基礎(chǔ)換填法在南水北調(diào)北汝河倒虹吸工程中的應(yīng)用

郭勤軍

（南水北調(diào)河南直管建管局，河南 鄭州 450046）

南水北調(diào)中線北汝河倒虹吸工程長1 482 m，是沙河南～黃河南渠段上第6座河渠交叉建筑物，設(shè)計(jì)流量315 m3/s，加大流量375 m3/s，管身橫斷面為兩聯(lián)四孔箱型結(jié)構(gòu)，孔徑寬7.0 m、高6.95 m。倒虹吸水平管身段長950 m，基底高程約為99.9 m，位于地表下18 m深處。地質(zhì)報(bào)告顯示管身基底大部為粘土巖或砂質(zhì)粘土巖、部分為砂礫巖，該層的承載力和強(qiáng)度均較高，適于作構(gòu)筑物建基面。

1 北汝河倒虹吸工程基礎(chǔ)地質(zhì)問題的發(fā)現(xiàn)

2010年6月28日下午，參建各方對新開挖倒虹吸管身52～53號的基礎(chǔ)建基面進(jìn)行了隱蔽工程聯(lián)合驗(yàn)收，驗(yàn)收結(jié)果表明：建基面平坦、基底無積水及冒水點(diǎn)，邊沿的兩個(gè)滲水點(diǎn)進(jìn)行了盲溝導(dǎo)滲，地質(zhì)情況較好。當(dāng)日夜里就開始了墊層混凝土澆筑，于6月29日上午澆筑結(jié)束，整個(gè)澆筑及養(yǎng)護(hù)是按照規(guī)程、規(guī)范和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行的。6月30日早上發(fā)現(xiàn)墊層局部出現(xiàn)細(xì)小裂紋，7月1日發(fā)現(xiàn)墊層出現(xiàn)三角形交叉裂縫，7月2日下午出現(xiàn)大面積裂縫，以致錯(cuò)臺，經(jīng)聯(lián)合測量，墊層隆起最高處達(dá)28.1 cm。整個(gè)過程，施工及監(jiān)理單位都進(jìn)行了詳細(xì)的觀測與記錄。

地質(zhì)與水文報(bào)告顯示沒有異常，降排水措施是根據(jù)抽水試驗(yàn)成果和地質(zhì)復(fù)勘結(jié)果確定的，基坑降排水及開挖工作是按照批準(zhǔn)的方案實(shí)施的，上層潛水進(jìn)行了疏導(dǎo)、抽排并填筑了粘土芯墻截滲，基底兩邊進(jìn)行了管井強(qiáng)降水并挖有截滲溝，混凝土澆筑及養(yǎng)護(hù)是按照規(guī)范及設(shè)計(jì)要求進(jìn)行的。什么原因?qū)е聣|層破壞，針對出現(xiàn)的問題進(jìn)行反思。

2 專家論證和換填方案的提出

2.1 專家現(xiàn)場查看并建議

2010年7月5日、7月9日及7月16日，分別邀請河南省水利廳、華北水院及黃委會等單位的地質(zhì)及水文專家到南水北調(diào)北汝河倒虹吸工地進(jìn)行現(xiàn)場把脈，及時(shí)召開座談會。通過勘查，專家們認(rèn)為，造成墊層破壞的主因是水力作用結(jié)果，粘土巖的弱中膨脹潛勢屬于次因；從基坑開挖面的細(xì)小紋層、裂縫走向結(jié)合現(xiàn)場探坑，大家認(rèn)為粘土巖面存在不規(guī)則裂隙、使巖層中賦存的地下承壓水具有一定的復(fù)雜性。按專家的意見，在現(xiàn)場進(jìn)行了基底水槽試驗(yàn)、探坑開挖、觀測孔的布置，按業(yè)主要求加密了降水井、補(bǔ)充了地質(zhì)勘探工作，聯(lián)系了地質(zhì)CT勘測。

2.2 現(xiàn)場水槽試驗(yàn)、基底探坑、觀測井及補(bǔ)充地質(zhì)勘探

在現(xiàn)場滲水點(diǎn)埋設(shè)水槽，測量承壓水水頭；大小水槽試驗(yàn)共進(jìn)行了兩次，2010年7月9日的檢測結(jié)果顯示，水槽中水位高出建基面約55 cm。

經(jīng)業(yè)主同意，在揭露開的53號基底上開挖探坑4個(gè)，深度達(dá)1.5 m，其中兩個(gè)探坑相鄰。結(jié)果顯示探坑內(nèi)多有縫隙，個(gè)別裂縫較大，水力聯(lián)系復(fù)雜。其中較近的兩個(gè)探坑一個(gè)水量豐富，只好持續(xù)排水，另一個(gè)干枯，始終不見水位上升；盡管二者僅相距50 cm，水位差保持了近1.2 m，水量對比懸殊。觀測孔及管井測量結(jié)果顯示，水位懸殊很大。7月27日完成的54～58號補(bǔ)充地質(zhì)勘探結(jié)果表明，在建基面下3～6.5 m分布有粉砂巖透水層，該層富含承壓水，觀測孔顯示水頭超出建基面6.6 m。

