地下水抬升对城市安全运维影响分析

2023-01-10马海志

四川建筑 2022年6期

马海志

(北京城建勘测设计研究院有限责任公司, 北京 100101)

地下水是北京市最主要的供水水源之一，南水进京前，地下水占北京市总供水量的2/3，长期大量开采使北京地下水位持续下降[1]。2014年南水北调中线一期工程通水后，北京利用南水替代部分地下水进行供水，多个大型水源地减采地下水，通过潮白河道对怀柔应急水源地、水源八厂和怀柔水源地等多个大型水源地进行人工补给，置换大量的自备井等[2]。此外，北京市2016年实施生态补水工程，于2019—2021年连续3年开展了大规模永定河(北京段)生态补水工作[4-6]，共补给水资源量约6.5亿m3。由于上述因素影响，北京市平原区浅层地下水位持续抬升。地下水位的抬升改变了地下水与城市基础设施的垂向位置关系，对城市基础设施特别是地下工程产生不利影响，本文在分析了近3年地下水位变化情况的基础上，总结了地下水位抬升对城市基础设施地下工程安全运维的影响，并探讨了管控与治理措施要点。

1 北京市地下水位变化情况

北京市平原区地势西北高，东南低，地下水总体由西北流向东南，地下水位埋深西北至东南由深变浅。在南水北调进京替代部分地下水开采、生态补水工程、大气降水等因素综合作用下，北京市地下水位出现不同程度的抬升，据统计，2018年8月—2021年8月，北部密怀顺地区、西部海淀区、石景山区、丰台区、门头沟区地下水位抬升幅度超过5 m，永定河两岸地下水位抬升达到10～17 m，南部大兴和东北平谷地区抬升幅度一般3～10 m，东部朝阳区和通州区抬升幅度小于3 m。全市平原区地下水平均埋深由23.12 m抬升至19.36 m，平均抬升高度3.76 m，其中，石景山区地下水平均埋深由40.64 m抬升至30.53 m，平均抬升高度达10.11 m，地下水位抬升范围为3 572.2 km2。

2 城市安全运维影响分析

北京市地下水位出现大幅抬升对城市轨道交通、市政道路、城市地下管网、地下建构筑物等都产生了不同程度的影响，以北京市轨道交通为例，目前北京市正在运营线路22条，总里程690.3 km，2018年运营线路中有15条线路存在隧道底板位于在地下水位以下的情况，涉及里程146.4 km，占当年总里程21%；2021年运营线路中有18条线路存在隧道底板位于在地下水位以下的情况，涉及里程330.9 km，占当年总里程48%，对比显示隧道底板位于在地下水位以下的里程增加了185 km。地下水位的抬升改变了地下工程周围水土应力环境，增大了对基础设施工程的破坏风险，势必对其产生较大影响，主要体现在几个方面。

2.1 渗漏水情况加剧

城市基础设施中轨道交通、综合管廊、电力隧道等大型地下工程主体结构的抗渗性能主要依靠抗渗混凝土及外包防水层来保证，但施工缝、变形缝、穿墙管件等节点始终是抗渗的薄弱环节，随着线路运行时间的增长、地下水环境的变化、防水材料老化等因素影响，渗漏水病害日益突出。地下水位抬升后将改变水土应力环境，对上述薄弱环节进一步破坏，因此地下水位抬升增大了渗漏的风险，导致渗漏点从无到有，从少到多增多，渗漏量增加，同时结构渗漏会引起混凝土钙质流失、增加钢筋锈蚀风险，降低结构的耐久性，缩短使用年限。

2.2 运营设备与电力系统安全风险加大

地下水抬升会导致结构渗漏日趋严重，对地下工程中的运营设备与电力系统安全风险加大，尤其是城市轨道交通工程，其影响主要集中在地铁车站和地下区间隧道内。车站渗漏水问题一方面会直接影响车站电扶梯、安全门等带电设备的稳定运行，另一方面对乘客的出行服务造成影响。隧道内由于渗漏水问题会导致隧道内长期积水并处于潮湿环境影响：

