村莊地下水上升因素分析與綜合治理應用

郭 鑫，閆秀英，隋明昊

（1.山西冶金巖土工程勘察有限公司，山西 太原 030002；2.建研院檢測中心有限公司，北京 100013）

0 引言

山西省某村莊近十多年來發生地下水位明顯上升現象，引起村民地窖淹沒，院落冒水，部分房屋地基不均勻沉降，房屋墻體開裂，嚴重影響著居民人身安全及正常的生產生活。通過設置引潛流工程外排地下水、設置止水帷幕堵、截地下水、設置降水井、開挖人工渠疏通水流多種手段并舉，達到良好的治理效果，可為同類工程提供參考。

1 工程目的

通過開展村莊區域水文地質勘查，查明地下水水位上升原因，以及區域地下水補給、徑流、排泄特征，提出經濟有效、科學合理的治理方案，為地方政府解決人民群眾的急事難事，保護人民生命財產安全提供科學依據。

2 水文地質調查

該村以南分布多處尾礦庫，在對尾礦庫調查中發現部分尾礦庫存在安全隱患或對周邊環境存在明顯影響，現對發現問題簡述如下。

2.1 尾礦庫壩體裂縫、塌陷

尾礦庫壩體多采用二期筑壩法，即包括初期壩和后期壩兩部分，初期壩多采用土石壩，后期壩是利用尾礦砂在初期壩上筑壩加高，即隨著庫區尾礦砂堆放，不斷加高壩體，這種筑壩方法簡單易行，費用低，但壩體固結度偏低、孔隙比大、含水量高、壩體強度低，不利于壩體穩定。調查過程中發現，部分尾礦庫壩體頂部已發生裂縫，最長 50 m，寬度最大 10 cm，有進一步向臨空面移動、滑動的趨勢，穩定性較差。

2.2 尾礦庫滲漏

尾礦庫的尾礦床起沉淀池的作用，通常在庫尾形成大小不一的積水塘，選礦廠廢水在此簡單沉淀、澄清后，再抽取排放。代縣程晉鐵礦二選廠距離某村住宅區最近處約 150 m，處于某村地下水上游區域，尾礦庫有上下兩處積水塘，下部有排水和滲漏的水體，冬季部分區域凍結成冰，選礦廢水一部分沿溝渠排放，一部分直接下滲補給地下水。

3 水文地質鉆探

3.1 地層巖性

根據本次勘探采樣所揭露的地層情況，按地層沉積年代（2）、成因類型，將場地勘探范圍內的地層主要劃分為 4 層，有第四系全新統沖洪積物，新近人工堆積物 Q4；第四系上更新統沖洪積、坡積物（Q3）；下伏基巖為變質巖。

場地西側，北側粉細砂呈連續性，地下水具有承壓性；南側，東側粉細砂呈透鏡體形式，如圖1 所示。

圖1 地質剖面圖

3.2 水文地質試驗

該村水位整體為東南高，西北側低。該村地面標高 843.57～853.27 m，房屋區地下水位埋深1.5～8.53 m，水位標高 838.842～851.749 m，勘察期間為平水期-枯水期，據調查，豐水期村中低洼處地下水位可至地面，較 2012 年建尾礦庫前水位上升 3～4 m。通過野外試驗，了解巖土層的水文地質參數，評價其滲透性等特征。

3.2.1 抽水試驗

按照規范表 B.1.1 中潛水非完整孔的公式計算滲透系數。滲透系數K計算如式（1）所示。

式中：K為滲透系數，m/d；Q為穩定流量，m3/d；S為抽水井降深，m；L為濾水管長度，m；r為抽水井半徑，m。

影響半徑（R）計算如式（2）所示。

式中：R為影響半徑，m；H為含水層厚度，m。

經計算，兩組抽水試驗成果匯總表如表1 所示。

表1 抽水試驗計算成果表

由計算成果可知，某村南部上層孔隙含水層滲透系數為 0.045～0.077 m/d，平均值為 0.061 m/d，即 7.06×10-5cm/s，屬于弱透水土體。

3.2.2 注水試驗

根據《水文地質手冊》提出的計算方法計算試驗段巖土體滲透系數。試驗巖土層的滲透系數應按式（3）計算。

式中：K為試驗巖土層的滲透系數，cm/min；A為形狀系數，計算公式參照《水文地質手冊》表11-3-2，采用公式：A=5.5r；H1、H2為在試驗時間t1、t2時的試驗水頭，cm；t1、t2為注水試驗某一時刻的試驗時間，min。

