淺析濟(jì)南軌道交通R1線車站基坑降水回灌適宜性
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作者：鄭曉敏
1工程概況
濟(jì)南位于魯中山地的北側(cè)，北臨黃河，南靠泰山，地勢南高北低，地表起伏大，地層巖性差異性明顯，下伏灰?guī)r地層巖溶裂隙發(fā)育，且分布不均。該區(qū)地表水系發(fā)達(dá)，水文地質(zhì)條件多樣，群泉齊涌。
濟(jì)南軌道交通R1線位于濟(jì)南市西部新城區(qū)，由南到北串聯(lián)園博園、大學(xué)城、濟(jì)南西客站等重要片區(qū)節(jié)點(diǎn)，R1線全長26. 04km，其中地下段約9. 00km，設(shè)置車站11座，其中4座地下車站，分別是：王府莊站、大楊莊站、濟(jì)南西站、演馬莊西站。
通過調(diào)閱地質(zhì)勘查資料，濟(jì)南軌道交通R1線地下車站基坑范圍內(nèi)的卵石層、砂土層較厚，富含地下水，且部分區(qū)域無穩(wěn)定的隔水層。在這種情況下，如采用直接降水的方案，降水量較大。大量的基坑降水不但浪費(fèi)寶貴的水資源，隨著周邊地下水位的下降還會威脅到重要建（構(gòu)）筑物運(yùn)營安全。針對泉城濟(jì)南，如果按照傳統(tǒng)施工方法將抽取的地下水直接通過市政管網(wǎng)排出，長此以往甚至?xí)䲟p傷泉脈。因此如何在不產(chǎn)生明顯沉降漏斗情況下優(yōu)化基坑降水方案，如何處理好降水和保泉的矛盾關(guān)系等問題，成為濟(jì)南軌道交通地下工程建設(shè)部分亟待解決的工程技術(shù)重點(diǎn)與難題。
本文以濟(jì)南軌道交通R1線地下車站建設(shè)為背景，以節(jié)約水資源、保護(hù)泉系和控制基坑降水對周邊區(qū)域的影響為目的，分析基坑抽取的地下水原位回灌到地下的可行性及適宜性。
2 回灌方式歸納總結(jié)與分析
依據(jù)回灌的位置及施作條件，地下水回灌可歸納為地表入滲和井點(diǎn)注入兩大類。地表入滲主要適用于透水性較好的地層，飽氣帶厚度一般不宜過大，一般< 10m。針對基坑降水回灌，地表入滲 就是在距離基坑一定距離的四周形成滲溝和滲渠，將回灌水從上到下自然滲透補(bǔ)給入土層。地表入滲法施工相對簡單、費(fèi)用也較低，多用于開挖深度相對較淺的基坑項(xiàng)目；其缺點(diǎn)主要是占地面積較大、單位面積的入滲效率低。
井點(diǎn)注入法即通過在基坑的外側(cè)布設(shè)一定數(shù)量的回灌井，將水注入地下較深含水層的方法，目前基坑工程中，多采用同層回灌的方式。井點(diǎn)注入法占地相對較少，也不易受地形條件的限制（如地面厚層弱透水層分布和地下水位埋深等條件）；其缺點(diǎn)是工程投資和運(yùn)轉(zhuǎn)的管理費(fèi)用較高，管理相對復(fù)雜，此外由于井點(diǎn)注入法水量過于集中，容易發(fā)生井堵�；毓嗑亩氯�，按其性質(zhì)可分為物理堵塞、化學(xué)堵塞和生物化學(xué)堵塞3大類，具體可歸納為以下幾種情況。
1)回灌裝置密封不嚴(yán)時(shí)，大量空氣隨水流入，使得回灌水中含有氣體，灌人后會占據(jù)含水層土顆粒之間的孔隙，進(jìn)而形成堵塞。
2)回灌過程中含有雜質(zhì)，有機(jī)與無機(jī)等懸浮物聚積在回灌井的篩網(wǎng)和含水層的孔隙中，減小了過水?dāng)嗝�，降低了含水層的輸水能力，造成物理堵塞�?
