淺議高地下水位市政道路工程設(shè)計(jì)

郝小影 李憲

摘要：在地下水位較高的市政道路工程中，對地下水位的控制十分關(guān)鍵。文章結(jié)合非洲安哥拉某市政道路工程，對地下水的采用控制與疏導(dǎo)處理方式，具體為井點(diǎn)降水技術(shù)和地下水疏導(dǎo)技術(shù)進(jìn)行技術(shù)與經(jīng)濟(jì)對比，得出采用疏導(dǎo)方式為較優(yōu)處理方式，為類似工程提供參考。

【關(guān)鍵詞】市政道路;井點(diǎn)降水;暗管疏水

在市政道路工程中，若其地下水位很高，地下水對路基路面的危害性很大。地下水會破壞路基土的結(jié)構(gòu)，使路基失去穩(wěn)定性，不但會造成路基滑坡、坍塌，而且容易導(dǎo)致路基路面發(fā)生沉陷、翻漿等多種病害。文章通過兩種試驗(yàn)方式分析土的滲透性，分析出人工降低地下水的可行性，另外轉(zhuǎn)換思路，變堵為疏，提出新的解決方案。

1.工程概況

某市政道路升級改造項(xiàng)目所在地位于安哥拉中部，西臨大西洋，為典型的海邊盆地地形，且城區(qū)內(nèi)有河流穿過，整個(gè)城市處于高地下水位區(qū)域，地下水位平均埋深僅約100cm。該項(xiàng)目地處熱帶草原地區(qū)，雨季旱季區(qū)分明顯，雨季降雨較多;每年11月～翌年4月為雨季，年均降雨量可達(dá)500mm。該項(xiàng)目主要包括15km市政道路、雨水管網(wǎng)、污水管網(wǎng)、電力照明、通信設(shè)施等。

在項(xiàng)目實(shí)施期間，需克服的最大困難為淺埋地下水對工程實(shí)施和質(zhì)量控制的影響。該項(xiàng)目部分路段于2008年曾進(jìn)行過修復(fù)，當(dāng)時(shí)未充分考慮淺埋地下水對工程質(zhì)量的影響，修復(fù)的道路的未達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限便嚴(yán)重破壞。因此該市政道路升級改造項(xiàng)目的設(shè)計(jì)工作中對高地下水位的應(yīng)對措施受到各方的格外關(guān)注。

為減少地下水對路面結(jié)構(gòu)的影響，項(xiàng)目部提出兩套方案：（1）人工降低地下水，即通過井點(diǎn)降水的方法;通過在項(xiàng)目范圍內(nèi)設(shè)置多個(gè)井點(diǎn)，用水泵抽水，有效降低地下水位，從而減小地下水對路面結(jié)構(gòu)的影響。（2）采用疏導(dǎo)的方式，在路面結(jié)構(gòu)層下設(shè)置排水結(jié)構(gòu)，將地下水通過暗管疏導(dǎo)至雨水管路內(nèi)，有效降低高地下水對于道路結(jié)構(gòu)層的破壞。

2.井點(diǎn)降水技術(shù)

2.1井點(diǎn)降水技術(shù)分析

本項(xiàng)目分別采用了雙環(huán)法和鉆孔注水法兩種方法對土的滲透性進(jìn)行測定，以分析井點(diǎn)降水的效果并進(jìn)行井點(diǎn)布置的分析。因項(xiàng)目地處非洲，執(zhí)行的標(biāo)準(zhǔn)為歐標(biāo)，檢測方法與計(jì)算依據(jù)均按照歐洲通行的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

2 .1.1雙環(huán)法測滲透系數(shù)。在市政區(qū)域范圍內(nèi)平均取5個(gè)點(diǎn)位做雙環(huán)法測定。試驗(yàn)方法如下：

（1）將同心環(huán)鐵環(huán)埋入土中，并測出埋到土中的深度;

（2）向外環(huán)內(nèi)加水，并時(shí)刻保持外環(huán)水處于滿的狀態(tài)，以保證外環(huán)內(nèi)土的飽和;

（3）向內(nèi)環(huán)內(nèi)加水，并保持水位低于地平線，且低于外環(huán)水位，以使內(nèi)環(huán)內(nèi)的土充分飽和;

