天津市洪泥河倒虹吸圍堰支護及基坑降水設(shè)計

王紅菊，張 磊

(河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津 300250)

天津市洪泥河倒虹吸圍堰支護及基坑降水設(shè)計

王紅菊，張 磊

(河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，天津 300250)

洪泥河倒虹吸地基主要持力層為淤泥、淤泥質(zhì)粘土、厚層粉土，由于地下水位較高，使用常規(guī)方法在基坑開挖、降水的過程中出現(xiàn)了圍堰坍塌、裂縫，基坑涌水、涌砂等問題。通過科學(xué)分析、計算，采用鋼板樁支護方案解決了圍堰邊坡滑塌問題，采用井點降水成功降低了基坑水位，確保了后期工序正常開展。

圍堰;抗滑樁;基坑涌水;井點降水

1 概述

洪泥河位于天津市津南區(qū)，地處市區(qū)東南部、海河中下游南岸，地勢低洼。津南區(qū)雙白引河在樁號1+ 570附近與洪泥河相交，兩側(cè)被洪泥河隔斷?，F(xiàn)狀洪泥河底寬約20 m，為復(fù)式斷面結(jié)構(gòu)，河底高程-2.7 m，下部邊坡坡比為1∶2.5，上部邊坡坡比約1∶4。洪泥河日常平均水位為1.5 m。

為保證雙白引河暢通及雙白引河與洪泥河水系的溝通，提高河道的整體排澇能力，設(shè)計新建雙白引河穿洪泥河倒虹吸及連通閘工程。倒虹吸與洪泥河呈54.5°角斜交布置。倒虹吸由進口段、進口閘室、管身段及出口段四部分組成，總長132.9 m。其中進口段長40 m，進口閘室長5 m，管身段長81 m，出口段長5.9 m。倒虹吸水平段管頂高程-3.7 m，管底高程-6.9 m［1］。兩側(cè)地下水高程0.16～0.72 m。

由于洪泥河常年有水，采用常規(guī)施工方法用圍堰截斷河水，然后進行基坑降水。兩側(cè)圍堰填筑施工完成后，因水位較高，施工單位采取了水泵抽水然后開挖基坑的方法。但在實施過程中，降水效果較差，以粉土層為主的基坑出現(xiàn)了邊坡反復(fù)坍塌和涌砂的問題，水位下降后不久便又重新上升，致使工程不得不停工。同時因為圍堰下部存在淤泥層、淤泥質(zhì)粘土層，加之水位下降、基坑開挖引起孔隙水壓力，導(dǎo)致圍堰背水坡出現(xiàn)坍塌、裂縫。因此急需采用有效方法進行降水和護坡，確保干場作業(yè)和圍堰穩(wěn)定，才能使倒虹吸順利從河底穿過。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌與地層巖性

工程區(qū)地貌屬于濱海平原區(qū)，地面高程一般2.5～3.5 m?？碧缴疃?0 m內(nèi)揭露的地層為人工堆積、第四系全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)古河道、洼淀沖積、淺海相沉積、河床—河漫灘相沉積。人工堆積物為素填土、雜填土;古河道、洼淀沖積物(Q43Nal)主要巖性為粘土、砂壤土、淤泥;淺海相沉積物(Q42m)主要巖性為灰色含貝殼碎屑的壤土、砂壤土、淤泥質(zhì)粘土、淤泥質(zhì)壤土;河床—河漫灘相沉積物(Q41al)主要巖性為壤土、粘土及粉砂()。

其中，雜填土、素填土(Qml)主要分布于洪泥河兩岸，層厚1.0～2.0 m。②1層粘土(Q43Nal)層厚0.2～2.9 m，②3層淤泥(Q43Nal)層厚3.1～3.3 m。洪泥河右岸、淤泥層底部為③4層淤泥質(zhì)粘土，厚度2.5 m。該層下部為③2層粉土(Q42m)，層厚7.1～9.5 m。砂壤土層下部為壤土或淤泥質(zhì)壤土。深度23 m以下分布粉細砂，鉆探揭露的最大厚度為6.70 m。

倒虹吸閘室翼墻及進口斜坡段主要持力層為②3層淤泥(Q43Nal)和③4層淤泥質(zhì)粘土，因工程性狀較差，需進行地基處理;第③2層粉土(Q42m)分布穩(wěn)定，為倒虹吸平管段主要持力層。

2.2 地震與飽和砂土液化

工程區(qū)地震動峰值加速度為0.15 g，相當(dāng)于地震基本烈度7度區(qū)。設(shè)計分組為第二組，地震動反應(yīng)譜特征周期0.55 s。經(jīng)判別，地面以下深度11.5 m范圍內(nèi)的③2層粉土(砂壤土)存在地震液化問題，液化等級為輕微液化。

