地鐵建設(shè)對(duì)白沙古井的影響分析

彭柏興

(長(zhǎng)沙市勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，長(zhǎng)沙 410007)

0 引言

城市地鐵主要以地下線為主，對(duì)城市地下水環(huán)境的影響主要表現(xiàn)為:阻滯地下水的排泄、引起地下水位升降、誘發(fā)地表水體與地下水貫通，加重地下水的污染［1］;當(dāng)隧道穿越城市古河道且與主要導(dǎo)水層重合時(shí)，導(dǎo)致區(qū)域地下水環(huán)境發(fā)生改變［2］;地下結(jié)構(gòu)影響過(guò)水?dāng)嗝?，地下水位局部壅高，?duì)一些中、低層建筑物的安全和防水性能相對(duì)較差的地下室或地下停車場(chǎng)的正常使用造成一定影響［3］。

白沙井自古為“長(zhǎng)沙第一泉”，對(duì)歷史文化名城長(zhǎng)沙有著特殊意義。長(zhǎng)沙地鐵1號(hào)線從白沙古井附近通過(guò)(見(jiàn)圖1)，盡管有專家認(rèn)為線路對(duì)白沙井基本沒(méi)有影響［4］，但廣大市民對(duì)當(dāng)年“白沙井?dāng)嗔鳌庇洃洩q深，針對(duì)地鐵工程對(duì)白沙古井的潛在影響反響很大［5-6］。文章在分析區(qū)域地質(zhì)、水文地質(zhì)資料基礎(chǔ)上，厘定了白沙井含水層的分布范圍和補(bǔ)給水源，分析了水量變化原因，對(duì)地鐵1號(hào)線工程對(duì)白沙井的影響進(jìn)行了探討，提出了相應(yīng)措施。

1 關(guān)于白沙井保護(hù)的論爭(zhēng)及觀點(diǎn)

1.1 建房之爭(zhēng)

1999年，某單位擬在白沙井后白沙嶺修建宿舍。市政府聽(tīng)取了地質(zhì)專家和廣大市民的意見(jiàn)及媒體呼吁［5］，宿舍停建。

1.2 斷流之害

2001年，賀龍?bào)w育館重建。人工挖孔樁穿透白沙井含水層，施工排水導(dǎo)致白沙井?dāng)嗔?。后采用回灌手段恢?fù)地下水位。

1.3 2種觀點(diǎn)

文獻(xiàn)［4］認(rèn)為:白沙井附近的區(qū)間線路主要從含水層下的黏土和基巖中穿過(guò)，對(duì)白沙井基本沒(méi)有影響。地鐵1號(hào)線由芙蓉路改至黃興中路轉(zhuǎn)勞動(dòng)路，恰恰體現(xiàn)了尊重“保護(hù)白沙井”的民意。

圖1 地鐵1號(hào)線與白沙井關(guān)系圖Fig.1 Relationship between Metro line 1 and Baisha well

文獻(xiàn)［6］認(rèn)為:地鐵1號(hào)線工程將古湘江主河槽的白沙井組含水層一分為二，導(dǎo)致水源層變窄，將出現(xiàn)無(wú)水可供局面。白沙井組含水層之下的地鐵如同開了一條排水溝，最終可能導(dǎo)致“失去白沙井”，呼吁1號(hào)線局部改道。

2 白沙井的水文地質(zhì)條件

2.1 區(qū)域地質(zhì)特征與氣象、水文

長(zhǎng)沙地貌分為剝蝕構(gòu)造丘陵與河流堆積階地兩類:北、西、南三面環(huán)山，中、東部為湘江、瀏陽(yáng)河階地，階地自南往北由老至新遞降。

長(zhǎng)沙屬亞熱帶濕潤(rùn)季風(fēng)氣候區(qū)，多年平均降雨量1 394.6 mm，每年4—8月的降雨量約占全年80%。區(qū)內(nèi)主要河流為湘江、瀏陽(yáng)河、撈刀河及靳江河，湘江由南而北縱貫城區(qū)，多年平均水位29.48 m，最大變幅達(dá)13.83 m，對(duì)市區(qū)地下水影響最大。

地鐵沿線第四系地層具典型河流相二元結(jié)構(gòu)，由粉質(zhì)黏土和砂礫石組成，基底為白堊紀(jì)、泥盆紀(jì)及震旦紀(jì)巖層。地下水以砂礫層中的孔隙水為主，局部分布巖溶水，基巖裂隙水不甚發(fā)育?？紫端哂新癫販\、變幅小、季節(jié)性變化明顯等特征，補(bǔ)、排、徑流特點(diǎn)如下:

1)補(bǔ)給。補(bǔ)給源為大氣降水、地表水入滲和地下徑流。水平方向上由南往北、高階地向低階地;垂直向上，下伏土層接受上覆土層的滲透補(bǔ)給;

