基于水化学特征的矿区填土地基水害水源分析

靳玉琪，龙建辉，任 杰，倪向龙

(1.太原理工大学 矿业工程学院，山西 太原 030000；2.深圳市勘查研究院有限公司，广东 深圳 518026；3.中国建筑西南勘察设计研究院有限公司，四川 成都 610000;4.同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092)

0 引 言

山西是我国的煤炭大省，同时又地处黄土高原。山西省的许多区域位于黄土丘陵沟壑区内，土地资源缺乏但煤炭资源丰富，因此常在黄土沟谷区挖填造地来进行矿区建设。填土的来源主要为场区附近的黄土，黄土在重塑填埋的过程中，黄土结构性会发生破坏，同时填土的密实度等都会受到填土质量的影响，水入渗后，黄土填土所表现的湿陷性要比同类土的原状土更加明显。在这种人造特殊地质结构下，填土地基遇水害造成不均匀沉降从而引起地基、建筑差异变形灾害的例子屡见不鲜，且水害可能来源多元且不易确定[1-3]。

目前，利用水化学数据来判别水害水源的方法有很多种，包括水质类型对比分析、同位素分析法、特征组分判别、灰色系统理论、模糊数学、可拓实识别法、水化学成分守恒原理法等。这些方法主要针对水害水源单一的情况，相关文献对其进行了详细研究，而对于多来源水害问题，在确定水害来源的主次问题上研究尚不够深入[4-7]，因此，有必要对该问题进行深入探讨。

相关文献对矿区矿井突水水源问题与矿区场地地下水水质问题进行了详细的研究并取得了丰硕的成果，但是对于填土地基水害水源分析研究较少[8-14]。笔者以山西省柳林县某矿区地基水害为例，在现场调查的基础上查明矿区填土区域上部建筑的破坏情况，并结合工程钻探方法确定填土区域地层情况，从钻孔内分层采取土样测定含水率，绘制区域含水率等值线图，采集研究区内地下水与地表水水样测试其主要离子化学组分，利用水质类型对比分析法与层次聚类法查明填土地基地下水化学特征，分析填土地基的水害具体来源。

1 研究区概况

研究区地貌单元属于黄土丘陵区，次级地貌单元属于山间河谷区，该河谷区地势东北高西南低，河谷呈东～西向展布，断面形态呈“U型”，最高点位于东北山顶，顶面高程+988 m，最低点位于西侧沟内，地面高程+870 m，相对高差118 m。柳林县矿区位于河谷支沟内，2006年因建房需要将其支沟回填，原支沟沟底高程+834～+850 m，回填后高程+868～+871 m，沟底最深填土厚度21～30 m，沟谷侧壁处填土深度约10 m。研究区回填后地势平坦，东北及西南侧为斜坡，地形向两侧逐级变高。部分房屋临坡切坡而建，其东侧紧邻煤矿工业广场，人类工程活动对地形地貌的改变较为强烈，南侧紧邻煤矿排水渠，水渠常年流水，排水渠主要排放王家沟煤矿矿井废水和工业广场污水。2017年7月雨季后，矿区房屋开始明显变形开裂，并且日益严重。房屋破损原因为地基土被水浸泡而产生不均匀沉降。分析判断浸泡地基土的水来源可能为：① 自来水管道开挖正逢雨季，大量雨水沿开挖沟槽灌入浸泡地基土；② 煤矿排水渠可能渗漏浸泡地基土；③ 地下管网可能渗漏浸泡地基土；④ 场地周边可能存在砂岩裂隙水侧向径流补给浸泡地基土(图1)。

图1 研究区钻孔取样位置与建筑物破坏程度分布

2 研究内容与方法

对该研究区水害水源进行精确判断采取现场调查查明矿区建筑物具体的破坏情况，并根据实际破坏情况沿原始沟谷的走向方向布置3条勘探线，共27个勘探点，其中ZK1～ZK26为沉降破坏区钻孔，ZK27为砂岩裂隙水控制钻孔。在钻孔内直接测量初见水位和稳定水位，通过水位位置初步判断水源。

