浅析济南轨道交通R1线车站基坑降水回灌适宜性

作者：郑晓敏           

1工程概况

  济南位于鲁中山地的北侧，北临黄河，南靠泰山，地势南高北低，地表起伏大，地层岩性差异性明显，下伏灰岩地层岩溶裂隙发育，且分布不均。该区地表水系发达，水文地质条件多样，群泉齐涌。

  济南轨道交通R1线位于济南市西部新城区，由南到北串联园博园、大学城、济南西客站等重要片区节点，R1线全长26. 04km，其中地下段约9. 00km，设置车站11座，其中4座地下车站，分别是：王府庄站、大杨庄站、济南西站、演马庄西站。

  通过调阅地质勘查资料，济南轨道交通R1线地下车站基坑范围内的卵石层、砂土层较厚，富含地下水，且部分区域无稳定的隔水层。在这种情况下，如采用直接降水的方案，降水量较大。大量的基坑降水不但浪费宝贵的水资源，随着周边地下水位的下降还会威胁到重要建（构）筑物运营安全。针对泉城济南，如果按照传统施工方法将抽取的地下水直接通过市政管网排出，长此以往甚至会损伤泉脉。因此如何在不产生明显沉降漏斗情况下优化基坑降水方案，如何处理好降水和保泉的矛盾关系等问题，成为济南轨道交通地下工程建设部分亟待解决的工程技术重点与难题。

  本文以济南轨道交通R1线地下车站建设为背景，以节约水资源、保护泉系和控制基坑降水对周边区域的影响为目的，分析基坑抽取的地下水原位回灌到地下的可行性及适宜性。

2  回灌方式归纳总结与分析

  依据回灌的位置及施作条件，地下水回灌可归纳为地表入渗和井点注入两大类。地表入渗主要适用于透水性较好的地层，饱气带厚度一般不宜过大，一般< 10m。针对基坑降水回灌，地表入渗  就是在距离基坑一定距离的四周形成渗沟和渗渠，将回灌水从上到下自然渗透补给入土层。地表入渗法施工相对简单、费用也较低，多用于开挖深度相对较浅的基坑项目；其缺点主要是占地面积较大、单位面积的入渗效率低。

  井点注入法即通过在基坑的外侧布设一定数量的回灌井，将水注入地下较深含水层的方法，目前基坑工程中，多采用同层回灌的方式。井点注入法占地相对较少，也不易受地形条件的限制（如地面厚层弱透水层分布和地下水位埋深等条件）；其缺点是工程投资和运转的管理费用较高，管理相对复杂，此外由于井点注入法水量过于集中，容易发生井堵。回灌井的堵塞，按其性质可分为物理堵塞、化学堵塞和生物化学堵塞3大类，具体可归纳为以下几种情况。

  1)回灌装置密封不严时，大量空气随水流入，使得回灌水中含有气体，灌人后会占据含水层土颗粒之间的孔隙，进而形成堵塞。

  2)回灌过程中含有杂质，有机与无机等悬浮物聚积在回灌井的筛网和含水层的孔隙中，减小了过水断面，降低了含水层的输水能力，造成物理堵塞。

  3)长时间回灌，井中滋生大量微生物（如还原性细菌、还原性磷酸盐菌）进而产生淤泥或者其他产物堵塞井壁与含水层，降低了含水层的输水能力。

  4)回灌水与含水层介质之间发生微化学反应，引起水中的溶解性物质发生沉淀、絮凝等堵塞筛网或含水层的孔隙，降低含水层的输水能力。

  5)水中的离子反应使得砂及卵石含水层中的黏土颗粒溶解分散，胶体状颗粒膨胀，在井的钻孔附近形成隔水屏障。

  6)反复的灌水和回扬抽水，形成类似振捣作用，导致土层中颗粒的排列逐渐密实，因而降低了含水层的渗透性。

  井点注入法将补给水直接注入含水层，因此对回灌水的水质要求较高，如采用异层回灌的方式，一般需要专门的水处理设备和输配水系统。根据注水方式的差别，井点注入法可分为以下3种 形式：