（4）再次向內(nèi)環(huán)內(nèi)加水，并用刻度尺量出水位距離內(nèi)環(huán)頂?shù)木嚯xMi，并開始計(jì)時(shí)TO;

（5）待內(nèi)環(huán)水滲入到地下后，重新測量內(nèi)環(huán)水位距離內(nèi)環(huán)頂?shù)木嚯xMf，并開始計(jì)時(shí)Tf;

（6）對于其他4個(gè)點(diǎn)按照同樣的試驗(yàn)順序，進(jìn)行測定。

通過對5個(gè)點(diǎn)位的試驗(yàn)，取得相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，按照式（1）計(jì)算土的滲透系數(shù)。

式（1）中：K-土的滲透系數(shù)，m/s;I一鐵環(huán)的入土深度，mm;△t=Tf-T0， min;U=1/60000，mm/min到m/s的轉(zhuǎn)換系數(shù);Ho=H-I-Mi，mm;h=H-I-Mf，mm; H-鐵環(huán)的高度，mm。

通過式（1）測得5個(gè)點(diǎn)位的滲透系數(shù)，如下：A點(diǎn)位的滲透系數(shù)為4.01E-05m/s;B點(diǎn)位的滲透系數(shù)為2.44E-06m/s;C點(diǎn)位的滲透系數(shù)為8.41E-06m/s;D點(diǎn)位的滲透系數(shù)為9.70E-06m/s;E點(diǎn)位的滲透系數(shù)為2.02E-06m/s。

根據(jù)測得的滲透系數(shù)，進(jìn)行土的性質(zhì)分析。通過圖1可讀出測出5個(gè)點(diǎn)的土質(zhì)特性。

對比得出雙環(huán)法測得的5個(gè)點(diǎn)位的土為粘土淤泥質(zhì)土質(zhì)，滲透系數(shù)較低。

2 .1.2鉆孔注水法測滲透系數(shù)，在市政區(qū)域范圍內(nèi)平均另取9個(gè)點(diǎn)位對土的滲透性進(jìn)行了檢測，試驗(yàn)方法如下：

（1）在每一個(gè)檢測點(diǎn)位取4根50mm直徑的PVC管，長度分別為50cm、100cm、150cm和200cm，將其埋入地下;

（2）量出此時(shí)每根管的水位到管頂口的距離Mi并記下時(shí)間Ti;

（3）待土充分飽和后量出此時(shí)管內(nèi)水位到管頂口的距離Mf并記下時(shí)間Tf。

（4）在其他8個(gè)點(diǎn)位按照同樣的試驗(yàn)順序進(jìn)行測定。

通過對9個(gè)點(diǎn)位的試驗(yàn)，取得相應(yīng)的數(shù)據(jù)后，按照式（2）對土的滲透系數(shù)計(jì)算。

式（2）中：K-土的滲透系數(shù)，m/s;R-管的半徑，0.025m;△t=Tf-T0，s;Ho=H-Mi，cm; h=H-Mf，cm;H=管的高度，cm。

通過式（2）算出9個(gè)點(diǎn)位的滲透系數(shù)，并通過數(shù)據(jù)分析得出該工程范圍內(nèi)土的平均滲透系數(shù)為3.69E-08，將計(jì)算得出的土體的滲透系數(shù)數(shù)值與圖2對照，進(jìn)一步驗(yàn)證了該區(qū)域的土體為粘土，滲透系數(shù)較低。

綜上所述，該區(qū)域的分布土體為粘土，滲透系數(shù)較低，井點(diǎn)降水的效果差，降水漏斗影響范圍較小。若采用井點(diǎn)降水，需要在該工程范圍內(nèi)沿路布設(shè)193處井點(diǎn)，并保持常年抽水降水方可達(dá)到降低地下水位的目的。

2.2井點(diǎn)降水經(jīng)濟(jì)性分析

該項(xiàng)目地處經(jīng)濟(jì)不發(fā)達(dá)地區(qū)，社會發(fā)展水平較低下，物資短缺，水泵和管材等物資設(shè)備均需進(jìn)口，設(shè)備的維護(hù)費(fèi)用，維修費(fèi)用和使用費(fèi)用均較高。通過式（3）可以算得設(shè)計(jì)年限內(nèi)井點(diǎn)降水的建設(shè)和運(yùn)維總費(fèi)用。