2.3 水文地質(zhì)條件

地下水類型為第四系孔隙潛水，主要賦存于砂性土層中。2013年11月測得洪泥河兩岸地下水位高程0.16～0.72 m。各土層滲透系數(shù)一般在10-4～10-6cm/s之間，屬中等—微透水層。地下水對普通混凝土具硫酸鹽型強腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)均具中等腐蝕性。

3 基坑圍堰及護坡設(shè)計

為保證施工干場作業(yè)，常規(guī)方法:即在施工區(qū)河道上下游修筑橫向圍堰，截斷河水，施工時將河道水排走。原設(shè)計排水方法為:初期排水采用潛水泵抽排，然后在基坑周邊布置排水干溝，基坑邊排水邊開挖，并隨著開挖的加深，逐漸加深排水干溝。同時在建筑物輪廓線外側(cè)布置集水井定時抽排。

圍堰修筑完畢、基坑內(nèi)河水排干后即行開挖。期間圍堰背水坡出現(xiàn)了裂縫，施工單位隨即在背水坡打了兩排臨時性木樁增加穩(wěn)定性，隨后又繼續(xù)基坑開挖、抽水工作。但很快兩道圍堰背水坡均出現(xiàn)了不同程度的塌坡以及基坑涌砂、涌水現(xiàn)象，施工被迫停止，重新進行圍堰支護及基坑排水設(shè)計已刻不容緩。

3.1 圍堰設(shè)計

工程實施時，洪泥河實際水位為1.5 m，設(shè)計河底高程為-2.7 m，兩側(cè)堤頂高程為3.2 m。設(shè)計圍堰寬6 m，高5.9 m，堰頂與兩岸堤頂平齊。迎水側(cè)邊坡坡比1∶3，背水側(cè)邊坡坡比1∶2。兩道圍堰內(nèi)開口距離156 m。

圍堰地基自上至下依次為厚約1.0～2.5 m的淤泥和淤泥質(zhì)壤土層、8 m厚的粉土、壤土層。

倒虹吸底部水平管段設(shè)計開挖高程為-7.0 m，齒槽部位設(shè)計開挖高程為-7.5 m。根據(jù)規(guī)范要求，地下水位需降至-8.0 m以下。

按地下水位-8.0 m、開挖邊坡1∶3，對圍堰進行了抗滑穩(wěn)定計算。利用河海大學(xué)水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)(AutoBANKV7.0)軟件，采用簡化畢肖普法。經(jīng)計算，圍堰及基坑邊坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)為1.38，大于規(guī)范要求的1.1，表明圍堰及基坑邊坡是穩(wěn)定的。計算成果見圖1。

圖1 地下水位-8.0 m時邊坡抗滑穩(wěn)定計算成果圖Fig.1 The calculating result of anti-sliding stability of slope when the underground water level is-8.0 meters

按地下水位-2.7m(河底)，對邊坡穩(wěn)定進行了驗算，邊坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)為0.91，表面邊坡不穩(wěn)定，需采取固坡措施(圖2)。

圖2 地下水位-2.7 m邊坡抗滑穩(wěn)定計算成果圖Fig.2 The calculating result of anti-sliding stability of slope when the underground water level is-2.7 meters

3.2 抗滑樁設(shè)計

由于圍堰地基淤泥質(zhì)壤土層厚度1.0～2.5 m，且地處市區(qū)，挖除、臨時堆放較困難。為保證臨時圍堰及河道岸坡的穩(wěn)定，進行經(jīng)濟比較后確定，在背水坡增加鋼板樁支護，樁頂設(shè)計高程為1.0 m，見圖3。

圖3 地下水位-2.7 m抗滑鋼板樁布置示意圖Fig.3 The layout diagram of anti-sliding steel sheet pile when the underground water level is-2.7 meters

抗滑樁采用常用的I40a型工字鋼，高400 mm，腿寬142 mm，腹厚10.5 mm，截面積86.1 cm2，每延米重67.6 kg?？紤]到工字鋼間無法咬合，截水效果較差，為增強防滲效果，減少流砂，工字鋼采用一順一丁布置［2］。

采用《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)對鋼板樁穩(wěn)定性進行計算。計算結(jié)果抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為2.1，＞1.2，表明抗滑穩(wěn)定。對圍堰整體穩(wěn)定性進行抗滑計算，計算方法采用圓弧滑動條分法進行。經(jīng)計算，安全系數(shù)為5.2，遠高于1.3，說明整體抗滑穩(wěn)定。

由于基坑外側(cè)土體自上至下為壤土、淤泥、粉土(砂壤土)，基坑內(nèi)側(cè)土體為粉土(砂壤土)。采用《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)4.2.1公式進行計算［3］。經(jīng)計算，設(shè)計采用12 m長I40a型工字鋼，入土深度6 m，能滿足穩(wěn)定要求。局部擋土高度較大部位，其上部做減載處理。