(1)影响隧道内电气设备及接触轨系统等带电设备的稳定运行，出现设备短路、接地、打火等故障问题。

(2)导致隧道内钢轨扣件、电缆支架等金属锈蚀加速，降低设备使用寿命。

(3)隧道渗漏水严重时，积水无法及时排出，导致水漫道床影响正常运营。

2.3 结构抗浮稳定性降低

处于地下水位以下的城市轨道交通结构、地下管网、建构筑物等，依靠结构自重及覆土重抵抗所受的地下水浮力，以保持稳定性。随着地下水位上升，抗浮措施的安全储备在逐渐降低，同时地下水位短期大幅度变化对地下结构的内力产生一定影响，会出现侧向受压变形和竖向位移，严重情况下会出现结构裂缝或超限变形、掉块等结构病害，降低了主体结构的局部抗浮稳定性。

2.4 地下管网破坏及路面塌陷

城市地下管线错综复杂，数量众多，结构材料类型多样，且部分管线年久失修，地下水位上升导致管线周围地层条件恶化，造成管线弯曲变形甚至开裂渗漏，另外，管线周围地层因长期浸泡，会形成流砂、空洞或水囊，若周边有开挖扰动时，管线及地层破坏加剧，甚至会引发涌水，造成地层被掏空形成大面积空洞，进而导致地层失稳发生地面坍塌。

3 城市安全运维管控和治理探讨

3.1 以精准探测为原则，多专业协作治理，突破传统治理理念

针对地下水位抬升导致的渗漏病害问题，传统治理理念“轻探测，重治理”，即在未明晰渗漏水路径、渗漏水来源、地层渗透性以及空洞水囊分布与演变特性的情况下，进行盲目的注浆治理，无法达到渗漏水标本兼治的目的，且可能加速渗水。因此，要突破传统治理理念，就必须进行多专业协作，采取以“精准探测、疏堵结合、多道设防、综合治理”的原则，利用多元物探探测技术，精准探测渗漏水路径、渗漏水来源、地层渗透性以及空洞水囊分布，有针对性地采取封堵措施，同时对地层进行补强加固，对结构外表面的水囊进行挤压驱赶，以达到改善地下结构外表面防水性能的目的。

3.2 建立“城市安全运维管理体系”

建立城市基础设施风险安全检测、监测、预警、诊断与维护一体化的“城市安全运维管理体系”。

将大数据信息与城市安全运维融合，建立城市基础设施风险检测、监测、预警、诊断与维护一体化的“城市安全运维管理体系”，包括4个部分：

(1)检测体系。针对大型地下工程，如轨道交通工程，可直接利用大型三维扫描技术与探测雷达对工程体内部病害进行检测识别，并与物联网相连实现病害的诊断；针对地下管网，可从地上采用雷达、电法、微动等探测技术进行病害探测，也可采用小型机器人进入工程体内部进行扫描探测。

(2)监测体系。使用自动化采集与传输技术，监测结构位移、变形，周边环境，捕获结构与环境状态。

(3)预警体系，扫描结果经诊断后，得出各病害的分阶段预警值，根据监测系统显示的病害严重程度、及时发出预警信号。

(4)诊断体系。可根据预警等级和病害症状进行预判推理，并结合专家经验，输出相应病害养护、维修和治理措施。

3.3 实现跨行业联动，统筹水资源规划与城市安全运维管理协同发展

城市安全运维管理需要跨行业联动，统筹规划协同发展，以工程抗浮为例，地下水位虽然在整体上升，但距抗浮设防水位尚有5～15 m的差值，也就是说现状地下水位对于工程抗浮来讲是安全的，但是随着地下水位的持续抬升，安全储备会逐渐减少，风险也越来越大。因此，有必要建立城市基础设施地下水位监测网，实时监测地下水位数据，为极端情况实施预警。对于未来北京市地下水整体变化趋势需与北京市水务系统建立联动机制，统筹水资源规划与基础设施安全运维协同发展，基于水资源保护与基础设施运维安全角度，规划设计地下水位上限值。