为优势阴离子,水质类型为HCO3·Cl-Na·Mg,HCO3-Na与HCO3·SO4·Cl-Na，可能水源水样中除砂岩裂隙水主要阴离子为
其余样品以Cl-为优势阴离子，根据综合对比分析，沉降区地下水特征与砂岩裂隙水最接近，其主要来源为砂岩裂隙水补给，其次来自煤矿污水、雨水的入渗。研究结果可为该类型填土地基水害问题判别提供理论方法，并为后续相似填土地基前期处理起到预警作用。摘 要：目前大部分的矿区建设是基于回填丘陵沟壑区整平场地，对于这种人造特殊地质结构，易受到水害侵蚀破坏，且水害水源往往多元且不易确定。以山西某一矿区地基水害为例，通过详细的现场调查与水文钻探，确定研究区填土地基毛细水带与稳定水位位置，初步判断水源。在此基础上取水样28件，其中沉降区目标水样14件，可能水来源水样14件，对采取的水样进行水质全分析测试，采用数理统计、Piper三线图、相关性分析、水质类型对比分析法、层次聚类法、离子比例系数等方法对矿区填土地基下地下水的化学特征、水质类型与化学成因进行综合分析，确定地基填土水害具体来源。结果表明：沉降区目标水样与可能水源水样阳离子都以K++Na+为主，其中沉降区目标水样中，阴离子都以为优势阴离子,水质类型为HCO3·Cl-Na·Mg,HCO3-Na与HCO3·SO4·Cl-Na，可能水源水样中除砂岩裂隙水主要阴离子为其余样品以Cl-为优势阴离子，根据综合对比分析，沉降区地下水特征与砂岩裂隙水最接近，其主要来源为砂岩裂隙水补给，其次来自煤矿污水、雨水的入渗。研究结果可为该类型填土地基水害问题判别提供理论方法，并为后续相似填土地基前期处理起到预警作用。
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Abstract:At present, most of the mining area construction is based on backfilling the hilly and gully area to level the site. For this special artificial geological structure, it is easy to be eroded and destroyed by water hazards, and the possible sources of water hazards are often multiple and difficult to determine.Taking the foundation water hazard of a mining area in Shanxi as an example, through detailed field investigation and hydrological drilling, the capillary water zone and stable water level of the fill foundation in the study area were determined, and the water source was preliminarily determined. On this basis, 28 water samples were taken, including 14 target water samples in the subsidence area and 14 water samples from possible water sources.The water samples were fully analyzed and tested for water quality. By means of mathematical statistics,Piper diagram, correlation analysis,water quality type comparison analysis method, hierarchical clustering method, ion ratio coefficient, the chemical characteristics, water quality type and chemical origin of groundwater under filling ground in mining area were comprehensively analyzed, and the specific sources of water hazards were determined.The results show that the target water sample and the possible source water cations in the subsidence area are dominated by K++Na+, and the anions in the target water samples in the sedimentation area are all dominated by 
the water quality type is HCO3·Cl-Na·Mg , HCO3-Na and HCO3·SO4·Cl-Na. It is possible that is the main anion in the source water samples except for sandstone fissure water, and Cl- is the dominant anion in the rest of the samples.. According to the comprehensive comparison, the groundwater characteristics of the subsidence area and the sandstone fissure water are the most closely, its main source is sandstone fissure water recharge, followed by coal mine sewage and rainwater infiltration. The research results can provide a theoretical method for judging the water hazards of this type of landfill foundation, and play an early warning role for the subsequent pretreatment of similar landfill foundations.
