复杂环境条件下地铁降水回灌系统设计与研究

许亮 欧志亮 郭高轩 沈媛媛 戚琦 南英华 芮小平

摘 要：针对北京市地铁丰益桥南站和丰益桥南站—终点区间施工降水回灌场地周边复杂环境，基于抽水试验、场地回灌试验、周边回灌试验等，从回灌池的深度、回灌井的深度、单井回灌水量、回灌井布置等方面设计了回灌系统。分别采用解析法和数值法检验了回灌系统方案的合理性，最终确定了以84眼小口径井和1眼大口井进行补充的回灌方案能满足施工降水排水需求。经实际运行显示，系统回灌总量7261×104 m3，实现了地铁降水排水100%资源性回灌。

关键词：复杂环境;丰益桥;地铁降水;回灌系统;数值模拟

Abstract： According to the complex environment around the construction precipitation recharge site at Fengyiqiao South Station and Fengyiqiao South Station-terminal section of Beijing Metro， the recharge system is designed from the aspects of recharge pool depth， recharge well depth， single well recharge amount and recharge well layout and based on the results of pumping test， site recharge test and peripheral recharge test. Analytical method and numerical method are used to test the rationality of the recharge system. Finally， it is determined that the recharge scheme supplemented by 84 wells and 1 large well can meet the demand of construction dewatering and drainage. The actual operation shows that the total recharge amount of the system is 7261×104 m3， with 100% resource recharge of subway precipitation and drainage realized. This enriches the engineering demonstration of precipitation recharge and is beneficial to protect the environment and save groundwater resources. It has great economic value and significance for Beijing， a big city with severe water shortage.

Keywords： complicated environment; Fengyi Bridge Subway; subway dewatering; recharge system

近年來，我国地铁建设十分迅速。据不完全统计，仅“十二五”期间，地铁线路新增1920 km，“十三五”期间城轨地铁快速发展，地铁长度约为“十二五”的3倍。截至2020年12月31日，全国（不含港澳台）共有44个城市开通运营城市轨道交通线路233条，运营里程7545.5 km，车站4660座（王洋，2021）。在地铁施工中，由于受施工技术限制，往往需要进行较大范围、长时间的降水工程，以确保施工安全、工程进度和工程质量。遗憾的是，以往绝大多数地铁施工降水多将降水排入市政工程排水系统（丁国洪，2020），部分无雨水收集系统的地区则直接排入生活用水系统，未进行回灌，增加了污水处理的载荷和污水处理的费用（牛景涛等，2004;王兆吉，2012;陈坚等，2016;刘久荣，2003;何满潮等，2002;孙颖等，2001;李怀正，2002），造成了水资源的极大浪费。

地铁降水工程具有规模大、排泄集中、排水场地有限、局部漏斗稳定等特点，水资源管理部门以及城建部门也时常面对降水抽取的地下水“白白”流走而无可奈何的尴尬。如北京城市地下水开采量占总供水量的2/3以上，“南水”进京后，地下水占总用水量的比例依然约为50%，但每年仍有约2亿m3的地铁施工降水白白流走（北京市水文地质工程地质大队，2017a）。如何科学合理地解决降水排水确保安全施工与保护珍贵地下水资源之间的矛盾，成为摆在诸多水文地质和工程地质工作人员面前的一道难题。

本文以丰益桥南站地铁站施工降水的实际情况，针对回灌场地小、回灌量大、回灌周期长的特点，采用了小口径井与大口井相结合的布井方案，运用解析法和数值法分别按最大降水排水量16×104 m3·d-1进行场地回灌，持续时间为1年，并进行了预测，检验了回灌方案的合理性，实际运行结果表明，设计的回灌系统能满足地铁降水，最终实现地下水百分百回灌地下。