3)長時(shí)間回灌，井中滋生大量微生物（如還原性細(xì)菌、還原性磷酸鹽菌）進(jìn)而產(chǎn)生淤泥或者其他產(chǎn)物堵塞井壁與含水層，降低了含水層的輸水能力。
4)回灌水與含水層介質(zhì)之間發(fā)生微化學(xué)反應(yīng)，引起水中的溶解性物質(zhì)發(fā)生沉淀、絮凝等堵塞篩網(wǎng)或含水層的孔隙，降低含水層的輸水能力。
5)水中的離子反應(yīng)使得砂及卵石含水層中的黏土顆粒溶解分散，膠體狀顆粒膨脹，在井的鉆孔附近形成隔水屏障。
6)反復(fù)的灌水和回?fù)P抽水，形成類似振搗作用，導(dǎo)致土層中顆粒的排列逐漸密實(shí)，因而降低了含水層的滲透性。
井點(diǎn)注入法將補(bǔ)給水直接注入含水層，因此對回灌水的水質(zhì)要求較高，如采用異層回灌的方式，一般需要專門的水處理設(shè)備和輸配水系統(tǒng)。根據(jù)注水方式的差別，井點(diǎn)注入法可分為以下3種 形式：
1)自由灌注 利用井內(nèi)水位高于地下水位之間的壓力差，使水通過井壁進(jìn)入含水層。該方法適用于埋藏較深的潛水含水層或上部具有較厚的弱（不）透水層的深層承壓含水層（壓力水頭不高）。
2)真空回灌 真空回灌就是在管路密封裝置下，利用真空虹吸原理產(chǎn)生水頭差進(jìn)行回灌。它適用于地下水位埋藏較深（靜水位埋深在10m以內(nèi)），含水層滲透性能良好的地區(qū)。真空灌注法對回灌
井結(jié)構(gòu)要求較弱，適用于濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)耐壓耐沖強(qiáng)度較差、回灌量要求不大的深井。
3)加壓回灌利用機(jī)械動力設(shè)備（如離心式水 泵）進(jìn)行加壓，促使水流較快補(bǔ)給地下水。適用于地下水位埋藏較深、透水性較差的含水層或上部有較厚隔水層的承壓水層。加壓灌注法對回灌井結(jié)構(gòu)要求較高，適用于濾網(wǎng)結(jié)構(gòu)耐壓耐沖強(qiáng)度強(qiáng)、回灌量要求較大的深井。
3 R1線地下車站水文地質(zhì)條件
由于濟(jì)南西站車站主體結(jié)構(gòu)已施作完畢，這里僅列出王府莊站、大楊莊站和演馬莊西站的工程地質(zhì)條件與水文地質(zhì)條件。
3.1 王府莊站（見圖1）
1)潛水 水位埋深3. 00~11. 70m，水位標(biāo)高27. 990~9.570m，含水層主要為⑧粉質(zhì)黏土層。主要接受降水補(bǔ)給和山區(qū)地下水徑流補(bǔ)給，以側(cè)向徑流、人工開采方式排泄。受年變幅的影響，在豐水期及枯水期地下水位有所變化。
2)承壓水靜止水頭埋深12. 20~13. 58m，靜止水頭標(biāo)高27. 850~28. 760m，含水層主要為卵石⑧1層、⑩1層、
層。主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給及第四系松散巖類孔隙水滲透補(bǔ)給，排泄以人工開采為主。依據(jù)抽水試驗(yàn)成果，滲透系數(shù)K=250. 0m/d。
3.2 大楊莊站（見圖2）
1)潛水 水位埋深5. 50~8.50m，水位標(biāo)高19. 690~ 22. 600m，含水層主要為粉土⑦3層。主要接受降水補(bǔ)給和山區(qū)地下水徑流補(bǔ)給，以側(cè)向徑流、人工開方式排泄。受年變幅的影響，在豐水期及枯水期地下水位有所變化。
2)承壓水穩(wěn)定水頭埋深7.50~9.20m，穩(wěn)定水頭標(biāo)高18. 520~ 20. 540m，含水層主要為卵石⑧1層、細(xì)砂⑧2層。主要接受大氣降水入滲補(bǔ)給及第四系松散巖類孔隙水滲透補(bǔ)給，排泄以人工開采為主。依據(jù)抽水試驗(yàn)成果，滲透系數(shù)K= 127. 1m/d。
4評價(jià)回灌適宜性的指標(biāo)
由于工程地質(zhì)條件與場地周邊環(huán)境的復(fù)雜性，并非所有的基坑工程均適合回灌。影響基坑降水回灌的條件可大致分為3類：回灌場地水文地質(zhì)條件、回灌水水質(zhì)、回灌方案的經(jīng)濟(jì)和社會性因素。