采用《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50017—2003)4.4.2式，對板樁應(yīng)力進行驗算［4］。經(jīng)計算，鋼板樁順向布置時，安全系數(shù)為0.16;一順一丁布置時，安全系數(shù)為1.4。

4 基坑降水設(shè)計

洪泥河附近地下水位較高，施工初期采用水泵抽水方法，降水效果不好，基坑內(nèi)仍有積水，基坑涌砂、涌水現(xiàn)象嚴(yán)重，無法連續(xù)工作。

由于基坑土層為厚層粉土，為保證降水效果，設(shè)計采用井點降水。因系臨時工程，井點布置多了浪費，少了則可能長時間降不下去，影響施工工期。因此，有效降水成為工程進度的制約因素，而降水井?dāng)?shù)量、深度、水泵大小的選擇則是降水成敗的關(guān)鍵。

4.1 基本數(shù)據(jù)

兩圍堰之間上口寬度156 m，計算底寬132.4 m，根據(jù)本工程實際情況，采用140 m，視為基坑長度L，兩岸河堤之間的距離48 m，視為基坑寬度b。

洪泥河段主要含水層為粉土(砂壤土)，粉土粘粒含量5%左右，干密度偏小(最小值1.37 g/cm3)、孔隙比較大(最大值0.973)，且粉土層埋藏較淺，根據(jù)室內(nèi)試驗及經(jīng)驗，綜合分析認(rèn)為滲透系數(shù)建議值K=5.2× 10-4cm/s≈0.45 m/d。

按照勘察期間地下水位:左岸鉆孔水位0.72 m，右岸鉆孔水位0.16 m，因為河床有明水，水位高程約1.5 m，因此計算時，水位值取高值0.72 m。

倒虹吸底高程-6.9 m，齒槽部位設(shè)計開挖高程為-7.5 m。根據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)7.3.2“降水后基坑內(nèi)的水位應(yīng)低于坑底0.5 m”的要求，為保證干場作業(yè)，地下水位需降至-8.0 m以下，則地下水降深值Sd=0.72-(-8.0)=8.72 m。

含水層厚度H取地下水位至粉土層底部距離，左側(cè)鉆孔H1=0.72+10.48=11.2 m，右側(cè)鉆孔H2= 0.16+14.94=15.1 m，取平均值H=(H1+H2)/2= 13.2 m。

4.2 基坑涌水量計算

按《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》(JGJ 120—2012)中潛水完整井計算公式進行計算

式中:Q為基坑涌水量(m3/d);K為滲透系數(shù)(m/d); H為潛水含水層厚度(m);Sd為降深(m);r0為基坑等效半徑(m);R為降水影響半徑(m)。

當(dāng)K=0.45 m/d，H=13.2 m，Sd=8.62 m，R= 48.74 m，r0=46.26 m時，經(jīng)計算，Q=300.94 m3/d。

4.3 管井的單井出水量及井點數(shù)量

4.3.1 單井出水量

由于洪泥河主要含水層為粉土層，這種土的特性是粉粒含量高，粒徑0.005～0.075 mm范圍內(nèi)的顆粒集中，不均勻系數(shù)較大，雖屬于中等透水性土層，但抽水過程中經(jīng)常會出現(xiàn)淤堵現(xiàn)象，因此水泵功率不必太大，井徑太大也容易坍塌［5］。根據(jù)地層情況及施工單位現(xiàn)有設(shè)備，確定抽水井直徑為40 cm。

過濾器進水部分長度應(yīng)采用粉土層厚度，洪泥河左岸鉆孔粉土層厚度7.9 m，右側(cè)厚度5.9 m，平均厚度約7 m。滲透系數(shù) K為5.2×10-4cm/s≈0.45 m/ d。向外抽水管的管徑5 cm。單井出水量計算公式為:

式中:q為單井出水能力(m3/d);rs為過濾器半徑(m); l為過濾器進水部分長度(m);K為滲透系數(shù)(m/d);經(jīng)計算，q=50.53(m3/d)。

4.3.2 井點數(shù)量

式中:Q為基坑涌水量(m3/d)，q為單井出水能力(m3/d)。經(jīng)計算，抽水井?dāng)?shù)量n=6.55，按7眼計。

為縮短抽水時間，并考慮未知因素，實際布置抽水井8眼，均勻布置在倒虹吸基坑兩側(cè)，控制深度為穿透粉土層并進入相對不透水的粘土層，預(yù)計深度15～18 m。

