地铁建设对白沙古井的影响分析

彭柏兴

(长沙市勘测设计研究院，长沙 410007)

0 引言

城市地铁主要以地下线为主，对城市地下水环境的影响主要表现为:阻滞地下水的排泄、引起地下水位升降、诱发地表水体与地下水贯通，加重地下水的污染［1］;当隧道穿越城市古河道且与主要导水层重合时，导致区域地下水环境发生改变［2］;地下结构影响过水断面，地下水位局部壅高，对一些中、低层建筑物的安全和防水性能相对较差的地下室或地下停车场的正常使用造成一定影响［3］。

白沙井自古为“长沙第一泉”，对历史文化名城长沙有着特殊意义。长沙地铁1号线从白沙古井附近通过(见图1)，尽管有专家认为线路对白沙井基本没有影响［4］，但广大市民对当年“白沙井断流”记忆犹深，针对地铁工程对白沙古井的潜在影响反响很大［5-6］。文章在分析区域地质、水文地质资料基础上，厘定了白沙井含水层的分布范围和补给水源，分析了水量变化原因，对地铁1号线工程对白沙井的影响进行了探讨，提出了相应措施。

1 关于白沙井保护的论争及观点

1.1 建房之争

1999年，某单位拟在白沙井后白沙岭修建宿舍。市政府听取了地质专家和广大市民的意见及媒体呼吁［5］，宿舍停建。

1.2 断流之害

2001年，贺龙体育馆重建。人工挖孔桩穿透白沙井含水层，施工排水导致白沙井断流。后采用回灌手段恢复地下水位。

1.3 2种观点

文献［4］认为:白沙井附近的区间线路主要从含水层下的黏土和基岩中穿过，对白沙井基本没有影响。地铁1号线由芙蓉路改至黄兴中路转劳动路，恰恰体现了尊重“保护白沙井”的民意。

图1 地铁1号线与白沙井关系图Fig.1 Relationship between Metro line 1 and Baisha well

文献［6］认为:地铁1号线工程将古湘江主河槽的白沙井组含水层一分为二，导致水源层变窄，将出现无水可供局面。白沙井组含水层之下的地铁如同开了一条排水沟，最终可能导致“失去白沙井”，呼吁1号线局部改道。

2 白沙井的水文地质条件

2.1 区域地质特征与气象、水文

长沙地貌分为剥蚀构造丘陵与河流堆积阶地两类:北、西、南三面环山，中、东部为湘江、浏阳河阶地，阶地自南往北由老至新递降。

长沙属亚热带湿润季风气候区，多年平均降雨量1 394.6 mm，每年4—8月的降雨量约占全年80%。区内主要河流为湘江、浏阳河、捞刀河及靳江河，湘江由南而北纵贯城区，多年平均水位29.48 m，最大变幅达13.83 m，对市区地下水影响最大。

地铁沿线第四系地层具典型河流相二元结构，由粉质黏土和砂砾石组成，基底为白垩纪、泥盆纪及震旦纪岩层。地下水以砂砾层中的孔隙水为主，局部分布岩溶水，基岩裂隙水不甚发育。孔隙水具有埋藏浅、变幅小、季节性变化明显等特征，补、排、径流特点如下:

1)补给。补给源为大气降水、地表水入渗和地下径流。水平方向上由南往北、高阶地向低阶地;垂直向上，下伏土层接受上覆土层的渗透补给;

2)径流。高阶地的地下水向低阶地径流，低阶地的地下水向河谷径流，径流大致与河流方向垂直;

3)排泄。主要为泉、蒸发和人工开采。

2.2 地层结构

白沙井出露于湘江东岸Ⅲ级阶地中，从上而下分为4层:

1)粉质黏土。棕红、褐黄色，网纹结构，硬塑-坚硬状，渗透系数为0.24 m/d，厚度为4.0～9.5 m。

2)中粗砂。褐黄色，石英质，湿-饱和，松散-稍密，含黏土15% ～30%，透镜状分布，渗透系数5.0m/d，层厚为0.5～2.8 m。

3)卵石。灰黄、浅黄，中密-密实状，饱和。卵石含量50% ～70%，粒径2～5 cm、大者20～30 cm，次圆-圆状，中粗砂充填。渗透系数为20.0 m/d，层厚为5.6 m左右，最小3.0 m(见图2)。卵石层顶板标高最高58.10 m，最低54.22m，平均标高55m，为白沙井之含水层。