T=Q×（（C+P）+（S+O）×D） （3）

式（3）中：T-建設(shè)與設(shè)計(jì)年限內(nèi)的運(yùn)維總費(fèi)用;Q-泵站數(shù)量;C-泵站土建費(fèi)用;P-水泵的采購費(fèi)用;D-設(shè)計(jì)年限;s-年維護(hù)費(fèi)用;O-年運(yùn)營費(fèi)用。

綜合考慮成本與物價(jià)水平，計(jì)算得到采用井點(diǎn)降水的建設(shè)成本和20年設(shè)計(jì)年限內(nèi)運(yùn)維總費(fèi)用合計(jì)為884萬美元。

3.地下水疏導(dǎo)技術(shù)

3.1地下水疏導(dǎo)技術(shù)分析

該地區(qū)瀕臨海洋并有河流穿過，地下水位埋深淺，亦可通過有效疏導(dǎo)以控制地下水位對道路結(jié)構(gòu)層的影響。綜合考慮各因數(shù)，通過道路交通流量荷載計(jì)算，提出采用增加一層碎石墊層，一層沙層并在碎石排水層中埋設(shè)HDPE花管來疏導(dǎo)地下水。結(jié)構(gòu)層設(shè)計(jì)見圖2。

地下水位的正常高度為碎石層內(nèi)，距地面約0.7m，埋設(shè)的HDPE花管距離地面0.8m。由此可將地下水通過埋設(shè)的花管收集并疏導(dǎo)到雨水井內(nèi)，由雨水管排出。

3.2地下水疏導(dǎo)經(jīng)濟(jì)性分析

項(xiàng)目所在地距離瀕海臨河，容易獲得質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的沙。在距離項(xiàng)目現(xiàn)場20km里處有一碎石場，能保質(zhì)保量的供應(yīng)級配碎石，且當(dāng)?shù)氐娜斯こ杀静桓?。通過式（4），可算出結(jié)構(gòu)層的建設(shè)費(fèi)用。

T GxP₁+ CxP₂+ SxP₃+ HxP₄

（4）

式（4）中：T-總建設(shè)費(fèi)用;G-土工布建設(shè)費(fèi)用;C-碎石層的建設(shè)費(fèi)用;S-沙層的建設(shè)費(fèi)用;H-HDPE管的建設(shè)費(fèi)用。

通過計(jì)算得出增加排水結(jié)構(gòu)層的總費(fèi)用為328萬美元，且為一次性投入，基本無需維護(hù)。因此采用設(shè)置排水結(jié)構(gòu)層方案較為經(jīng)濟(jì)。

4.分析與總結(jié)

綜上所述，“疏”與“控”是解決地下水埋深淺問題的兩種途徑，在項(xiàng)目設(shè)計(jì)階段中均進(jìn)行了考慮。鑒于項(xiàng)目所在地的特點(diǎn)，如社會發(fā)展水平，沙、石等地材的可獲得性來進(jìn)行綜合性分析。本項(xiàng)目通過費(fèi)用對比可發(fā)現(xiàn)井點(diǎn)降水的費(fèi)用隨著年限的增長逐年增加，約第9年時(shí)井點(diǎn)降水費(fèi)用即與暗管導(dǎo)水的費(fèi)用相當(dāng)。井點(diǎn)降水前期投入較少，但需在后期保持投入以維護(hù)水泵的正常運(yùn)行，運(yùn)維成本較高;暗管導(dǎo)水需要增加結(jié)構(gòu)層，前期建設(shè)投入較大，后期維護(hù)投入很少。且采用井點(diǎn)降水方案降水效果將受到運(yùn)維單位管理水平的制約，存在降水效果不佳的風(fēng)險(xiǎn)。因此采用設(shè)置排水結(jié)構(gòu)層方案為較優(yōu)方案。

5.結(jié)束語

綜上所述，文章通過項(xiàng)目施工以及試運(yùn)行可獲知轉(zhuǎn)換思路，以變“控”為“疏”的方式來避免地下水位的危害，不但經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)，而且工程質(zhì)量能得到有效控制。項(xiàng)目得到業(yè)主單位、當(dāng)?shù)卣褪忻竦钠毡榭隙?，為在安哥拉類似?xiàng)目的實(shí)施提供了重要的參考依據(jù)。

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