2)徑流。高階地的地下水向低階地徑流，低階地的地下水向河谷徑流，徑流大致與河流方向垂直;

3)排泄。主要為泉、蒸發(fā)和人工開采。

2.2 地層結(jié)構(gòu)

白沙井出露于湘江東岸Ⅲ級(jí)階地中，從上而下分為4層:

1)粉質(zhì)黏土。棕紅、褐黃色，網(wǎng)紋結(jié)構(gòu)，硬塑-堅(jiān)硬狀，滲透系數(shù)為0.24 m/d，厚度為4.0～9.5 m。

2)中粗砂。褐黃色，石英質(zhì)，濕-飽和，松散-稍密，含黏土15% ～30%，透鏡狀分布，滲透系數(shù)5.0m/d，層厚為0.5～2.8 m。

3)卵石?；尹S、淺黃，中密-密實(shí)狀，飽和。卵石含量50% ～70%，粒徑2～5 cm、大者20～30 cm，次圓-圓狀，中粗砂充填。滲透系數(shù)為20.0 m/d，層厚為5.6 m左右，最小3.0 m(見(jiàn)圖2)。卵石層頂板標(biāo)高最高58.10 m，最低54.22m，平均標(biāo)高55m，為白沙井之含水層。

4)基巖。白堊紀(jì)泥質(zhì)砂巖，膠結(jié)緊密，為隔水層?；鶐r頂板標(biāo)高總體上由東向西傾斜，與地下水徑流方向一致。

圖2 砂卵石層厚度等值線圖［4］Fig.2 Contour map of thickness of gravel strata

2.3 白沙井的成因

白沙井位于南北向展布的槽谷東側(cè)砂卵石層被切割的斜坡地帶，西側(cè)地形較高，標(biāo)高60.0～63.0 m;東為高達(dá)14 m的陡坎，坡底高程49.36～51.36 m。孔隙水在內(nèi)迭階地上由高階地流向低階地過(guò)程中，在溝谷切割較深部位以泉的形式排泄，為侵蝕下降泉(見(jiàn)圖3)，泉口地表標(biāo)高50.71 m。

圖3 白沙井出露地層示意圖Fig.3 Sketch of outcropping stratum of Baisha well

3 地鐵工程對(duì)白沙井的影響分析

3.1 含水層的界定

白沙井組砂礫層是地下水的蓄水層和導(dǎo)水層，厘定白沙井含水層的分布范圍十分必要。有的專家將白沙井補(bǔ)給范圍桎梏于白沙路、人民路、芙蓉路、勞動(dòng)路轄持的0.4 km2之內(nèi);一些專家則認(rèn)為白沙井含水層南北向長(zhǎng)數(shù)km，東西寬數(shù)百m到千余m［4］。上述觀點(diǎn)忽視了新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的抬升與掀斜對(duì)含水層厚度及分布的影響。文獻(xiàn)［4］更是將中更統(tǒng)洞井鋪組、新開鋪組與白沙井組模糊化。

中新生代以來(lái)，湘中、湘北地區(qū)上地?；顒?dòng)出現(xiàn)“三盆”隆起區(qū)(麻陽(yáng)、洞庭、衡陽(yáng)3盆地)，地殼厚度僅30 km。長(zhǎng)沙地區(qū)位于洞庭、衡陽(yáng)2個(gè)莫霍面隆起地區(qū)之間的洞庭坳陷南緣，由北往南，奠霍面隆起逐步下降，從而決定了長(zhǎng)沙地區(qū)南升北降的運(yùn)動(dòng)模式。長(zhǎng)沙第四系地層的沉積特征［7］表明:新開鋪組與洞井鋪組均為河流與湖泊交替出現(xiàn)的古地理環(huán)境的沉積物。砂礫石偏度分析結(jié)果反映新開鋪組的水動(dòng)力條件比較平穩(wěn)，當(dāng)時(shí)長(zhǎng)沙地區(qū)可能為廣闊湖面，豐水期可與古洞庭湖連通。白沙井組底部則為河流沉積，沉積物質(zhì)來(lái)源主要是湘江及瀏陽(yáng)河兩大水系，其底部的粗碎屑表明盆地周圍有一段快速上升的歷史?？梢?jiàn)，白沙井組與新開鋪組2個(gè)地質(zhì)時(shí)期的新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)強(qiáng)度、幅度存在明顯差異［8］。