山西是我国的煤炭大省，同时又地处黄土高原。山西省的许多区域位于黄土丘陵沟壑区内，土地资源缺乏但煤炭资源丰富，因此常在黄土沟谷区挖填造地来进行矿区建设。填土的来源主要为场区附近的黄土，黄土在重塑填埋的过程中，黄土结构性会发生破坏，同时填土的密实度等都会受到填土质量的影响，水入渗后，黄土填土所表现的湿陷性要比同类土的原状土更加明显。在这种人造特殊地质结构下，填土地基遇水害造成不均匀沉降从而引起地基、建筑差异变形灾害的例子屡见不鲜，且水害可能来源多元且不易确定[1-3]。
目前，利用水化学数据来判别水害水源的方法有很多种，包括水质类型对比分析、同位素分析法、特征组分判别、灰色系统理论、模糊数学、可拓实识别法、水化学成分守恒原理法等。这些方法主要针对水害水源单一的情况，相关文献对其进行了详细研究，而对于多来源水害问题，在确定水害来源的主次问题上研究尚不够深入[4-7]，因此，有必要对该问题进行深入探讨。
相关文献对矿区矿井突水水源问题与矿区场地地下水水质问题进行了详细的研究并取得了丰硕的成果，但是对于填土地基水害水源分析研究较少[8-14]。笔者以山西省柳林县某矿区地基水害为例，在现场调查的基础上查明矿区填土区域上部建筑的破坏情况，并结合工程钻探方法确定填土区域地层情况，从钻孔内分层采取土样测定含水率，绘制区域含水率等值线图，采集研究区内地下水与地表水水样测试其主要离子化学组分，利用水质类型对比分析法与层次聚类法查明填土地基地下水化学特征，分析填土地基的水害具体来源。
研究区地貌单元属于黄土丘陵区，次级地貌单元属于山间河谷区，该河谷区地势东北高西南低，河谷呈东～西向展布，断面形态呈“U型”，最高点位于东北山顶，顶面高程+988 m，最低点位于西侧沟内，地面高程+870 m，相对高差118 m。柳林县矿区位于河谷支沟内，2006年因建房需要将其支沟回填，原支沟沟底高程+834～+850 m，回填后高程+868～+871 m，沟底最深填土厚度21～30 m，沟谷侧壁处填土深度约10 m。研究区回填后地势平坦，东北及西南侧为斜坡，地形向两侧逐级变高。部分房屋临坡切坡而建，其东侧紧邻煤矿工业广场，人类工程活动对地形地貌的改变较为强烈，南侧紧邻煤矿排水渠，水渠常年流水，排水渠主要排放王家沟煤矿矿井废水和工业广场污水。2017年7月雨季后，矿区房屋开始明显变形开裂，并且日益严重。房屋破损原因为地基土被水浸泡而产生不均匀沉降。分析判断浸泡地基土的水来源可能为：① 自来水管道开挖正逢雨季，大量雨水沿开挖沟槽灌入浸泡地基土；② 煤矿排水渠可能渗漏浸泡地基土；③ 地下管网可能渗漏浸泡地基土；④ 场地周边可能存在砂岩裂隙水侧向径流补给浸泡地基土(图1)。
图1 研究区钻孔取样位置与建筑物破坏程度分布
Fig.1 Location of borehole sampling and distribution of building damage in the study area
对该研究区水害水源进行精确判断采取现场调查查明矿区建筑物具体的破坏情况，并根据实际破坏情况沿原始沟谷的走向方向布置3条勘探线，共27个勘探点，其中ZK1～ZK26为沉降破坏区钻孔，ZK27为砂岩裂隙水控制钻孔。在钻孔内直接测量初见水位和稳定水位，通过水位位置初步判断水源。
同时本次研究共取28件水样，其中沉降区目标水样14件，可能水来源水样14件，见表1。
表1 水样汇总
Table 1 Summary of water samples
注：①～④为同一取样类型不同位置或时间所取的平行对照组水样。
取样类型取样数量取样编号沉降区目标水样14件菜窖水①、菜窖水②、ZK7①、ZK7②、ZK11①、ZK11②、ZK14①、ZK14②、ZK16①、ZK16②、ZK17①、ZK17②、ZK26①、ZK26②可能水来源水样14件自来水①、自来水②、雨水①、雨水②、生活污水①、生活污水②、煤矿水①、煤矿水②、煤矿水③、煤矿水④、砂岩裂隙水①、砂岩裂隙水②、砂岩裂隙水③、砂岩裂隙水④
对上述水样进行水质全分析测试，检测指标分别为：