1 降水工程概况

丰益桥南站和丰益桥南站—终点区间位于北京市丰台区。丰益桥南站为岛式车站，明挖主体结构为地下三/两层框架结构，车站有效站台中心里程为右SK29+551.279，轨面标高18.797 m。标准三层明挖段覆土约为4.6 m，底板埋深约27.5 m，明挖段标准段结构总宽23.1 m、总高22.9 m;标准两层明挖段覆土约10.8 m，底板埋深约27.5 m，明挖段标准段结构总宽23.1 m、总高16.85 m。车站总长269 m，两层明挖段长67.95 m，三层明挖段长201.05 m。底板底面标高14.628～14.555 m，丰益桥南站—终点区间自丰益桥南站北端引出，设置有正线及折返线共4条线，折返线段设有风井1座。风井为地下3层双跨结构，风井总长37.00 m。轨面标高17.998～17.925 m，底板埋深约29.112～29.775 m，底板底面标高14.628～14.555 m，标准段总宽14.30 m、总高24.12 m，丰益桥南站—终点区间在风井明挖结构施工完成后进行暗挖施工。

为保证工程顺利进行，降水要求水位控制在标高14.628～14.555 m。降水排水量约16×104 m3·d-1。依据工程降水施工方案，需要施工261眼降水井进行排水。按照北京市最严格水资源管理要求，为保护地下水资源，应将排水全部回灌地下。根据现场条件，拟在丰草河下游距站点0.5 km外采用河道或者回灌井来消纳降水排水量，最终实现降水排水全部回灌地下，排水周期为365 d。

2 回灌区概况

2.1 地质背景

回灌区位于永定河冲洪积扇的中部，为永定河冲洪积平原地貌。地形较为平坦，地面标高为40.2～44.97 m。该地区属于暖温带半干旱半湿润气候区，多年平均降水量572.5 mm，全年降水多集中在6—9月，其间降水量占年降水量的85%以上。降水工程南端丰草河属莲花河的一条支流，为季节性河流，起源于丰台五里店地区，经丰台镇、西三环在万泉寺铁路桥附近汇入莲花河，全长约7.8 km，河道流域面积22.1 km2。新丰草河在回灌区的地层划分為人工堆积层、第四纪新近沉积层及古近纪岩层3类，其中地表覆盖地层为人工堆积层（Q4ml），岩性主要为素填土、杂填土;第四纪新近沉积层（Q4al+pl）岩性主要为黏质粉土—砂质粉土、粉质黏土—黏土、细中砂、圆砾、细砂、砂质粉土、卵石、粉细砂组成;古近纪沉积岩（E）由全风化泥岩、强风化泥岩和强风化砾岩组成。

区域上第四系自西向东厚度逐渐增厚，岩性颗粒由粗变细。单层砂卵砾石含水层主要分布于丰台—西铁匠营一带，第四系厚度一般35～45 m，含水层渗透性能好，渗透系数75～500 m·d-1，单井出水量一般在5000 m3·d-1左右（图1和图2）。

2.2 回灌条件分析

（1）地铁施工场地周边最近的河道为老丰草河。丰益桥南站南端施工主体与老丰草河上开口净距约34.1 m。地铁施工区距离河道近，在降水井影响半径范围内，利用河道入渗会造成用电资源浪费，且按照降水方案会造成水位不能降至设计深度，引起地铁工程安全问题。

（2）距离降水区较远的河道为新丰草河，河道经整理与修葺，两侧不透水，仅底部透水。若采用河道入渗，则因为河道蓄存范围小，底部透水能力差，不能全部入渗地下。

（3）新丰草河河道内有丰台区高压线主线基站1座，长期蓄水易使高压线倒塌，进而造成丰台区全部断电，经济损失巨大。河道具有雨季排洪作用，若河道蓄水，则影响河道雨季行洪作用，造成的内涝，损失不可估量。故应采用地下水回灌。

（4）经现场调查，回灌场地两侧为城市雨水排水管道。回灌场地限制在宽14 m、长350 m的范围内。

（5）整个地铁降水排水工期为365 d。回灌具有回灌量大、回灌周期长、回灌场地小的特点。

3 方案设计

3.1 设计原则

降水回灌除满足一般降水规范要求外，还必须遵循以下原则：1）回灌井布置考虑对交通、周边环境的影响;2）管井布置应避开地下管线、地下构筑物、空中电缆，控制距桥梁、建筑物基础的距离符合相关产权单位的要求;3）尽量减少回灌井施工所占用的地面空间，减少拆迁工作量;4）尽量降低回灌工程成本;5）考虑对地下水资源的保护。

