山东省济南东部某大厦地下车库涌水机理初探

2023-03-02张丽红陈亮姜玉敏李哲王秀芬

山东国土资源 2023年1期

张丽红，陈亮，姜玉敏，李哲，王秀芬

(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(山东省地矿工程勘察院)，山东济南 250014；2.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

随着城市化的不断深入，城市地下空间的大力开发势必成为城市发展的必然趋势。地下空间的开挖改变地下水渗流场，并引发一系列水文地质问题以及一系列次生工程地质问题[1]。地下水反复浸润岩层软弱结构面导致基坑边坡失稳；地下水位上升产生对结构的上浮托力，破坏地库底板等。随着工程项目的增加与各地不断涌现出的地下结构遭破坏的安全问题，工程建设者逐渐重视地下空间开挖对地下水渗流场的影响以及地下水补径排条件发生改变对工程结构造成的影响。地下构筑物建设完成后，局部形成了“挡水墙”，改变了原地质体的渗透性，使局部水文地质条件发生改变。因此，研究地下水补径排条件的改变对地下构筑物安全的影响分析及地库涌水机理，对地下空间的开发建设具有重要意义[2]。只有调查清楚项目区水文地质条件，为地下工程的安全提供可靠的参数，才能更有效地开发和利用好地下空间，以便更好的服务城市建设。

1 地质背景

1.1 气象水文

济南市地处暖温带半湿润大陆性季风型气候区，多年平均降水648.0mm，降水空间分布不均，总的分布趋势是由东南往西北递减[3]。据2021年统计资料(图1)。济南市多年平均降雨量为678.36mm，在6—9月集中降水，12月至翌年3月较小，降雨量的大小直接影响到地下水的补给量。从气象资料分析，最大降水出现在1962年1194mm，最小降水出现在1989年340mm，一年之中降水主要集中在7—9月份，多以暴雨形式降落，三个月的降雨量约占全年降雨量的70%。2021年降雨量高达1089.6mm，这是自1959年以来降雨量第四次超过1000mm的年份。

图1 济南市1959—2021年降雨量直方图

研究区东侧紧邻泄洪沟，地势较低，底板标高约88m，河道宽度近20m、深度6～8m，此河道用于汛期城市泄洪和市政管网排水，根据调查，该泄洪沟是济南东部韩仓河的小分支，往年河道内水隐伏于地板之下，2021年因降水之多河道内出现地表径流，向北11km处汇入小清河。

1.2 工程地质

研究区位于趵突泉泉域东部边缘，属于济南市趵突泉泉域间接补给区，东侧紧邻东坞断裂带，该断裂为趵突泉泉域与白泉泉域的分界线，是一条相对阻水断层，是区域地下水流动的重要控制因素之一[4]。研究区出露地层由老至新依次为古生界寒武系、奥陶系与第四系，结合本次钻探及历史资料成果，研究区地层自上而下为奥陶纪马家沟群五阳山组、土峪组、北庵庄组、东黄山组，其中本次钻探揭露的地层为北庵庄组，且未穿过该完整地层，岩性以第四系粉质黏土、奥陶纪北庵庄组灰岩、泥质灰岩为主(图2)。

1—第四纪大站组；2—奥陶纪马家沟群五阳山组；3—奥陶纪马家沟群土峪组；4—奥陶纪马家沟群北庵庄组；5—奥陶纪马家沟群东黄山组；6—奥陶纪九龙群三山子组a段；7—奥陶纪九龙群三山子组c段；8—寒武纪九龙群炒米店组；9—早白垩世闪长玢岩脉；10—早白垩世闪长玢岩；11—实测及推测断层；12—监测井；13—研究区范围图2 研究区区域地质图

(1)粉质黏土为黄褐色，可塑，韧性中等，稍有光泽；见针状孔隙及铁质浸染，层厚0.5～10.5m，层底标高75.02～88.6m，层底埋深6.7～27.0m。

(2)碎石层为青灰色，隐晶质结构，层状构造，岩心呈碎块状、块状、少量短柱状，溶蚀及节理裂隙非常发育，黏性土充填；岩心采取率40%～50%，局部地段采取率很低，岩石坚硬程度为较软岩，岩体完整程度为破碎。

(3)灰岩为青灰色，隐晶质结构，层状构造，岩心呈块状、柱状，单块长20～60cm，局部呈碎块状，局部地段岩石表面见溶孔及溶蚀裂隙，节理裂隙充填方解石脉及黏性土，岩心采取率60%～90%，局部地段采取率很低，岩石坚硬程度为坚硬岩，岩体较为完整。

