Rock-Soil Engineering

Response of Dynamic Changes in Groundwater Level in Fractured Rock Layers to Rainfall

  • CAO Xiao-wei , 1, 2 ,
  • XU Xiao-tao 2 ,
  • LI Chen 3 ,
  • JIANG Cheng-hai 3 ,
  • SONG Lin-hui , 1
Expand
  • 1 School of Physical and Mathematical Sciences, Nanjing Tech University, Nanjing 211800,China
  • 2 Xuzhou Metro Group Co., Ltd., Xuzhou 221000, China
  • 3 China Railway Tunnel Group Second Division Co., Ltd., Langfang 065201, China

Received date: 2024-04-24

  Revised date: 2024-08-22

  Online published: 2025-01-02

Abstract

[Objectives] Large-scale urban underground space development has led to numerous anti-floating problems. Groundwater level is a key parameter in the anti-floating design of underground structures, but it is inherently dynamic and influenced by various factors. This study aims to investigate how groundwater level in fractured rock layers dynamically responds to rainfall. [Methods] Field monitoring was conducted along a subway line, with seven groundwater level monitoring points and two meteorological monitoring points installed. Real-time data of groundwater level in fractured rock layers and rainfall at the site were collected. Based on these data, the annual variation patterns of groundwater level and rainfall were analyzed. Groundwater level increments under moderate to heavy rainfall conditions (daily rainfall ≥10.0 mm) were extracted, and a linear fit was performed between rainfall and groundwater level increments. [Results] Groundwater level variations were closely related to rainfall, rising during wet periods and falling during dry periods, with peak-to-valley amplitudes ranging from 3.34 to 17.55 meters. Additionally, the slope of the linear fitting between groundwater level increment and rainfall ranged from 0.006 to 0.025, indicating varying response speeds of groundwater level changes to rainfall. These differences were mainly influenced by rainfall intensity, site topography, surface water systems, and excavation activities. Based on the permeability of the rock layers, recommendations for anti-floating design were proposed: when the permeability coefficient of fractured rock exceeds 20 m/d, underground structures should strengthen passive anti-floating measures or increase active drainage and pressure relief measures; when the permeability coefficient ranges from 10 to 20 m/d, the anti-floating safety factor should be appropriately increased; when the coefficient is below 10 m/d, standard design practices are sufficient. [Conclusions] The study identifies the main factors influencing groundwater level fluctuations, quantifies the response of groundwater level to rainfall, and proposes an anti-floating design method that accounts for the permeability coefficient of rock layers. This approach addresses the limitations of traditional anti-floating designs that assume a uniform design water level and provides practical guidance for the anti-floating design of subway stations.

Cite this article

CAO Xiao-wei , XU Xiao-tao , LI Chen , JIANG Cheng-hai , SONG Lin-hui . Response of Dynamic Changes in Groundwater Level in Fractured Rock Layers to Rainfall[J]. Journal of Changjiang River Scientific Research Institute, 2025 , 42(7) : 150 -156 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240421