3.2 回灌设计

在充分考虑回灌场地复杂条件的基础上，根据抽水试验、现场回灌试验，结合以往资料将回灌方案设计如下：

（1）确定回灌池的深度（H）

地铁降水排水后，经沉淀，流入下游回灌区，出水口高程与回灌池距离520 m，地表高程差为1.2 m，水力坡度2.3‰，靠自流进入回灌池。根据回灌场地的具体情况，按照施工的规范和水力坡度，设计回灌池深度为5 m。

（2）确定回灌井的深度（h）

根据勘察结果，降水工程地区地下水水位埋深19.6～24.8 m，水位年变幅2～3 m，含水层富水性较好，整个工程区第四系厚度相对较薄，回灌井深度要求钻进至含水层底板，以利于地下水入渗。本次水井设计全部钻进至古近系0.5 m，井深约40 m。

（3）单井回灌水量确定（Q）

根据在回灌场地周边注水试验，在抽水场地内北部地区实施了两抽一灌的回灌试验，回灌井井深40 m，回灌延续时间8 h，静水位埋深 24.33 m，井管为水泥管，水泥管半径200 mm。在自然重力条件下回灌量为100 m3·h-1，8 h水位上升了9.42 m，水位埋深为14.91 m，地下水位近似稳定，故该区域单井的回灌量可达2400 m3·d-1。

按照现场回灌试验，参考附近地区抽水试验结果，区内渗透系数确定为200 m·d-1。根据现有地铁施工场地内成井工艺及水井条件，选择管径为529 mm的钢管，经计算单井回灌量理论值为48 750 m3·d-1。

参考场地周边的北京水源四厂回灌试验成果，水源四厂回灌井为直径529 mm的钢管，回灌量为2880 m3·d-1。试验初始水位埋深23.89 m，试验周期3个月，试验末期，水位上升了17.89 m，水位埋深为6 m。

综上，根据场地的井群迭加效应，考虑当前施工的技术、工期以及野外试验，采用80～100 m3·h-1，能基本满足水井入渗，而不引起水位高于水井口。由于实施群井回灌，整个回灌工程持续时间为365 d，有一定的衰减，故考虑采用最低值（80 m3·h-1）较保险，回灌量定为1920 m3·d-1。

（4）回灌井布置

根据地铁施工降水资料，本次回灌量为16×104 m3·d-1，受实际条件限制，回灌场地仅分布于新丰草河南岸，河道的红线范围，回灌场地与排水场地最近距离为520 m。回灌场地南北长14 m，东西长350 m。按步骤（3）中设计单井回灌量1920 m3·d-1，则水井数量为84眼。为了减少水井间干扰，井间距离尽量增大，布置回灌井为两排，各井间距为10 m，两侧分别距离回灌池南北界2 m。为了确保当小口径回灌井发生堵塞时，排水能够全部入渗，补充了1眼大口井（井径2 m，井深15 m），作为备用回灌井（图3）。

（5）回灌水位验算

1）解析法检验回灌水位

采用大井计算法，将已知数据代入Dupuit公式，求取回灌后终止水头hw。

潜水注水井Dupuit公式（1）。

式中，Q为注水井流量（m3·d-1），设计流量为16×104 m3·d-1;K为渗透系数（m·d-1），回灌区地层岩性以单层砂卵砾石为主，渗透系数取200 m·d-1;H 0为初始水头（m），为第四系厚度减去初始水位埋深，根据实测水位埋深，场区潜水含水层地下水位埋深19.45～25.5 m，本次计算选取最不利条件19.45 m进行计算;为终止水位埋深（m）;M为含水层厚度（m）;hw为终止水头（m），为含水层厚度减去终止水位埋深;R为影响半径（m）; rw为概化井（井群）半径（m），根据井位布置，井群概化半径为160 m。