  1)自由灌注  利用井内水位高于地下水位之间的压力差，使水通过井壁进入含水层。该方法适用于埋藏较深的潜水含水层或上部具有较厚的弱（不）透水层的深层承压含水层（压力水头不高）。

  2)真空回灌  真空回灌就是在管路密封装置下，利用真空虹吸原理产生水头差进行回灌。它适用于地下水位埋藏较深（静水位埋深在10m以内），含水层渗透性能良好的地区。真空灌注法对回灌

  井结构要求较弱，适用于滤网结构耐压耐冲强度较差、回灌量要求不大的深井。

  3)加压回灌利用机械动力设备（如离心式水 泵）进行加压，促使水流较快补给地下水。适用于地下水位埋藏较深、透水性较差的含水层或上部有较厚隔水层的承压水层。加压灌注法对回灌井结构要求较高，适用于滤网结构耐压耐冲强度强、回灌量要求较大的深井。

3  R1线地下车站水文地质条件

  由于济南西站车站主体结构已施作完毕，这里仅列出王府庄站、大杨庄站和演马庄西站的工程地质条件与水文地质条件。

3.1  王府庄站（见图1）

  1)潜水  水位埋深3. 00~11. 70m，水位标高27. 990~9.570m，含水层主要为⑧粉质黏土层。主要接受降水补给和山区地下水径流补给，以侧向径流、人工开采方式排泄。受年变幅的影响，在丰水期及枯水期地下水位有所变化。

  2)承压水静止水头埋深12. 20~13. 58m，静止水头标高27. 850~28. 760m，含水层主要为卵石⑧1层、⑩1层、层。主要接受大气降水入渗补给及第四系松散岩类孔隙水渗透补给，排泄以人工开采为主。依据抽水试验成果，渗透系数K=250. 0m/d。

3.2  大杨庄站（见图2）

  1)潜水  水位埋深5. 50~8.50m，水位标高19. 690~ 22. 600m，含水层主要为粉土⑦3层。主要接受降水补给和山区地下水径流补给，以侧向径流、人工开方式排泄。受年变幅的影响，在丰水期及枯水期地下水位有所变化。

  2)承压水稳定水头埋深7.50~9.20m，稳定水头标高18. 520~ 20. 540m，含水层主要为卵石⑧1层、细砂⑧2层。主要接受大气降水入渗补给及第四系松散岩类孔隙水渗透补给，排泄以人工开采为主。依据抽水试验成果，渗透系数K= 127. 1m/d。

4评价回灌适宜性的指标

  由于工程地质条件与场地周边环境的复杂性，并非所有的基坑工程均适合回灌。影响基坑降水回灌的条件可大致分为3类：回灌场地水文地质条件、回灌水水质、回灌方案的经济和社会性因素。

4.1  回灌场地水文地质条件

  影响回灌场地水文地质条件的因素主要有：地下水的承压性、含水层的渗透系数、含水层厚度、含水土层的压缩模量。

  1)地下水按承压性可分为潜水和承压水。水在埋藏条件上的不同决定了其在接受补给时的区别。前者表现为含水层孔隙的填充，后者则表现为含水层体积的膨胀，因而在同等条件下，潜水较承压水更易于回灌。

  2)含水层的渗透系数直接影响回灌效果，当其他参数相同的情况下，渗透系数越大回灌的水量越多，即含水层渗透系数大，灌抽比大，地下水容易回灌。所以国内的地下水源回灌一般选择在地下含水层位于砾石和中粗砂等渗透系数较大的地层。

  3)含水层厚度从根本上决定了储水的空间，对渗透系数较大的含水层，若厚度很小，其储水能力有限。从泰斯公式也可以看出，其他条件相同的情况下，含水层厚度越大，其可回灌量也相对越高，然而对于基坑工程，如果含水层厚度过大，则降水量会很高，进而会影响整个降水回灌系统的效率，一般而言含水层的厚度在基坑底板下不超过5m为宜。

