山西省坪上應(yīng)急引水工程供水管道軟基礎(chǔ)工程特性分析

羅中元

（山西省水利工程質(zhì)量與安全監(jiān)督站 山西太原0300002）

近年來(lái)由于社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工程建設(shè)規(guī)模不斷地?cái)U(kuò)大，在建筑、水利、電力、交通和鐵道等土木工程建設(shè)中，人們?cè)絹?lái)越多地遇到各種不同類型的不良地基問題，如何正確處理不良地基是目前工程施工設(shè)計(jì)中的一大難題，尤其是高地下水位條件下的軟基土，由于地下水位較高，地基土常期處于飽和、接近飽和狀態(tài)，施工時(shí)存在涌水問題，排水疏干又可引發(fā)邊坡失穩(wěn)，給工程施工建設(shè)帶來(lái)了很大的危害。因此，對(duì)于高地下水位軟基土，應(yīng)認(rèn)真勘測(cè)軟基土的地質(zhì)情況和水文情況、土質(zhì)及空間結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，分析各類狀態(tài)下軟基礎(chǔ)的工程特性，為高地下水位軟基礎(chǔ)處理方案的確定提供依據(jù)。本文以坪上應(yīng)急引水工程管道沿線地區(qū)軟弱土地基為例，分析研究了坪上應(yīng)急引水工程供水管道沿線高地下水位下各類軟基土的工程特性，為合理確定供水管道管溝開挖方案和管道的順利安裝提供依據(jù)。

1 坪上應(yīng)急引水工程概況

坪上應(yīng)急引水工程位于忻州市的五臺(tái)縣、定襄縣、忻府區(qū)和原平市境內(nèi)。主要任務(wù)是向忻府區(qū)、定襄縣和原平市提供城鎮(zhèn)生活和工業(yè)用水，近期年設(shè)計(jì)引水量3 500萬(wàn)m3。工程由水源工程和供水工程兩大部分組成。線路總長(zhǎng)123 km，其中管道總長(zhǎng)115 km（包括穿隧洞管道2.3 km），隧洞長(zhǎng)11 km。供水工程總體布局為：以季莊分水點(diǎn)為中心將供水管線分為三段，甲子灣—季莊分水點(diǎn)為供水干線、季莊—忻府區(qū)供水支線和季莊—原平供水支線，見示意圖1。

圖1 山西省坪上應(yīng)急引水工程示意圖

供水干線管道沿線地區(qū)發(fā)育地層多為第四系早期洪沖積堆積物，高水位區(qū)域地形較平坦，巖性主要以淡黃色低液限黏土，粉土、級(jí)配不良砂為主，土顆粒細(xì)而均勻，結(jié)構(gòu)松散，管線沿途經(jīng)過的農(nóng)田基本上是水澆地，部分為稻田。供水支線（季莊～忻府區(qū)、季莊～原平）沿線位于忻定盆地沖洪積平原區(qū)，地形較平坦。發(fā)育地層為第四系全新統(tǒng)早期洪沖積物，巖性表層為淡黃色低液限黏土，土顆粒細(xì)而均勻，稍濕或濕，可搓成細(xì)土條，屬于典型的軟基礎(chǔ)，且含水量較高。在軟弱土基上鋪設(shè)供水管道，必須分析其特有的水文地質(zhì)狀況、土性、土質(zhì)及其空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，提出有效且經(jīng)濟(jì)合理的軟弱土地基處治措施，才能保證管道的正常安裝過程中和管道長(zhǎng)期安全使用，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

2 供水管道沿線水文地質(zhì)特性

2.1 主干線甲子灣～季莊段

樁號(hào)6+154.0～17+960.3位于滹沱河漫灘地帶，發(fā)育地層為第四系全新統(tǒng)早期洪沖積堆積，上部為淡黃色低液限粉土，土顆粒細(xì)而均勻，結(jié)構(gòu)松散，厚0.5～4.0 m，其下為低液限黏土，稍濕、可塑，土質(zhì)堅(jiān)硬。下層分布有級(jí)配不良砂，粒度均一，結(jié)構(gòu)松散，為含水層。管道基礎(chǔ)持力層為低液限粉土、級(jí)配不良砂土基礎(chǔ)。地下水位埋深較淺，施工時(shí)存在涌水問題，需排水，同時(shí)，粉土質(zhì)砂存在震動(dòng)液化問題。

