村庄地下水上升因素分析与综合治理应用

郭 鑫，闫秀英，隋明昊

（1.山西冶金岩土工程勘察有限公司，山西 太原 030002；2.建研院检测中心有限公司，北京 100013）

0 引言

山西省某村庄近十多年来发生地下水位明显上升现象，引起村民地窖淹没，院落冒水，部分房屋地基不均匀沉降，房屋墙体开裂，严重影响着居民人身安全及正常的生产生活。通过设置引潜流工程外排地下水、设置止水帷幕堵、截地下水、设置降水井、开挖人工渠疏通水流多种手段并举，达到良好的治理效果，可为同类工程提供参考。

1 工程目的

通过开展村庄区域水文地质勘查，查明地下水水位上升原因，以及区域地下水补给、径流、排泄特征，提出经济有效、科学合理的治理方案，为地方政府解决人民群众的急事难事，保护人民生命财产安全提供科学依据。

2 水文地质调查

该村以南分布多处尾矿库，在对尾矿库调查中发现部分尾矿库存在安全隐患或对周边环境存在明显影响，现对发现问题简述如下。

2.1 尾矿库坝体裂缝、塌陷

尾矿库坝体多采用二期筑坝法，即包括初期坝和后期坝两部分，初期坝多采用土石坝，后期坝是利用尾矿砂在初期坝上筑坝加高，即随着库区尾矿砂堆放，不断加高坝体，这种筑坝方法简单易行，费用低，但坝体固结度偏低、孔隙比大、含水量高、坝体强度低，不利于坝体稳定。调查过程中发现，部分尾矿库坝体顶部已发生裂缝，最长 50 m，宽度最大 10 cm，有进一步向临空面移动、滑动的趋势，稳定性较差。

2.2 尾矿库渗漏

尾矿库的尾矿床起沉淀池的作用，通常在库尾形成大小不一的积水塘，选矿厂废水在此简单沉淀、澄清后，再抽取排放。代县程晋铁矿二选厂距离某村住宅区最近处约 150 m，处于某村地下水上游区域，尾矿库有上下两处积水塘，下部有排水和渗漏的水体，冬季部分区域冻结成冰，选矿废水一部分沿沟渠排放，一部分直接下渗补给地下水。

3 水文地质钻探

3.1 地层岩性

根据本次勘探采样所揭露的地层情况，按地层沉积年代（2）、成因类型，将场地勘探范围内的地层主要划分为 4 层，有第四系全新统冲洪积物，新近人工堆积物 Q4；第四系上更新统冲洪积、坡积物（Q3）；下伏基岩为变质岩。

场地西侧，北侧粉细砂呈连续性，地下水具有承压性；南侧，东侧粉细砂呈透镜体形式，如图1 所示。

图1 地质剖面图

3.2 水文地质试验

该村水位整体为东南高，西北侧低。该村地面标高 843.57～853.27 m，房屋区地下水位埋深1.5～8.53 m，水位标高 838.842～851.749 m，勘察期间为平水期-枯水期，据调查，丰水期村中低洼处地下水位可至地面，较 2012 年建尾矿库前水位上升 3～4 m。通过野外试验，了解岩土层的水文地质参数，评价其渗透性等特征。

3.2.1 抽水试验

按照规范表 B.1.1 中潜水非完整孔的公式计算渗透系数。渗透系数K计算如式（1）所示。

式中：K为渗透系数，m/d；Q为稳定流量，m3/d；S为抽水井降深，m；L为滤水管长度，m；r为抽水井半径，m。

影响半径（R）计算如式（2）所示。

式中：R为影响半径，m；H为含水层厚度，m。

经计算，两组抽水试验成果汇总表如表1 所示。

表1 抽水试验计算成果表

由计算成果可知，某村南部上层孔隙含水层渗透系数为 0.045～0.077 m/d，平均值为 0.061 m/d，即 7.06×10-5cm/s，属于弱透水土体。

3.2.2 注水试验

根据《水文地质手册》提出的计算方法计算试验段岩土体渗透系数。试验岩土层的渗透系数应按式（3）计算。

式中：K为试验岩土层的渗透系数，cm/min；A为形状系数，计算公式参照《水文地质手册》表11-3-2，采用公式：A=5.5r；H1、H2为在试验时间t1、t2时的试验水头，cm；t1、t2为注水试验某一时刻的试验时间，min。

