白馬河渠道倒虹吸主要工程地質(zhì)問題分析

王杰　張金歡　王夢潔

摘 要：白馬河渠道倒虹吸是南水北調(diào)中線一期工程中大型的河渠交叉建筑物之一，該建筑物區(qū)內(nèi)存在許多不利的工程地質(zhì)因素。自1995年開始陸續(xù)進(jìn)行了多次地質(zhì)勘察，勘察結(jié)果表明工程區(qū)的主要工程地質(zhì)問題是膨脹土漲縮性問題、基坑排水及邊坡穩(wěn)定性的問題、滲透破壞和砂土液化問題?；趯ι鲜鰡栴}提出更準(zhǔn)確可靠的解決方案，于是進(jìn)行了工程地質(zhì)鉆探工作，根據(jù)資料成果，為工程設(shè)計及施工提出了有效的解決措施和合理建議。

關(guān)鍵詞： 膨脹土；基坑排水；邊坡穩(wěn)定；滲透破壞；砂土液化

白馬河渠道倒虹吸是南水北調(diào)中線一期工程大型河渠交叉建筑物之一，建筑物區(qū)內(nèi)存在很多不利的工程地質(zhì)因素，通過工程地質(zhì)勘察并結(jié)合相關(guān)資料提出有效的解決措施和合理建議。

1.地質(zhì)概況

白馬河渠道倒虹吸是一座由倒虹吸、檢修閘、節(jié)制閘、退水閘和排冰閘等組成的樞紐工程，位于河北省邢臺縣會寧鄉(xiāng)東良舍村北，距邢臺市約7km。建筑物區(qū)發(fā)育的地層主要為奧陶系中統(tǒng)馬家溝組灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r和碎石土（溶蝕充填物），第四系下更新統(tǒng)冰水積、湖積粘性土和砂土，第四系全新統(tǒng)沖洪積粘性土和砂土[1]。區(qū)內(nèi)地下水有第四系孔隙水和巖溶裂隙水兩種類型。根據(jù)中國地震局分析預(yù)報中心復(fù)核的《南水北調(diào)中線工程沿線設(shè)計地震動參數(shù)區(qū)劃報告》（2004年4月），工程區(qū)地震動峰值加速度為0.1g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅶ度。

2.主要工程地質(zhì)問題分析

工程區(qū)主要工程地質(zhì)問題是膨脹土的脹縮性對地基的影響、基坑排水、邊坡穩(wěn)定、滲透變形和砂土液化等[3]。

2.1 膨脹土的脹縮性問題。倒虹吸管身段地基以第四系下更新統(tǒng)粘土和壤土為主，其中壤土大部具弱膨脹潛勢，粘土大部具中等膨脹潛勢?；舆吰绿幍呐蛎浶哉惩梁腿劳粒酌浛s變形，導(dǎo)致土體強度降低，對工程和施工有一定的影響。建議采用預(yù)留保護(hù)層或噴乳化瀝青等方法進(jìn)行防護(hù)，以減少膨脹土含水量的變化，保持土的結(jié)構(gòu)和物理力學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定。

2.2 基坑排水和邊坡穩(wěn)定問題。（1）基坑排水問題。倒虹吸地下水位高程76.25～77.4m，基礎(chǔ)底板高程為78.29～66.8m，進(jìn)口段基礎(chǔ)底面位于地下水位以下0～3.5m，管身段基礎(chǔ)底面位于地下水位以下3.5～13.4m，出口段基礎(chǔ)底面位于地下水位以下1.0～1.8m，因此需考慮基坑排水問題。根據(jù)工程區(qū)含水層的埋藏特征，基坑涌水量采用《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-99）[4]附錄F中的潛水完整井公式進(jìn)行計算：

Q=1.366K（2H-S）S/（lg（1+R/r0））

式中：Q—基坑涌水量（m3/d）；K—滲透系數(shù)（m/d），由于含水層分布不均勻，且?guī)r性有差異，根據(jù)室內(nèi)滲透試驗和現(xiàn)場抽水試驗成果，選取了四個斷面進(jìn)行加權(quán)平均，計算出基坑綜合滲透系數(shù)K=2.71×10-2cm/s=23.41m/d；H—含水層厚度（m），取潛水位以下含水層的平均厚度8.7m；S—基坑排水降深（m），水位降至粘性土層或基坑以下0.5m，取平均降深10.0m；R—降水影響半徑（m），R=2S（KH ）0.5=285.4m；r0—基坑等效半徑（m），r0=0.29（a+b）， a、b分別為基坑的長、短邊，按倒虹吸基坑的上、下口長度的平均值計算，分別取500m和50m，計算結(jié)果r0=159.5m；

