人类活动对济南某小区周边水文地质条件的影响分析

宿庆伟

(1.山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队，山东 济南 250014；2.山东省地矿工程勘察院，山东 济南 250014；3.山东省地下水环境保护与修复工程技术研究中心，山东 济南 250014)

0 引言

城市是人类及社会发展的首要领地，在城市化进程中，如何处理与城市建设密切相关的水文地质条件尤为重要。该文以济南市某小区为研究对象，小区于2015年建成后交付使用，当年年底位于地下车库西南的制冷机房出现局部地面鼓胀、裂缝、渗水等问题。根据研究区监测井水位数据，2017年7月25日地下水位达31.65m，高于工程勘察期间(2013年3月)所提出的抗浮水位28.5m，建筑结构安全受到严重威胁，因此，查清该区地下水位升高原因，提出合理抗浮水位尤为重要。

1 地质背景

1.1 气象水文

研究区位于济南市北部，属暖温带大陆性气候，春季干燥少雨，夏季炎热多雨，根据济南多年平均降水量资料(图1)，多年平均降水量为646.55mm，降雨多集中在6—9 月份，12 月至第二年3 月降雨量较小，最大降水量1194.50mm(1962 年)，最小降水量340mm(1989 年)[1-5]。研究区附近无地表水系分布，离研究区最近的为小清河，位于研究区北部约4.2km。

图1 济南市1956—2017年降水量直方图

1.2 基础地质

研究区位于济南市北部，地貌单元属于山前倾斜平原[6-7]，场地自然标高为33.87～34.45m，根据现场钻揭露情况情况，研究区地层主要为第四系，岩性为粉质黏土、碎石土，厚度15m左右，下伏基岩为中生代燕山期辉长岩，该次钻探未揭穿。

1.3 水文地质

1.3.1 含水层分布特征

根据地下水的含水介质性质，研究区地下水类型可分为松散岩类孔隙水和基岩裂隙水。松散岩类孔隙水含水层岩性以碎石土为主，含水层呈透镜体分布，顶板埋深14.5～14.8m，底板埋深16.4～17m，厚0.8～1.60m，研究区孔隙水水位标高30.75～31.35m，含水层富水性一般，根据抽水试验结果，单井涌水量80～85m3/d,渗透系数0.35～3.10m/d。基岩裂隙水含水层岩性主要为全风化及强风化辉长岩，富水性一般，含水层顶板埋深16.4～17m，底板埋深22～25m，厚5～8.6m，研究区裂隙水水位标高30.73～31.36m，根据抽水试验结果，单井涌水量92～102m3/d,渗透系数3.21～4.1m/d。

1.3.2 各含水层水力联系分析

为查明场区各含水层之间的水力联系，该次勘察有针对性的布设了2组水井进行分层抽水，每组水井由2眼水井组成，分别对第四系孔隙及基岩裂隙水进行抽水试验(图2)。

图2 井组布置图

为查明含水层的水力联系，在基岩裂隙水抽水时同步观测孔隙水水位，在JCH1抽水第一降深时，同时监测JCQ1水井的水位。试验开始时JCH1水位为31.36m，JCQ1初始水位为31.35m，实验进行至45min，JCH1水位趋于稳定，此时，JCH1水位为24.29m，下降7.07m，JCQ1水位为31.17m，与实验开始时水位相比下降0.18m；在JCH2抽水第一降深时，同时监测JCQ2水井的水位。试验开始时JCH2水位为30.70m，JCQ2初始水位为30.72m.当实验进行至50min，JCH2水位趋于稳定，此时，JCH2水位为19.25m，下降11.45m，JCQ2水位为29.55m，与实验开始时水位相比下降1.17m，说明两层含水层水力联系较为密切，而同一井组不同含水层的地下水位标高基本一致，也反映了两层水具有一定的水力联系(表1、图3)。