0 引言

地下水位是地铁车站抗浮设计的关键参数,因地层条件千差万别,既有强透水性的砂土层,也有弱透水性的黏土层和岩石层,不同地层中的地下水位变化对降雨的响应快慢不一,对车站结构的影响也就不同。张在明等[1]指出地下水赋存状态对抗浮水位有重要影响,王军辉等[2]对抗浮水位进行了系统综述。影响地下水位波动的因素包括自然因素和人为因素,具体有降雨、场地地质、人类活动、地下水开采等[3],其中降雨的增加会影响地下水流动的变化,进而影响地下水位[4],地下水位对降雨的响应往往会存在一定的滞后,主要是因为地下水补给需要一定的时间来适应地表水的增加[5]。现有成果对多种地质场地中地下水位受降雨的影响进行了研究,孙傲等[6]研究了科尔沁沙地7种地貌中地下水位对不同等级降雨的响应关系;谢潇等[7]使用交叉小波变换和分类回归树法分析了潮汐与降雨对滨海湿地地下水位的影响;王智磊等[8]针对边坡地下水位与降雨的关系,建立降雨与地下水位关系的多因素时间序列分析模型;程训强等[9]研究了低丘红壤区不同降雨类型对浅层地下水埋深的影响;也有学者研究岩溶场地中地下水位对降雨响应[10-11],岩溶含水系统存在边界时变性、渗透系数的尺度效应、水流贮运的双重性等一系列特点。Lee等[12]通过对降雨量和不同地下水位埋深的相关分析,探讨了地下水位对降雨的响应时间及其随季节的变化规律;欧阳丽娜等[13]分析了合肥市降雨对地铁车站水位的影响规律,发现降雨量对地下水位有主导作用。
综上所述,现有文献的研究对象主要是透水性好的土层和岩溶地层,赋存其中的地下水变化对降雨的响应快,对地下结构的影响显著。相比而言,岩石地层因完整性较好、储水量少且导水性小,普遍认为其不受降雨影响。但近年来极端天气频发、短时间的降雨量猛增,导致岩层中的地下结构也出现了上浮破坏。对此,本文围绕裂隙岩层中的地下水位动态变化对降雨的响应展开研究,首先在裂隙岩车站场地钻探水位监测孔,实测动态水位和降雨量数据,并对两项数据进行线性拟合,分析得出降雨的影响,进而对地铁车站抗浮设计提出建议。

1 监测点布设方案

监测点布设在徐州地铁6号线,线路全长约30.7 km,区域内不同区段的岩性、地下水类型和底板所处地层如表1所示。考虑到起点—AK13+950区段和AK28+550—终点区段中的地铁车站底板主要位于裂隙岩石层中,因此在这2个区段中布设测点开展地下水位动态监测。
表1 徐州地铁6号线沿线水文地质情况

Table 1 Hydrogeological conditions along Xuzhou Metro Line 6

区段 地质年代 主要岩性 地下水类型 底板地层
起点—
AK13+950
寒武系—
奥陶系
泥灰岩和
白云岩
碳酸盐岩
裂隙水
以岩石层
为主
AK13+950—
AK28+550
王氏组 粉砂岩和
泥质砂岩
碎屑岩类
裂隙孔隙水
以土层
为主
AK28+550—
终点
寒武系—
奥陶系
泥灰岩和
白云岩
碳酸盐岩
裂隙水
以岩石层
为主
经过比选,在6号线上的黄山路站(SW601)、铜山副中心站(SW602)、黄河东路站(SW603)、商聚路西站(SW604)、塘坊村站(SW605)、大湖北站(SW606)和山顶竖井(SW607)共设置了7个水位监测点,并在黄河东路站(QX601)和凤凰山顶(QX602)共设置了2个气象监测点,如图1所示。
图1 监测设备布置点

Fig.1 Layout of monitoring equipment points

地下水位监测点的地层剖面如图2所示。岩石层埋深较浅,均为地铁车站基础底板的持力层,本次研究的裂隙岩层有泥灰岩、灰岩、石灰岩和白云岩。其中,图2(a)为SW601监测孔的地层剖面,其孔深达45 m,钻至微风化泥灰岩层;图2(b)所示SW602监测孔的孔深较浅,为20 m,钻至角砾状灰岩;图2(c)所示SW603监测孔所处地势最低,孔深35 m,钻至中风化石灰岩;图2(d)所示SW604监测孔的孔深也是35 m,同样钻至中风化石灰岩,该孔穿过本地区特有的砂姜黏土层;图2(e)所示SW605监测孔的孔深32 m,钻至中风化白云岩;图2(f)所示SW606监测孔位于凤凰山的山腰,所处地势较高,孔深达40 m,钻至微风化泥灰岩;图2(g)所示SW607监测孔位于凤凰山的山顶,所处地势最高,孔深也最深,达70 m,钻至未风化石灰岩。
图2 不同监测孔的地层剖面图