经过将试验数据整理后计算，各组注水试验成果汇总如表2 所示。

表2 注水试验成果汇总表

3.2.3 压水试验［1］

1）透水率。试段透水率采用压力值和流量值按式（4）计算。

式中：q为试段透水率，Lu，取两位有效数字；L为试段长度，m；Q为计算流量，L/min；p为试段压力，MPa。

2）渗透系数k。试段位于地下水位以下，透水性较小（q＜10 Lu）、P-Q曲线为层流时，岩体渗透系数计算见式（5）。

式中：k为渗透系数，m/d；Q为压入流量，m3/d；H为试验水头，m；r为钻孔半径，m。

经过将试验数据整理后计算，各组压水试验成果汇总如表3 所示。根据压水试验成果可以看出，尾矿库前沿勘查区基岩上部透水性为微透水～中等透水，透水率 0.57～18.08 Lu，平均值为 5.93 Lu，渗透系数为 0.07～0.22 m/d，平均值为 0.11 m/d，裂隙系数0.4～0.6，节理较发育。

表3 压水试验成果汇总表

3.3 水质分析

本次工作共采取 7 组地下水水样及 1 组尾矿库水样进行全分析，检测项目包括 pH 值总硬度、钾、钠、钙、镁、铁、铝、铵的含量以及氯化物、硫酸盐、碳酸盐、重碳酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐的含量等。

水质全分析测试数据质量可靠，符合技术规范要求。水化学类型成果如表4 所示。

从检测结果可知，地下水矿化度均＜1.5 g/L，属于淡水。水化学类型基本符合地下水自基岩山区至洪积扇前缘的矿化作用过程，地下水中 HCO3-、Mg2+含量均较高，与当地变质岩区铝酸盐矿物、含镁矿物溶滤作用有关，说明某村地下水与上游基岩山区潜水、尾矿库渗水具有水力联系。

根据水样检测报告，8 组水样中 Fe3+离子检测成果如表5 所示。检测成果中有 6 组含量均<0.04 mg/L。程晋尾矿库（SYWK1-1）内 Fe3+离子含量为 0.09 mg/L，某村住宅区南，在 CZ06 钻孔位置附近水井水样内 Fe3+离子含量为 0.06 mg/L，说明某村南部地下水与程晋尾矿库水有补给关系，存在水力联系。

表5 Fe3+离子检测成果表

4 地下水上升原因分析

引起地下水位上升的原因是多种因素：一是自然因素，二是人为因素。自然因素是大气降水，人为因素是尾矿库的建设、运行。

4.1 自然因素

4.1.1 大气降水

据气象局资料显示该县，本区 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 年以前丰水年该村地下水位也在缓慢上升。大气降水是地下水的补给来源之一，但对该村长期地下水水位抬升影响甚微。

4.1.2 地形地貌及地层岩性

该村房屋住宅区地貌单元属于洪积扇前缘及河流阶地上，处于地貌岩性分带区域，经过本次勘查，工作区地层岩性以及含水层特征基本符合该地貌的沉积特征。

该村南部属于洪积扇上部，多为砾石、卵石、漂砾，沉积不显层理，仅在其间所夹细粒层中显示层理。粗大的颗粒直接出露地表，或仅覆盖薄土层，十分有利于吸收降水及山区汇流的地表水，是地下水主要补给区。此带岩土层有一定的透水性，地形坡降大，地下径流较强烈，地下水的矿化度较低。

