岩溶地区地下工程建设对地下水渗流的影响分析

叶安强 张洋 杨士友

摘要：随着国家西部大开发战略的实施，岩溶地区地下工程的开挖深度越来越深，由于地下工程建造对场地水文地质环境改变的不可逆性，将对原有的地下水环境造成不同程度的危害，而且由于深埋大断面地下工程抵抗高水头压力的能力弱，在高水头外水压力下结构渗漏风险大，同时地下结构上浮的风险也大，因此研究地下工程建造及运行期间改变场地地下水的影响因素具有重要意义。本文以黔中岩溶场地某大型深埋地下工程为例，通过地下室建造对场地地下水流场改变的数值模拟计算，获得地下工程建造对地下水渗流场的影响规律，并对岩溶地区地下工程抗浮水位的取值进行了探讨，为科学合理地确定岩溶地区地下工程的抗浮水位提供了有益的参考。

关键词：岩溶地区；地下工程；地下水；渗流；抗浮水位

1.引言

随着西部岩溶山区城市建设的高速发展，城市地下空间的开发利用规模越来越大，大型商住小区地下工程开挖深度越来越深。由于长期缺乏可持续发展的理念，保护环境的意识淡薄，地下工程的勘察设计、施工和运营使用阶段，对环境保护重视不够，地下工程建造过程中，因局部改变了地下水流场状态，会引起渗流、潜蚀，突涌和管涌，对地下工程基础、支护结构和周围环境造成影响，甚至引发安全事故[1]。地下水位上升对地下工程结构产生浮托作用，若防水措施或抗浮措施不当，将引起地下工程结构上浮，影响其正常使用。

目前黔中岩溶山区城市地下空间的建造深度一般10m～20m，超过20m的为少数，因此对深埋地下工程建设对场地地下水渗流场的影响研究较少，然而随着地下空间开发深度的增加，高水头地下水压水问题越发显得突出。研究地下空间建设对地下水状态的影响评价方法和影响程度，达到环境保护和地下工程结构安全的目标，对完善地下空间工程建设环境评价标准及现行勘察设计规范的不足，促进地下空间开发建设切实落实环境保护，资源节约的建设理念，具有重要意义。

2.岩溶地区地下工程建设的地下水环境效应

2.1环境地质负效应

（1）泉水干涸断流

泉点作为地下水的天然露头之一，在岩溶地区也是常见的地下水露头。有的岩溶泉一直是作为当地的著名旅游景观而存在的，如西南岩溶地区的贵阳市有名的薛家井（又名豆芽井）和圣泉，已有二三百年的历史。在20世纪90年代初，薛家井附近喷水池周边大量兴建高层建筑，深大基坑开挖及大量混凝土灌注，对地下水的径流系统及补给通道都产生了很大的改变，造成薛家井流量逐年减少，水位不断降低甚至断流。位于黔灵山脉的老贵阳八景之一的圣泉，也因近年贵阳环城路及高铁的建设，大量公路及铁路隧道的开凿，对圣泉泉域造成了较大的改变，改变了圣泉的补给域范围及补给径流通道，使有名的黔灵圣泉也失去了往日的风采。

（2）地面塌陷

在岩溶盆地中往往上覆较厚的红粘土层，而且地下水丰富。因为红粘土具有上硬下软的地质剖面，在基岩面附近或溶槽底部的红粘土常呈软塑甚至流塑状态，对基坑边坡而言就是软基座边坡。因为深大基坑开挖及桩孔开挖频繁的抽排地下水，在基坑周围会产生较大的水力梯度，加剧基坑边坡向坑内位移变形，引发基坑周围地面塌陷。随着基坑频繁抽排地下水持续时间的延续，远离基坑区域下部的岩溶通道充填物被掏空，在真空吸蚀作用下，引发地面塌陷。在贵阳岩溶盆地中的岩溶强发育地段喷水池一带，在20世纪90年代，也是因为大量深基坑频繁的抽排地下水，引发多次地面塌陷，对城市交通及通信造成了较大影响。