注:图2(a)中的左边的数值(如36.48)为标高(m),右边的数值(如9.9)为埋深(m),依此类推。

Fig.2 Stratigraphic profiles of monitoring holes

地下水位监测采用的是钻孔悬吊法,即成孔后,在岩层段下滤管,并在孔壁与管壁之间填滤料,在土层段下密封管,并在孔壁与管壁之间填封水料,然后将水位计悬吊于孔内固定深度,并确保其始终淹没在水中,详见图2
地下水位监测点和气象站均自动采集、无线传输数据,整套设备置于不锈钢箱中,如图3所示。水位计采用的是安徽启电自动化科技有限公司生产的QDY30A型带变送功能的投入式水位传感器,具体参数:20 m量程、12 V供电、RS485输出信号,根据钻孔深度配备线缆。气象站采用的是山东建大仁科公司生产的不锈钢降雨量计-4型监测仪,200 mm承雨口径、分辨率0.2 mm、翻斗式、RS485输出信号,采集降雨量数据。
图3 监测点照片

Fig.3 Photos of monitoring points

水位变化引起水位计读数变化,利用孔口标高和初始水位埋深计算动态水位标高和埋深,表2为7个地下水位监测点的初始参数。
表2 地下水位监测点参数

Table 2 Parameters of groundwater level monitoring points

编号 测点名称 监测孔
深/m
孔口标
高/m
初始水位
标高/m
初始水位
埋深/m
SW601 黄山路 45 36.48 26.58 9.90
SW602 玉泉河 20 32.42 24.52 7.90
SW603 黄河东路 35 31.01 23.32 7.69
SW604 商聚路西 35 32.34 27.94 4.40
SW605 塘坊村 32 32.48 27.85 4.63
SW606 大湖北 40 45.70 32.80 12.90
SW607 山顶竖井 70 76.56 30.34 46.22

2 实测数据与分析

在完成监测设备的安装后启动监测,监测数据将被自动采集,采集频率为30 min/次,采集时长为一整年(从当年的2月1日至次年的1月31日)。

2.1 降雨量数据分析

两个气象监测点(QX601和QX602)采集的一年期的每日降雨量数据将与地下水位绘制在一起。为了解场地的降雨规律,现将测点的降雨量按月累加,如图4所示,两个测点每月降雨量的分布趋势一致,主要集中在6—9月份,该期间的降雨量占全年的75%~80%。
图4 2个气象站点的年内降雨量

Fig.4 Monthly rainfall at two meteorological stations

2.2 地下水位实测数据

可监测得到水位监测点为期一年的地下水位数据,为直观了解地下水位变化与降雨之间的关系,将其与前述降雨量数据一起绘制成图5
图5 各测点的地下水位动态变化与降雨量

Fig.5 Dynamic groundwater level variations and rainfall at different monitoring points

图5(a)可知,对于SW601监测孔,自监测开始至7月底水位持续上升至最高点,其后开始逐渐降低,8月中下旬一场强降雨后,水位升至次高点,而后持续回落,水位变化曲线整体呈倒V字型。对比水位和降雨量可知两者关系密切,凡出现中雨及以上的降雨,地下水位都会升高,表明岩石裂隙相互贯通,且渗透能力很强,降雨汇集后会很快补充到地下水中。
图5(b)可知,SW602监测孔水位变化规律与SW601基本一致。
图5(c)可知,对于SW603监测孔,自监测开始至8月底,水位整体呈起伏上升趋势,甚至在7—8月份两个月期间,连续多天的水位高于地表(在高出孔口的钢护管中测得),主要原因是该处地势较周边低,是一个汇水点。自9月初,水位开始呈明显的下降趋势,且在11月中上旬出现陡降,现场调研发现是基坑开挖降水所致,之后地下水位一直维持在坑底深度。
图5(d)可知,对于SW604监测孔,该监测点水位变化的规律性不明显,多呈现锯齿状,在降雨的短时间内变化幅度大,突升突降,自9月份后降雨量减少,水位整体呈下降趋势;调研发现此站点紧靠纬一河的水闸处,监测孔内的水位基本与纬一河水位的变化同步,降雨期间水闸的蓄放水会导致河水位随之变化,由此可知含水层与地表河流交互密切。
图5(e)可知,对于SW605监测孔,自监测开始,水位上升后维持了近两个月后又下降(因纬一河新修河道被抽干),随后进入雨季,8、9月份水位上升至峰值,随后震荡下降直至监测结束。
图5(f)可知,对于SW606监测孔,地下水位先呈锯齿状起伏上升,进入枯水期后逐步下降,总体呈倒V字型,每次锯齿状陡增均由降雨所致,因其位于凤凰山半山腰,降雨后水很快排走,因此陡增后出现陡降。
图5(g)可知,对于SW607监测孔,因其位于山顶,地下水位埋深很大,地下水位的变化规律与SW606相似,总体呈倒V字型,每次降雨会导致水位陡增,但锯齿状起伏不剧烈,存在一定的滞后,主要是水在深厚裂隙岩体中渗流需要时间。
综上,降雨对地下水位变化有显著影响,降雨量越大、越频繁,水位上升就越快,值得强调的是,水位最浅埋深往往只持续几天,即降雨结束后水位恢复较快。此外,场地地势、地表水系分布和开挖施工也是地下水位变化的影响因素,表3为各监测点地下水位变化的影响因素汇总。
表3 地下水位变化影响因素