向下至该村住宅区域，随着地形变缓、地层为黏性土与砂的互层，颗粒变细，透水性变差，地下径流受阻，上游补给量增大，潜水位上升幅度增大，以致溢出地表。

4.2 人为因素

4.2.1 尾矿库建设

该村以南洪积扇及沟谷中分布多处尾矿库，所属企业共 7 家，尾矿库选址多位于冲沟中上部，改变了原始的地形地貌，尾矿库内部尾砂、尾矿并未完全压实，内部空隙大、孔隙率高，容水度大于原始地层，间接增大了大气降水对地下水的渗透补给量。尾矿库同时也阻隔或减缓了大气降水的排泄，外部尾矿库坡度设计不合理，均造成该村地下水上游区域大气降水入渗量增大。另外，尾矿库在排放尾砂时，因未做好防渗处理，选矿排水或沉淀池排水也增加了对地下水的补给。

在 Fe3+离子检测分析后发现，程晋尾矿库内 Fe3+离子含量为 0.09 mg/L，该村住宅区南附近水井内 Fe3+离子含量为 0.06 mg/L，说明该村南部地下水与程晋尾矿库水有补给关系，存在水力联系。

因此，尾矿库的建设和运营中，对地形地貌的改变以及坝体底部渗漏，均直接或间接地增大了地下水的补给来源，是造成该村地下水上升的主要原因。

4.2.2 农业及生活排水

该村周边多为旱作农田，农业灌溉及生活排水是地下水补给来源之一，但影响甚微，不会造成地下水区域性抬升。

综上所述，尾矿库的建设运营，改变了原始地形地貌形态，坝体底部渗漏增大了地下水的补给来源。尾矿库改变了原有地表降水、地下水补给、径流、排泄条件，使山前洪积扇经过该村的地下水量增大。尾矿库是该村地下水位上升的主要原因［2］。

5 多种治理方案并举

5.1 本次治理原则

针对该村工作区水文地质条件，结合以往治理方案的经验教训，本次治理原则为“因地制宜，技术可行，经济安全，快速高效”，改善受灾区地质环境，降低地下水水位，基本恢复工作区正常的生活地质环境。

5.2 治理措施

根据该村水位上升诱发的灾害现状，工作区宜采用“堵排结合，综合治理”的技术方法，如图2～图4 所示，工程包括以下三部分。

图2 治理措施平面布置图

图3 降水井设计图（单位：mm）

图4 引潜流工程管涵（单位：mm）

5.2.1 设置引潜流工程外排地下水

排水工程为降低该村地下水水位，现计划对村庄上游做排水工程。该村排水工程主要包括截潜流工程、蓄水池及排水管线工程。其中截潜流范围为该村南侧村东至村西，长度 900 m，截潜流上游为来水面，下游做防渗处理，在开挖深度范围内阻断了地下水流入村庄的可能，从而降低该村的地下水水位。潜流水量集中至蓄水池处，经泵站泵送至排水管线，将潜水排入排水渠，村北 X118 高苏线公路侧为人工排水渠，渠宽 3 m，深约 1.5～2.0 m，将地下水排向村外。

本建筑物分为两期建筑，一期工程主要建设内容包括新建桩号 0+607-0+900 段截、引潜流工程，蓄水池工程和桩号 0+908.3-1+500 段排水工程；二期工程主要建设内容包括新建桩号 0+000-0+607 段截、引潜流工程。

1）桩号 0+0 0-0+90 0 段截、引潜流工程。桩号 0+00～0+900 段截、引潜流工程，采用开挖截、流槽后铺设复合土工膜截流，利用无砂混凝土管将水流引出的方式进行。