4)岩土的压缩模量是一个极其重要的地质参数，压缩模量的不同直接影响着地下水位变动造成的地层沉降。目前沉降计算多采用分层总和法，同样由降水产生有效应力的增加，对于压缩模量大的土层固结沉降量相对较小，以济南地区的土层性质为例，砂卵石层的压缩模量是软弱黏性土（如粉质黏土、黄土等）的5～6倍。因此，降水引起的土层沉降主要是黏性土部分。

4.2  回灌水的水质

  关于基坑工程回灌水的水质目前尚没有专项标准，涉及水质的评价目前多是参考再生水水质的评价。针对再生水，截至目前，我国已颁布了1个行业标准、1个污水再生利用工程设计规范、6个推荐性国家标准和1个强制性国家水质标准。

  目前国内外通常是在安全卫生、感官美感、环境耐受和技术经济可行的基础上，根据再生水的利用途径设定对应的水质标准和适宜的处理工艺。但对于基坑工程的降水回灌，由于施工降水与再生水的水质特点有很多不同，直接采用再生水的水质标准尚存在一些争议，因此关于施工降水回灌到地下含水层的水质标准和具体要求尚需进一步研究。

  由于技术和经济因素的限制，在人工回灌的过程中，不能对地下水中的每一种污染物都制定标准，而只能选择性地从中确定一些重点的污染物予以控制。由于基坑降水是在原地从地下抽出，水质相对再生水要好，另外地层本身对回灌水也有一定的天然净化能力，因此对基坑降水人工回灌的水质控制指标可适当减少。根据施工降水的水质特点及现有的地下水人工回灌相关水质标准，基坑降水用于地下回灌水质控制指标应主要为浊度、酸碱度（pH值）、微生物指标（如BOD）、重金属含量等。一般而言，同层回灌时由于抽出的地下水直接作为回灌水源灌入，在密闭的环境中水质变化一般不大，异层回灌时（一般为上层抽水回灌至下层含水层），因土层的过滤作用，上层水质一般要差于下层水质，抽出的水须经过水处理装置处理后达到污染物的控制标准后再回灌至下层。

4.3  回灌方案的经济和社会性因素

  回灌的经济及社会性因素主要考虑的是实施回灌的费用及其社会性价值。

  决定回灌费用指标的主要是拟回灌人的含水层埋深，含水层如果太深，会影响整个回灌系统的造价。

  基坑工程地下水回灌根据回灌目的差异可分为基于环境控制和基于水资源保护这两类不同控制要求的地下水回灌。

  基于环境控制的回灌主要目的是减少基坑外受保护建筑物因地下水的变化而引起的沉降。减少对周边环境的影响，其主要分析指标是周边建筑物对不均匀沉降的敏感度（地下水水位）。该类型回灌遵循以下原则：在保证基坑内水位满足基坑安全要求的同时，控制受保护建筑物的地下水水位波动最小，回灌量不足造成的地下水位下降过快，以及回灌量过大造成的地下水位快速上升均不利于基坑周边建筑物的保护。基于水资源控制的回灌主要目的是减少水资源浪费。该类型回灌力争最大量将原外排的地下水回灌至地层中，保持水资源平衡。基于上述讨论，回灌的社会性评价指标可归纳为：对周边建筑物的保护作用、水资源的平衡。

  2)同理可以计算出递阶层次结构模型中其他节点的单层权重向量。若需知道某一因子在一层中所占的权重，仅需从上往下依次相乘就可以得到。

  3)计算各层因子的隶属度，按照从下到上的次序，对于离散的因子通过专家评估法，连续型因子通过隶属函数法从下向上逐层计算各节点的评语隶属向量S。从下到上依次计算风险隶属度向量R= WS，并按照隶属度取大原则确定风险等级。

6  基于模糊层次分析的各站点回灌适宜性讨论

6.1层次分析

  通过上述对影响回灌的因素分析，构建济南轨道交通R1线地下车站回灌适宜性分析层次图如图4所示。

  制约层因素中水文地质指标、经济和社会指标、回灌水质指标的总判断矩阵如表2所示。

  判断矩阵U的最大特征值=3.000 1，计算得到一致性比率CR=9. 62×10-5<0.1，矩阵一致性可以接受。指标层对制约层U i的判断矩阵U1如表3所示。

  判断矩阵U1的最大特征值=4. 011，计算得到一致性比率CR=4. 11×10-3<0.1，矩阵一致性可以接受。同理可以得到判断矩阵U2，U3的最大特征值分别为3.0，3.871;权重向量分别为Wu2(0.111,0.667,0.222),Wu3(0.25,0.25,0.25,0. 25)，并且各矩阵都通过了一致性检验。

