强渗透地区地铁降水回灌方案研究

欧志亮　沈媛媛　许亮

关键词：地铁降水;强渗透性;资源性回灌;数值模拟

随着城市建设快速发展，基坑工程降水规模越来越大，消耗了大量的地下水资源。近年来北京地铁施工降水量每年约2亿m³（北京市水文地质工程地质大队，2017），施工降水通常直接利用市政污水管网排放，造成地下水资源的极大浪费，使极度缺水的北京地区水资源供需矛盾更加突出。《北京市人民政府关于全面推进节水型社会建设的意见》中指出，强化行业节水，全面提高重点领域节水水平，加强施工降水综合利用，严禁直接排入污水管网（北京市人民政府，2016）。如何开展施工降水综合利用成为政府部门和科技工作者面临的问题。

施工降水的人工回灌近年来受到关注，对于防止地面沉降，保护地下水资源具有重要作用（陆建生等，2014;曹丙海，2017;胡冰冰等，2021）。以往研究大多集中于降水回灌对地面沉降的控制，姚旭初等（2005）应用数值模拟法对某工程水源热泵项目抽水回灌方案进行了可行性评价，张瑛颖等（2007）提出了数值法能够对基坑降水方案和回灌方案设计提供参考，耿冬青等（2011a）综合运用解析法和数值法对基坑降水和回灌系统进行了设计并应用于工程实践中;还有多位学者开展了不同回灌方案下基坑周围地面沉降的预测分析，以期为工程施工提出有益的理论指导（姚纪华等，2013;黄英超等，2014;景刘闯等，2015;王国富等，2017;王鹏等，2018;姚燕明等，2020）。对于基坑降水的资源性回灌还没有较为系统的研究，没有形成统一的规范标准和具体操作方法。

北京地铁房山线北延线某地铁站施工降水量大，为保障施工安全，节约地下水资源，需要开展地铁降水人工回灌工程。该区域回灌场地有限，含水层渗透性强。本文以北京地铁房山线北延线某地铁站施工降水工程为例，在分析工程特点及区域水文地质条件的基础上，提出降水资源性回灌方案，构建地下水流数值模型，模拟降水回灌后区域地下水位变化趋势，评价回灌方案的可行性，评价回灌对降水区的影响，为回灌方案实施和应急措施制定提供技术支撑，为类似工程提供借鉴和方案参考。

1工程概况及水文地质条件

北京轨道交通房山线北延线工程某地铁站位于京沪铁路和北京西三环交叉位置的东北方向，其施工需进行降水排出施工区。该工程附近没有可用的市政管网供排水，附近仅有丰草河河道，且河道内有高压连接线站，下游河道未疏通，为防止电站倒塌，不能向下游河道排水。为了保证施工安全，同时避免地下水资源浪费，需要对地下水进行回灌处理。该工程降水量大，计划施工最大排水量约为16×10⁴m³·d^-1，排水周期为一年。

工程所在区域位于永定河冲洪积扇中部，为永定河冲洪积平原，地势平坦，地面标高40.2～44.97 m。该区气候属于暖温带半干旱半湿润气候区，多年平均降水量572.5mm，降水多集中在6—9月份。丰草河河道穿过工程所在区域，为季节性河流，河道宽13～26 m，距离施工车站34～38 m。区域第四系厚度约40 m，岩性为砂卵砾石，含水层为单层潜水含水层，渗透性能好，野外抽水试验结果显示工程区域地层渗透系数为204.92m·d^-1。地下水位埋深24 m左右，水位降深5m时，单井出水量约为5000 m³·d^-1。该区地下水主要接受大气降水补给和侧向径流补给，地下水由西北向东南方向径流，水力梯度为1.5‰～2.0‰，侧向流出区外。地下水动态主要受大气降水影响，每年7—9月丰水期水位开始上升，到2—3月达到最高水位后逐渐下降，至次年6月水位最低，年变幅约为2～3 m。

2回灌方案设计

2.1回灌方式分析

地下水人工回灌方法一般分为地面入渗法和地下灌注法两大类（冶雪艳等，2011）。地面入渗法主要适用于地表土层透水性较好，包气带厚度在20 m以内的地区。地下灌注法主要指管井注入法，又称深层回灌法，是将回灌水源通过钻孔、大口径井或坑道等直接注入含水层中的方法。地下灌注法又分为无压回灌、压力回灌和真空回灌3种（耿冬青等，2011b）。影响施工降水回灌的条件主要有回灌场地水文地质条件、回灌水源的水量和水质、回灌方案的经济可行性等因素。

工程区域地下水位埋深约为24 m，包气带厚度较大，不适宜采用地面入渗法进行回灌。由于地铁施工设计排水量大并且排水周期长达一年，为满足回灌需求，进一步分析地下灌注法的适宜性。地下灌注的回灌入渗能力主要受场地条件、地下水类型、含水层的渗透性、含水层厚度等因素的影响：1）工程降水回灌，需要有适宜的地下水回灌场地;2）地下水类型主要分为潜水和承压水，潜水含水层回灌体现为含水层孔隙的填充，承压含水层回灌表现为含水层体积的膨胀，因此潜水含水层更有利于地下水回灌;3）含水层的渗透性直接影响回灌效果，地下水回灌一般选择在岩性为砾石和中粗砂等渗透系数大的地区，渗透性越强可回灌的水量就越多;4）含水层厚度决定了含水层的储水空间，含水层厚度越大，可回灌量相对越大。分析工程周边场地情况和水文地质条件可知，距离降水区东北部约500 m有河道及两岸可作为回灌场地，工程所在区域含水层为渗透性极强的潜水含水层，并且含水层具有一定的厚度，为回灌提供了必要的储水空间，该区适宜采用地下灌注法进行施工降水的回灌。

