自然村多户民房发生开裂变形，针对房屋开裂变形区曾开展过专项环境地质勘查①王明启等，鄂州市汀祖镇陈盛湾、刘昌湾房屋开裂环境地质调查报告，2004。，此次勘查取得的主要技术认识如下:

(1)该矿区矿体围岩为大理岩和岩浆岩。矿坑充水含水层主要为岩溶承压含水层，其次为岩浆岩裂隙潜水含水层(图1)，二者厚度之和约170 m;第四系松散岩类含水层富水性弱，为矿坑充水越流补给层。岩溶含水层主要夹在岩浆岩之间或埋藏在砂页岩隔水层之下而与区域大理岩或灰岩相连，矿坑充水含水层为无限边界。

(2)截至2001年，该矿区先后有5个独立法人矿山在同一水文地质单元内疏排地下水，各矿山矿坑排水基本情况如表1。通过钻孔地下水位动态观测，确认5个矿山对CH1孔(基本在房屋开裂区的中心部位)地下水位的联合降深Sk=27．45 m。

图1 鄂州市某矿区地质环境图Fig.1 Geological environment map of a ore district in Ezhou City．第四系松散岩类含水岩组;2．蒲圻群砂页岩隔水层;3．岩浆岩裂隙含层;4．地质界线;5．覆盖型大理岩界线;6．埋藏型大理岩界线;7．第四下伏岩浆岩;8．第四系下伏大理岩;9．第四系、岩浆岩下伏大理岩;10．四系、三叠中下统蒲圻群下伏大理岩;11．矿山编号;12．钻孔及编号;3．房屋开裂区。

(3)钻孔揭露房屋开裂区第四系平均厚度为11 m，第四系主要由粘土、亚粘土夹中细砂组成。在3个钻孔(CH1、CH3、CH4)采取了14个膨胀土胀缩性测试样，其中4个土样为膨胀潜势［1］弱的膨胀土。经计算，膨胀土变形量有的已超过地基容许变形量(表2)。

(4)矿山附近两个自然村共170户，产生开裂等变形的房屋共115户，房屋变形较普遍。初步确定房屋变形因素有三:①房屋陈旧与房屋建筑质量差(下称房屋自身致裂因素);②大气引发膨胀土效应;③矿坑排水导致地面沉降和膨胀土效应(以下简称“矿坑排水致裂因素”)。

2 矿山疏排水影响度的评估思路

因本区5个矿山疏排地下水所形成的联合下降漏斗在CH1孔处水位降深为27．45 m，故各矿山对CH1孔的水位降深(Si)的影响程度就是各矿山对矿坑排水总影响度的分割。

CH1孔岩溶水和岩浆岩裂隙水混合水位标高为－15 m左右而处在承压状态，其至排水矿山的最近距离r=280 m，岩溶水和岩浆岩裂隙水含水层总厚度(M)约170 m。因r＞1．5 m(255 m)，故各矿山对 CH1孔的降深(Si)可按无限边界压承完整井流公式(泰斯公式)直接计算，

式中:Qi——各矿山排水量(m3/d);T——大理岩与岩浆岩平均导水系数(m2/d)［2］;a——岩溶含水层与岩浆岩裂隙含水层平均压力传导系数(m2/d);ti——各矿山排水时间(d);ri——各矿山至CH1孔的距离(m)。

通过上述公式可求出各矿山对于观测孔CH1的降深值，从而确定矿山疏排水对房屋开裂变形的影响程度。

3 房屋变形各影响因素影响度的评估

3．1 房屋自身致裂因素影响度

在115户开裂房屋中，土砖房和土砖、粘土砖混砌房共14户，且均在上世纪50—80年代初建成，房屋基础为块石干砌，使用时间均在23年以上。据房屋基础结构、建筑材料、使用年限综合分析，115户开裂房中的14户土房和土砖与粘土砖混砌房，基本代表了房屋自身致裂因素所占的比例，即房屋自身致裂因素的影响度(P)为:P=×100%=12．17%。11

表1 各矿坑疏排地下水情况表Table 1 Dewatering and drainage of underground in each pit

表2 膨胀土膨胀率测试结果及变形量计算结果表Table 2 Calculation results of test results of expansion ration and deformation

3．2 大气引发膨胀土效应对房屋开裂的影响度

在采取的14个土样中有4个土样为膨胀潜势弱的膨胀土，即膨胀土致裂的随机概率为4/14=28．57%。此28．57%的随机概率受大气影响深度和矿坑排水导致地下水位下降两个因子控制。

