西安市地下水位變化對工程的影響

 

譚新平¹   方文俊²  王小秋¹

（1西北綜合勘察設(shè)計研究院  710003  西安；

      2長慶油田公司礦區(qū)服務(wù)事業(yè)部  710018  西安）

 

1、前  言

    至90年代末以前，西安市城市供水水源主要是采取地下水，由于水井?dāng)?shù)量和開采量的逐年劇增，地下水位的變化趨勢主要表現(xiàn)為不斷下降，引起了地面大范圍沉降，同時也加劇了地裂縫的活動，給城市規(guī)劃和建設(shè)帶來了較大的影響和危害。但自2001年開始黑河供水系統(tǒng)逐步修建并相繼投入使用，2003～2005年隨著黑河供水量的增加和城市自備井的陸續(xù)關(guān)閉，西安市城市供水量其主導(dǎo)地位由地下水轉(zhuǎn)變?yōu)樗畮斓乇硭�，近年來發(fā)現(xiàn)地下水位變化趨勢也發(fā)生了逆轉(zhuǎn)，水位開始回升，地裂縫活動減弱了，地質(zhì)安全得到了保障，但由此卻產(chǎn)生了新的次生災(zāi)害，如地下水位上升后黃土地基發(fā)生濕陷變形、基礎(chǔ)下形成飽和軟土引發(fā)建筑地基下陷和樓體開裂、防空洞坍塌、管道開裂等。下面就西安地下水位的趨勢變化和對工程建設(shè)的影響進(jìn)行探討。

 

2、超采地下水對城市建設(shè)的影響

    2000年以前的幾十年間，由于地下水的超采引發(fā)了西安市地面沉降和地裂縫地質(zhì)災(zāi)害的加劇。從初期五、六十年代，水井?dāng)?shù)量少，開采量也小，深度淺，地下水徑流補(bǔ)給，水位下降慢，地面平均沉降速率為2mm/a；隨著七十年代各單位自備井的數(shù)量遞增，抽水量增大，地面沉降速率逐漸加大為13.86～46.7mm/a，沉降區(qū)面積不斷擴(kuò)大，累計沉降量大于50mm的面積，達(dá)到100km2；自八十年代中期以來，政府加強(qiáng)了地下水管理，新增水井?dāng)?shù)量顯著減少，承壓水井達(dá)到500眼，開采量基本穩(wěn)定，地面沉降速率也趨于穩(wěn)定，保持在80～100mm/a，地裂縫垂直位移速率也達(dá)到15～16mm/a。在這一時期內(nèi)，西安城市化步伐加快，需水量猛增，供需矛盾日益突出，地下水嚴(yán)重超采，城西近郊、城東北近郊、城東及西南近郊地下水超采系數(shù)達(dá)到9.82～14.15，這從很大程度上破壞了地下水的采補(bǔ)平衡，地下水位大幅下降引發(fā)和加劇了環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害，地面沉降量大于50mm的面積已超過120km2；承壓水位下降了80～100m；除興慶湖～北池頭黃土梁洼地區(qū)外，潛水位也普遍下降，據(jù)統(tǒng)計1984～1993年間全市年平均下降30cm；全市有13條地裂縫復(fù)活，總長度約80km，影響面積155km2。    

   

    采地下水對城市建設(shè)的影響巨大。西安市的地面沉降與地裂縫的活動，在當(dāng)時已構(gòu)成災(zāi)鏈效應(yīng)，地面沉降的直接作用使得一些建筑物下沉或傾斜。另外，由于地面不均勻沉降使局部地區(qū)排水不暢，污水外溢，更為嚴(yán)重的是地裂縫兩側(cè)的不均勻沉降加劇了地裂縫的垂直活動，使地裂縫活動的致災(zāi)作用明顯加劇，沿地裂縫帶附近房屋開裂損壞，供水、供氣管道錯斷，道路、隧洞破壞變形，給城市規(guī)劃建設(shè)帶來較大影響。

 

3、西安城市供水水源的歷史變化

    80年代及以前，西安市供水水源主要為地下水，水源地為北部渭河兩岸、西郊灃河、皂河兩岸、東郊浐河灞河兩岸及企事業(yè)單位和鄉(xiāng)村自備井，日供應(yīng)量最大為62萬m3，日供水缺口達(dá)到了15萬m3；1987年底黑河引水工程開始動工，90年8月底日凈水60萬m3的曲江水廠建成，但受石砭峪水庫的限制，每天只能向市區(qū)供水8萬m3；96年底石頭河水進(jìn)入曲江水廠；2001年11月作為黑河供水樞紐工程之一日凈水50萬m3的西安市南郊水廠也開始正式供水。至此，以黑河金盆水庫和石頭河水庫為主要供水水源，沿途接收峪河、田峪河、灃河地表徑流以及甘峪水庫和石砭峪水庫蓄水后匯于曲江水廠和南郊水廠。2006年西安城區(qū)日平均供水81.1萬m3，年供水2.95億m3，其中黑河引水工程供水2.95億m3，其余為浐河和自來水公司6處地下水源地供水，黑河引水工程供水量占到了83.1%。