區(qū)內(nèi)基巖頂板等高線圖(見(jiàn)圖4)為上述觀點(diǎn)提供了證據(jù)［9］:在白沙井附近基巖的標(biāo)高為36 m左右，白沙井東側(cè)賀龍?bào)w育館臺(tái)地的基巖標(biāo)高46 m左右，往西于城南西路基巖標(biāo)高在50 m以上，成為地下水徑流的“阻水丁壩”?；骓敯鍢?biāo)高等值線圖表明，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成的由南向北掀斜，形成了一個(gè)近SN-NW向的分水嶺，地下徑流并非完全的南北向。

3.2 地下水的補(bǔ)給來(lái)源與范圍

城市地下水的補(bǔ)給主要有3種來(lái)源:大氣降水、地表水輸入和區(qū)外地下水輸入［10］(見(jiàn)圖5)。

根據(jù)監(jiān)測(cè)資料，白沙井的泉水流量最大4.46 L/s，最小0.41 L/s，年平均流量為2.17 L/s。其水源主要為大氣降水和地下徑流，大氣降水最終經(jīng)下滲轉(zhuǎn)化為地下徑流。大氣降水的補(bǔ)給范圍可用降雨入滲系數(shù)法推測(cè)

Q年=1 000·α·F·A。

式中:Q年為泉流量，m3/a;A為多年平均降雨量，mm;F為補(bǔ)給面積，km2;α為降雨入滲系數(shù)，據(jù)經(jīng)驗(yàn)取0.02。

由長(zhǎng)沙多年平均降雨量和白沙井平均泉流量可估算出白沙井的補(bǔ)給面積達(dá)2.45 km2?？紤]城區(qū)建筑物和交通網(wǎng)絡(luò)對(duì)真實(shí)補(bǔ)給面積的影響，且Ⅲ級(jí)階地后緣砂卵石層和IV級(jí)階地砂、卵石層有一定連通，其補(bǔ)給范圍應(yīng)延至南端的Ⅳ級(jí)階地。

圖4 場(chǎng)地附近基巖頂板等高線圖Fig.4 Contour map of bedrock roof

圖5 城市地下水補(bǔ)給及傳輸［10］Fig.5 Recharge sources and pathways of urban ground water

白沙井附近區(qū)域的等水位線圖(見(jiàn)圖6)反映了地形地貌對(duì)地下水流向的影響，區(qū)域地下水總體流向?yàn)樽阅舷虮?，在白沙井區(qū)域則轉(zhuǎn)向北西。

圖6 白沙井附近的等水位線圖Fig.6 Contour map of ground water level

3.3 水量的動(dòng)態(tài)變化特征

長(zhǎng)沙市環(huán)境監(jiān)測(cè)站對(duì)白沙井的長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)資料顯示，13年前白砂古井的流量動(dòng)態(tài)反應(yīng)為明顯的豐、枯水期，而目前白沙井的流量動(dòng)態(tài)基本穩(wěn)定在1～1.5 L/s，相對(duì)于13年前的數(shù)據(jù)，泉流量有變小的趨勢(shì)(見(jiàn)圖7)。無(wú)獨(dú)有偶，湖南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)總站設(shè)置在湘江二級(jí)階地開福寺與湘雅路附近的鴛鴦井監(jiān)測(cè)孔的地下水位動(dòng)態(tài)也呈階段性緩慢下降趨勢(shì)(見(jiàn)圖8)。觀測(cè)井水量減少的根本原因是補(bǔ)給面的減少。

圖7 白沙井地下水流量動(dòng)態(tài)變化Fig.7 Time-dependent variation of groundwater flow of Baisha well

圖8 鴛鴦井1999—2009年地下水水位動(dòng)態(tài)變化Fig.8 Time-dependent variation of groundwater level of Yuanyang well from 1999 to 2009

3.4 地鐵工程對(duì)白沙井水環(huán)境的影響

地鐵工程對(duì)地下水環(huán)境的影響分為施工期間的影響和建成后的潛在影響。施工影響表現(xiàn)為施工降水和止水措施引發(fā)的地下水動(dòng)力場(chǎng)和化學(xué)場(chǎng)變化;建成后的影響表現(xiàn)為影響地下水的過(guò)水面積和水力坡度，進(jìn)而改變地下水徑流條件。后者具有“滯后性”和“累積效應(yīng)”［11］，更應(yīng)引起重視。

3.4.1 車站基坑施工降水的影響長(zhǎng)沙地鐵站點(diǎn)均采用明挖施工，其前提必須降水或止水(見(jiàn)圖9)。在白沙井水地下徑流方向，上述觀測(cè)井的水量減少的根本原因是補(bǔ)給面的減少。自南而北，有新建西路站(CK23+98)、赤黃路站(CK22+588)、南湖路站(CK21+732)和侯家塘站(CK20+672)，均在含水層中施工。故需考慮降水漏斗對(duì)白沙井水源的影響。工程施工降水影響范圍可按下式估算