6.2模糊评判

  土木工程不同于其他专业学科，工程人员的经验性相当重要，有时当工程信息不完备或缺少规范指导时，即使有经验的专家也很难给出准确的评估，而只能给出一个大概的评判。在这种情况下，就需要用到语言变量，其主要功能是用于提供一种系统化的方法以近似刻画复杂及没有明确定义现象的特征，如：在评价一个方案时，“适宜性”是论域Q，则“很适宜、适宜、不太适宜、不适宜”就是论域Q的一个模糊子集，称为评语等级论域。本文针对济南轨道交通R1线地下车站回灌的各项指标进行评判，建立评语集V=（很适宜、适宜、不太适宜、不适宜）。

  将评语集中“很适宜，适宜，不太适宜，不适宜”分别用分值代替，V=(4，3，2，1)。

  对于济南轨道交通R1线基坑降水回灌的适宜性评价采用专家调查法来获取评价矩阵，例如对水文地质指标U1，依据本文第2部分列出的条件，各站点的专家评分矩阵如表4所示。

  模糊算子取为两矩阵的点积，即采用加权平均模糊综合评判模型。则各站点的水文地质指标的隶属度集为：

同理可算出T2=(3. 178，3.322，3.066)；T3=(3，3，3)T；进而求出总隶属度集：T=(T1，T2，T3)WU=

(2.676 0,3.652 2,2.744 4)T。

  依据隶属度取大的原则得到如下结果，济南轨道交通R1线适宜基坑降水回灌的站点排列顺序如下：大杨庄站、演马庄西站、王府庄站。

  注意到水文地质约束指标T1的隶属度集中，王府庄站的分值最低，进一步分析王府庄站的水文地质情况，发现该站的地层渗透系数巨大，地下水具有一定的流动性，此外该站车站下部的砂卵石层厚度过大，基坑围护结构（初步设计拟采用泥浆护壁灌注桩）的施作效果较难保证，有一定的渗漏水风险，在此情况下如距离围护结构过近，在基坑底板下砂卵石层中采用同层回灌会对围护结构造成一定的不利影响。因此，该站点在不改变传统围护方案的情况下，回灌方案设计需特别予以关注。

7  结语

  1)本文系统归纳了工程中基坑降水回灌的不同方式及适用条件，依据回灌位置及施作条件的不同可分为地表入渗和井点注入。

  2)针对井点注入法，归纳整理了造成回灌井堵塞的常见原因，为今后施工中类似问题的防治提供了依据。

  3)通过咨询多家设计单位及整理以往研究内容，归纳出影响基坑降水回灌的3类因素，并对这3类因素的具体指标做了进一步分析。

  4)通过层次分析，确定了在基坑降水回灌的影响因素中，水文地质指标是最重要的考虑因素，其中含水层的渗透系数、含水层的厚度占有较高的权重，是最为重要的因子。

  5)综合设计单位的技术经验，通过模糊综合评判方法，对济南轨道交通R1线地下车站基坑降水的适宜性进行了分析，得出大杨庄站最适宜选做回灌的结论。

6)通过分析王府庄站水文地质指标得分较低的原因，发现该站砂卵石层厚度过大，透水性极强，且地下水具有一定的流动性，距离围护结构过近采用同层回灌会对围护结构造成一定的影响，这为后续设计及施工方案的制定提供了背景资料。

8[摘要]首先整理归纳了回灌常用的方式及适用条件，然后从回灌场地的水文地质条件、回灌水源水质、回灌方案的经济和社会效益等方面讨论了影响回灌方案选择的具体指标。针对济南轨道交通R1线车站基坑工程，采用模糊层次分析和专家调查法对各站点的回灌适宜性进行了分析，确定了最适宜选做回灌的车站站点。