地下水下降區(qū)房屋變形各因素影響度的評(píng)估

阮啟林，陳伯恒，呂 玲

(1．湖北省鄂東南地質(zhì)大隊(duì)，湖北 大冶 435100;2．湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北 黃石 435000;3．湖北省地質(zhì)環(huán)境總站，湖北武漢 430034)

0 引言

湖北省鄂州市某銅鐵礦區(qū)內(nèi)有5個(gè)獨(dú)立法人礦山在同一水文地質(zhì)單元內(nèi)疏排地下水，該礦區(qū)附近有兩個(gè)自然村多戶民房發(fā)生開(kāi)裂等房屋變形而遭受財(cái)產(chǎn)損失。在礦山采空區(qū)及其塌落范圍未影響到建筑物的情況下，如何確定房屋變形影響因素以及各影響因素的影響程度和每個(gè)礦山的責(zé)任程度劃分顯得尤其重要。本文根據(jù)該礦區(qū)勘查監(jiān)測(cè)資料，對(duì)房屋變形各影響因素影響度的評(píng)估方法進(jìn)行探討，以期為多個(gè)礦山排水誘發(fā)地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題的責(zé)任分割拓寬技術(shù)思路。

1 礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境特征及房屋變形概況

該礦區(qū)附近有兩個(gè)自然村多戶民房發(fā)生開(kāi)裂變形，針對(duì)房屋開(kāi)裂變形區(qū)曾開(kāi)展過(guò)專(zhuān)項(xiàng)環(huán)境地質(zhì)勘查①王明啟等，鄂州市汀祖鎮(zhèn)陳盛灣、劉昌灣房屋開(kāi)裂環(huán)境地質(zhì)調(diào)查報(bào)告，2004。，此次勘查取得的主要技術(shù)認(rèn)識(shí)如下:

(1)該礦區(qū)礦體圍巖為大理巖和巖漿巖。礦坑充水含水層主要為巖溶承壓含水層，其次為巖漿巖裂隙潛水含水層(圖1)，二者厚度之和約170 m;第四系松散巖類(lèi)含水層富水性弱，為礦坑充水越流補(bǔ)給層。巖溶含水層主要夾在巖漿巖之間或埋藏在砂頁(yè)巖隔水層之下而與區(qū)域大理巖或灰?guī)r相連，礦坑充水含水層為無(wú)限邊界。

(2)截至2001年，該礦區(qū)先后有5個(gè)獨(dú)立法人礦山在同一水文地質(zhì)單元內(nèi)疏排地下水，各礦山礦坑排水基本情況如表1。通過(guò)鉆孔地下水位動(dòng)態(tài)觀測(cè)，確認(rèn)5個(gè)礦山對(duì)CH1孔(基本在房屋開(kāi)裂區(qū)的中心部位)地下水位的聯(lián)合降深Sk=27．45 m。

圖1 鄂州市某礦區(qū)地質(zhì)環(huán)境圖Fig.1 Geological environment map of a ore district in Ezhou City．第四系松散巖類(lèi)含水巖組;2．蒲圻群砂頁(yè)巖隔水層;3．巖漿巖裂隙含層;4．地質(zhì)界線;5．覆蓋型大理巖界線;6．埋藏型大理巖界線;7．第四下伏巖漿巖;8．第四系下伏大理巖;9．第四系、巖漿巖下伏大理巖;10．四系、三疊中下統(tǒng)蒲圻群下伏大理巖;11．礦山編號(hào);12．鉆孔及編號(hào);3．房屋開(kāi)裂區(qū)。

(3)鉆孔揭露房屋開(kāi)裂區(qū)第四系平均厚度為11 m，第四系主要由粘土、亞粘土夾中細(xì)砂組成。在3個(gè)鉆孔(CH1、CH3、CH4)采取了14個(gè)膨脹土脹縮性測(cè)試樣，其中4個(gè)土樣為膨脹潛勢(shì)［1］弱的膨脹土。經(jīng)計(jì)算，膨脹土變形量有的已超過(guò)地基容許變形量(表2)。

(4)礦山附近兩個(gè)自然村共170戶，產(chǎn)生開(kāi)裂等變形的房屋共115戶，房屋變形較普遍。初步確定房屋變形因素有三:①房屋陳舊與房屋建筑質(zhì)量差(下稱(chēng)房屋自身致裂因素);②大氣引發(fā)膨脹土效應(yīng);③礦坑排水導(dǎo)致地面沉降和膨脹土效應(yīng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“礦坑排水致裂因素”)。

2 礦山疏排水影響度的評(píng)估思路

因本區(qū)5個(gè)礦山疏排地下水所形成的聯(lián)合下降漏斗在CH1孔處水位降深為27．45 m，故各礦山對(duì)CH1孔的水位降深(Si)的影響程度就是各礦山對(duì)礦坑排水總影響度的分割。