式中:r0為基坑等效半徑，m;A為基坑面積，m2;K為滲透系數(shù)，m/d;S為降深，m。

圖9 單一含水層圍護(hù)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.9 Retaining structure in single aquifer

當(dāng)不采取隔水、止水措施時(shí)，以位于白沙井東南向約400 m的田漢大劇院的侯家塘站為例，其影響半徑達(dá) 297.12 m，總涌水量 1 710.25 m3/d［12］。體育場(chǎng)擴(kuò)建、田漢大劇院附近高層建筑基坑排水時(shí)，均造成白沙井水量干枯或減少，正是因?yàn)榻德渎┒酚绊懙桨咨尘a(bǔ)給源范圍所致。

3.4.2 隧道結(jié)構(gòu)對(duì)地下水徑流的影響

隧道結(jié)構(gòu)的主體全部位于潛水面以下，施工降水深度都在5 m以上。長(zhǎng)距離、大降深的線狀工程施工降水對(duì)環(huán)境產(chǎn)生的擾動(dòng)是地鐵工程需要考慮的重要問(wèn)題之一。

地鐵1號(hào)一期工程為水平間距在10～15 m、直徑6 m的2條平行隧道。自芙蓉路向北，由新建西路站—赤黃路站—南湖路站—侯家塘站3個(gè)區(qū)間中，地面標(biāo)高由75m—67m—68m—57m，含水層的坡降與地面標(biāo)高基本一致，隧道大部分段需穿過(guò)白沙井組Q2b和新開鋪組Q2x的砂卵石含水層，線路與地下徑流相交。隧道結(jié)構(gòu)在減少蓄水空間的同時(shí)也減少了地下水的過(guò)水?dāng)嗝?。由公式Q=kωI(Q為單位時(shí)間內(nèi)過(guò)水?dāng)嗝姒氐牧髁?，K為滲透系數(shù)，I為水力梯度)可知，假設(shè)滲透系數(shù)不因施工而改變，僅過(guò)水?dāng)嗝娓淖?，地下水的流量也是不容忽視的?/p>

若考慮地下水補(bǔ)給面積因城市建設(shè)造成的折減，隧道結(jié)構(gòu)對(duì)整個(gè)含水層的過(guò)水面積的影響更顯突出。

3.4.3 地下水壅高

車站基坑和隧道結(jié)構(gòu)占據(jù)部分含水層，減小了地下水過(guò)水面積，使地下水的補(bǔ)給受阻而改變地下水的徑流場(chǎng)。一般地，在迎水方向一側(cè)，因徑流受線路結(jié)構(gòu)阻擋而使地下水位局部壅高，另一側(cè)因接受補(bǔ)給量減少而使水頭降低，減緩了水力坡度和流速，導(dǎo)致排泄泉點(diǎn)水量減少。

3.5 減緩地下水影響的措施

地鐵隧道和車站對(duì)地下水徑流的阻礙作用，可通過(guò)工程措施來(lái)有效減緩其對(duì)地下水的影響:

1)調(diào)整隧道底板標(biāo)高，減少隧道和車站占據(jù)主要含水層厚度空間的比例。如在地下徑流方向，盡可能將地鐵工程置于非含水層中。

2)采用敷設(shè)涵管達(dá)到減輕地下水位“壅高”。

3)在明挖施工的車站和隧道區(qū)段，采用在頂部回填一定厚度透水的砂卵石層，以增加地下水的滲量，達(dá)到減少地下水位壅高影響。

4)區(qū)間優(yōu)先采用盾構(gòu)法施工，對(duì)站點(diǎn)采用地下連續(xù)墻隔水，基坑內(nèi)外地下水無(wú)水力聯(lián)系，可減少施工降水影響范圍和程度。

4 結(jié)論

1)白沙井水來(lái)源于白沙井組，該地層受新構(gòu)造的影響主要集中于二環(huán)線以南區(qū)域。對(duì)白沙井水源保護(hù)僅拘泥于井址附近有失偏頗。

2)監(jiān)測(cè)資料表明白沙古井有下降趨勢(shì)，其流量已無(wú)季節(jié)性變化規(guī)律，城市建設(shè)中的深大基坑大大減少了過(guò)水?dāng)嗝?，地面硬化和城市化又大量削弱了地表徑流的補(bǔ)給面積，地鐵1號(hào)線的建設(shè)必然會(huì)加劇這一影響，采取預(yù)防措施是十分必要的。

3)長(zhǎng)沙已于2007年被國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)為“兩型社會(huì)”試驗(yàn)區(qū)，地下工程建設(shè)如何保證人與自然和諧是科學(xué)發(fā)展觀的具體體現(xiàn)。在工程實(shí)踐中，加強(qiáng)地下空間的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)研究，是城市地下空間開發(fā)建設(shè)的基本保證。

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