樁號(hào)20+717.7～25+713.2段位于忻定沖洪積平原區(qū)，發(fā)育地層為上更新統(tǒng)沖積物，巖性為淡黃色低液限黏土，稍濕或濕，黏粒含量較高，可塑，土質(zhì)較硬。地下水位埋深1.8～3.5 m，管線基礎(chǔ)持力層為低液限黏土。

2.2 供水支線季莊～定襄段

樁號(hào)5+320.0～10+600.0段位于忻定沖洪積平原區(qū)，發(fā)育地層為第四系全新統(tǒng)早期洪沖積物，地面高程748.0～751.0 m，地形較平坦，巖性主要為淡黃色低液限黏土，土顆粒細(xì)而均勻，稍濕或濕，可搓成細(xì)土條，結(jié)構(gòu)松散，厚2.5～4.0 m，近滹沱河河床處地下水位埋深較淺，施工時(shí)存在涌水問題，需排水。同時(shí)地基土處于飽和狀態(tài)，排水疏干又可引發(fā)邊坡失穩(wěn)，需采取工程措施進(jìn)行處理。

樁號(hào)11+000～14+200段位于滹沱河右岸漫灘。出露地層為全新統(tǒng)早期洪沖積物，巖性主要為淡黃色低液限粉土，厚4.0～6.0 m，供水管道地基持力層為低液限粉土，地下水位埋深3.0～4.0 m，向滹沱河方向排泄。供水管線施工近河床帶存在涌水問題，需排水。樁號(hào)14+200至定襄供水點(diǎn)段，該段位于定襄縣城西南部，地形較平緩，地面高程760.0～759.6 m。發(fā)育地層為第四系上更新統(tǒng)沖積物（Q3al）巖性為淡黃色低液限粉土，土顆粒細(xì)而均勻，稍濕或濕，手搓有砂感，結(jié)構(gòu)松散，厚度大于3.5 m，地下水位埋深3.2～4.4 m，管道地基持力層為低液限粉土基礎(chǔ)。

2.3 供水支線季莊～原平段

樁號(hào)8+954.5～10+525段地處忻定盆地北受祿新村與向陽(yáng)村，地形較平坦。發(fā)育地層為第四系全新統(tǒng)早期洪沖積物（Q41pal），巖性表層為淡黃色低液限黏土，稍濕或濕，結(jié)構(gòu)較松散，表層植物根系發(fā)育，厚度2.5～4.0 m。其下為級(jí)配不良砂地層。該段地下水位埋深1.8～2.5 m，供水管道埋深2.5～3.0 m，施工時(shí)存在涌水問題。

樁號(hào)12+700～14+819段地處鳳凰山莊至上湯頭段，廣濟(jì)渠西側(cè)。出露地層為第四系全新統(tǒng)早期洪沖積物，巖性表層為低液限粉土，稍濕，結(jié)構(gòu)松散，厚度0.8～1.5 m。其下為級(jí)配不良砂層，地下水埋深2.0 m左右，供水管道持力層為級(jí)配不良砂層。忻州支線牧馬河段供水管線主要沿牧馬河左岸穿越，出露地層主要為第四系全新統(tǒng)早期洪沖積物（Q41pal），巖性為淡黃色低液限粉土、低液限黏土，局部為中細(xì)砂等；上更新統(tǒng)（Q3al）沖積物，巖性主要為低液限黏土、低液限粉土。該段供水管線低液限粉土持力層，地下水埋深較淺。局部地帶上部存在輕微濕陷問題。

3 高地下水位軟基土主要特征

通過分析高地下水位軟基土物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果可知，項(xiàng)目區(qū)沿線高水位軟弱土基礎(chǔ)大致可分為黏性土地基、粉土地基和級(jí)配不良砂地基三種。

3.1 高地下水位黏性土地基主要特征

通過分析高地下水位黏性土物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果，該類軟基土具有以下特征。

（1）天然含水率高、孔隙比大。黏性土主要是由黏粒和粉粒組成,表面帶負(fù)電荷的黏土礦物與周圍介質(zhì)中的水分子和陽(yáng)離子相互吸引形成水膜，所以這種土含水率高、孔隙比大。天然含水率在16.5%～33.3%之間，孔隙比在0.589～0.932之間。