(4)泥质灰岩为灰黄—灰黑—肉红色，隐晶质结构，中厚层构造，岩质新鲜，局部岩心呈短柱状，局部呈破碎和溶蚀裂隙发育，岩心采取率70%。

根据钻孔资料及抽水试验成果，研究区内主要透水段为防水底板之下的碎石层以及岩溶发育段。经钻探分析可得，研究区的岩溶发育厚度为0.7～15.5m(含溶蚀裂隙和碎石夹层)，勘察深度内埋深为80m，岩溶发育的顶板平均埋深约25～35m。根据高密度点电法和电测深结合来探测岩溶发育(富水区)分布情况，得到研究区的岩溶发育深度为30～190m。综合分析，研究区的岩溶发育层具有不连续、厚度不均匀的特点，整体岩溶比较发育，富水性较好。

1.3 水文地质

1.3.1 地下水类型

研究区下伏马家沟群北庵庄组灰岩，地下水类型为碳酸盐岩类裂隙岩溶水。该层含水层裂隙岩溶发育，厚度大于186m，地下水主要赋存在碎石层、溶蚀裂隙和溶洞内，富水性好。水位年变幅约30～40m，单井出水量<1000m3/d。

1.3.2 地下水补径排条件

研究区的岩溶发育层不连续、厚度不均匀，岩溶发育厚度在7～35m，在勘察深度200m以内，整体岩溶比较发育，富水性较好。经分析，研究区内马家沟群北庵庄组岩溶较发育，厚度大于186m，为研究区内岩溶含水层的主要赋存层位。

(1)补给条件：动态观测资料表明，岩溶水水位的变化与降水关系密切，研究区南部大面积出露北庵庄组灰岩，直接接受大气降水补给[5]。

(2)径流特征：研究区马家沟群北庵庄组总体上为北倾单斜构造，岩溶水的运动方向和地形及岩层的倾斜方向大体一致。在接受上述形式的补给后沿岩溶通道运动，局部受地形、构造等条件作用下运动方向略有改变，总体径流方向为由南向北径[6]。研究区内勘察期间(2021年12月)研究区的水位标高在76～88m，地下水总体流向为东南向西北径流。

(3)排泄条件：研究区范围内无地下水开采情况，所有的园林、生活用水均来自管网统一调配。区域资料表明，北庵庄组灰岩岩溶发育程度普遍较高，是该地区重要的含水层。自研究区至济南岩体一线地层出露较研究区碎石层及岩溶发育地段为稳定，北庵庄组地层稳定的发育为中—浅层岩溶地下水向北运移提供了良好的径流通道[7]。所以，水平径流及潜流排泄是本区岩溶水的最重要排泄方式。此外，研究区内部分地下构筑物的涌水也是特定条件下岩溶水的排泄途径。

2 地库涌水机理及成因分析

2021年进入汛期以来，研究区附近多处地下车库出现涌水现象，积水严重，存在影响地下构筑物功能性和安全性的隐患。2021年济南地区降水偏多，地下水水位整体抬升，当地下水位抬升超过地库防水底板，缺少相对隔水层的防护，地下水直接对基础防水造成破坏，导致地下水在建筑基础薄弱处涌出[8]。地库停喷之后形成了白色絮状物堆积，原因是当底板之下的岩溶水流出地库底板时，压力和温度变化，岩溶水中的矿物质发生沉淀，沉淀在涌水口形成疏松多孔物质。絮状物的成分主要是CaCO3，通过对比车库涌水、深部岩溶水以及地表水进行取样分析，水化学类型相似度较高，进一步证明了地库涌出水来源为地下水岩溶水。

2.1 研究区特殊的水文地质条件

2.1.1 地形因素

研究区南部大面积裸露奥陶纪灰岩，为泉水(地下水)直接补给区，为岩溶水的快速补给提供了条件。研究区东侧泄洪沟，往年泄洪沟近乎干涸，而2021年丰水期大沟内出现地表径流，地表水的水位标高为90m，高于地块内岩溶地下水的水位标高(85m)。研究区四面环山，地势低洼，周围的地下水均向此区域汇集，形成地下水的汇水区，这种地形因素为地库底板涌水提供了动力条件。

2.1.2 岩溶发育条件

本次研究采用高密度电法和电阻率测深法探查了研究区内的岩溶发育情况，圈定了研究区岩溶发育区6处，推断了断裂构造1条。

(1)岩溶发育Ⅰ位于凤凰路，由南向北穿过经十路，面积为34000m2；岩溶发育区Ⅱ、岩溶发育区Ⅲ位于龙奥北路，岩溶发育区Ⅱ位于面积相对较小；岩溶发育区Ⅳ位于经十路，面积为20800m2；岩溶发育区Ⅴ、岩溶发育区Ⅵ位于舜华北路，面积分别为7200m2、14000m2。