經過將試驗數據整理后計算，各組注水試驗成果匯總如表2 所示。

表2 注水試驗成果匯總表

3.2.3 壓水試驗［1］

1）透水率。試段透水率采用壓力值和流量值按式（4）計算。

式中：q為試段透水率，Lu，取兩位有效數字；L為試段長度，m；Q為計算流量，L/min；p為試段壓力，MPa。

2）滲透系數k。試段位于地下水位以下，透水性較?。╭＜10 Lu）、P-Q曲線為層流時，巖體滲透系數計算見式（5）。

式中：k為滲透系數，m/d；Q為壓入流量，m3/d；H為試驗水頭，m；r為鉆孔半徑，m。

經過將試驗數據整理后計算，各組壓水試驗成果匯總如表3 所示。根據壓水試驗成果可以看出，尾礦庫前沿勘查區基巖上部透水性為微透水～中等透水，透水率 0.57～18.08 Lu，平均值為 5.93 Lu，滲透系數為 0.07～0.22 m/d，平均值為 0.11 m/d，裂隙系數0.4～0.6，節理較發育。

表3 壓水試驗成果匯總表

3.3 水質分析

本次工作共采取 7 組地下水水樣及 1 組尾礦庫水樣進行全分析，檢測項目包括 pH 值總硬度、鉀、鈉、鈣、鎂、鐵、鋁、銨的含量以及氯化物、硫酸鹽、碳酸鹽、重碳酸鹽、硝酸鹽、亞硝酸鹽的含量等。

水質全分析測試數據質量可靠，符合技術規范要求。水化學類型成果如表4 所示。

從檢測結果可知，地下水礦化度均＜1.5 g/L，屬于淡水。水化學類型基本符合地下水自基巖山區至洪積扇前緣的礦化作用過程，地下水中 HCO3-、Mg2+含量均較高，與當地變質巖區鋁酸鹽礦物、含鎂礦物溶濾作用有關，說明某村地下水與上游基巖山區潛水、尾礦庫滲水具有水力聯系。

根據水樣檢測報告，8 組水樣中 Fe3+離子檢測成果如表5 所示。檢測成果中有 6 組含量均<0.04 mg/L。程晉尾礦庫（SYWK1-1）內 Fe3+離子含量為 0.09 mg/L，某村住宅區南，在 CZ06 鉆孔位置附近水井水樣內 Fe3+離子含量為 0.06 mg/L，說明某村南部地下水與程晉尾礦庫水有補給關系，存在水力聯系。

表5 Fe3+離子檢測成果表

4 地下水上升原因分析

引起地下水位上升的原因是多種因素：一是自然因素，二是人為因素。自然因素是大氣降水，人為因素是尾礦庫的建設、運行。

4.1 自然因素

4.1.1 大氣降水

據氣象局資料顯示該縣，本區 1967－1990 年平均降雨量 433.4 mm，1991－2009 年多年平均降雨量420.8 mm，2010－2020 年年均降雨量 449.89 mm，在 2005 年以前豐水年該村地下水位也在緩慢上升。大氣降水是地下水的補給來源之一，但對該村長期地下水水位抬升影響甚微。

4.1.2 地形地貌及地層巖性

該村房屋住宅區地貌單元屬于洪積扇前緣及河流階地上，處于地貌巖性分帶區域，經過本次勘查，工作區地層巖性以及含水層特征基本符合該地貌的沉積特征。

該村南部屬于洪積扇上部，多為礫石、卵石、漂礫，沉積不顯層理，僅在其間所夾細粒層中顯示層理。粗大的顆粒直接出露地表，或僅覆蓋薄土層，十分有利于吸收降水及山區匯流的地表水，是地下水主要補給區。此帶巖土層有一定的透水性，地形坡降大，地下徑流較強烈，地下水的礦化度較低。