將上述各參數(shù)代入公式求得基坑涌水量：Q=5311.71m3/d，建議采用井點排水法預(yù)降地下水位。

（2）邊坡穩(wěn)定問題。基坑邊坡由第四系全新統(tǒng)和下更新統(tǒng)砂性土和粘性土組成，受地下水影響，邊坡穩(wěn)定性較差，建議放緩邊坡，預(yù)留馬道分級開挖。建議第四系全新統(tǒng)砂土施工臨時坡比：水上1：1.75，水下1：2.0。砂壤土1：1.5。壤土1：1.25。建議第四系下更新統(tǒng)砂土臨時坡比：水上1：2.0，水下1：2.5。粘土及壤土建議施工臨時邊坡：水下1：2.0～1：2.5。

2.3滲透破壞問題

基坑邊坡由砂土組成，在排水過程中是否會產(chǎn)生滲透破壞，關(guān)系到邊坡的穩(wěn)定和排水方案的選定，對邊坡主要砂土統(tǒng)計匯總，繪制了綜合顆粒分析曲線。依據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50287—99）[5]附錄M，對各類砂土的破壞形式判別如下：①初判。各類砂土的不均勻系數(shù)在3.1～39.7之間，顆粒級配曲線均為連續(xù)型，根據(jù)規(guī)范M.0.2-2公式判斷，滲透破壞的類型為管涌。②詳判。

產(chǎn)生管涌破壞的臨界坡降采用以下公式進(jìn)行計算：Jcr=2.2（Gs-1）（1-n）2（d5/d20）；式中： Jcr —臨界水力坡降；Gs —土的顆粒密度與水的密度之比；n —土的孔隙率（%）；d5、d20—分別占總土重的5%和20%的土粒粒徑（mm）。邊坡主要砂土滲透變形的判別和水力比降的計算過程和結(jié)果見表2.1。通過計算和分析，砂土的臨界水力坡降Jcr=0.11～0.44，允許水力坡降J允許=0.08～0.22。

2.4砂土液化問題。工程區(qū)地處Ⅶ度地震基本烈度區(qū)，當(dāng)河道行洪時砂性土處于飽和狀態(tài)，有發(fā)生液化的可能。倒虹吸基礎(chǔ)座落于第四系下更新統(tǒng)地層中，基礎(chǔ)以下存在砂性土，但根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》GB50287-99附錄N，地質(zhì)時代處于Q3以前可初判為不液化土，且砂性土的標(biāo)貫擊數(shù)較高，實測平均值為39.0～48.3，可判定為不液化土。根據(jù)規(guī)范判別過程如下。液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)臨界值采用下式計算：

式中： ρc—土的粘粒含量質(zhì)量百分率（%），當(dāng)ρc<3%時，取值3%；N0—液化判別標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)基準(zhǔn)值，按近震考慮，取值為6；Ncr—液化判別臨界貫入錘擊數(shù)；ds—標(biāo)準(zhǔn)貫入點埋深（m），5m以內(nèi)按5m計算；dw—工程正常運用時，地下水位在當(dāng)時地面以下的深度（m），當(dāng)?shù)孛嫜蜎]于水面以下時，dw取0；N63.5—工程運用時，標(biāo)貫點在當(dāng)時地面以下ds（m）深度處的標(biāo)貫擊數(shù)，對實測擊數(shù)應(yīng)按N.0.4-2式進(jìn)行校正；判定標(biāo)準(zhǔn)：當(dāng)N63.5>Ncr時不液化；當(dāng)N63.5

3.結(jié)論及建議

根據(jù)以上計算和分析，倒虹吸地基土大部具弱～中等膨脹潛勢，對工程和施工有一定的影響，建議采用預(yù)留保護(hù)層、噴乳化瀝青或放緩邊坡分級開挖等方法進(jìn)行防護(hù)?；舆吰律喜康纳巴链蟛糠譃榭赡芤夯粒┕r將被開挖掉，對邊坡穩(wěn)定稍有影響。建議施工時放緩邊坡，預(yù)留馬道分級開挖。

地基中砂土的滲透變形類型為管涌，應(yīng)考慮滲透破壞問題。倒虹吸基礎(chǔ)底面位于地下水位以下，需考慮基坑排水問題，建議低水位期施工，采用明溝法或井點法進(jìn)行排水。

參考文獻(xiàn)

[1] 《堤防工程地質(zhì)勘察規(guī)程》（SL188-2005）.北京：中國水利水電出版社，2005.

[2] 《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021-2008）

[3] 《工程地質(zhì)手冊》（第四版），北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007

[4] 《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ120-99）

[5] 《水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（GB50287-99）

作者簡介：王杰，1987年6月出生，男，漢族，河北平山人，助理工程師。