4.1 回灌場地水文地質(zhì)條件
影響回灌場地水文地質(zhì)條件的因素主要有：地下水的承壓性、含水層的滲透系數(shù)、含水層厚度、含水土層的壓縮模量。
1)地下水按承壓性可分為潛水和承壓水。水在埋藏條件上的不同決定了其在接受補(bǔ)給時(shí)的區(qū)別。前者表現(xiàn)為含水層孔隙的填充，后者則表現(xiàn)為含水層體積的膨脹，因而在同等條件下，潛水較承壓水更易于回灌。
2)含水層的滲透系數(shù)直接影響回灌效果，當(dāng)其他參數(shù)相同的情況下，滲透系數(shù)越大回灌的水量越多，即含水層滲透系數(shù)大，灌抽比大，地下水容易回灌。所以國內(nèi)的地下水源回灌一般選擇在地下含水層位于礫石和中粗砂等滲透系數(shù)較大的地層。
3)含水層厚度從根本上決定了儲水的空間，對滲透系數(shù)較大的含水層，若厚度很小，其儲水能力有限。從泰斯公式也可以看出，其他條件相同的情況下，含水層厚度越大，其可回灌量也相對越高，然而對于基坑工程，如果含水層厚度過大，則降水量會很高，進(jìn)而會影響整個(gè)降水回灌系統(tǒng)的效率，一般而言含水層的厚度在基坑底板下不超過5m為宜。
4)巖土的壓縮模量是一個(gè)極其重要的地質(zhì)參數(shù)，壓縮模量的不同直接影響著地下水位變動造成的地層沉降。目前沉降計(jì)算多采用分層總和法，同樣由降水產(chǎn)生有效應(yīng)力的增加，對于壓縮模量大的土層固結(jié)沉降量相對較小，以濟(jì)南地區(qū)的土層性質(zhì)為例，砂卵石層的壓縮模量是軟弱黏性土（如粉質(zhì)黏土、黃土等）的5～6倍。因此，降水引起的土層沉降主要是黏性土部分。
4.2 回灌水的水質(zhì)
關(guān)于基坑工程回灌水的水質(zhì)目前尚沒有專項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，涉及水質(zhì)的評價(jià)目前多是參考再生水水質(zhì)的評價(jià)。針對再生水，截至目前，我國已頒布了1個(gè)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、1個(gè)污水再生利用工程設(shè)計(jì)規(guī)范、6個(gè)推薦性國家標(biāo)準(zhǔn)和1個(gè)強(qiáng)制性國家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。
目前國內(nèi)外通常是在安全衛(wèi)生、感官美感、環(huán)境耐受和技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行的基礎(chǔ)上，根據(jù)再生水的利用途徑設(shè)定對應(yīng)的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和適宜的處理工藝。但對于基坑工程的降水回灌，由于施工降水與再生水的水質(zhì)特點(diǎn)有很多不同，直接采用再生水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)尚存在一些爭議，因此關(guān)于施工降水回灌到地下含水層的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)和具體要求尚需進(jìn)一步研究。
由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素的限制，在人工回灌的過程中，不能對地下水中的每一種污染物都制定標(biāo)準(zhǔn)，而只能選擇性地從中確定一些重點(diǎn)的污染物予以控制。由于基坑降水是在原地從地下抽出，水質(zhì)相對再生水要好，另外地層本身對回灌水也有一定的天然凈化能力，因此對基坑降水人工回灌的水質(zhì)控制指標(biāo)可適當(dāng)減少。根據(jù)施工降水的水質(zhì)特點(diǎn)及現(xiàn)有的地下水人工回灌相關(guān)水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，基坑降水用于地下回灌水質(zhì)控制指標(biāo)應(yīng)主要為濁度、酸堿度（pH值）、微生物指標(biāo)（如BOD）、重金屬含量等。一般而言，同層回灌時(shí)由于抽出的地下水直接作為回灌水源灌入，在密閉的環(huán)境中水質(zhì)變化一般不大，異層回灌時(shí)（一般為上層抽水回灌至下層含水層），因土層的過濾作用，上層水質(zhì)一般要差于下層水質(zhì)，抽出的水須經(jīng)過水處理裝置處理后達(dá)到污染物的控制標(biāo)準(zhǔn)后再回灌至下層。