Table 3 Factors affecting groundwater level variations

测点编号 测点名称 地下水赋存岩层 影响因素
SW601 黄山路 泥灰岩
SW602 玉泉河 泥灰岩 玉泉河水系
SW603 黄河东路 石灰岩 低地势、基坑开挖降水
SW604 商聚路西 石灰岩 纬一河水闸蓄排水
SW605 塘坊村 白云岩 纬一河水系
SW606 大湖北 泥灰岩 位于凤凰山腰、地势较高
SW607 山顶竖井 石灰岩 凤凰山顶、水位埋深大
结合表3图2分析可知,当测点地势处于周边地形的最低处,则易成为一个汇水点,水位往往会高出地表;如果测点地势很高,比如位于山腰上,则水位在降雨期间会陡增、雨后因水会顺着山坡快速流走而陡降;如果测点地势与周边差别不大,且附近还有河流,则地下水位一般与河流水位密切相关;施工方面的影响主要有围护桩施工和基坑开挖降水,且两者往往会造成地下水位的陡降。

2.3 地下水位变化分析

将所有监测点的地下水位埋深峰谷值及出现日期、均值和变幅汇总于表4
表4 地下水位埋深的统计数据

Table 4 Statistical data on groundwater levels

测点
编号
最深
值/m
最深值出
现日期
最浅
值/m
最浅值出
现日期
均值/
m
变幅/
m
SW601 9.970 07-30 0.698 02-12 6.549 9.272
SW602 7.949 07-29 0.564 02-02 4.275 7.385
SW603 15.155 07-17 -0.280 12-28 5.835 15.435
SW604 8.539 09-04 2.358 06-12 5.133 6.181
SW605 6.530 07-30 3.190 01-21 4.565 3.340
SW606 13.120 07-17 1.590 03-22 8.805 11.530
SW607 46.380 09-06 28.830 02-24 39.713 17.550
表4可见,各测点的地下水位埋深最深值在6.53~46.38 m范围内变化,最浅值在-0.28~28.83 m范围内变化,不管是水位埋深最深值,还是最浅值,各测点水位埋深相差均很大,这主要与各测点所处的场地地形地貌相关;另外,同一测点的地下水位峰谷变化幅度也很大,最小变幅为3.34 m,最大变幅为17.55 m。
另外,地下水位埋深的最浅值均出现在夏季丰水期,即降雨导致地下水位上升;而最深值则基本都出现在冬季枯水期,直观反映了降雨对地下水位变化的影响。

3 地下水位与降雨量的关系分析

为更明确地下水位动态变化对降雨的响应规律,现提取中雨及以上(日降雨量≥10.0 mm)降雨条件下的地下水位增量数据,并对其进行线性拟合。图6为各监测点的地下水位增量与降雨量关系,可见,地下水位的升幅是随降雨量的增加而增大的,即降雨量越大,地下水位涨幅就越大。
图6 各测点地下水位增量与降雨量关系

Fig.6 Relationship between groundwater level increments and rainfall at each monitoring point

地下水位增量h与降雨量p之间的线性拟合式和拟合优度汇总于表5。可见,不同测点的直线斜率不同,在0.006~0.025之间变化。依据直线斜率大小将地下水位增量与降雨量的关系分成3种,分别是响应慢(斜率<0.01)、响应较快(斜率在0.01~0.02之间)、响应快(斜率>0.02),则各测点地下水位变化对降雨的响应情况如表6所示。
表5 各测点地下水位与降雨量关系式汇总