离子含量和水样pH值与TDS值(溶解性固体总量)。对测试数据进行数理统计与初步分析，利用SPSS19.0对含水层水体中主要离子进行相关性分析，采用Aquachem4.0 绘制Piper三线图，了解各含水层水化学特征，最后采用水质类型对比分析法与层次聚类法分析水害具体来源。
根据地层含水率的变化情况，将填土含水率突变位置定义为地下水毛细水带顶部，将钻孔全部完成后统一测量得到的水位线定义为稳定水位线(图2)。从图2中可以看出原始地形埋藏深，冲沟被分隔成两个沟谷，洼地的毛细水带顶部与稳定地下水位埋藏深度基本一致，并无异常，且与原始地形线的走向基本吻合。同时通过对研究区稳定水位的地下水位埋深进行统计分析发现(图3)，沉降区稳定地下水埋深除ZK19,ZK20和ZK21异常外，均在12 m左右，且砂岩裂隙水控制钻孔稳定地下水埋深为11 m，地下水高程相互吻合，说明砂岩裂隙水对填土区域形成了侧向补给。其中ZK19,ZK20和ZK21地下水位埋深出现异常，所揭露的毛细水带顶部高程是最高的，距离地表埋深仅3～4 m，由图2b明显可见，煤矿排水渠存在渗水点。但依据富水量的大小来说，砂岩裂隙水补给是主要的。
图2 研究区稳定水位线分布剖面图
Fig.2 profile of stable water level distribution in the study area
图3 研究区钻孔位置稳定水位埋深
Fig.3 Stable water level and buried depth of borehole in the study area
3.2.1 常规水化学组分特征
对该矿区填土地基所采取的28个水样进行常规水化学特征分析，得到水化学组分统计特征值见表2。沉降区目标水样呈弱碱性，其TDS值较高，且离子浓度变异系数均低于1，说明填土地基地下水内部分布较稳定，具有稳定的水源补给。
表2 矿区填土沉降区目标水样与可能水来源水样主要离子特征值
Table 2 Characteristic values of main ions in target water samples and potential water sources in mining subsidence area
取样类型取样来源参数离子质量浓度/(mg·L-1)Ca2+Mg2+K++Na+Cl-SO2-4HCO-3pHTDS/(mg·L-1)填土地基地下水水样离子沉降区目标水样菜窖水均值36.252.08360.25200.7246.0615.07.541 202变异系数0.3870.540.240.480.270.240.030.22均值89.17.0288.0279.5399.043.957.501 085变异系数0.020.060.030.020.030.100.040.03可能水来源水样离子雨水自来水生活污水均值5.50.922.855.354.4515.856.597.0变异系数0.130.470.320.480.340.270.040.2均值37.412.0586.5492.0280.0532.08.251 647.5变异系数0.010000.040.050.0030.03均值141.547.2369.0582.5203.0319.05.831 502变异系数0.020.0200.050.010.010.010.02可能水来源水样离子煤矿排水砂岩裂隙水均值52.528.7531.25500.0315.5300.07.711 647.3变异系数0.120.050.020.0040.040.070.020.005均值95.8577.52173.5246.5218.25438.07.531 030.3变异系数0.020.010.0400.0080.040.020.0120.013
统计沉降区取样离子与可能水源水样离子发现，阳离子都以K++Na+为主。其中沉降区阴离子除菜窖水水样以
为主外，其余沉降区目标水样中，阴离子都以为优势阴离子，某质量浓度最高可达767 mg/L，平均浓度占阴离子总量的58%。可能水来源水样中，自来水样阴离子以