施工單位制定了管井施工方案，采用鉆孔法成孔，孔徑應(yīng)較井管直徑大20 cm左右。管井的過濾管采用水泥無砂管，井管與孔壁之間填充的濾料規(guī)格根據(jù)粉土含水層d50(0.042 mm)確定，經(jīng)計算采用中粗砂或含礫中粗砂填充。填充濾料后及時洗井，直至過濾器與濾料濾水暢通為止，然后開始降水。

5 工程效果及結(jié)語

上述基坑降排水及抗滑樁支護方案提出后，施工單位嚴(yán)格按設(shè)計要求進行井點布設(shè)及施工，連續(xù)抽水7天后，地下水位已降至設(shè)計深度，然后及時進行觀測，根據(jù)水位上升情況斷續(xù)抽水，直至工程結(jié)束。由于鋼板樁的支護作用，沒有因為水位的下降引起圍堰的裂縫、坍塌等，確保了圍堰的穩(wěn)定。目前倒虹吸工程已順利竣工。

工程實踐表明，在軟土地基中進行臨時圍堰及基坑降水、開挖施工時，如果地基存在淤泥或淤泥質(zhì)土層，當(dāng)上部堆載較大、且存在水位下降引起的附加有效應(yīng)力影響時，邊坡產(chǎn)生塌滑、裂縫的可能性較大。如果是永久工程，且淤泥層不太厚的情況下，可將淤泥層挖除;如果是臨時工程，且淤泥層較厚，可采用抗滑樁，但盡量不要采用具有擠土效應(yīng)的混凝土預(yù)制樁［6］。在軟土地基的護坡措施中，鋼板樁不失為一種有效的方法。

厚層粉土層基坑降水較為適宜的方法為井點降水。降水設(shè)計前應(yīng)準(zhǔn)確確定土層的滲透系數(shù)，由于粉土層抽水試驗不易成功，可通過室內(nèi)試驗結(jié)合經(jīng)驗值確定。同時應(yīng)根據(jù)具體情況確定水泵功率、井徑、井點數(shù)量、管井結(jié)構(gòu)等因素，才能確保降水成功。

洪泥河倒虹吸在基坑施工中遇到了圍堰邊坡坍塌、基坑降水困難及涌砂等問題，但通過精心計算、科學(xué)設(shè)計、合理施工，問題順利解決，工程效果明顯。筆者將該項目的基坑降水及護坡設(shè)計方案予以簡述，供工程界同仁指正、借鑒。

［1］ 鞠勤國，馬洪飛，楊艷軍，等.中小河流治理重點縣綜合整治和水系連通試點天津市津南區(qū)雙白引河辛莊鎮(zhèn)項目區(qū)變更設(shè)計報告［R］.天津:河北省水利水電勘測設(shè)計研究院，2015.

［2］ 黃強.深基坑支護工程設(shè)計［M］.北京:中國建材工業(yè)出版社，2000.

［3］ 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程: JGJ120—2012［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.

［4］ 中華人民共和國建設(shè)部.鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范:GB50017—2003［S］.北京:中國計劃出版社，2003.

［5］ 張興軍，張湖濱.建筑工程基坑降水設(shè)計方案優(yōu)化的探討［C］//河南省土木建筑學(xué)會.河南省土木建筑學(xué)會2010年學(xué)術(shù)大會論文集.鄭州:河南省土木建筑學(xué)會，2010.

［6］ 袁聚云.基礎(chǔ)工程設(shè)計原理［M］.上海:同濟大學(xué)出版社，2001.

(責(zé)任編輯:陳姣霞)

Cofferdam Support and Excavation Dewatering Design of Hongnihe Inverted Siphon in Tianjin City

WANG Hongju，ZHANG Lei
(Hebei Research Institute of Inverstigation＆Design of Water Conservacy＆Hydropower，Tianjin 300250)

Main bearing layer of foundation of Hongnihe inverted siphon is silt，silt clay，and thick layer of silt.Due to the high groundwater level，conventional methods in the process of foundation pit excavation and dewatering caused cofferdam collapse，cracks，discharge into foundation pit，sand gushing and other issues.Through scientific analysis and calculation，using steel sheet pile supporting programs settled the problem of coffer dam slope collapse，and using well point dewatering lowered water level of foundation pit successfully，this project ensured the later stage performed normally.

cofferdam;anti-slide pile;discharge into foundation pit;well-point dewatering

TV551.3;TV551.4+1

:A

:1671-1211(2015)05-0643-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201505028

2015-06-13;改回日期:2015-07-23

王紅菊 (1968-)，女，教授級高級工程師，水文地質(zhì)與工程地質(zhì)專業(yè)，從事巖土工程勘察設(shè)計與施工工作。E-mail:whj999@126.com

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150909.1438.002.html數(shù)字出版日期:2015-09-09 14:38