4.3 回灌方案的經(jīng)濟(jì)和社會性因素
回灌的經(jīng)濟(jì)及社會性因素主要考慮的是實(shí)施回灌的費(fèi)用及其社會性價(jià)值。
決定回灌費(fèi)用指標(biāo)的主要是擬回灌人的含水層埋深，含水層如果太深，會影響整個(gè)回灌系統(tǒng)的造價(jià)。
基坑工程地下水回灌根據(jù)回灌目的差異可分為基于環(huán)境控制和基于水資源保護(hù)這兩類不同控制要求的地下水回灌。
基于環(huán)境控制的回灌主要目的是減少基坑外受保護(hù)建筑物因地下水的變化而引起的沉降。減少對周邊環(huán)境的影響，其主要分析指標(biāo)是周邊建筑物對不均勻沉降的敏感度（地下水水位）。該類型回灌遵循以下原則：在保證基坑內(nèi)水位滿足基坑安全要求的同時(shí)，控制受保護(hù)建筑物的地下水水位波動最小，回灌量不足造成的地下水位下降過快，以及回灌量過大造成的地下水位快速上升均不利于基坑周邊建筑物的保護(hù)�；谒Y源控制的回灌主要目的是減少水資源浪費(fèi)。該類型回灌力爭最大量將原外排的地下水回灌至地層中，保持水資源平衡�；谏鲜鲇懻摚毓嗟纳鐣栽u價(jià)指標(biāo)可歸納為：對周邊建筑物的保護(hù)作用、水資源的平衡。
2)同理可以計(jì)算出遞階層次結(jié)構(gòu)模型中其他節(jié)點(diǎn)的單層權(quán)重向量。若需知道某一因子在一層中所占的權(quán)重，僅需從上往下依次相乘就可以得到。
3)計(jì)算各層因子的隸屬度，按照從下到上的次序，對于離散的因子通過專家評估法，連續(xù)型因子通過隸屬函數(shù)法從下向上逐層計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的評語隸屬向量S。從下到上依次計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)隸屬度向量R= WS，并按照隸屬度取大原則確定風(fēng)險(xiǎn)等級。
6 基于模糊層次分析的各站點(diǎn)回灌適宜性討論
6.1層次分析
通過上述對影響回灌的因素分析，構(gòu)建濟(jì)南軌道交通R1線地下車站回灌適宜性分析層次圖如圖4所示。
制約層因素中水文地質(zhì)指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)和社會指標(biāo)、回灌水質(zhì)指標(biāo)的總判斷矩陣如表2所示。
判斷矩陣U的最大特征值
=3.000 1，計(jì)算得到一致性比率CR=9. 62×10-5<0.1，矩陣一致性可以接受。指標(biāo)層對制約層U i的判斷矩陣U1如表3所示。
判斷矩陣U1的最大特征值
=4. 011，計(jì)算得到一致性比率CR=4. 11×10-3<0.1，矩陣一致性可以接受。同理可以得到判斷矩陣U2，U3的最大特征值
分別為3.0，3.871;權(quán)重向量分別為Wu2(0.111,0.667,0.222),Wu3(0.25,0.25,0.25,0. 25)，并且各矩陣都通過了一致性檢驗(yàn)。
6.2模糊評判
土木工程不同于其他專業(yè)學(xué)科，工程人員的經(jīng)驗(yàn)性相當(dāng)重要，有時(shí)當(dāng)工程信息不完備或缺少規(guī)范指導(dǎo)時(shí)，即使有經(jīng)驗(yàn)的專家也很難給出準(zhǔn)確的評估，而只能給出一個(gè)大概的評判。在這種情況下，就需要用到語言變量，其主要功能是用于提供一種系統(tǒng)化的方法以近似刻畫復(fù)雜及沒有明確定義現(xiàn)象的特征，如：在評價(jià)一個(gè)方案時(shí)，“適宜性”是論域Q，則“很適宜、適宜、不太適宜、不適宜”就是論域Q的一個(gè)模糊子集，稱為評語等級論域。本文針對濟(jì)南軌道交通R1線地下車站回灌的各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行評判，建立評語集V=（很適宜、適宜、不太適宜、不適宜）。