为主，两类阴离子浓度含量基本相同，平均浓度占阴离子总量的78.5%。生活污水与煤矿排水都是以Cl-为优势阴离子，而砂岩裂隙水的主要阴离子为
占阴离子总体的49.0%,其含量与沉降区目标水的优势阴离子相似。
3.2.2 水质类型与相关性分析
通过Piper三线图(图4)与水样水质类型分类可以看出，水样阴阳离子分布较为集中，沉降区填土稳定水位水样类型为HCO3·Cl-Na·Mg,HCO3-Na与HCO3·SO4·Cl-Na，砂岩裂隙水的水质类型为HCO3·Cl-Na·Mg，生活污水的水质类型为Cl-Na·Ca，而煤矿水的水质类型为Cl·HCO3-Na，其中砂岩裂隙水与沉降区目标水样水质类型相似，可能两者之间存在水力联系(表3)。
图4 研究区水质类型Piper三线图
Fig.4 Piper three line diagram of water quality type in the study area
表3 水样舒卡列夫分类
Table 3 Classification of water sample Shukarev
可能水源水样沉降区目标水样自来水①Cl·HCO3-Na菜窖水①SO4·Cl-Na·Ca自来水②Cl·HCO3-Na菜窖水②SO4·Cl-Na·Ca雨水①SO4-Na·CaZK7①HCO3-Na雨水②SO4-NaZK7②HCO3-Na生活污水①Cl-Na·CaZK11①HCO3·Cl-Na·Mg生活污水②Cl-Na·CaZK11②HCO3·Cl-Na·Mg煤矿水①Cl·HCO3-NaZK14①HCO3·SO4-Na煤矿水②Cl·HCO3-NaZK14②HCO3·SO4·Cl-Na煤矿水③Cl·HCO3-NaZK16①HCO3·Cl-Na煤矿水④Cl·HCO3-NaZK16②HCO3·Cl-Na·Mg
续表
可能水源水样沉降区目标水样自来水①Cl·HCO3-Na菜窖水①SO4·Cl-Na·Ca岩裂隙水①HCO3·Cl-Na·MgZK17①HCO3-Na砂岩裂隙水②HCO3·Cl-Na·Mg·CaZK17②HCO3-Na砂岩裂隙水③HCO3·Cl-Na·MgZK26①HCO3·Cl-Na砂岩裂隙水④HCO3·Cl-Na·MgZK26②HCO3·Cl-Na
煤矿水与生活污水属于地表排水，地表水与填土地基地下水可能存在微弱离子交换作用。对填土地基沉降区的目标水样水化学组分进行相关性分析，而相关性分析可揭示地下水水化学参数的相似相异性及来源的一致性和差异性[15-16]，由表4可以看出TDS与
相关性最为显著，相关系数分别为0.89、0.67、0.70与0.53，说明在矿区地基水害样品的溶解性总固体中，优势离子为
而K++Na+、Mg2+与Cl-具有较好的相关性，相关系数分别为0.80与0.63，说明3种离子具有同源现象，可能来自含镁的硅酸盐岩类沉积岩溶解。K++Na+与
的相关系数为0.81，相关性较为显著，其可能来源为碳酸盐岩风化溶解或降雨入渗。
表4 填土地基沉降区目标水样水化学组分相关系数矩阵
Table 4 Correlation coefficient matrix of hydrochemical components of target water sample in settlement area of filling soil foundation
离子类型离子浓度Ca2+Mg2+K++Na+Cl-SO2-4HCO-3TDSCa2+10.927 780.057 800.584 110.499 890.092 240.528 66Mg2+10.276 270.798 530.373 030.272 070.700 56K++Na+10.626 810.181 060.811 850.862 0Cl-10.344 530.426 980.885 51SO2-41-0.254 190.423 59HCO-310.676 44TDS1
3.2.3 水化学聚类分析
判断矿区填土地基水害的具体来源，将各水体中主要离子