2.2回灌方案

選择新丰草河下游段，距离地铁降水区约500 m的河道南岸有限场地区域作为回灌区，东西长350 m，南北长14 m。回灌区北侧距河道6m。根据历史资料以及野外抽水和回灌试验确定单井回灌量为1920m³·d^-1，布设85眼回灌井，其中84眼管井和1眼大口井。回灌井每排42眼，东西向每眼井间距8m，共计2排，南北向间距10m。在东侧开挖一口直径2m大口井，用于提高回灌能力，进行应急回灌或洗井排水（图1）。施工排水利用封闭输水管线输入回灌池，经由池底输水管道分别向水井内注水回灌。

3回灌方案评价

3.1数值模型

为论证回灌方案的可行性，分析并概化了区域水文地质条件，建立了区域地下水流数值模型，用于回灌方案的模拟和预测。模拟区以抽水井群和回灌井群为中心，充分考虑井群影响半径，考虑区域地下水流场，以远大于井群抽水影响半径的范围划定模拟区边界（图2），东西向和南北向距离约15km，模拟区面积90.9 km²。模拟区域范围远大于基坑降水及回灌影响半径，因此模拟区域边界为定水头边界，西部AB边界为定水头边界，水头值为28～30m，东南部CD边界为定水头边界，其余边界为零流量边界。模型底部为隔水边界，顶部为开放边界。含水层概化为均质各项同性含水层，空间网格剖分为10m×10m的正方形网格。含水层渗透系数为200 m·d^-1，且认为在回灌过程中渗透系数保持不变。该项目地下水流动问题用公式（1）来描述。利用2014年6月—2015年6月水位数据进行模拟验证，一个月为一个时段，结果表明建立的数值模型能够较好的模拟水位变化过程（图3），可以用于回灌方案的预测。

3.2回灌方案评价

3.2.1方案可行性评价

利用模型模拟抽水区水位维持在14.05～14.5 m，回灌区回灌量为16×10⁴m³·d^-1的情况下，回灌井的水位变化情况。模拟结果显示（图4、图5）：回灌5d后回灌井群中心地下水水位标高上升到30.1 m，距离地面14.3m;回灌10d后，地下水水位标高为32.6 m，距离地面11.8m;回灌15 d后，回灌井水位标高为33.9m，距离地面10.5m;回灌365 d后回灌井水位距离地面5.3 m。结果表明，以16×10⁴m³·d^-1的回灌量回灌365 d，研究区回灌井水位未超过地面，说明本回灌方案能够满足回灌需求，方案可行。

3.2.2井间距的影响

为研究井间距对回灌区水位变化的影响，在设计方案即南北两排井间距离10 m的基础上，改变两排回灌井南北方向的距离，设置南北向井间距离为50 m和100 m两种情景，进行模拟分析。结果表明（图6）：当南北向井间距离由10 m变为50 m时，回灌区水位比井间距10 m时降低0.7 m;当井间距离增大到100 m时，回灌区水位较井间距10 m时降低1.5 m;即增大回灌井间距离，回灌后水位上升幅度有所减小。但设计方案井间距离10 m时，能够满足回灌的需求，考虑到场地条件的限制及工程经济性，可以选择井间距离为10 m作为回灌井设计方案。

3.2.3回灌对抽水区的影响

为研究回灌对抽水区的影响，利用模型模拟仅有回灌情况下的地下水位变化。在不抽水情况下，回灌井中心地面标高为44.4 m，初始水位为20.25 m;回灌5d后，回灌井中心处水位为30.1 m，上升了9.85 m，距离地面14.3 m。回灌90 d，水位距离地面5.7 m;365 d后，水位距离地面2.6 m（图7）。在抽水井处，水位逐渐上升，90 d后从初始的21.06 m上升到27.4 m，365 d后水位上升到31.8 m，水位共上升了10.74 m。回灌使抽水区水位平均上升了4～6 m，回灌影响半径约为2000 m。由此可知，由于回灌区地下水位上升，部分地下水从高水位的回灌区向低水位的抽水区径流。因此若排水时间越长，则回灌区向抽水区地下水径流量越大，需要排出的水量也越大。

4结论及建议

1）回灌区位于永定河冲洪积扇中部，含水层渗透能力强，在有限场地条件下，通过合理布局回灌井，利用管井注入方式进行回灌，具备16×10⁴m³·d^-1的回灌能力。回灌区对降水区水位产生一定影响，需在回灌过程中，监测降水区和回灌区水位变化，以应对回灌期间可能产生的突发情况。该回灌方案成功应用于北京某地铁站降水回灌工程中，為类似工程提供了借鉴和参考。

2）利用数值模拟技术，从区域尺度进行模拟，并满足场地尺度精度要求，能够为回灌方案提供较为准确的模拟和预测结果，模拟预测不同回灌情景，为回灌方案的制定提供依据。

3）基坑降水资源性回灌为施工降水综合利用提供了途径，是保护地下水资源的有效手段，对提高建筑行业节水水平具有重要意义，建议在强渗透性的适宜回灌的区域，类似工程广泛开展施工降水的资源性回灌。