西安市在擴(kuò)大黑河引水工程的同時，從99年就開始封停單位或市民自挖的自備水井，至2008年3月，已封停1087眼水井，填埋了300余眼違章水井，每年可減少1.6億m3的地下水開采，通過觀測地下水位已開始向上恢復(fù)。

 

    通過20多年的努力，西安市解決了城市供水資源的供需矛盾，在控制地下水的過度開采，減緩西安市地面沉降和地裂縫地質(zhì)災(zāi)害的活動方面效果明顯，西安的供水系統(tǒng)已由原來的地下水為主逐步改變?yōu)橐院诤右�水工程地表水為主�?dǎo)地位的供水系統(tǒng)。

 

4、地下水位變化的新趨勢

    西安市地下水上升變化的新趨勢一直沒有引起人們的注意。太華路西安大華紡織廠，自2003年廠區(qū)內(nèi)4個水源井被關(guān)閉，全部采用城市自來水，2004年6月至2008年5月初，院內(nèi)先后13次發(fā)生了20處地面塌陷現(xiàn)象，普遍認(rèn)為是場區(qū)管道年久失修滲漏所致，但一直沒有確認(rèn)。07年11月僅針對對7號樓地基下陷處進(jìn)行了勘察，08年5月西安自來水公司采用相關(guān)儀器對管道進(jìn)行大范圍探測，滲漏現(xiàn)象不明顯，為此08年5月對場區(qū)水位進(jìn)行了大范圍勘察，勘察時收集了場區(qū)1986～2001年之間的三村16^#樓、高檔織物車間、五村11^#樓等多個工項(xiàng)目的工程勘察報告，通過對原工程前后勘察時的穩(wěn)定水位結(jié)果進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)場地穩(wěn)定水位明顯升高，地下穩(wěn)定水位標(biāo)高平均上升了3.66～5.30m。通過對上述同一場地多年來水位變化分析和近期監(jiān)測，場區(qū)水位變化見下圖1“場區(qū)多年來水位變化曲線（封停自備井前后）”。 從勘察結(jié)果和該圖可看出場區(qū)水源為自備井期間，水位基本上在1.5m范圍內(nèi)波動，保持基本平衡，但自2001年以后至2008年間，封停了場區(qū)4個自備井，供水利用黑河等地表水后地下水位持續(xù)平均上升了4.5m,從目前來看還在繼續(xù)上升，只是上升的幅度有所減緩。  

   

    另外，根據(jù)西安市地下水部門2006年的地下水位監(jiān)測資料，與2005年相比，西安東郊地下水位上升了6.02m，西郊地下水位上升了2.58m，南郊地下水位上升了4.45m，說明近年來西安地下水位普遍在持續(xù)上升。

5、水位上升變化的原因及發(fā)展趨勢

    通過分析認(rèn)為西安市地下水位上升與地下水開采和供水方式的變化有很大關(guān)系。一方面水井?dāng)?shù)量和開采量大幅減少，地下水開采量小于補(bǔ)給量，地下水位開始恢復(fù)；另一方面市政建設(shè)以供水、蓄水、調(diào)水為依托，通過對西安外圍八條河的改造，使之與城區(qū)的湖、池、水面等形成一個有機(jī)的河湖體系，地表水面被抬高后，地表水和地下水的聯(lián)系更加緊密，地下水位上升有了補(bǔ)給來源；另外由于城市建設(shè)迅速擴(kuò)大，地面封閉效應(yīng)使土壤蒸發(fā)量減少，大氣降水的增加、城市人為回灌、管網(wǎng)的滲漏補(bǔ)給等也是影響地下水徑流變化，引起水位上升的因素。

    

     根據(jù)圖1“西安黃土梁洼地貌與地下水徑流關(guān)系圖”，西安市以東為浐灞河，以西為皂河，市區(qū)人工湖或水面一般位于黃土洼地內(nèi)，地下水徑流方向由南向北。以曲江池～興慶湖～未央湖為中軸線，地下潛水位標(biāo)高中間比兩側(cè)高，中部（勘察場地正好位于該部位）上升量要大于兩側(cè)；新建的大型人工湖（如曲江池）、水庫（如團(tuán)結(jié)水庫）、水面（如浐灞）、等周邊水位上升的幅度和范圍相對也會增大。另外2007年以來西安地鐵一、二號線沿線的降水施工暫時對沿線周邊水位的變化也有一定的影響。總體來說，西安市地下水位將處于一個緩慢地上升過程。當(dāng)?shù)叵滤�位上升到補(bǔ)給與排泄（地下徑流、蒸發(fā)、開采、人工降水）相對平衡時水位將趨于穩(wěn)定，如現(xiàn)在的興慶湖周邊地區(qū)水位較淺，且基本穩(wěn)定。在地下水位緩慢上升過程中，類似大華公司的以下工程病害將會發(fā)生。

6、水位上升后引起的工程病害

    地下水位上升后引起西安黃土梁洼地區(qū)濕陷性黃土地基發(fā)生濕陷變形、基礎(chǔ)下形成飽和軟土引發(fā)建筑地基下陷和樓體開裂、防空洞坍塌、管道開裂等問題。以大華場區(qū)的水位上升后發(fā)生的工程病害問題為例進(jìn)行說明。