(2)推断断层点1处，位于高密度G3线850m处，结合地质资料分析为东坞断裂反映，走向NNW，倾向SW。

研究区岩溶普遍较发育，为地下水提供赋存空间，且重点研究区位于趵突泉泉域东缘，东侧紧邻隔水断层东坞断裂，地下水易受断裂阻挡而富集[9]。

而且通过地库内的工勘资料发现，浅部地层较为破碎，而且岩溶较发育，这就为地表水和地下水发生水力联系提供条件，也会成为补给研究区岩溶地下水的重要来源之一。

2.1.3 地下水的补给与径流条件

动态观测资料表明，岩溶水水位的变化与降水关系密切，研究区南部大面积出露北庵庄组灰岩，直接接受大气降水补给。研究区马家沟群北庵庄组总体上为北倾单斜构造，为中—浅层岩溶地下水向北运移提供了良好的径流通道，岩溶水的运动方向和地形及岩层的倾斜方向大体一致。在接受上述形式的补给后沿岩溶通道运动，局部受地形、构造等条件作用下运动方向略有改变，总体径流方向为由南向北径流。研究区内勘察期间(2021年12月)水位标高在76～88m，地下水总体流向为东南向西北径流。

2.2 研究区人类工程建设活动

研究区工程建设活动改变了局部的工程地质条件，地库共有负四层，车库防水底板标高为75.5m。该区域基础开挖深度15～20m，剥离了大部分的第四系粉质黏土(含杂填土)、全风化灰岩、部分强风化灰岩和部分碎石层等，致使建筑基础直接接触强风化—中风化灰岩。

随着研究区及附近建设范围不断外扩，研究区一带的地下空间结构发生了显著变化，工程地质活动主要集中在60m范围内。密集的地下构筑物减小了第四系孔隙含水层和浅层风化带灰岩的储水空间，同时削弱了浅层含水层的渗透能力。沿地块周边道路地下基础构筑物等均为隔水基础，这些地下构筑物以在含水层中充当永久性的“挡水墙(体)”，在减少浅层岩溶水储水空间的同时，很大程度上阻塞了岩溶水的径流通道[10]。

2.3 大气降水与水位模拟

地下水的补给来源有大气降水、地表水、凝结水、来自其他含水层或含水系统的水等，从水文循环角度来看大气降水是地下水最主要的补给源。根据济南岩溶水的动态特征、氢氧同位素等证实岩溶水的补给来源是大气降水[11]。

2021年6月至10月上旬为本年汛期时间段，较往年持续时间长，大气降雨处于历史较高水平，7月14日区域降雨强度逼近历史极限值。此外，2021年汛期短时强降是近十年来降水次数最多、强度偏大的一年。济南地区6月份多为枯水期，2021年6月份大气降水相比往年偏多，使得岩溶地下水在进入丰水期(7—10月)之前得到良好的补给。济南市2021年累计降雨量达1089.6mm，为多年年均降雨量678.36mm的1.54倍。2021年超常降雨导致岩溶地下水位大幅上升，雨季来临之时岩溶地下水得到了良好地补给，这是导致是地下构筑物底板涌水的主要因素。

根据区域资料显示，区域岩溶地下水位呈现持续快速抬升趋势，趵突泉2021年10月27日水位上升至历史新高30.18m，变幅较大。综合分析，2021年是一个降水极多年份。

根据研究区周边地下水监测数据，利用OriginPro2021软件中的Neural Network Regression工具进行人工神经网络拟合，推断了研究区的岩溶水波动规律。本场区2021年度枯水期水位标高为59.2m，水位埋深34.3m，经过丰水期若干次强降雨补给，水位快速抬升，最高抬升至89.91m(10月8日)，水位埋深3.59m，变幅为30.65m。由于地库涌水，承压水泄压后实际达到的最大水位标高，较计算值低。研究区内的水位标高高于车库底板标高，地下水排泄压力导致地库防水底板破坏而涌水(图3)。

图3 研究区内水文观测孔水位拟合曲线图

2017年为枯水年，全年降水523mm，在2017年建设项目工程勘察阶段，50m的勘察深度内未见地下水，造成工程设计阶段选取的抗浮水位及相关参数不适于2021年极多降水年份的地下水条件，这是造成研究区地下构筑物遭破坏的另一主要原因。

2.4 保泉政策的实施

根据历年观测资料，泉水位的升高与降雨量的关系比较明显，在丰水期7—10月份水位上升，在枯水期3—6月份水位下降，泉水位受大气降水的影响比较显著，泉水位变化具有典型的季节性[12]。