4)基岩。白垩纪泥质砂岩，胶结紧密，为隔水层。基岩顶板标高总体上由东向西倾斜，与地下水径流方向一致。

图2 砂卵石层厚度等值线图［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东侧砂卵石层被切割的斜坡地带，西侧地形较高，标高60.0～63.0 m;东为高达14 m的陡坎，坡底高程49.36～51.36 m。孔隙水在内迭阶地上由高阶地流向低阶地过程中，在沟谷切割较深部位以泉的形式排泄，为侵蚀下降泉(见图3)，泉口地表标高50.71 m。

图3 白沙井出露地层示意图Fig.3 Sketch of outcropping stratum of Baisha well

3 地铁工程对白沙井的影响分析

3.1 含水层的界定

白沙井组砂砾层是地下水的蓄水层和导水层，厘定白沙井含水层的分布范围十分必要。有的专家将白沙井补给范围桎梏于白沙路、人民路、芙蓉路、劳动路辖持的0.4 km2之内;一些专家则认为白沙井含水层南北向长数km，东西宽数百m到千余m［4］。上述观点忽视了新构造运动的抬升与掀斜对含水层厚度及分布的影响。文献［4］更是将中更统洞井铺组、新开铺组与白沙井组模糊化。

中新生代以来，湘中、湘北地区上地幔活动出现“三盆”隆起区(麻阳、洞庭、衡阳3盆地)，地壳厚度仅30 km。长沙地区位于洞庭、衡阳2个莫霍面隆起地区之间的洞庭坳陷南缘，由北往南，奠霍面隆起逐步下降，从而决定了长沙地区南升北降的运动模式。长沙第四系地层的沉积特征［7］表明:新开铺组与洞井铺组均为河流与湖泊交替出现的古地理环境的沉积物。砂砾石偏度分析结果反映新开铺组的水动力条件比较平稳，当时长沙地区可能为广阔湖面，丰水期可与古洞庭湖连通。白沙井组底部则为河流沉积，沉积物质来源主要是湘江及浏阳河两大水系，其底部的粗碎屑表明盆地周围有一段快速上升的历史。可见，白沙井组与新开铺组2个地质时期的新构造运动强度、幅度存在明显差异［8］。

区内基岩顶板等高线图(见图4)为上述观点提供了证据［9］:在白沙井附近基岩的标高为36 m左右，白沙井东侧贺龙体育馆台地的基岩标高46 m左右，往西于城南西路基岩标高在50 m以上，成为地下水径流的“阻水丁坝”。基面顶板标高等值线图表明，新构造运动形成的由南向北掀斜，形成了一个近SN-NW向的分水岭，地下径流并非完全的南北向。

3.2 地下水的补给来源与范围

城市地下水的补给主要有3种来源:大气降水、地表水输入和区外地下水输入［10］(见图5)。

根据监测资料，白沙井的泉水流量最大4.46 L/s，最小0.41 L/s，年平均流量为2.17 L/s。其水源主要为大气降水和地下径流，大气降水最终经下渗转化为地下径流。大气降水的补给范围可用降雨入渗系数法推测

Q年=1 000·α·F·A。

式中:Q年为泉流量，m3/a;A为多年平均降雨量，mm;F为补给面积，km2;α为降雨入渗系数，据经验取0.02。

由长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补给面积达2.45 km2。考虑城区建筑物和交通网络对真实补给面积的影响，且Ⅲ级阶地后缘砂卵石层和IV级阶地砂、卵石层有一定连通，其补给范围应延至南端的Ⅳ级阶地。

图4 场地附近基岩顶板等高线图Fig.4 Contour map of bedrock roof

图5 城市地下水补给及传输［10］Fig.5 Recharge sources and pathways of urban ground water

白沙井附近区域的等水位线图(见图6)反映了地形地貌对地下水流向的影响，区域地下水总体流向为自南向北，在白沙井区域则转向北西。

图6 白沙井附近的等水位线图Fig.6 Contour map of ground water level

3.3 水量的动态变化特征

长沙市环境监测站对白沙井的长期监测资料显示，13年前白砂古井的流量动态反应为明显的丰、枯水期，而目前白沙井的流量动态基本稳定在1～1.5 L/s，相对于13年前的数据，泉流量有变小的趋势(见图7)。无独有偶，湖南省地质环境监测总站设置在湘江二级阶地开福寺与湘雅路附近的鸳鸯井监测孔的地下水位动态也呈阶段性缓慢下降趋势(见图8)。观测井水量减少的根本原因是补给面的减少。

图7 白沙井地下水流量动态变化Fig.7 Time-dependent variation of groundwater flow of Baisha well

图8 鸳鸯井1999—2009年地下水水位动态变化Fig.8 Time-dependent variation of groundwater level of Yuanyang well from 1999 to 2009