表1 抽水试验观测记录

图3 抽水试验S-t曲线示意图

2 人类活动对研究区水文地质条件的影响分析

2.1 人防通道的封堵及蓄水

研究区附近已知的人防通道有两处，第一个紧邻研究区的南北向通道，在研究区与站前街之间，济南市政府大院东南角有入口；第二个在朗诚中心(现东泰凯悦中心)有入口，南北向分布，该人防通道尺寸较大。两处人防通道均常年有水。2015年初，朗诚中心基坑施工，其内的人防通道被挖除，并进行了封堵，当时水量较大，封堵困难。2018年10月工作期间，项目组对两处人防通道的水面标高进行了测量，水面标高分别为31.34m,31.15m；研究区观测孔及JCH1,JCQ1水井的水位标高分别为31.45m,31.53m。

研究区原为济南市人民政府机关所在地，地下人防通道发达，空间大。现水位比人防通道封堵前上升约2m。研究区地处山前平原的后缘，地势较低，地层为粉质黏土、粉土、卵石层，卵石层呈透镜体状分布，具有透水性。人防通道水流方向由南向北，在朗诚中心处被封堵后，其内水流正常排泄通道被切断，此处将形成具有一定蓄水能力的“小型水库”。

人防通道高约3m，宽2～3m，为砖石砌体结构，年久失修，在水头压力下“小型水库”的渗漏将对周边地下水形成持续的补给，周围土体因长期浸泡而趋于饱和，地下水位会在一定程度内上升。调查资料显示，研究区建设前，人防通道内水位较低，被截断后水位显著上升，人防通道由原来的导水通道转变成了具有持续补给的“蓄水池”，对地下水影响影响较大。

研究区水力梯度平均值为6.78×10-3，朗诚中心南北两侧水位差值理论为0.44m，而实测水位标高差值为2.48m，其对应的水力梯度为41.3×10-3，明显比研究区平均水力梯度高，由此可知，人防通道的截断形成的“壅水效应”对区域地下水位影响较大，朗诚中心基础与人防通道形成半弧形挡水结构，改变了地下水流场和补径排条件，造成研究区地下水位上升(图4)。

1—水文孔及水文标高；2—挖探孔及水文标高；3—已知水文孔；4—人防工程；5—工作区范围；6—已有建筑物图4 研究区水位等值线图(2018年9月)

2.2 地下构筑物改变地下水运移条件

研究区一带第四系厚度为15～20m，2013年后建筑物基础深度多为8～15m(图5)。其中人防通道底板埋深8～11m，济南市政务服务中心基础埋深12.5m，丽天酒店基础埋深10m，朗诚中心基础埋深12m，和信SOHO基础埋深15m，和信花园小区基础埋深10m，火车站站台灌注桩20m，经纬嘉园8m，帝景苑8～12m，华景苑8～12m，普利中心基础埋深17m，桩基础50～55m。这些构筑物在含水层中形成阻水结构，会在一定程度上的改变地下水运移、储存条件。

1—地下水流向；2—已知水文孔；3—人防工程；4—工作区范围；5—已有构筑物基础埋深图5 研究区附近深基础构筑物及人防通道分布图

2018年8月18日—20日，受台风“温比亚”影响，济南市三天降雨量平均值92.4mm，市区降雨量87.7mm，至8月20日全市累计降雨量640.9mm，比往年同期多30.7%。降雨结束后，8月21日项目组对各个挖探孔进行了水位测量，并与8月16日的测量结果进行了对比，不同地方水位差异各异，政务中心观测孔水位上升幅度最大为0.97m，两个人防通道分别升高0.50m和0.55m。

根据下雨前后的水位变化可知，政府中心观测孔起伏最大，说明此处地下水排泄能力较差或有持续补给。人防通道下雨前后涨幅达0.56m，说明上游水量较丰富。朗诚中心南北两侧涨幅不一，推断地下水运移受阻，引起壅水效应。

由下雨前后研究区周边水位标高变化图(图6)可以看出：水流方向呈SN向，水位等值线整体平缓，在朗诚中心出现扭曲、密集。等值线的密集说明此处差异较大，水力梯度较大,人防通道内外水位落差达0.95～1.65m，南北两侧水位落差达1.6～2.5m。可以看出，朗诚中心的建设及其对人防通道的封堵对地下水的运移影响显著。

1—挖探孔位置；2—已有水文孔；3—人防工程；4—工作区范围；5—已有构筑物图6 下雨前后水位标高变化(2018年8月21日)