CH1孔巖溶水和巖漿巖裂隙水混合水位標(biāo)高為－15 m左右而處在承壓狀態(tài)，其至排水礦山的最近距離r=280 m，巖溶水和巖漿巖裂隙水含水層總厚度(M)約170 m。因r＞1．5 m(255 m)，故各礦山對(duì) CH1孔的降深(Si)可按無(wú)限邊界壓承完整井流公式(泰斯公式)直接計(jì)算，

式中:Qi——各礦山排水量(m3/d);T——大理巖與巖漿巖平均導(dǎo)水系數(shù)(m2/d)［2］;a——巖溶含水層與巖漿巖裂隙含水層平均壓力傳導(dǎo)系數(shù)(m2/d);ti——各礦山排水時(shí)間(d);ri——各礦山至CH1孔的距離(m)。

通過(guò)上述公式可求出各礦山對(duì)于觀測(cè)孔CH1的降深值，從而確定礦山疏排水對(duì)房屋開(kāi)裂變形的影響程度。

3 房屋變形各影響因素影響度的評(píng)估

3．1 房屋自身致裂因素影響度

在115戶開(kāi)裂房屋中，土磚房和土磚、粘土磚混砌房共14戶，且均在上世紀(jì)50—80年代初建成，房屋基礎(chǔ)為塊石干砌，使用時(shí)間均在23年以上。據(jù)房屋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、建筑材料、使用年限綜合分析，115戶開(kāi)裂房中的14戶土房和土磚與粘土磚混砌房，基本代表了房屋自身致裂因素所占的比例，即房屋自身致裂因素的影響度(P)為:P=×100%=12．17%。11

表1 各礦坑疏排地下水情況表Table 1 Dewatering and drainage of underground in each pit

表2 膨脹土膨脹率測(cè)試結(jié)果及變形量計(jì)算結(jié)果表Table 2 Calculation results of test results of expansion ration and deformation

3．2 大氣引發(fā)膨脹土效應(yīng)對(duì)房屋開(kāi)裂的影響度

在采取的14個(gè)土樣中有4個(gè)土樣為膨脹潛勢(shì)弱的膨脹土，即膨脹土致裂的隨機(jī)概率為4/14=28．57%。此28．57%的隨機(jī)概率受大氣影響深度和礦坑排水導(dǎo)致地下水位下降兩個(gè)因子控制。

對(duì)于大氣影響深度，規(guī)范要求按相關(guān)觀測(cè)資料確定，無(wú)觀測(cè)資料時(shí)可按土的濕度系數(shù)確定為3～5 m。因房屋開(kāi)裂區(qū)松散層天然孔隙水水位埋深為3 m左右，故大氣對(duì)膨脹土的影響深度取3 m。從表2可以看出，在具弱膨脹潛勢(shì)的4個(gè)土樣中，只有一個(gè)土樣(CH1-2)處在大氣影響深度范圍內(nèi)。也就是說(shuō)，在膨脹土致裂的隨機(jī)概率28．57%中，大氣引發(fā)膨脹土脹縮性效應(yīng)的只占1/4。因此，大氣引發(fā)膨脹土效應(yīng)對(duì)房屋開(kāi)裂的影響度(P2)為:P2==7．14%。

3．3 礦坑排水致裂總影響度

礦坑排水導(dǎo)致地下水位下降的破壞形式，表現(xiàn)在地面沉降和誘發(fā)膨脹土效應(yīng)兩個(gè)方面，其總貢獻(xiàn)度(P3)為100%減去房屋自身致裂因素的貢獻(xiàn)度(P1)與大氣引發(fā)膨脹土效應(yīng)的貢獻(xiàn)度(P2)，即:

4 各礦山對(duì)礦坑排水致裂總影響度的分割

4．1 各礦山影響度分割基本原理

前文的礦山疏排水影響度評(píng)估思路已提出礦山對(duì)CH1孔的降深(Si)可按無(wú)限邊界壓承完整井流公式(泰斯公式)直接計(jì)算，即:

式中:Qi——各礦山排水量(m3/d);T——大理巖與巖漿巖平均導(dǎo)水系數(shù)(m2/d);a——巖溶含水層與巖漿巖裂隙含水層平均壓力傳導(dǎo)系數(shù)(m2/d);ti——各礦山排水時(shí)間(d);ri——各礦山至CH1孔的距離(m)。

但式(1)的假定條件是含水層均質(zhì)、各向同性，但客觀上含水層的水理性質(zhì)大都是不均一的，故在實(shí)際工作中按式(1)直接進(jìn)行計(jì)算的Si往往不能滿足:

式中:Sk——各礦山排水對(duì)CH1孔的聯(lián)合降深(Sk=27．45 m)。

為使式(1)的計(jì)算結(jié)果能夠滿足式(2)和消去式(1)中的導(dǎo)水系數(shù)T(避免T值選擇的隨機(jī)性)，則需按下述方法進(jìn)行處理:

式中:i——礦山順序號(hào)碼;(i+1)——排在i號(hào)礦山后的礦山號(hào)碼。

據(jù)式(1)有:

聯(lián)解式(2)、(3)，即可求出各礦山對(duì)于觀測(cè)孔CH1的降深值。

4．2 各礦山影響度計(jì)算

將表1中各礦山的平均排水量Qi、累計(jì)排水時(shí)間ti、各礦山至CH1孔的距離ri和壓力傳導(dǎo)系數(shù)a(a=97 023 m2/d，據(jù)鄂東南同類(lèi)礦區(qū)——大冶市鯉泥湖銅鐵礦區(qū)豎井大理巖巖溶含水層與巖漿巖裂隙含水層非穩(wěn)定流混合抽水試驗(yàn)求得)，代入式(3)得:

由式(4)～(7)與Sk=S1+S2+S3+S4+S5得:

由式(8)得:

故分別可得:

各礦山對(duì)CH1孔水位降深(Si)占總降深(Sk)之比，乘以所有礦坑排水導(dǎo)致地下水位度下降的總影響程度P3，即為各礦坑排水對(duì)房屋開(kāi)裂變形的影響度(P3i):

表3 房屋開(kāi)裂各影響因素貢獻(xiàn)度評(píng)估結(jié)果表 單位:%Table3 Evaluation results of contribution degree of each influencing fartors in cracking of a building

5 各因素影響度評(píng)估結(jié)果與責(zé)任程度的關(guān)系

房屋開(kāi)裂各影響因素的影響度(表3)，在理論上基本等同于責(zé)任程度。原因如下:①因?yàn)榉课葑陨碇铝延绊懚鹊拇_定難度較大，其涉及到房屋使用年限、地基承載力、地基處理工藝、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、上層建筑材料、地基底面附加應(yīng)力分布狀況等;②本文在房屋自身致裂影響度的評(píng)估中，只考慮了房屋基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)、建筑材料和使用年，而未考慮礦山排水對(duì)其開(kāi)裂的加劇作用。因此，本文提出的房屋自身致裂影響比較粗糙，只能作為責(zé)任程度界定的參考依據(jù)。

各礦山排水在CH1孔處的降深(Si)對(duì)聯(lián)合降深(Sk)的分割，既符合非穩(wěn)定流理論，也符合CH1孔的水位降深實(shí)際觀測(cè)值(即Sk=∑Si=27．45 m)，故各礦山排水對(duì)房屋開(kāi)裂的影響度就是各礦山的責(zé)任程度。

一般來(lái)說(shuō)，在劃分以礦山水文地質(zhì)及工程地質(zhì)作用為主所引發(fā)的環(huán)境地質(zhì)問(wèn)題的責(zé)任時(shí)，為避免問(wèn)題復(fù)雜化，大多向弱勢(shì)群體利益傾斜。若此，可令P1、P2均為零，則各礦山的責(zé)任程度為表3所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

礦坑主要充水含水層為承壓無(wú)限邊界時(shí)，各抽水礦井對(duì)于仍然處在承壓狀態(tài)，與抽水礦井足夠遠(yuǎn)或?yàn)橥暾偷挠^測(cè)孔的降深(Si)，可按∑Si聯(lián)解求出。求出的Si就是各礦山排水在水位下降方面的貢獻(xiàn)度;對(duì)于因礦山排水而導(dǎo)致的地質(zhì)環(huán)境問(wèn)題或地質(zhì)災(zāi)害，均可按Si的大小劃分各礦山的責(zé)任程度。鄂州市行政管理部門(mén)利用勘查單位按此方法提供的數(shù)據(jù)較好地解決了該地下水下降區(qū)附近兩個(gè)自然村多戶民房開(kāi)裂等房屋變形的補(bǔ)償問(wèn)題。

本文在各礦山影響度的計(jì)算過(guò)程中，含水層壓力傳導(dǎo)系數(shù)a采用的是同類(lèi)礦區(qū)經(jīng)驗(yàn)值。若有觀測(cè)孔的長(zhǎng)期觀測(cè)資料和各礦坑排水資料，則可按下式求出:

式中:Sk1——ti時(shí)段內(nèi)的多井排水聯(lián)合降深;Sk2——ti+Δt時(shí)段內(nèi)的多井排水聯(lián)合降深;Δt——ti時(shí)段后的延長(zhǎng)時(shí)段;其余符號(hào)同前。

設(shè) Sk1/Sk2=P1，log2．25a=P2，整理上式得:

計(jì)算出P2值就可計(jì)算出導(dǎo)壓系數(shù)a。

［1］ GBJ112－87，膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范［S］．

［2］ 陳宗希．地下水不穩(wěn)定井流計(jì)算方法［M］．北京:地質(zhì)出版社，1983．