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西北綜合勘察設計研究院  710003  西安；

      2長慶油田公司礦區服務事業部  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，由于水井數量和開采量的逐年劇增，地下水位的變化趨勢主要表現為不斷下降，引起了地面大范圍沉降，同時也加劇了地裂縫的活動，給城市規劃和建設帶來了較大的影響和危害。但自2001年開始黑河供水系統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關閉，西安市城市供水量其主導地位由地下水轉變為水庫地表水，近年來發現地下水位變化趨勢也發生了逆轉，水位開始回升，地裂縫活動減弱了，地質安全得到了保障，但由此卻產生了新的次生災害，如地下水位上升后黃土地基發生濕陷變形、基礎下形成飽和軟土引發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的影響進行探討。

 

2、超采地下水對城市建設的影響

    2000年以前的幾十年間，由于地下水的超采引發了西安市地面沉降和地裂縫地質災害的加劇。從初期五、六十年代，水井數量少，開采量也小，深度淺，地下水徑流補給，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，沉降區面積不斷擴大，累計沉降量大于50mm的面積，達到100km2；自八十年代中期以來，政府加強了地下水管理，新增水井數量顯著減少，承壓水井達到500眼，開采量基本穩定，地面沉降速率也趨于穩定，保持在80～100mm/a，地裂縫垂直位移速率也達到15～16mm/a。在這一時期內，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達到9.82～14.15，這從很大程度上破壞了地下水的采補平衡，地下水位大幅下降引發和加劇了環境地質災害，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外，潛水位也普遍下降，據統計1984～1993年間全市年平均下降30cm；全市有13條地裂縫復活，總長度約80km，影響面積155km2。    

   

    采地下水對城市建設的影響巨大。西安市的地面沉降與地裂縫的活動，在當時已構成災鏈效應，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排水不暢，污水外溢，更為嚴重的是地裂縫兩側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，給城市規劃建設帶來較大影響。

 

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單位和鄉村自備井，日供應量最大為62萬m3，日供水缺口達到了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，每天只能向市區供水8萬m3；96年底石頭河水進入曲江水廠；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。

 

    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災害的活動方面效果明顯，西安的供水系統已由原來的地下水為主逐步改變為以黑河引水工程地表水為主導地位的供水系統。

 

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年廠區內4個水源井被關閉，全部采用城市自來水，2004年6月至2008年5月初，院內先后13次發生了20處地面塌陷現象，普遍認為是場區管道年久失修滲漏所致，但一直沒有確認。07年11月僅針對對7號樓地基下陷處進行了勘察，08年5月西安自來水公司采用相關儀器對管道進行大范圍探測，滲漏現象不明顯，為此08年5月對場區水位進行了大范圍勘察，勘察時收集了場區1986～2001年之間的三村16^#樓、高檔織物車間、五村11^#樓等多個工項目的工程勘察報告，通過對原工程前后勘察時的穩定水位結果進行比較，發現場地穩定水位明顯升高，地下穩定水位標高平均上升了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測，場區水位變化見下圖1“場區多年來水位變化曲線（封停自備井前后）”。 從勘察結果和該圖可看出場區水源為自備井期間，水位基本上在1.5m范圍內波動，保持基本平衡，但自2001年以后至2008年間，封停了場區4個自備井，供水利用黑河等地表水后地下水位持續平均上升了4.5m,從目前來看還在繼續上升，只是上升的幅度有所減緩。  

   

    另外，根據西安市地下水部門2006年的地下水位監測資料，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上升。

5、水位上升變化的原因及發展趨勢

    通過分析認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系。一方面水井數量和開采量大幅減少，地下水開采量小于補給量，地下水位開始恢復；另一方面市政建設以供水、蓄水、調水為依托，通過對西安外圍八條河的改造，使之與城區的湖、池、水面等形成一個有機的河湖體系，地表水面被抬高后，地表水和地下水的聯系更加緊密，地下水位上升有了補給來源；另外由于城市建設迅速擴大，地面封閉效應使土壤蒸發量減少，大氣降水的增加、城市人為回灌、管網的滲漏補給等也是影響地下水徑流變化，引起水位上升的因素。

    

     根據圖1“西安黃土梁洼地貌與地下水徑流關系圖”，西安市以東為浐灞河，以西為皂河，市區人工湖或水面一般位于黃土洼地內，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，地下潛水位標高中間比兩側高，中部（勘察場地正好位于該部位）上升量要大于兩側；新建的大型人工湖（如曲江池）、水庫（如團結水庫）、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。當地下水位上升到補給與排泄（地下徑流、蒸發、開采、人工降水）相對平衡時水位將趨于穩定，如現在的興慶湖周邊地區水位較淺，且基本穩定。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濕陷性黃土地基發生濕陷變形、基礎下形成飽和軟土引發建筑地基下陷和樓體開裂、防空洞坍塌、管道開裂等問題。以大華場區的水位上升后發生的工程病害問題為例進行說明。

 

    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^#探井試驗資料為依據，  2000年12月水位標高為393.64m，2008年5月水位標高為398.94m，水位上升了5.3m。計算出水位上升后將發生濕陷變形155.4mm，具體計算過程見表6.1“水位上升段濕陷量計算表”。

 

    由于原建筑在設計時西安地下水位正處于基本穩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 δsi	修正系數 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和位置不斷抬高，使地基強度降低，地基的不均勻沉降變形，使樓基礎和主體結構產生變形裂紋。一般中間下沉量較大，容易在樓兩側產生差異變形，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重的7號樓等采取坑式靜壓托換樁進行了地基加固，效果較好。

 

    6.2 地面塌陷

    地面塌陷主要為場區的防空洞，位置沿過去的防空洞走向分布，通過了解場區各塌陷點的具體情況，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	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	小區廣場東側	2004年6～4月雨后	深4～6m，用土夯填
3	廣場西側	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	廠區西門北側	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	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，特別是當時未加固的防空洞，洞室浸水坍塌后，洞內水位又突然上升，黃土中大孔隙，水位以上的毛細帶水也不斷升高，使防空洞整個坍塌于地面；防空洞坍塌后，其周邊土性發生改變，當建（構）筑物距坍塌防空洞較近時，易使建（構）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定。

    

     另一方面防空洞坍塌常發生在雨季，當防空洞坍塌后，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，也會加劇地基進一步濕陷變形。

(本文來源：陜西省土木建筑學會  文徑網絡：文徑 尹維維 編輯  劉真 審核)