2.3 研究区工程建设前后地下水流场变化分析

研究区位于趵突泉泉域汇集排泄区，工程建设以前地下水由西南向东北径流，最终排泄小清河，地下水保持着较为流场的排泄通道，水力梯度维持在千分之几的正常水平，随着城市建设，研究区周边深基础建筑物越来越多，北部因受深基础的阻挡，造成地下水径流不畅，而人防通道的阻截进步一加剧了该区地下水位的升高，造成朗诚中心南北两侧水力梯度差异明显，使该区由以前的径流排区转变为一小型的“蓄水区”，导致附近地下水位明显升高，引发一系列工程问题。

3 抗浮水位确定及处理措施

3.1 抗浮水位确定原则及影响因素分析

根据《建筑岩土工程勘察设计规范》(J13146—2015)和《高层建筑岩土工程勘察标准》(JGJ/T72—2017)，抗浮水位确定原则应考虑该区的实测最高水位、地下水位年变幅、地下水的补径排条件及各含水层的水力联系，而影响因素应考虑各含水层与大气降水的入渗关系、地下水的开采、建筑物周围环境及城市规划等。

(1)各含水层水力联系与大气降水入渗关系。该区涉及含水层主要为第四纪松散岩类孔隙水和基岩裂隙水，局部地区第四纪碎石层与全风化闪长岩直接接触，分层抽水试验证实二者具有一定的水力联系，含水层的主要补给来源为大气降水，虽然该区硬化程度较高，但南部地区的大气降水仍可顺地势自南向北补给到该区，因此，该区地下水水位仍主要受大气降水的影响。

(2)地下水开采量。目前济南市的水源地主要分布于东西郊，该区基本无地下水开采，因此，地下水开采量对该区地下水位基本无影响。

(3)研究区与周边水系的关系。研究区周边地表水系主要为北部的小清河，该河为济南市的孔隙水的排泄通道，不会对地下水位造成影响，而西侧的人防通道因受阻截，目前已成为一“人工暗河”，人防通道内的水自南而来汇集于此，对地下水的升高起着显著的作用。

(4)研究区周围环境对地下水补径排影响。研究区2013年以后周边高层建筑明显增多，尤其是北部的深基础建筑，阻挡了地下水向北径流，造成该区地下水径流、排泄条件变差，对地下水位雍高起到一定的作用。

3.2 抗浮水位确定

综合前面分析，该次抗浮水位以勘察期间地下水位等值线图(封水期)为基础，参考抗浮设防水位应用的经验公式：地下水最高水位=勘察期间该层地下水最高水位+该层地下水在相当于勘察时期的年变幅+可能的意外补给造成的该层水位上升值[8-12]。结合研究区水文地质条件变化情况及项目自身特点，抗浮水位可按以下公式计算：

H=A+b+c+d+e

式中：A—研究期间地下水水位标高；b—地下水水位年变幅；c—水位雍高值m；d—地坪升高及周围地表水体定水头补给造成的地下水位升高；e—政策影响等不可预见因素造成的水位升幅及安全储。

研究区勘察期间孔隙水地下水位标为30.75～31.35m，近3年最高水位为33.26m，研究区地面高程约33.94m，抗浮水位不宜超过地面标高，因此，研究区抗浮水位标高H=31.35+1+0.5+0+0.75=33.60m。

3.3 处理措施

研究区抗浮设防水位定为33.60m。建议以该抗浮水位为标准对建筑物结构安全进行检测，若主体结构安全，可考虑将建筑物所处区域地下水下位控制在抗浮水位以下，在建筑物外围施工排水渗沟，深约3m，底部铺设排水垫层，上部充填卵石等粒料，将地下水导出研究区，或在建筑物周边打设降水井，雨季或该区地下水位超过抗浮水位时，进行降水，保证建筑物周边地下水位不超过抗浮水位。

4 结论

(1)研究区周边深基础建筑物的增多及人防通道的阻截，使研究区地下水径流条件改变，是造成研究区地下水位升高的主要原因。

(2)根据抗浮设防水位确定原则及影响因素，研究区抗浮水位为33.6m，并以此水位为标准对构筑物结构俺去进行重新验算。

(3)人类工程建设应充分了解区域的水文地质条件，尽量做到工程建设不影响周边环境，防止因周边水文地质条件的改变对工程造成不良影响。