2.3 問題的分析及論證過程

參建各方于2010年7月5日、8月5日、8月17日召開了三次專題會議，討論北汝河倒虹吸的基礎(chǔ)問題。經(jīng)過三次會議，根據(jù)專家意見、現(xiàn)場試驗(yàn)情況和以往的施工經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為粘土巖層的不規(guī)則裂隙導(dǎo)致了地下水的孤立性、分散性及不連續(xù)性，加上地下承壓水的復(fù)雜性，按原設(shè)計(jì)降水和施工將舉步維艱。在7月9日的碰頭會上就提出了換填試驗(yàn)段的初步設(shè)想，直到幾輪談判之后在8月25日片區(qū)會上，大家才默認(rèn)了開挖換填試驗(yàn)段的建議。

3 換填方案及其技術(shù)原理

基礎(chǔ)換填法可以歸納為“適度超挖、全面換填，盲溝導(dǎo)滲、降排結(jié)合，覆膜保土、覆紙保漿”，其技術(shù)原理為：水力學(xué)的滲流及流網(wǎng)理論。粘土巖的相對不透水性、裂隙分布的不規(guī)則性，決定了降排水工作的復(fù)雜性；一方面要給水出路、降低糙率、導(dǎo)排結(jié)合，另一方面要確?；淄敛涣魇?。

3.1 換填方案的理論分析

“適度超挖”能充分利用粘土巖作為持力層的有利條件，避開水力破壞，且能節(jié)省材料。“全面換填”能適應(yīng)粘土巖裂隙不規(guī)則、避開地下水孤立性、分散性的制約，且能便于施工。開挖盲溝可給滲水一出路，起有效導(dǎo)流效果；盲溝內(nèi)換填天然礫料，可降低糙率，易于排水導(dǎo)滲；換填砂卵石，就地取材成本低；土工膜的采用能保證建基面細(xì)小顆粒不流失且便于水的滲透；墊層底部覆紙既保證了混凝土漿不流失，又保證了砂卵石的透水路徑。

3.2 換填施工注意事項(xiàng)

換填的具體尺寸、厚度、規(guī)格、參數(shù)等細(xì)節(jié)問題，由設(shè)計(jì)做了具體要求，其內(nèi)容為：采用倒虹吸基坑原建基面下開挖40 cm，針對出水點(diǎn)開挖盲溝把水導(dǎo)到基坑兩邊的縱向排水溝內(nèi)，盲溝用5～20 mm卵石填筑，其上依次布置一層土工布、10 cm厚的砂、30 cm厚的（5～20 mm級配）碎石；用蛙式夯機(jī)把換填的碎石夯實(shí)，在其上鋪一層牛皮紙（防止水泥漿滲入級配碎石），最后在牛皮紙上澆筑墊層混凝土（見圖1）。

圖1 倒虹吸基礎(chǔ)換填示意圖Fig.1 Sketch drawing of foundation replacement in invert siphon

3.3 換填方案的成功實(shí)踐

從首次澆筑墊層失敗到采取換填方案并成功澆筑55號管節(jié)倒虹吸底板，時(shí)間過去了80天。第一節(jié)倒虹吸管身墊層及底板的成功澆筑鼓舞了士氣，也給施工找到了一個(gè)出路，解決了施工的技術(shù)難題。

至今已完成18節(jié)管身、20多節(jié)墊層的混凝土澆筑任務(wù)，施工進(jìn)展順利，彌補(bǔ)了兩個(gè)多月的損失，為后續(xù)施工帶來了突破，其意義深遠(yuǎn)，投資、進(jìn)度及年度目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。

4 社會和經(jīng)濟(jì)價(jià)值分析

（1）經(jīng)濟(jì)效益：短期來看，彌補(bǔ)工期近3個(gè)月，預(yù)計(jì)加快施工總進(jìn)度半年以上，為工地節(jié)約投資500余萬元，確保了投資目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。長期對比，效益不可估量。

（2）社會效益：為工程順利完工創(chuàng)造了條件，為早日通水提供了保障，為南水北調(diào)工程打開了思路，為同類型工程的施工積累了經(jīng)驗(yàn)。

5 結(jié)論與建議

基礎(chǔ)換填施工對南水北調(diào)北汝河倒虹吸工程來說，不僅是實(shí)用的而且是可行的。它被已成功澆筑的倒虹吸管身實(shí)踐所驗(yàn)證，為設(shè)計(jì)與施工管理都提供了有益的嘗試。

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[3]王琳,祁志峰.小浪底大壩左岸山體防滲補(bǔ)強(qiáng)效果分析[J].人民黃河,2005,(10).