数据利用SPSS软件进行离子含量聚类分析与离子含量百分数聚类分析，样品聚类结果如图5所示。由离子含量聚类结果分析发现:ZK27的4件砂岩裂隙水水样在可信度R=3时就与沉降区目标地下水样聚成一类；煤矿污水的4件水样与自来水的2件水样在可信度R=11时与沉降区目标地下水样聚成一类；雨水的2件水样在可信度R=25时与目标地下水聚成一类；菜窖水仅仅与雨水在可信度R=21时聚成一类。
图5 研究区填土地基水害水源聚类分析
Fig.5 Cluster analysis of water source of fill foundation in the study area
由离子含量聚类分析发现：ZK27的4件砂岩裂隙水水样在可信度R=9时与目标地下水样聚成一类；煤矿污水的4件水样与自来水的2件水样在可信度R=15时与目标地下水样聚成一类；雨水的2件水样在可信度R=25时与目标地下水聚成一类。
菜窖水仅仅与雨水在可信度R=20时聚成一类。根据对聚类结果与水化学特征的分析发现，沉降区地下水的特征与砂岩裂隙水是最接近的。因此判断地下水来源主要是来自砂岩裂隙水补给，其次来自煤矿污水、雨水的入渗。
研究区填土沉降部位地下水的补给和运移与周边环境可能会发生一系列的作用，例如水解作用、阴阳离子交替吸附吸附作用与蒸发浓缩作用等，这些作用导致填土地基地下水的水离子的类型与TDS浓度等发生改变。
3.3.1 主要离子来源分析
矿区填土地基地下水离子的起源采用Gibbs图进行分析，该图将天然水分划分为3个端元，分别为大气降水主控端元、蒸发浓缩主控端元与岩石风化溶解主控端元[17-19]。其中利用TDS与
离子浓度的关系图划分出3个主控端元下沉降区水体的特征区域(C为离子浓度)。由图6可以看出沉降区水样点均分布于图的左边靠右位置，同时该区域原始地下水为砂岩裂隙水，水源径流条件好，说明该区域地下水离子来源主要以岩石风化与水-岩作用为主，而大气降雨与蒸发浓缩作用不是研究区的主控因素。
图6 研究区填土地基水化学Gibbs图
Fig.6 water chemistry Gibbs map of the study area
3.3.2 主要离子分化过程分析
根据上述分析矿物溶解对地下水的离子含量起控制性作用，而根据现场调查发现原始地层含水层为砂岩裂隙水，该层砂岩的主要矿物成分为石英、长石、云母等硅酸盐矿物，岩屑包含碳酸盐质胶结物。
可以用来说明地下水对硅酸盐矿物的溶解强度，C(K++Na+)/C(Cl-)在上述离子比值的基础上可以进一步说明是否存在其他矿物的溶解。对矿区填土地基地下水水样进行离子比例法进行统计分析发现均处于1∶1线下(图7)，说明该地下水运移过程中存在其他矿物的溶解去保持离子的平衡状态，而C(K++Na+)/C(Cl-)处于1∶1线的上方，表明研究区地下水化学成分的形成硅酸岩矿物的溶解作用占主导地位,同时可能存在碳酸盐矿物、岩盐的溶解[20]。
图7 研究区填土地基地下水主要离子比值
Fig.7 ratio of main ions in the groundwater of the study area
1)矿区填土地基沉降区毛细水带顶部与稳定地下水位埋藏深度基本一致，与原始地形线的走向基本吻合，且沉降区地下水位与两侧原始坡体水位基本相同，初步说明砂岩裂隙水对填土区域形成了侧向补给。
2)沉降区取样离子与可能水源水样阳离子都以K++Na+为主。其中沉降区阴离子除菜窖水水样以
为主外，其余沉降区目标水样中，阴离子都以
为优势阴离子，可能水来源水样中，砂岩裂隙水的主要阴离子为
其含量与沉降区目标水的优势阴离子相似。
3)沉降区水样与砂岩裂隙水水样水质类型相似，两者之间存在水力联系。煤矿水与生活污水属于地表排水，地表水与填土地基地下水可能存在微弱离子交换作用。
4)综合分析后，煤矿区填土地基地下水来源主要是来自砂岩裂隙水补给，其次来自煤矿污水、雨水的入渗，且研究区水化学成分浓度主要受岩石溶解控制。
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