向下至該村住宅區域，隨著地形變緩、地層為黏性土與砂的互層，顆粒變細，透水性變差，地下徑流受阻，上游補給量增大，潛水位上升幅度增大，以致溢出地表。

4.2 人為因素

4.2.1 尾礦庫建設

該村以南洪積扇及溝谷中分布多處尾礦庫，所屬企業共 7 家，尾礦庫選址多位于沖溝中上部，改變了原始的地形地貌，尾礦庫內部尾砂、尾礦并未完全壓實，內部空隙大、孔隙率高，容水度大于原始地層，間接增大了大氣降水對地下水的滲透補給量。尾礦庫同時也阻隔或減緩了大氣降水的排泄，外部尾礦庫坡度設計不合理，均造成該村地下水上游區域大氣降水入滲量增大。另外，尾礦庫在排放尾砂時，因未做好防滲處理，選礦排水或沉淀池排水也增加了對地下水的補給。

在 Fe3+離子檢測分析后發現，程晉尾礦庫內 Fe3+離子含量為 0.09 mg/L，該村住宅區南附近水井內 Fe3+離子含量為 0.06 mg/L，說明該村南部地下水與程晉尾礦庫水有補給關系，存在水力聯系。

因此，尾礦庫的建設和運營中，對地形地貌的改變以及壩體底部滲漏，均直接或間接地增大了地下水的補給來源，是造成該村地下水上升的主要原因。

4.2.2 農業及生活排水

該村周邊多為旱作農田，農業灌溉及生活排水是地下水補給來源之一，但影響甚微，不會造成地下水區域性抬升。

綜上所述，尾礦庫的建設運營，改變了原始地形地貌形態，壩體底部滲漏增大了地下水的補給來源。尾礦庫改變了原有地表降水、地下水補給、徑流、排泄條件，使山前洪積扇經過該村的地下水量增大。尾礦庫是該村地下水位上升的主要原因［2］。

5 多種治理方案并舉

5.1 本次治理原則

針對該村工作區水文地質條件，結合以往治理方案的經驗教訓，本次治理原則為“因地制宜，技術可行，經濟安全，快速高效”，改善受災區地質環境，降低地下水水位，基本恢復工作區正常的生活地質環境。

5.2 治理措施

根據該村水位上升誘發的災害現狀，工作區宜采用“堵排結合，綜合治理”的技術方法，如圖2～圖4 所示，工程包括以下三部分。

圖2 治理措施平面布置圖

圖3 降水井設計圖（單位：mm）

圖4 引潛流工程管涵（單位：mm）

5.2.1 設置引潛流工程外排地下水

排水工程為降低該村地下水水位，現計劃對村莊上游做排水工程。該村排水工程主要包括截潛流工程、蓄水池及排水管線工程。其中截潛流范圍為該村南側村東至村西，長度 900 m，截潛流上游為來水面，下游做防滲處理，在開挖深度范圍內阻斷了地下水流入村莊的可能，從而降低該村的地下水水位。潛流水量集中至蓄水池處，經泵站泵送至排水管線，將潛水排入排水渠，村北 X118 高蘇線公路側為人工排水渠，渠寬 3 m，深約 1.5～2.0 m，將地下水排向村外。

本建筑物分為兩期建筑，一期工程主要建設內容包括新建樁號 0+607-0+900 段截、引潛流工程，蓄水池工程和樁號 0+908.3-1+500 段排水工程；二期工程主要建設內容包括新建樁號 0+000-0+607 段截、引潛流工程。

1）樁號 0+0 0-0+90 0 段截、引潛流工程。樁號 0+00～0+900 段截、引潛流工程，采用開挖截、流槽后鋪設復合土工膜截流，利用無砂混凝土管將水流引出的方式進行。