將評語集中“很適宜，適宜，不太適宜，不適宜”分別用分值代替，V=(4，3，2，1)。
對于濟(jì)南軌道交通R1線基坑降水回灌的適宜性評價(jià)采用專家調(diào)查法來獲取評價(jià)矩陣，例如對水文地質(zhì)指標(biāo)U1，依據(jù)本文第2部分列出的條件，各站點(diǎn)的專家評分矩陣如表4所示。
模糊算子取為兩矩陣的點(diǎn)積，即采用加權(quán)平均模糊綜合評判模型。則各站點(diǎn)的水文地質(zhì)指標(biāo)的隸屬度集為：
同理可算出T2=(3. 178，3.322，3.066)；T3=(3，3，3)T；進(jìn)而求出總隸屬度集：T=(T1，T2，T3)WU=
(2.676 0,3.652 2,2.744 4)T。
依據(jù)隸屬度取大的原則得到如下結(jié)果，濟(jì)南軌道交通R1線適宜基坑降水回灌的站點(diǎn)排列順序如下：大楊莊站、演馬莊西站、王府莊站。
注意到水文地質(zhì)約束指標(biāo)T1的隸屬度集中，王府莊站的分值最低，進(jìn)一步分析王府莊站的水文地質(zhì)情況，發(fā)現(xiàn)該站的地層滲透系數(shù)巨大，地下水具有一定的流動性，此外該站車站下部的砂卵石層厚度過大，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)（初步設(shè)計(jì)擬采用泥漿護(hù)壁灌注樁）的施作效果較難保證，有一定的滲漏水風(fēng)險(xiǎn)，在此情況下如距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)過近，在基坑底板下砂卵石層中采用同層回灌會對圍護(hù)結(jié)構(gòu)造成一定的不利影響。因此，該站點(diǎn)在不改變傳統(tǒng)圍護(hù)方案的情況下，回灌方案設(shè)計(jì)需特別予以關(guān)注。
7 結(jié)語
1)本文系統(tǒng)歸納了工程中基坑降水回灌的不同方式及適用條件，依據(jù)回灌位置及施作條件的不同可分為地表入滲和井點(diǎn)注入。
2)針對井點(diǎn)注入法，歸納整理了造成回灌井堵塞的常見原因，為今后施工中類似問題的防治提供了依據(jù)。
3)通過咨詢多家設(shè)計(jì)單位及整理以往研究內(nèi)容，歸納出影響基坑降水回灌的3類因素，并對這3類因素的具體指標(biāo)做了進(jìn)一步分析。
4)通過層次分析，確定了在基坑降水回灌的影響因素中，水文地質(zhì)指標(biāo)是最重要的考慮因素，其中含水層的滲透系數(shù)、含水層的厚度占有較高的權(quán)重，是最為重要的因子。
5)綜合設(shè)計(jì)單位的技術(shù)經(jīng)驗(yàn)，通過模糊綜合評判方法，對濟(jì)南軌道交通R1線地下車站基坑降水的適宜性進(jìn)行了分析，得出大楊莊站最適宜選做回灌的結(jié)論。
6)通過分析王府莊站水文地質(zhì)指標(biāo)得分較低的原因，發(fā)現(xiàn)該站砂卵石層厚度過大，透水性極強(qiáng)，且地下水具有一定的流動性，距離圍護(hù)結(jié)構(gòu)過近采用同層回灌會對圍護(hù)結(jié)構(gòu)造成一定的影響，這為后續(xù)設(shè)計(jì)及施工方案的制定提供了背景資料。
8[摘要]首先整理歸納了回灌常用的方式及適用條件，然后從回灌場地的水文地質(zhì)條件、回灌水源水質(zhì)、回灌方案的經(jīng)濟(jì)和社會效益等方面討論了影響回灌方案選擇的具體指標(biāo)。針對濟(jì)南軌道交通R1線車站基坑工程，采用模糊層次分析和專家調(diào)查法對各站點(diǎn)的回灌適宜性進(jìn)行了分析，確定了最適宜選做回灌的車站站點(diǎn)。