（2）強(qiáng)度不易提高。軟弱土黏粒含量高，滲透性很弱，其滲透系數(shù)在 0.01×10-5～9.74×10-5cm/s，平均為 0.89×10-5cm/s，所以排水固結(jié)緩慢、沉降時(shí)間長(zhǎng)、強(qiáng)度不易提高。

（3）壓縮性較高。軟弱土孔隙比大，因此壓縮性高。在自重和外荷載作用下長(zhǎng)期得不到固結(jié)。軟弱土的壓縮系數(shù)一般為0.16～1.02 MPa-1，平均為 0.37 MPa-1。

（4）抗剪強(qiáng)度低。由于軟弱土天然含水率高、天然孔隙比大，因此軟弱土地基變形大、強(qiáng)度低。軟基土的抗剪強(qiáng)度低，抗剪強(qiáng)度在3.9～11.2kPa，平均為6.6 kPa。

3.2 高地下水位粉土地基主要特征

通過分析高地下水位粉土物理力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果可知，粉土與黏性土的各顆粒組成百分?jǐn)?shù)平均值較為接近，塑性指標(biāo)平均值略低于黏性土，因而都具有相似的物理特征。

（1）天然含水率高、孔隙比大。粉土天然含水率在18.5%～29.6%，孔隙比在0.570～0.823之間。

（2）滲透性小。粉土滲透系數(shù)在 0.03×10-5～3.7×10-5cm/s，平均值為1.04×10-5cm/s，略大于黏性土滲透系數(shù)，但從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)來(lái)看，滲透系數(shù)變化區(qū)間較小，變異系數(shù)0.92，整體滲透系數(shù)大于黏性土。

（3）中等壓縮性。粉土的壓縮系數(shù)在0.08～0.62 MPa-1，平均0.24 MPa-1，為中壓縮土。

（4）抗剪強(qiáng)度低。粉土的抗剪強(qiáng)度低在5.0～47.7kPa，平均為17.3 kPa。

（5）容易液化。粉土質(zhì)砂細(xì)顆粒含量較多，在有水的環(huán)境下容易液化，飽和狀態(tài)下呈流態(tài)，在動(dòng)水作用下極易產(chǎn)生塌陷、侵蝕、沖刷甚至引起邊坡失穩(wěn)。

3.3 高地下水位級(jí)配不良砂地基主要特征

高地下水位級(jí)配不良砂顆粒組成以砂粒和粉粒為主，黏粒含量極少，不均勻系數(shù)2.3～3.0，曲率系數(shù)1.0～1.4，單粒級(jí)含量較大，級(jí)配不良，容易液化。通過分析高地下水位級(jí)配不良砂具有以下主要特征：

（1）天然含水率高、孔隙比大。天然含水率在15.7%～28.5%，孔隙比在0.501～0.775之間。

（2）滲透性強(qiáng)。級(jí)配不良砂砂粒含量在61.8%～82.8%間，滲透性較強(qiáng),其滲透系數(shù)在 89.4×10-5～98.5×10-5cm/s之間,平均值為 95.5×10-5cm/s。

（3）中壓縮性。級(jí)配不良砂的壓縮系數(shù)一般為0.09～0.25 MPa-1，平均 0.14 MPa-1。

（4）容易液化。粉土質(zhì)砂細(xì)顆粒含量較多在有水的環(huán)境下容易液化，飽和狀態(tài)下呈流態(tài)，在動(dòng)水作用下極易產(chǎn)生塌陷、侵蝕、沖刷甚至引起邊坡失穩(wěn)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文簡(jiǎn)單分析了坪上應(yīng)急引水工程管道沿線的高地下水位軟基土的水文地質(zhì)條件，通過土工試驗(yàn)結(jié)果分析，得到高地下水位黏性土、高地下水位粉土、高地下水位級(jí)配不良砂三種軟基土的工程特性，為以后的供水管道鋪設(shè)及基礎(chǔ)處理方案的確定提供了必要的資料，也為該地區(qū)的其他類似工程的建設(shè)提供參考。