2.2地下盆池浮托效应

因城市用地日趋紧张，岩溶地区地下工程基坑越挖越深，形成深大的池体。当地下工程底板埋置深度超过地下水位线时，由于在地下室周围与地下室底板之间存在水位差，将产生渗透压力，地下工程埋深越大，水位差越大，渗透压也越大。地下工程外墙发生的渗漏水事故往往就是因为地下工程外墙设计抗渗等级及自防水混凝土强度低于地下水渗透压所致。

地下工程深基坑的开挖及大量抽排地下水，会改变场地岩溶地下水原有渗流场的水动力格局，形成局部的岩溶地下水排泄基准面。当地下工程外墙及底板全部浇筑完成，形成封闭的地下空间，就如同在大脚盆中放置了一个脸盆，当地下水受到上游迎水面外墙的阻滞，地下水位被雍高，地下室迎水侧水位与地下室底板下水位产生的水位差会越来越大（如图1、图2），地下室底板承受的浮力水头会越来越高，当浮托力超过结构抗浮力时，就出现上浮，造成地下工程底板起拱开裂渗水甚至梁柱断裂的上浮事故。

3.地下结构对岩溶地下水渗流影响的数值模拟

3.1工程案例概况

为更进一步研究岩溶区深埋地下工程建设对地下水环境的影响，特别是对场地地下水位的影响，选择典型岩溶盆地中的某深大基坑工程为例，进行数值模拟计算。项目场地位于黔中安顺市，为典型的岩溶峰林及残丘盆地地貌区。该工程项目地下结构为一大底盘地下室，平面占地面积20000m2，地下室底板埋深24m～27m，底板标高1350.0m～1347.0m，为安顺地区目前最深地下室。

场地及附近无断层通过，地层呈单斜产出，岩层产状120°∠12°。场地岩土构成自地表向下依次由杂填土、残积红粘土及三叠系下统安顺组（T1a）中厚层状白云岩组成。杂填土层分布于场地表层，主要由碎砖块、砼块、灰渣混粘土等建筑垃圾组成，局部地段表层为0.10m～0.20m的砼地坪，场地杂填土层厚度0.00m～6.00m；红粘土层下伏于杂填土层之下，厚度一般6.00m～10.00m；底部基岩层为三叠系下统安顺组中厚层白云岩，分布广厚，岩质较硬，岩体较破碎，岩石质量等级为Ⅳ级。

场地地下水类型为松散岩类上层滞水和岩溶裂隙溶洞水两类型。上层滞水分布于场地表层的杂填土層中，红粘土层为相对隔水层，场地地势相对较低，在雨季时在杂填土与红粘土接触带含较丰富的上层滞水，但水量季节性变化较大。

勘察期间观测到的钻孔中稳定水位为1355.42m～ 1358.37m，场地处于地下水径流—排泄地段。场地勘察所施钻的300个钻孔，有22个孔钻遇岩溶洞隙，地下室基坑开挖也揭露较多的溶洞，这些地下岩溶空间为场地岩溶地下水的主要径流通道（如图3）。

根据场地附近部分钻孔2006年—2012年地下水位长期观测数据的统计结果，区内地下水位枯、丰水期水位动态变幅在1.00m～3.50m（如图4），按地下水位变幅2m考虑，建议的地下室抗浮水位为1360.00m。

3.2模拟计算方法

本工程数值模拟计算采用业界公认的水、气质量守恒+多相的达西定律为理論基础，采用美国劳伦斯伯克利国家实验室开发的TOUGH2软件进行分析计算。模拟以1358.00m为基坑初始水位，在历经2014年初至2016年初720天时间后的水位变化情况。模拟结果为：该工程地下室建成后，场地地下水位标高将由最初的1358.00m上升至1362.00m以上，地下水位壅高达4m之多，比详勘报告预测推定的抗浮水位高2m（图5、图6）。此模拟结果与2016年6月由某公司开展的“安顺.塔山小区一期工程5、6、8号楼地下室水文地质勘查”时实测的水位值1363.78m只相差1.78m，比较相近。

3.3模拟计算结果分析

模拟计算结果与实测值存在1.78m的差距，经分析，主要有两方面的原因，一是由于场地下伏基岩岩溶发育，地下室内超深开挖的基础较多，11号楼还采用了旋挖桩施工工艺进行基础施工，其最大桩长达20m。旋挖桩施工过程中，大量的混凝土灌注使得地下水径流通道受堵，也一定程度加剧了地下水位的抬升。二是本工程地下室周围存在深大肥槽，采用松散建筑垃圾随意回填，成为降雨下渗的主要通道，地表水能快速的下渗进入地下室底板以下，形成包围地下室的环形水体，进一步抬升了地下水位。