同时本次研究共取28件水样，其中沉降区目标水样14件，可能水来源水样14件，见表1。

表1 水样汇总

3 研究结果与分析

3.1 研究区水文地质分析

根据地层含水率的变化情况，将填土含水率突变位置定义为地下水毛细水带顶部，将钻孔全部完成后统一测量得到的水位线定义为稳定水位线(图2)。从图2中可以看出原始地形埋藏深，冲沟被分隔成两个沟谷，洼地的毛细水带顶部与稳定地下水位埋藏深度基本一致，并无异常，且与原始地形线的走向基本吻合。同时通过对研究区稳定水位的地下水位埋深进行统计分析发现(图3)，沉降区稳定地下水埋深除ZK19,ZK20和ZK21异常外，均在12 m左右，且砂岩裂隙水控制钻孔稳定地下水埋深为11 m，地下水高程相互吻合，说明砂岩裂隙水对填土区域形成了侧向补给。其中ZK19,ZK20和ZK21地下水位埋深出现异常，所揭露的毛细水带顶部高程是最高的，距离地表埋深仅3～4 m，由图2b明显可见，煤矿排水渠存在渗水点。但依据富水量的大小来说，砂岩裂隙水补给是主要的。

图2 研究区稳定水位线分布剖面图

图3 研究区钻孔位置稳定水位埋深

3.2 研究区水化学特征分析

3.2.1 常规水化学组分特征

对该矿区填土地基所采取的28个水样进行常规水化学特征分析，得到水化学组分统计特征值见表2。沉降区目标水样呈弱碱性，其TDS值较高，且离子浓度变异系数均低于1，说明填土地基地下水内部分布较稳定，具有稳定的水源补给。

表2 矿区填土沉降区目标水样与可能水来源水样主要离子特征值

3.2.2 水质类型与相关性分析

通过Piper三线图(图4)与水样水质类型分类可以看出，水样阴阳离子分布较为集中，沉降区填土稳定水位水样类型为HCO3·Cl-Na·Mg,HCO3-Na与HCO3·SO4·Cl-Na，砂岩裂隙水的水质类型为HCO3·Cl-Na·Mg，生活污水的水质类型为Cl-Na·Ca，而煤矿水的水质类型为Cl·HCO3-Na，其中砂岩裂隙水与沉降区目标水样水质类型相似，可能两者之间存在水力联系(表3)。

图4 研究区水质类型Piper三线图

表3 水样舒卡列夫分类

续表

表4 填土地基沉降区目标水样水化学组分相关系数矩阵

3.2.3 水化学聚类分析

图5 研究区填土地基水害水源聚类分析

由离子含量聚类分析发现：ZK27的4件砂岩裂隙水水样在可信度R=9时与目标地下水样聚成一类；煤矿污水的4件水样与自来水的2件水样在可信度R=15时与目标地下水样聚成一类；雨水的2件水样在可信度R=25时与目标地下水聚成一类。

菜窖水仅仅与雨水在可信度R=20时聚成一类。根据对聚类结果与水化学特征的分析发现，沉降区地下水的特征与砂岩裂隙水是最接近的。因此判断地下水来源主要是来自砂岩裂隙水补给，其次来自煤矿污水、雨水的入渗。

3.3 研究区填土水化学成因分析

研究区填土沉降部位地下水的补给和运移与周边环境可能会发生一系列的作用，例如水解作用、阴阳离子交替吸附吸附作用与蒸发浓缩作用等，这些作用导致填土地基地下水的水离子的类型与TDS浓度等发生改变。

3.3.1 主要离子来源分析

图6 研究区填土地基水化学Gibbs图

3.3.2 主要离子分化过程分析

图7 研究区填土地基地下水主要离子比值

4 结 论

1)矿区填土地基沉降区毛细水带顶部与稳定地下水位埋藏深度基本一致，与原始地形线的走向基本吻合，且沉降区地下水位与两侧原始坡体水位基本相同，初步说明砂岩裂隙水对填土区域形成了侧向补给。

3)沉降区水样与砂岩裂隙水水样水质类型相似，两者之间存在水力联系。煤矿水与生活污水属于地表排水，地表水与填土地基地下水可能存在微弱离子交换作用。

4)综合分析后，煤矿区填土地基地下水来源主要是来自砂岩裂隙水补给，其次来自煤矿污水、雨水的入渗，且研究区水化学成分浓度主要受岩石溶解控制。