计算结果见表1。说明在最不利条件下，排水量能全部回灌地下。

2）数值法

由于回灌场地狭小，回灌井与地铁施工降水井距离有限，回灌地区会形成局部水丘，降水井周边会形成较为稳定的降落漏斗，为检验回灌方案能否全部回灌，用数值模型进行了检验。

①模型概化

模拟区以降水井和抽水井群为中心，充分考虑井群影响半径，以远大于井群影响半径的东西向和南北向大约15 km的范围为研究对象。

对模拟区进行高度概化，假设第四系厚度为40 m，含水介质为均质各项同性。模型概化为一层，空间网格剖分为10 m×10 m的正方形网格，剖分为约1 440 000个网格。工作区域地下水流向为自西向东偏南，水力梯度为1.5‰。含水层渗透系数取200 m·d-1，并认为在回灌的全过程，其渗透系数保持不变，即不考虑回灌可能引起渗透系数减小或堵塞等情况。总回灌量为16×104 m3·d-1，单井回灌量取1920 m3·d-1，84眼回灌井。

以区域地下水流场为参考，划定模拟区边界（图1）。按照常年监测数据结果（北京市水文地质工程地质大队，2017b）模型西部边界（AB）为定水头边界，水头值为28～30 m，东南部边界（CD）为定水头边界，水头值为15 m。其余边界（BC、DE和AE）为零流量边界。用公式（3）描述水文地质概念模型：

式中，Ω为渗流区域;h为含水体的水位标高（m）;hr为混合边界的水位标高（m）;Kx、Ky、Kz分别为x，y，z方向的渗透系数（m·d-1）;S为自由面以下含水体释水率（m-1）;ε为源汇项（d-1）;h0为含水体的初始水位分布（m）;Γ1为含水体的一类边界;Γ2为渗流区域的侧向边界;Γ3为含水体的混合边界条件;Γ4为渗流区域的下边界，即承压含水体底部的隔水边界;为边界面的法线方向;q（x，y，z，t）为定义为二类边界的单位面积的流量（m·d-1），流入为正，流出为负，隔水边界为0。

②模拟结果

回灌量恒定为160 000 m3·d-1，回灌5 d后，井水位距离地面14.3 m;回灌365 d后，回灌井水位距离地面5.3 m。说明能全部回灌地下（表2、图4）。

综上，采用以上回灌系统能满足地铁降水全部回灌。

4 运行效果

回灌工程从2017年8月12日起正式回灌，截止2020年4月20日，共历时983 d，总回灌量7261×104 m3，平均日排水量为7.23×104 m3（图5）。地铁施工降水排水过程中水资源零外排，实现降水排水的100%回灌，实现了资源性回灌，节约了地下水源。

根据不连续监测结果，静水位为21.9 m，回灌后水位埋深最高为9.47 m。通过回灌过程2017年8月12日—2018年5月17日观测水位显示（图6），水位埋深基本大于9 m。说明在月回灌量为230×104 m3时，水位埋深大于10 m。通过对比2017年9月和2018年3月。2017年9月回灌量为186.4×104 m3，月平均水位埋深9.807 m，2018年3月回灌量为105.58×104 m3，月平均水位埋深12.63 m。回灌量降低80.82×104 m3，水位降低2.823 m。通过对比发现本次回灌平均回灌量仅7.23×104 m3。远低于设计的16×104 m3·d-1回灌量。在以后设计地下水回灌时要考虑实际施工过程，设计出合理的降水排水量，才能使设计的回灌井布局更加合理。

5 结论

地铁施工中降水排水量巨大，直接外排会造成巨大的水资源浪费，科学可行的回灌方案是一种有效解决工程施工和水资源管理矛盾的有效手段。在有限场地内进行精细试验是确定合理的回灌井井深、井间距和回灌方式的关键。解析法和数值法相结合能够进一步提高回灌区水位变化的预测精度，提高回灌方案的可靠性。丰益桥南站地区回灌工程历时983 d，总回灌量7261×104 m3，平均日排水量为7.23×104 m3，表明在冲洪积扇中上游的强渗透地层，有限场地内进行回灌方案优化设计，进行资源性百分百回灌是基本可行的。

参考文献：

北京市水文地质工程地质大队，2017a.  北京市地下水资源调查评价报告 [R].

北京市水文地质工程地质大队，2017b. 北京市平原区地下水水位监测报告（2016年）[R].

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