Table 5 Summary of groundwater level-rainfall relationships at each monitoring point

测点编号 测点名称 地下水位增量h与降雨量p关系式 决定系数
SW601 黄山路 h=0.023p-0.30 0.85
SW602 玉泉河 h=0.015p-0.10 0.85
SW603 黄河东路 h=0.008p+0.10 0.72
SW604 商聚路西 h=0.023p-0.06 0.69
SW605 塘坊村 h=0.006p-0.05 0.80
SW606 大湖北 h=0.025p+0.04 0.74
SW607 山顶竖井 h=0.011p+0.10 0.77
表6 地下水位变化对降雨的响应

Table 6 Response of groundwater level variations to rainfall

响应
情况
直线
斜率
测点编号 测点
数量
测点数量
占比/%
<0.01 SW603、SW605 2 28.6
较快 0.01~0.02 SW602、SW607 2 28.6
>0.02 SW601、SW604、SW606 3 42.8
表6可见,SW601、SW604和SW606三测点的地下水位变化对降雨的响应快,直线斜率均在0.025左右,SW602和SW607两测点的地下水位变化对降雨的响应较快,而SW603和SW605两测点的地下水位变化则对降雨的响应慢。
为探讨相同降雨条件下,不同测点地下水位变化对降雨响应不同的原因,查阅地铁线路勘察报告中有关岩层水力特性方面的内容。岩层的渗透特性如表7所示,可见岩层的渗透系数与裂隙的发育程度密切相关,裂隙发育的岩层水力联系强、补水快。与表6对比可知,受降雨影响的程度也与岩层渗透系数呈正相关,即受降雨影响程度大的测点,其岩层的渗透系数也较大。
表7 岩层的渗透特性

Table 7 Permeability characteristics of rock layers

测点编号 测试岩层 裂隙情况 渗透系数/(m·d-1)
SW601 泥灰岩 发育 35.92
SW602 泥灰岩 较发育 18.65
SW603 石灰岩 发育一般 7.29
SW604 石灰岩 发育 26.37
SW605 白云岩 不发育 0.16
SW606 泥灰岩 发育 29.62
SW607 石灰岩 较发育 15.34
因此,在进行地铁车站抗浮设计时,即使基础底板下伏岩石地层,也要重视地下水作用。需基于岩层的裂隙发育程度和渗透系数,考虑地下水位动态变化对降雨的响应,如果岩层的渗透系数>20 m/d,则要应对降雨引发的水位陡升对结构的不利影响,增强被动抗浮措施或增加主动排水减压措施;如果岩层的渗透系数<10 m/d,则降雨引起的水位变化不大,一般不会对结构产生影响;如果岩层的渗透系数在10~20 m/d之间,则适当增加抗浮安全系数。

4 结论

本文运用实测手段测试裂隙岩层中的地下水位位和场地的降雨量,在此基础上分析裂隙岩层中地下水位动态变化对降雨的响应,主要结论如下:
(1)场地降雨量主要集中在6—9月份,占全年降雨量的75% ~ 80%;地下水位动态变化与降雨密切相关,丰水期升高、枯水期降低,水位峰谷变化幅度在3.34~17.55 m之间,主要受降雨强度、场地地势、地表水系和开挖施工等因素的影响。
(2)地下水位增量随降雨量的增加而增大,但增长斜率不同,在0.006~0.025之间变化,以0.01和0.02的斜率为界,将<0.01、位于0.01~0.02之间和>0.02的拟合直线斜率分别界定为地下水位动态变化对降雨响应慢、较快和快。
(3)岩层裂隙发育、透水性强是地下水位对降雨响应快的本质原因,在抗浮设计中,对位于渗透系数>20 m/d裂隙岩中的地下结构,需增强被动抗浮措施或增加主动排水减压措施,渗透系数在10~20 m/d之间的需适当增加抗浮安全系数,渗透系数<10 m/d的则按正常工况设计即可。
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Outlines

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