3.4 地铁工程对白沙井水环境的影响

地铁工程对地下水环境的影响分为施工期间的影响和建成后的潜在影响。施工影响表现为施工降水和止水措施引发的地下水动力场和化学场变化;建成后的影响表现为影响地下水的过水面积和水力坡度，进而改变地下水径流条件。后者具有“滞后性”和“累积效应”［11］，更应引起重视。

3.4.1 车站基坑施工降水的影响长沙地铁站点均采用明挖施工，其前提必须降水或止水(见图9)。在白沙井水地下径流方向，上述观测井的水量减少的根本原因是补给面的减少。自南而北，有新建西路站(CK23+98)、赤黄路站(CK22+588)、南湖路站(CK21+732)和侯家塘站(CK20+672)，均在含水层中施工。故需考虑降水漏斗对白沙井水源的影响。工程施工降水影响范围可按下式估算

式中:r0为基坑等效半径，m;A为基坑面积，m2;K为渗透系数，m/d;S为降深，m。

图9 单一含水层围护结构示意图Fig.9 Retaining structure in single aquifer

当不采取隔水、止水措施时，以位于白沙井东南向约400 m的田汉大剧院的侯家塘站为例，其影响半径达 297.12 m，总涌水量 1 710.25 m3/d［12］。体育场扩建、田汉大剧院附近高层建筑基坑排水时，均造成白沙井水量干枯或减少，正是因为降落漏斗影响到白沙井补给源范围所致。

3.4.2 隧道结构对地下水径流的影响

隧道结构的主体全部位于潜水面以下，施工降水深度都在5 m以上。长距离、大降深的线状工程施工降水对环境产生的扰动是地铁工程需要考虑的重要问题之一。

地铁1号一期工程为水平间距在10～15 m、直径6 m的2条平行隧道。自芙蓉路向北，由新建西路站—赤黄路站—南湖路站—侯家塘站3个区间中，地面标高由75m—67m—68m—57m，含水层的坡降与地面标高基本一致，隧道大部分段需穿过白沙井组Q2b和新开铺组Q2x的砂卵石含水层，线路与地下径流相交。隧道结构在减少蓄水空间的同时也减少了地下水的过水断面。由公式Q=kωI(Q为单位时间内过水断面ω的流量，K为渗透系数，I为水力梯度)可知，假设渗透系数不因施工而改变，仅过水断面改变，地下水的流量也是不容忽视的。

若考虑地下水补给面积因城市建设造成的折减，隧道结构对整个含水层的过水面积的影响更显突出。

3.4.3 地下水壅高

车站基坑和隧道结构占据部分含水层，减小了地下水过水面积，使地下水的补给受阻而改变地下水的径流场。一般地，在迎水方向一侧，因径流受线路结构阻挡而使地下水位局部壅高，另一侧因接受补给量减少而使水头降低，减缓了水力坡度和流速，导致排泄泉点水量减少。

3.5 减缓地下水影响的措施

地铁隧道和车站对地下水径流的阻碍作用，可通过工程措施来有效减缓其对地下水的影响:

1)调整隧道底板标高，减少隧道和车站占据主要含水层厚度空间的比例。如在地下径流方向，尽可能将地铁工程置于非含水层中。

2)采用敷设涵管达到减轻地下水位“壅高”。

3)在明挖施工的车站和隧道区段，采用在顶部回填一定厚度透水的砂卵石层，以增加地下水的渗量，达到减少地下水位壅高影响。

4)区间优先采用盾构法施工，对站点采用地下连续墙隔水，基坑内外地下水无水力联系，可减少施工降水影响范围和程度。

4 结论

1)白沙井水来源于白沙井组，该地层受新构造的影响主要集中于二环线以南区域。对白沙井水源保护仅拘泥于井址附近有失偏颇。

2)监测资料表明白沙古井有下降趋势，其流量已无季节性变化规律，城市建设中的深大基坑大大减少了过水断面，地面硬化和城市化又大量削弱了地表径流的补给面积，地铁1号线的建设必然会加剧这一影响，采取预防措施是十分必要的。

3)长沙已于2007年被国务院批准为“两型社会”试验区，地下工程建设如何保证人与自然和谐是科学发展观的具体体现。在工程实践中，加强地下空间的工程地质、水文地质研究，是城市地下空间开发建设的基本保证。

［1］ 许劼，王国权，李晓昭.城市地下空间开发对地下水环境影响的初步研究［J］.工程地质学报，1999，7(1):15-19.(XU Jie，WANG Guoquan，LI Xiaozhao.A preliminary resarch on potential effect of underground enginneering on groundwater environment［J］.Journal of Engineering Geology，1999，7(1):15-19.(in Chinese))

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