对于大气影响深度，规范要求按相关观测资料确定，无观测资料时可按土的湿度系数确定为3～5 m。因房屋开裂区松散层天然孔隙水水位埋深为3 m左右，故大气对膨胀土的影响深度取3 m。从表2可以看出，在具弱膨胀潜势的4个土样中，只有一个土样(CH1-2)处在大气影响深度范围内。也就是说，在膨胀土致裂的随机概率28．57%中，大气引发膨胀土胀缩性效应的只占1/4。因此，大气引发膨胀土效应对房屋开裂的影响度(P2)为:P2==7．14%。

3．3 矿坑排水致裂总影响度

矿坑排水导致地下水位下降的破坏形式，表现在地面沉降和诱发膨胀土效应两个方面，其总贡献度(P3)为100%减去房屋自身致裂因素的贡献度(P1)与大气引发膨胀土效应的贡献度(P2)，即:

4 各矿山对矿坑排水致裂总影响度的分割

4．1 各矿山影响度分割基本原理

前文的矿山疏排水影响度评估思路已提出矿山对CH1孔的降深(Si)可按无限边界压承完整井流公式(泰斯公式)直接计算，即:

式中:Qi——各矿山排水量(m3/d);T——大理岩与岩浆岩平均导水系数(m2/d);a——岩溶含水层与岩浆岩裂隙含水层平均压力传导系数(m2/d);ti——各矿山排水时间(d);ri——各矿山至CH1孔的距离(m)。

但式(1)的假定条件是含水层均质、各向同性，但客观上含水层的水理性质大都是不均一的，故在实际工作中按式(1)直接进行计算的Si往往不能满足:

式中:Sk——各矿山排水对CH1孔的联合降深(Sk=27．45 m)。

为使式(1)的计算结果能够满足式(2)和消去式(1)中的导水系数T(避免T值选择的随机性)，则需按下述方法进行处理:

式中:i——矿山顺序号码;(i+1)——排在i号矿山后的矿山号码。

据式(1)有:

联解式(2)、(3)，即可求出各矿山对于观测孔CH1的降深值。

4．2 各矿山影响度计算

将表1中各矿山的平均排水量Qi、累计排水时间ti、各矿山至CH1孔的距离ri和压力传导系数a(a=97 023 m2/d，据鄂东南同类矿区——大冶市鲤泥湖铜铁矿区竖井大理岩岩溶含水层与岩浆岩裂隙含水层非稳定流混合抽水试验求得)，代入式(3)得:

由式(4)～(7)与Sk=S1+S2+S3+S4+S5得:

由式(8)得:

故分别可得:

各矿山对CH1孔水位降深(Si)占总降深(Sk)之比，乘以所有矿坑排水导致地下水位度下降的总影响程度P3，即为各矿坑排水对房屋开裂变形的影响度(P3i):

表3 房屋开裂各影响因素贡献度评估结果表单位:%Table3 Evaluation results of contribution degree of each influencing fartors in cracking of a building

5 各因素影响度评估结果与责任程度的关系

房屋开裂各影响因素的影响度(表3)，在理论上基本等同于责任程度。原因如下:①因为房屋自身致裂影响度的确定难度较大，其涉及到房屋使用年限、地基承载力、地基处理工艺、基础结构、上层建筑材料、地基底面附加应力分布状况等;②本文在房屋自身致裂影响度的评估中，只考虑了房屋基础结构、建筑材料和使用年，而未考虑矿山排水对其开裂的加剧作用。因此，本文提出的房屋自身致裂影响比较粗糙，只能作为责任程度界定的参考依据。

各矿山排水在CH1孔处的降深(Si)对联合降深(Sk)的分割，既符合非稳定流理论，也符合CH1孔的水位降深实际观测值(即Sk=∑Si=27．45 m)，故各矿山排水对房屋开裂的影响度就是各矿山的责任程度。

一般来说，在划分以矿山水文地质及工程地质作用为主所引发的环境地质问题的责任时，为避免问题复杂化，大多向弱势群体利益倾斜。若此，可令P1、P2均为零，则各矿山的责任程度为表3所示。

6 结束语

矿坑主要充水含水层为承压无限边界时，各抽水矿井对于仍然处在承压状态，与抽水矿井足够远或为完整井井型的观测孔的降深(Si)，可按∑Si联解求出。求出的Si就是各矿山排水在水位下降方面的贡献度;对于因矿山排水而导致的地质环境问题或地质灾害，均可按Si的大小划分各矿山的责任程度。鄂州市行政管理部门利用勘查单位按此方法提供的数据较好地解决了该地下水下降区附近两个自然村多户民房开裂等房屋变形的补偿问题。

本文在各矿山影响度的计算过程中，含水层压力传导系数a采用的是同类矿区经验值。若有观测孔的长期观测资料和各矿坑排水资料，则可按下式求出: