地铁沿线地下水壅高规律及其对极端降雨事件的响应

王鑫, 潘明浩, 李虎, 左锐*, 徐东辉, 何柱锟, 武子一, 徐云翔

(1.山东轨道交通工程咨询有限公司, 济南 250014; 2.北京师范大学水科学研究院, 北京 100875;3.地下水污染控制与修复教育部工程研究中心, 北京 100875; 4.济南轨道交通集团有限公司, 济南 250014)

保证城市可持续发展需合理开发利用地下空间。地下空间开发势必对地下水环境产生扰动[1],随着中国城市地下空间开发快速发展,该现象愈发受到关注[2]。当地铁工程构筑物侵入地下水含水层时,将对地下水渗流产生阻碍[3-4],导致地铁沿线一定范围内地下水位壅高[5],进而可能引发地下水循环更新减缓、浅基础建筑物地基承载力下降等环境地质问题[6-8]。同时,如郑州“7·20”暴雨等降雨事件除影响岩土稳定性[9],还可能改变区域地下水补、排动态,增加地下空间开发的水文地质风险。因此,在全球极端气候现象愈加频发的现实背景下,探究地下水壅高现象对极端降雨事件的响应,亦是落实城市地质环境保护的关键内容之一。

针对地下空间工程引发的地下水壅高现象,Pujades等[4]较早通过数值模拟分析地下工程对区域地下水环境的扰动,发现工程构筑物的存在将使地下水位、流向等要素改变,并将此类影响定义为构筑物“阻挡效应”。Shin等[10]、De Caro等[11]借助数值模拟手段,在不同地区均发现地铁工程构筑物对地下水位的影响。熊志涛等[12]在对武汉地铁3号线产生的地下水流场影响进行分析时,发现地下水壅高与地铁走向-地下水流向存在相关性。赵瑞等[8]、成璐等[13]、高咏等[14]样通过数值模拟手段发现地下水壅高与地铁走向-地下水流向夹角存在一定正相关关系,但就短期极端降雨事件出现时地下水动态剧烈波动对地铁沿线地下水壅高现象的影响而言,目前中外相关研究尚未涉及。

地下水是关乎地铁隧道长期稳定性与安全风险的重要因素之一[15]。作为降水季节性显著、大气降水补给与地下水动态联系密切的地区,济南市对地铁工程规划、地下水保护已开展了较广泛研究,周宁[16]在济南地铁规划初期便建立了济南泉域水文地质模型,对地铁建设的适宜范围、底板埋深条件进行评价。郭红梅[17]、庞炜等[18]通过数值模型预测了地铁施工阶段泉流量变化、地下水位动态。Sun等[19]、Wang等[20]在分析地铁建设对济南区域地下水系统的影响时提出,地铁工程对地下水的阻挡壅高将成为关键风险。

济南轨道交通4号线作为与该地区地下水流向交互关系较为明显的地铁线路,对于分析地铁沿线地下水壅高规律具有典型代表性。为定性、定量探究济南地下城市轨道交通建设的地下水壅高风险,同时预测地铁沿线壅水现象在极端降雨事件影响下与正常情景的异同,以济南地铁4号线在济南西部的典型区段为例,通过数值模型刻画、分析该线路典型区段沿线的地下水壅高规律,并设置极端降雨事件情景进行对比分析,以期为济南地铁工程建设规划及风险管控提供科学参考,并对短期极端降雨事件影响下的地下水壅高形成突破性认识。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

济南市为山东省省会,位于山东省中西部,地处黄河中下游地区,年均气温13.6 ℃,多年平均降水量647 mm。受地形及气候条件影响,济南市年内降水具有显著季节性,降水集中于6—9月,夏季降水量约占全年降水量的77.34%。降水在空间上分配亦有差异,南部山区年均降水量大于北部平原[21]。

济南市西部、北部的黄河冲积平原为地下水主要排泄区,南部低山丘陵为地下水直接补给区[22],该地区地下含水岩组类型主要划分为松散岩类孔隙水、碳酸盐岩裂隙岩溶水、碎屑岩夹碳酸盐岩岩溶裂隙水、变质岩及岩浆岩裂隙水,各类型含水岩组富水性的空间变异性较强。研究区地下水径流方向总体自南向北,主要排泄方式为向小清河、玉符河等地表河流排泄。小清河是黄河流域山东省中部渤海水系河流,位于黄河以南,源起济南市槐荫区,流向自南向北,主要流经济南泉域中部山区和北部城区,是济南市中心城唯一排水水道[23]。小清河水系以西的玉符河为黄河水系在济南市域中流域面积最大的河流,发源于历城区以南的南部山区,全长70.2 km,流域面积751.3 km2,其中平原区河段长26.2 km,其上游河段与地下水水力联系密切,存在强渗漏带[24],而在下游平原河段则距渗漏带较远。

为有效改善城市交通环境,济南市(图1)对城市轨道交通建设做出二期规划,拟建6个城市轨道交通项目,其中的地铁4号线为贯穿济南市主城区的东西向骨干线,全长约40.2 km,全线采用地下敷设方式。地铁4号线在千佛山断裂以西的典型区段大部分位于黄河冲积平原上,区段内共涉及11个站点,总长约16 km。该区段所在区域地下水类型主要为松散岩类孔隙水,含水层主要由砂土、粉土及粉质黏土组成,平均厚度约20 m,单井涌水量大于100 m3/d,越靠近西侧富水性越强。该区段地下敷设路段穿越含水层6～10 m,且地铁走向与地下水流向夹角较大,存在一定地下水壅高风险。

图1 济南市地图Fig.1 Map of Jinan City

1.2 水文地质概念模型

针对地铁沿线一定范围内的地下水壅高风险,研究主要根据济南市水文地质条件及研究区实际情况,参考济南泉域已有相关研究进行概化[25]。由于研究区内不涉及地表水重点渗漏带,故来自南部山区的地下水侧向径流补给、大气降水补给是主要的地下水补给来源。同时,虽然泉水排泄是济南市岩溶地下水的主要排泄方式之一,但在千佛山断裂以西的研究区范围内岩溶含水层分布有限,故研究区内地表河流为地下水主要排泄途径。因此,在水文地质概念模型中,研究区北部以小清河为河流界,西部以玉符河为河流界,南部以山区山前带为流量边界,东部以千佛山断裂为导水边界,模型的东西最长距离约为17.7 km、南北最长距离约为10.37 km,面积约为100.66 km2。

图2为研究区范围及含水层结构概化示意图,根据地铁沿线相关勘察钻孔资料,将涉及的地下水含水层概化为三层结构,第一层主要由第四系上更新统松散岩类孔隙水含水层组成,为研究涉及的地铁工程构筑物侵入影响的主要层位,含水介质概化为非均质各向同性,地下水流概化为三维非稳定流;第二层主要由相对弱透水的越流层与南部岩溶含水层组成,其中越流层分布于第一层第四系松散岩类孔隙水层底板以下,岩溶含水层则主要分布于研究区东南端至玉符河一带,以使模型中玉符河一带孔隙水与岩溶水之间具有密切水力联系,符合研究区实际水文地质特征;第三层为岩溶含水层,地下水流概化为三维非稳定流。

图2 研究区范围及含水层结构概化示意图Fig.2 Schematic diagram of the study area scope and the conceptualization of aquifer structure

就边界条件而言,研究区北侧的小清河为地下水排泄边界,由于第四系松散岩类孔隙水含水层以下存在越流层,故在本研究中概化为三类边界,根据水文资料赋值为动态水头标高;研究区西侧玉符河河段孔隙水与岩溶水含水层水力联系密切,在概念模型中概化为一类边界;山前带是济南市南部丘陵山区地下水向中部山前平原补给的重要纽带,将南部山前带概化为第二类流量边界,边界水流通量赋值范围为0.004～0.02 m/d;地铁4号线穿越千佛山断裂,断裂面倾向南西,倾角 60°～80°,在第四系含水层中可视为导水边界,故概化为二类流量边界。

根据济南市水文地质资料,研究区地下水水位埋深大部分超过5 m,蒸发作用微弱。大气降水入渗补给为研究区内重要的地下水补给来源,将其概化为模型中的主要源汇项,图3为研究区大气降水入渗概化,根据研究区内土地利用类型进行降水入渗系数的参数分区,分别划分为城市建设用地、城建空地、农田、山地及城市绿地,降水入渗系数取值分别为0.05、0.10、0.09、0.20、0.18。

图3 模型降水入渗分区Fig.3 Precipitation infiltration zoning of the model

1.3 数学模型

不考虑水的密度变化,根据前述对水文地质条件的概化,建立含水层三维非稳定流数学模型为

(1)

式(1)中:Kxx、Kyy、Kzz分别为渗透系数在x、y、z方向上的分量,m/d;H为含水层水位标高,m;B为潜水含水层底板高程,m;W为源汇项;D为研究区范围;t为时间;μ为潜水含水层给水度;Γ1为第一类Dirichlet边界;Γ2为第二类Neumann边界;q为边界流量,m/d;Γ3为第三类边界条件;q′为边界侧向流入/流出量,m/d;n为边界面法线方向;H0(x,y,z)为初始地下水位,m。

1.4 包含地铁工程构筑物的数值模型

采用FEFLOW数值模拟软件进行数值模型的构建,该软件可实现完全三维的饱和-非饱和数值模拟[26]。基于对研究区水文地质条件的概化,根据收集到的141孔钻孔数据构建三维地质体结构。首先,模型重点针对轨道交通4号线沿线单元格进行加密剖分,以优化模型对地铁工程结构的刻画流程与精度,经加密剖分后,轨道交通4号线沿线区域内水平网格剖分精度最高可达边长约15 m,每层共有11 305个单元格、5 742个结点。

为将线状的地铁工程构筑物形态刻画进入模型,首先在水平网格剖分基础上构建未包含地铁工程构筑物的三维含水层结构基础模型,而后另建立一工程文件,并基于同一水平网格剖分结果导入地铁沿线构筑物的顶底板高程-坐标数据,通过反距离加权插值法将地铁工程由线状构型插值扩展为面状层构型,由此得到地铁工程层位的三维基础模型;对比两基础模型的相对位置关系,将地铁工程层位高程数据插入含水层结构的对应坐标位置处,得到包含地铁工程层位的地下水流场模型高程赋值数据并建立三维模型,此时,由于含水层结构基础模型、地铁工程层位模型处于同一水平网格剖分下,故可实现相同网格结点下的数据快速对应。此后,选定地铁工程单元格,将渗透系数、给水度、孔隙度等含水层介质参数均分别设置为极小以代表不透水的地铁工程构筑物(图4),即实现基于传统网格剖分方法构建包含地铁工程构筑物的数值模型。

作为模型主要源汇项,大气降水入渗补给是设置极端降雨情景的关键要素。为避免因单一水文年降水情况特殊性带来的误差,基于收集到的符合研究区范围且有连续完整降水资料的东红庙、燕子山、刘家庄等雨量站的逐日降水量平均数据在模型中进行降水入渗补给的赋值输入,在降水参数分区基础上,通过实测降水量乘以各分区入渗系数,计算得到各分区降水入渗补给输入值,在模型内进行降水入渗补给输入。图5为根据实测资料获取的正常降雨条件下模型各应力期输入降水量。

1.5 模型识别与校正

模型以2020年济南地铁4号线建设区域4个井(#9、#10、#11及#13)的地下水位监测资料为基准,将各层为渗透系数、给水度等划分为若干参数分区,确定各分区参数浮动范围,通过预估-校正法、试错法调整相关水文地质参数,进行参数的拟合校正。模型以7 d为应力期,分为52个应力期。

4个观测井在验证时段内降深小于5 m,当至少70%应力期满足模拟与实际水位的绝对误差小于0.5 m时即认为符合精度要求。图6为各观测井的模拟水位-观测水位对比,经统计,4个观测井中符合模拟精度要求的应力期数量占应力期数量的比例分别为82%、84%、94%、90%,模型整体拟合度为87.5%,即多数模拟水位与观测水位吻合,可有效反映补给、排泄条件下的地下水运动规律及动态变化特征,可作为研究区段沿线地下水壅高问题的分析依据。模型各层参数分区和#9 ～ #13位置、各层水文地质参数分别图7、表1所示。

表1 水文地质参数分区

K1～K4为参数分区编号

2 结果与讨论

2.1 地下水流场-地铁工程交互关系

基于参数识别校正后的模型预测济南地铁4号线典型区段对研究区地下水流场的影响,图8为模拟期初始时刻的研究区地下水流场。从模拟结果(图8)可以看出,研究区地下水整体上由南部山区流向北部小清河、玉符河等排泄边界,研究区内初始地下水头最高点位于研究区东南端千佛山附近,最低点位于小清河沿岸平原区。研究区东南部山区松散岩类孔隙水含水层厚度相对较小,北部、西部则主要为平原区,含水层分布相对较厚。

图8 模拟地下水初始流场Fig.8 Simulated initial groundwater flow field

地铁4号线不同区段与地下水流场的交互关系存在差异。研究区东部的省体育中心站至市立五院站区段地铁走向与地下水流向呈锐角(约40°),含水层厚度相对较小,地铁工程侵入含水层比例相对较大。由该区段往西,地铁走向与地下水流向夹角增大约为45°,阻水面积有所增大,该区段属于山地向平原的过渡地带,地铁工程侵入含水层比例减小。在大杨站-腊山站一带,地铁走向与地下水流向夹角明显增大,地铁走向与地下水流向夹角接近70°,地铁工程对地下水径流的阻碍作用逐渐增强,但同时含水层厚度进一步增大。地铁4号线典型区段中的大杨站-青岛路站约3.6 km为南北向区段,与地下水流向夹角较小。此外,青岛路站-小高庄站相距约1.4 km,该区段接近小清河边界,地铁走向与地下水流向呈垂直相交,阻水面积最大。总体上,研究区内含水层厚度自东南部山区向西部平原区增大,而后在腊山站以西有所减小;地铁4号线典型区段,除南北走向的一段外,其余区段地铁与地下水流向相交角度自东向西逐渐增大。

2.2 由地铁工程引发的地下水壅高规律

以地铁4号线典型区段沿线各车站为观测点,选取模拟结束时的地下水水头稳定值,对比未设置地铁4号线的地下水流模型中对应观测点的模拟结果,计算得到各站点地下水壅高值如表2所示。

表2 地铁沿线地下水位壅高结果

由表2可知,地铁4号线典型区段沿线各站点附近地下水壅高值范围为12.942～24.839 cm,壅高大致规律可概括为:大杨站-省体育中心站这一东西向区段内,地下水壅高值由西向东逐渐减小,中间略有起伏,但整体规律保持一致;青岛路站-大杨站这一南北向区段内,地下水壅高值由北向南逐渐增大。研究区段沿线的中、西部区域较其东部区域的地下水壅高幅度整体更大,例如,小高庄站-段店站区段内地下水壅高值相比其东侧的其余区段平均高出38.6%。图9为地铁建成前后研究区地下水流场对比,可以看出,不论地铁存在与否,研究区地下水均由南部山区向北部平原区流动,地下水流整体上为东南-西北流向,表明济南地铁4号线研究区段未对研究区地下水流场的整体流向产生明显扰动。

图9 地铁工程影响前后地下水流场对比图Fig.9 Groundwater flow field before and after the impact of the metro project

结合研究区水文地质条件、地铁工程情况及地下水壅高模拟结果分析,影响地铁沿线地下水壅高大小的主要因素包括:地下水流向与地铁走向之间的夹角、含水层厚度。其中,地下水流向与地铁走向之间的夹角为主导因素,对地下水位壅高大小的影响程度最为明显:纬十二路站-市立五院站区段的地铁-地下水流向夹角相比其东侧的省体育中心站-纬十二路站区段增大约5°,阻挡地下水流的断面面积随之增大,在水文地质参数一致的情况下,即使其占含水层厚度的比例相比省体育中心站-纬十二路站区段更小,该区段内的地下水壅高值仍比省体育中心站-纬十二路站区段平均更大。同样地,地下水由南部山区向北流动过程中,虽然大杨站-段店站区段的含水层厚度较大,地铁在其中所占厚度比例相对较小,但由于该区段内地铁-地下水流向夹角相比东侧省体育中心站-市立五院站区段更大,故引起的地下水壅高值相比东侧区段平均更大。此外,由大杨站往北,南北向地铁走向对地下水径流阻挡作用减弱,但由于小高庄站-青岛路站区段的地铁走向与地下水流向呈完全垂直状态,对地下水径流的阻挡效应更为凸显,且该区段接近北侧小清河边界,地下水水力梯度相对更大,故使得该区段迎水面南侧至济南西站附近仍维持了一定地下水壅高值。

地下水壅高幅度还受含水层厚度影响:腊山站、段店站区域含水层厚度相比其西侧大杨站区域更大,根据文献[8]可知,厚度较大的含水层地下水壅高幅度相比厚度较小含水层的壅高幅度更小,这是由于厚度较大的含水层中,地铁工程侵入所占含水层厚度的比例更小,因此在地铁-地下水流向夹角近似、水文地质参数一致的条件下,腊山站、段店站区域的地下水壅高值相比大杨站更小。以上表明,地铁-地下水流向夹角、含水层厚度均是决定地铁工程引发的地下水壅高幅度的关键因素,但地铁-地下水流向夹角对地下水壅高的影响更为关键。

2.3 极端降雨情景下的地下水壅高

极端降雨情景除对市区道路、地铁隧道等交通工程产生危害外[27],还将造成地下水补给排泄不平衡,进而不同程度地影响原有的地下水流场状态[28]。为弥补地下水壅高研究领域缺乏关注极端降雨事件影响这一不足,根据济南市雨洪资料设计极端降雨事件:济南市2007年“7·18”暴雨(重现期为百年一遇)市区平均降雨量为146 mm。

据此,在已构建的正常情景模型基础上将模型中8月份第35、36个应力期的降雨强度增大50%(约150 mm),模拟计算当极端降雨入渗引发地下水补给量增大时轨道交通4号线研究区段沿线的地下水头值,对比极端降雨情景模型在未建成地铁时的模拟结果,进而计算此情景下的地下水壅高值。为保证模拟结果冗余度,故在本次极端降雨情景中设置了较长的强降水时间。图10为正常与极端降雨条件下输入降水量对比,红框指示区域代表降水量增大的第35、36应力期。除降水量变化外,其余条件均保持一致。

红框指示区域代表降水量增大的第35、36应力期

基于极端降雨情景下的数值模型计算得到各站点区域地下水壅高值,表3、图11分别为各观测点地下水壅高值及其与正常降雨条件下壅高值的对比。在地铁4号线典型区段沿线地下水壅高值范围为18.364～34.033 cm,相比前述正常条件下的地下水壅高值增大2.351～9.194 cm。沿线各站点中,地下水壅高幅度最大仍为大杨站附近34.033 cm,最小仍为八一立交桥站附近18.364 cm。相比正常降雨情景,地铁沿线地下水壅高值变化最大为大杨站处,增大9.194 cm;变化最小为小高庄站处,增大2.351 cm。

表3 极端降雨情景地下水壅高值及增量结果表

图11 不同降雨情景下的地下水壅高值对比Fig.11 Comparison of groundwater rising value for different rainfall scenarios

整体上,极端降雨情景下,轨道交通4号线沿线的地下水壅高规律整体上仍与正常降雨情景保持一致,即东西向区段内壅高值由东向西逐渐增大,南北向区段内壅高值由南向北逐渐减小,但地铁沿线各站点之间的差异有所增加且各不相同。由图11可知,在极端降雨情景下地下水壅高值相比正常降雨条件的增量呈现出“南高北低”分布规律:相比位于研究区北部的小高庄站、青岛路站、济南西站区域,研究区南部的大杨站-经七路西站区段地下水壅高值升高更明显,其增量相比小高庄站-济南西站区段增大约55.7%。这一规律出现的主要原因在于:相比小高庄站、青岛路站、济南西站区域,大杨站-经七路西站区段更靠近南部山区,降雨入渗系数较大的南部山区在极端降雨条件下获得的地下水入渗补给量更大,且大杨站-经七路西站区段为东西走向,对地下水径流阻挡作用较强,导致该区段对极端降雨较为敏感,地下水壅高值增量明显大于研究区北部,而小高庄站及青岛路站区域由于远离南部山区补给边界,故壅水值增幅较小。针对大杨站-省体育中心站区段而言,由于大杨站-经七路西站区段内的地铁-地下水流向夹角相比其东侧更大,且东侧纬十二路站-省体育中心站区域地铁构筑物并未完全处于地下水位以下,向构筑物底部绕流的比例极有可能更大,故地铁沿线地下水壅高值增幅最大区域集中于大杨站-经七路西站一带,研究区段最东侧3个站点区域地下水壅高增量(平均5.615 cm)相较其西侧路段更小,但仍大于研究区北部的小高庄站、青岛路站区域。

3 结论

(1)济南地铁4号线典型区段与该区域地下水流场交互特征明显且具有典型规律性,研究区内含水层厚度自东南部山区向西部平原区增大,在腊山站以西有所减小。轨道交通4号线研究区段除南北走向的一段外,其余区段地铁与地下水流向相交角度自东向西逐渐增大。

(2)通过优化建模流程实现包含地铁工程构筑物的三维地下水流数值模型构建。模拟预测结果表明,轨道交通4号线典型区段沿线地下水壅高值范围为12.942～24.839 cm,沿线地下水壅高的大致规律为东西向区段内地下水壅高值由西向东逐渐减小,南北向区段内地下水壅高值由北向南逐渐增大。地铁走向与地下水流向的夹角、含水层厚度均是决定地铁工程引发的地下水壅高幅度的关键因素,但地铁-地下水流向夹角对地下水壅高的影响更为关键,为主控因素。

(3)将模型第35、36个应力期的降雨强度增大50%以模拟极端降雨事件对地铁沿线地下水壅高的影响。模拟结果表明,极端降雨情景下研究区地下水流场并未发生显著变化,整体地下水流向仍保持一致,仅在地铁4号线沿线迎水面一定范围内造成地下水流场出现变化。沿线各站点附近地下水壅高值相比前述正常条件下的地下水壅高值增大2.351～9.194 cm,且越接近研究南侧山区地下水补给带,极端降雨事件影响越大。整体上可认为短期极端降雨事件对地下水壅高并无较大影响。