 

    6.1 地基的濕陷變形

    2000年以前，大華場地黃土的濕陷性分布深度約11～12m，2008年5月勘察時水位普遍上升了3.66～5.30m，水位上升后濕陷性黃土發(fā)生了濕陷變形。以五村9^#住宅樓為例，按原勘察報告2^#探井試驗(yàn)資料為依據(jù)，  2000年12月水位標(biāo)高為393.64m，2008年5月水位標(biāo)高為398.94m，水位上升了5.3m。計算出水位上升后將發(fā)生濕陷變形155.4mm，具體計算過程見表6.1“水位上升段濕陷量計算表”。

 

    由于原建筑在設(shè)計時西安地下水位正處于基本穩(wěn)定和趨于下降的趨勢，未考慮西安市封閉水井后的水位大幅上升因素，因此水位上升后，一方面黃土濕水位上升段濕陷量計算表  

                                  表6.1

濕陷 厚度 （m）	分層 厚度 （mm）	濕陷系數(shù) δsi	修正系數(shù) β	分層 Δsi （mm）	總濕陷量 Δs（mm）
5.3	790	0.028	1.5	33.2	155.4
	690	0.028	1.5	7.6
	1120	0.028	1.0	31.4
	700	0.024	1.0	16.8
	1000	0.021	1.0	21.0
	1000	0.024	1.0	24.0

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

    陷使地基下沉，另一方面地基主要持力層以下形成了飽和軟黃土，該土層為軟～流塑，為高壓縮性，地基下軟弱下臥層的出現(xiàn)和位置不斷抬高，使地基強(qiáng)度降低，地基的不均勻沉降變形，使樓基礎(chǔ)和主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變形裂紋。一般中間下沉量較大，容易在樓兩側(cè)產(chǎn)生差異變形，故此變形差異部位開裂較明顯。大華廠對水位上升后引起下沉變形嚴(yán)重的7號樓等采取坑式靜壓托換樁進(jìn)行了地基加固，效果較好。

 

    6.2 地面塌陷

    地面塌陷主要為場區(qū)的防空洞，位置沿過去的防空洞走向分布，通過了解場區(qū)各塌陷點(diǎn)的具體情況，見表6.2“防空洞塌陷情況表”，從塌陷的時間來看，自2007年下半年以來，塌陷頻率加快。

                                                            防空洞塌陷情況表   表6.2

編號	地   點(diǎn)	塌陷時間	塌陷及處理情況
1	幼兒園東、五村7號樓西南	2004年6月大雨后	2處，深4～6m用土夯填
2	小區(qū)廣場東側(cè)	2004年6～4月雨后	深4～6m，用土夯填
3	廣場西側(cè)	2004年8～9月	2～3m大坑，用土夯填
4	三村自建村	2004年9月	深3～4m，用土夯填
5	廠區(qū)西門北側(cè)	2007年9～10月	深2～4m，用土夯填
6	西坊新村4號樓南	2007年9～11月	共5處，3個注漿處理，處理深度約9m， 2個開挖，用土夯實(shí)回填處理
7	五村7號樓南	2007年11月	深4～6m，造成7號樓開裂
8	廠區(qū)東門里	2007年11月	坑深1～2m，用土夯填
9	花站門口附近	2008年3月	2～3m深坑，用土夯填
10	三村自建村南	2008年3月	3處，直徑4～6m，民房坍塌，土夯填
11	五村女職工樓東側(cè)	2008年4月	3～4m大坑，深4～6m，土夯填
12	一期紗廠西南角	2008年4月	2～3m大坑，用土夯填
13	廠財務(wù)科西南	2008年4月	范圍1～2m大坑，用土夯填
14	西坊新村5號樓北	2008年5月	4～6m大坑，深2～4m，用土夯填
15	五村2號樓北	2008年10月	坑深1～2m，用土夯填

    

    水位上升到防空洞洞室內(nèi)，特別是當(dāng)時未加固的防空洞，洞室浸水坍塌后，洞內(nèi)水位又突然上升，黃土中大孔隙，水位以上的毛細(xì)帶水也不斷升高，使防空洞整個坍塌于地面；防空洞坍塌后，其周邊土性發(fā)生改變，當(dāng)建（構(gòu)）筑物距坍塌防空洞較近時，易使建（構(gòu)）筑物的地基土局部受影響，如含水量增大，濕陷和壓縮變形不均，從而影響樓體地基的局部穩(wěn)定。

    

     另一方面防空洞坍塌常發(fā)生在雨季，當(dāng)防空洞坍塌后，該處地勢低，若處理不及時，地表雨水易順勢灌入，加大地基濕陷地面坍塌危害。

 

    6.3 管道破裂

    場區(qū)管道主要沿道路或建筑物周邊，地基下陷不均、特別是防空洞坍塌，易造成管道破裂，大量的水滲漏，也會加劇地基進(jìn)一步濕陷變形。

(本文來源：陜西省土木建筑學(xué)會  文徑網(wǎng)絡(luò)：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)