截流槽開挖深度 10～13 m，開挖底寬 3.5 m，上游側開挖坡度 1∶0.75，下游側開挖坡度 1∶1.5；下游側采用 400g/0.5 mm/400 g 復合土工膜（兩布一膜）進行截水防滲，復合土工膜上層 1.0 m 內采用開挖料回填，防止其被砂礫石碾壓破壞；截流槽底部采用砂礫石回填，厚 0.5 m，因其作為無砂混凝土的基礎，其回填相對密度不應低于 0.75；其上布設一條直徑 600 mm 無砂混凝土管道進行引流，管道長度 900 m，坡度與地面高差一致，采用 0.4 % 管座，采用 C15 素混凝土進行澆筑，為使管道更有效引水，周邊采用砂礫石回填，頂部 3.0 m 及管上 2.5 m 下游側范圍內采用開挖料回填，管道末端引水至村西南角新建的 250 m3/蓄水池中。

2）新建蓄水池。新建的 250 m3/蓄水池采用 C30 鋼筋混凝土結構，蓄水池凈內徑 7.5 m，池凈高 5.6 m，池壁及池底厚 0.4 m，池壁頂上砌筑 1.5 m 高 24 mm 磚墻與頂面齊平后采用彩鋼房屋頂進行封閉。內設一臺 WQ150-12-11 污水潛水泵。

3）樁號 0+908.3-1+500 段排水工程。管道最大埋深約 5 m，管道直徑 500 mm，采用環剛度等級為 SN8 的 PE 雙壁波紋管，長度 592 m，將水流排入村西現有的排水渠。

5.2.2 設置止水帷幕堵、截地下水

沿該村東、南、西周邊做止水帷幕［3］，深度 20～28 m。通過改變地下水徑流、排泄途徑，使 30 m 上層地下水不再流經該村住宅區域。

三軸攪拌樁設計參數如下。①本工程場地內屬地下水補給—徑流區，地下水類型按埋藏條件劃分主要為潛水，按含水層孔隙性質劃分為松散巖類孔隙水。三軸水泥土攪拌樁，樁徑為 850 mm，間距為 600 mm，樁長為 20～28 m，采用三軸攪拌樁設備進行施工，采用套接一孔法施工，采用二噴二攪的施工工藝，確保在樁體范圍內必須做到水泥攪拌均勻。②三軸水泥土攪拌樁水泥采用 425 級普通硅酸鹽水泥，水灰比為 1.5～2.0，水泥摻入比為被加固土重量（土重）的約 20 %，單位加固土體體積的水泥用量即為 360 kg。

5.2.3 設置降水井、開挖人工渠疏通水流及

設置止水帷幕形成后，在村內布設降水井，井深 15 m，抽排村莊范圍內地下水，使水位下降 6～7 m，恢復到以前正常生態水位。

1）降水井。降水井采用管井井點降水，井徑 0.7 m，采用直徑為 0.4 m 濾水管，濾料應采用潔凈的濾砂d=3～5 mm，不均勻系數＜2。底部 2 m 為沉砂管，應采用不透水管。

2）場地設置 6 口觀測井，進行長期水位觀測。以枯水期水位為基準，平水期、豐水期水位上升超過枯水期水位 2 m 以上，方可啟動降水設備。豐水期降水應采取間歇式抽水，每日抽水總時間不宜＞4 h，防止因降水井急速降水，引起房屋基礎變形沉降，地面沉降。

3）村東沖溝、村西為人工開挖渠、村北人工排水渠，及時對溝渠修繕、疏通，增強降雨及生活用水向村外排泄。

6 結語

1）尾礦庫的建設與運行改變了原始地形地貌，也改變了降水、地下水補給、徑流、排泄條件，使山前洪積扇經過該村的地下水量增大，抬升了地下水位。此外，各尾礦庫先期“濕排”工藝期間，壩體上部廢水滲流補給地下水，也增大了地下水的補給量。

2）村莊地下水上升治理工程方案采用“堵排結合、綜合治理”方案，截潛排水工程有效疏散了上層來水，止水帷幕的設置起到隔水，增長滲流途徑的目的，有組織地采用管井降水，抽排村莊范圍內地下水，使水位下降 6～7 m，恢復到以前正常生態水位。保證了村民的人身安全及正常的生產生活。Q