4.岩溶区地下结构抗浮水位取值探讨

岩溶山区场地，因抗浮水位确定不准确，导致抗浮工程失效，底板起拱、开裂渗水的工程案例并不鲜见。如何科学、合理地确定岩溶场地地下结构的抗浮水位显得尤为重要，抗浮水位取值过低安全风险高，取值偏高则会增加工程投资，建议从以下四个阶段来预测推定地下结构的抗浮水位。

（1）勘察期间在现场实测钻孔中的地下水位（有条件的场地可设置至少3个水位观测孔），水位观测孔最好设在岩溶洞隙发育的孔位，或者选择在岩体相对较破碎的孔位，以查明场地勘察期间真实地下水位。（2）收集场地及附近有无长期地下水位观测孔，收集3年—5年钻孔水位动态变化幅度观测资料，将勘察期间水位与多年长观地下水位资料对比分析，查明场地历史最高水位。（3）若场地无地下水位长观资料，应收集场区5年—10年的降雨资料，并调查访问场地所处地貌单元的汇水面积和近3年—5年汛期暴雨时段最大积水深度。作为场地意外补给可能带来的地下水位升高值的参考项。初步按“勘察期间实测地下水位”+“地下水位季节变化幅度”（旱季勘察时加变化幅度大值，雨季勘察时加变幅小值）+“意外补给可能带来的地下水位升高值”，来初步预测和推定地下工程的抗浮水位。（4）在查明场地历史最高水位或者按4.3条初步推定抗浮水位的基础上，还必须考虑地下工程建设的空间阻滞效应及基础施工等因素的影响，其影响程度的权重建议按35%考虑，即岩溶区地下工程的抗浮水位应按：历史最高水位+意外补给可能带来的地下水位升高值+地下空间阻滞效应水位；或者按：“勘察期间实测地下水位”+“地下水位季节变化幅度”+“意外补给可能带来的地下水位升高值”+“地下空间阻滞效应水位”来综合确定抗浮水位。

5.结论

（1）岩溶区地下工程建设将对场地水环境产生诸多环境负效应，而且通常是不可逆的效应。（2）地下结构对地下水渗流场的影响与地下结构的埋置深度密切相关，随埋藏深度增加，地下空间对地下水渗流场的影响越明显，但随时间的推移，这种影响会趋于稳定。（3）在岩溶区地下结构抗浮评价时地下结构对地下水渗流场的阻滞效应常被忽略，导致按常规方法预测推定的抗浮水位与实测值存在较大偏差，对深埋地下工程进行抗浮设计时，应充分考虑地下空间阻滞效应的影响。

参考文献：

[1]康景文，朱文汇，等.地下空间建造对地下水渗流影响初步研究[A].全国岩土工程师论坛文集[C]. 2018. 53-59.

[2]程丽娟，候攀，等.城市深层地下工程中地下水管控方法探讨[A].全国岩土工程师论坛文集[C]. 2018. 75-80.

[3]刘卡丁.地下空间可持续发展深圳益田村—地下停车库抗浮问题的优化设计[J].隧道建设， 2014， 34（2）： 140-146.

[4]余良刚.岩体基坑地下室抗浮设计水头合理取值研究[D].青岛理工大学， 2013.

[5]董雪妍，丁坚平，段先前，等.黔中地区岩溶深基坑抗浮水位及涌水量预测[J].贵州大学学报（自然科学版）， 2017， 34（1）： 119-122.

[6]张在明，孙保卫，徐宏声.地下水赋存状态与渗流特征对基础抗浮的影响[J].土木工程学报， 2001， 34（1）： 73-78.

[7]高层建筑岩土工程勘察标准. JGJ/T72-2017[S].北京：中国建筑工业出版社， 2017.

[8]贵州地质工程勘察院.安顺塔山小区（一期）5号、6号、7号、8号楼岩土工程勘察报告[R]. 2012.