摘 要: 针对长沙地铁 1 号线一期工程建设和营运可能对白沙古井的潜在影响，通过对长沙市轨道交通 1 号线一期工程沿线区域地质构造、水文地质与工程地质及工程施工方法分析，研究白沙井形成的自然条件，含水层的分布范围，补、排、径流特征，地下水动态变化规律，地铁线路与地下径流的关系以及施工降水和地铁线路对地下水流场的影响，提出预防控制措施，为工程建设和白沙井的保护提供了一定参考。

关键词: 地铁; 地下水环境; 白沙古井

 

      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。

 

      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。

      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。

      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。

      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。

 

      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。

      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 ～5cm、大者20 ～30cm，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． 10m，最低 54． 22 m，平均标高 55 m，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。

      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。

      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30km。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。

      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。

      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。

      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。

      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。

      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

      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。

      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。