截流槽开挖深度 10～13 m，开挖底宽 3.5 m，上游侧开挖坡度 1∶0.75，下游侧开挖坡度 1∶1.5；下游侧采用 400g/0.5 mm/400 g 复合土工膜（两布一膜）进行截水防渗，复合土工膜上层 1.0 m 内采用开挖料回填，防止其被砂砾石碾压破坏；截流槽底部采用砂砾石回填，厚 0.5 m，因其作为无砂混凝土的基础，其回填相对密度不应低于 0.75；其上布设一条直径 600 mm 无砂混凝土管道进行引流，管道长度 900 m，坡度与地面高差一致，采用 0.4 % 管座，采用 C15 素混凝土进行浇筑，为使管道更有效引水，周边采用砂砾石回填，顶部 3.0 m 及管上 2.5 m 下游侧范围内采用开挖料回填，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 钢筋混凝土结构，蓄水池净内径 7.5 m，池净高 5.6 m，池壁及池底厚 0.4 m，池壁顶上砌筑 1.5 m 高 24 mm 砖墙与顶面齐平后采用彩钢房屋顶进行封闭。内设一台 WQ150-12-11 污水潜水泵。

3）桩号 0+908.3-1+500 段排水工程。管道最大埋深约 5 m，管道直径 500 mm，采用环刚度等级为 SN8 的 PE 双壁波纹管，长度 592 m，将水流排入村西现有的排水渠。

5.2.2 设置止水帷幕堵、截地下水

沿该村东、南、西周边做止水帷幕［3］，深度 20～28 m。通过改变地下水径流、排泄途径，使 30 m 上层地下水不再流经该村住宅区域。

三轴搅拌桩设计参数如下。①本工程场地内属地下水补给—径流区，地下水类型按埋藏条件划分主要为潜水，按含水层孔隙性质划分为松散岩类孔隙水。三轴水泥土搅拌桩，桩径为 850 mm，间距为 600 mm，桩长为 20～28 m，采用三轴搅拌桩设备进行施工，采用套接一孔法施工，采用二喷二搅的施工工艺，确保在桩体范围内必须做到水泥搅拌均匀。②三轴水泥土搅拌桩水泥采用 425 级普通硅酸盐水泥，水灰比为 1.5～2.0，水泥掺入比为被加固土重量（土重）的约 20 %，单位加固土体体积的水泥用量即为 360 kg。

5.2.3 设置降水井、开挖人工渠疏通水流及

设置止水帷幕形成后，在村内布设降水井，井深 15 m，抽排村庄范围内地下水，使水位下降 6～7 m，恢复到以前正常生态水位。

1）降水井。降水井采用管井井点降水，井径 0.7 m，采用直径为 0.4 m 滤水管，滤料应采用洁净的滤砂d=3～5 mm，不均匀系数＜2。底部 2 m 为沉砂管，应采用不透水管。

2）场地设置 6 口观测井，进行长期水位观测。以枯水期水位为基准，平水期、丰水期水位上升超过枯水期水位 2 m 以上，方可启动降水设备。丰水期降水应采取间歇式抽水，每日抽水总时间不宜＞4 h，防止因降水井急速降水，引起房屋基础变形沉降，地面沉降。

3）村东冲沟、村西为人工开挖渠、村北人工排水渠，及时对沟渠修缮、疏通，增强降雨及生活用水向村外排泄。

6 结语

1）尾矿库的建设与运行改变了原始地形地貌，也改变了降水、地下水补给、径流、排泄条件，使山前洪积扇经过该村的地下水量增大，抬升了地下水位。此外，各尾矿库先期“湿排”工艺期间，坝体上部废水渗流补给地下水，也增大了地下水的补给量。

2）村庄地下水上升治理工程方案采用“堵排结合、综合治理”方案，截潜排水工程有效疏散了上层来水，止水帷幕的设置起到隔水，增长渗流途径的目的，有组织地采用管井降水，抽排村庄范围内地下水，使水位下降 6～7 m，恢复到以前正常生态水位。保证了村民的人身安全及正常的生产生活。Q