研究区范围内无地下水开采情况，所有的园林、生活用水均来自管网统一调配。人为工程活动改变泉水的天然动态特征，并且地下水位动态存在年内季节变化、年际周期性变化及随机波动等一定的规律性。自2001年起，济南市作出了封井保泉的重大举措，先后组织开展了三轮封井保泉攻坚战[13]。为了保障泉水的持续喷涌，缓解日益突出的水资源供需矛盾，济南市在启动引黄供水工程的同时充分利用南水北调东线的水源，将外调水与当地地表水相结合，在泉域岩溶水的直接补给区开展回灌补源工程[14]。历年的保泉实践，逐步摸索出一套保持泉水持续喷涌行之有效的措施办法，其中最核心的是坚持了“增雨、置采、补源、控流、节水”的十字方针[15]。

自2003年以来，为了保障济南泉水的持续喷涌，济南市城乡水务局陆续发文关停部分城区水厂和部分自备井，水厂和自备井的关停直接导致当下水开采量的减少，进而使得区域地下水位整体上升，当遇到丰水年份，区域地下水位会居高不下。

3 地库涌水应急治理措施

由于地下水的长时间喷涌，最终造成车库底板的破坏变形，需对车库实施应急降排水工程，并对地下构筑物防渗结构进行修复与加固。

3.1 地库涌水应急治理措施比选

地库涌水应急治理措施主要有构筑物底板外围设置导水槽、建筑物外围设置降水井、增设抗拔桩、地库内施工降水井直接降水等[16]。

(1)构筑物底板外围设置导水槽

在涌水构筑物底板外围设置便于排水的导水槽，采用的方法是在构筑物底板周围的区域开挖通道，这个通道开挖深度应大于各地块基底开挖深度，同时导水通道可以缓解楼体建筑对浅层地下水径流的影响，确保将水体释放至研究区以外[17]。

但是这种方法适用于以浅层地下水径流为涌水来源的地库情况，涉及深度为约3～5m以内的地库涌水情况，而对于本地块涌水情况，地库开挖深度近18m，加之地库涌水主要来源于深部承压岩溶水，因此本地块不适宜采用设置导水槽。

(2)建筑物外围设置降水井

通过设置降水井是降低地下水水位最直接、最有效的方法，建筑物基础建设阶段基坑降排水多采用该种降水措施。

由于本项目地库涌水主要来源于岩溶水垂直向上顶托补给，水井得到的影响半径效果不明显；加之目前水位高出底板7～8m，如果在构筑物外围设置地下水降水井，必须设计深层地下水降水井和大泵量潜水泵，并进行长期的抽取地下水，才有可能降低地板水位，此方法造价成本高，降低水位效果不明显。且场区内外围紧邻市政道路，下埋复杂市政管线，不存在施工条件。

(3)增设抗拔桩

地库周围地下水位较高，底板上浮导致变形缝变形过大，变形缝防水失效，多处裂隙引发涌水，急需采取措施阻止其进一步上浮，一般采用在构筑物底板内部增设抗拔桩，主要是在原抗拔桩的基础上，采取“自上而下”压密注浆法在其上浮底板一侧增设钢管注浆桩[18]。若满足抗浮设防水位，设计抗拔桩的布设间距很小，抗拔桩的密度大，导致整个地库底板的防水均被抗拔桩破坏，加之造价极高，因此不宜采用该方法。

(4)地库内施工降水井直接降水

直接在地下车库内施工降水井，抽水形成地下水降落漏斗，保证降水井周边水位稳定在安全水位之下。相对其他降水抗浮措施，该种降水方式较适用于岩溶水的疏排，降水措施成本最低，对构筑物结构影响最小，施工周期最短，因此本次建议采取地库内建设以降水井为主的应急降水系统。

3.2 应急降水井的布设

3.2.1 抗浮设防水位的确定

研究区主要含水层为岩溶水含水层，通过本次工作查明在丰水期中部岩溶水含水层水位抬升到一定程度后会在浅部岩溶发育区域富集，从而顶托地库防水底板薄弱处。根据相关标准及文献，本次工作选取历史最高水位作为抗浮设防水位[19]，由于场地内缺少长序列观测数据，本次利用周边水位数据进行了拟合，推断场地内历史最高水位为89.91m。

综上，基于目前掌握数据，建议抗浮设防水位选用89.91m。

3.2.2 降水井的布设

通过钻探及抽水试验发现，岩溶发育段多集中在地库以下30m范围内，30m以下岩溶发育相对较弱；抽水试验的最大抽水量约500m3/d，最大动水位埋深为21.5m(地库底板算起)，推断井深30m能够满足降水需求。

根据抽水试验，当抽水量为500m3/d时，地面算起降水影响半径为68.8m，推算地库底板算起的影响半径为37m(图4)。因此，布设降水井应考虑在其37m半径范围内覆盖已有涌水点。