地下水路塹設(shè)計(jì)

李珊珊

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司東北分院，黑龍江哈爾濱150001）

1 地下水定義

1.1 什么是地下水

水，化學(xué)符號H2O，是由氫、氧兩種元素組成的無機(jī)物，地下水顧名思義地面線以下，埋藏在地層中。

1.2 地下水的類別

地下水一般概略地分為兩種狀態(tài)：一是束縛水，也稱吸附水，受土粒表面電荷和分子力影響而處于被束縛的狀態(tài)，對工程危害較小，一般不予以考慮；二是自由水，在重力作用下，可以自由流動的水，常見的主要有毛細(xì)水、上層滯水、潛水、承壓水、裂隙水、溶洞水、多年凍土地區(qū)地下水，對工程會造成很大的危害和影響。

1.3 地下水危害

地下水（自由水）的存在和活動引起各種路基病害，主要有：

1.3.1 浸濕軟化

地下水在路基范圍內(nèi)活動，逐漸浸濕路基土體，在土體自重、列車荷載及其他外力作用下，將產(chǎn)生基床翻漿冒泥、擠出下沉、邊坡表土滑動、溜塌，路堤潰爬或沿傾斜基底面滑動等。地下水在路基旁側(cè)的山坡地層中活動，可降低山坡土體及其結(jié)構(gòu)面的強(qiáng)度，影響其穩(wěn)定性，導(dǎo)致崩塌、滑坡等病害的發(fā)生。

1.3.2 凍脹及鹽漬化

毛細(xì)水凍結(jié)時能吸引集聚大量水分形成凍脹層，使路基發(fā)生凍脹變形，凍層融化時又會產(chǎn)生翻漿冒泥；在地下水含鹽量大的地區(qū)，由于毛細(xì)水的活動，還可能使路基土體鹽漬化，并引起路基膨脹等病害。

1.3.3 潛蝕

地下水能溶解土中的易溶鹽類，地下水的動水壓力能帶走土中的細(xì)顆粒，這些均可降低地基土的強(qiáng)度，甚至形成地下洞穴，引起黃土層及其他松散層地表塌陷，進(jìn)而引起路基下沉，坍塌等病害。

1.3.4 流砂和液化

粉細(xì)砂地層被地下水飽和可能隨地下水流動形成流砂，在地震作用下或在列車荷載作用下產(chǎn)生液化，引起路基下沉、滑動等病害。

1.4 水文地質(zhì)調(diào)查和資料收集

1.4.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

（1）判定地下水類型：潛水、承壓水等。例如潛水進(jìn)一步查明毛細(xì)水上升高度，承壓水需要判定承壓性、水頭高度等。

（2）地下水的平面分布、埋藏深度、運(yùn)動規(guī)律、補(bǔ)給來源、出露情況。

（3）含水層與隔水層的性質(zhì)（包括巖性、組成成分、結(jié)構(gòu)、孔隙等），含水層的滲透系數(shù)。

（4）地下水位、流速、流向、流量、環(huán)境類別及作用等級。

（5）土的凍結(jié)深度及有關(guān)氣象資料。

1.4.2 測繪資料及地質(zhì)填繪

（1）地質(zhì)的平面圖。

（2）地質(zhì)的縱斷面圖。

（3）地質(zhì)的橫斷面。

1.5 設(shè)計(jì)原則

針對不同形態(tài)的地下水活動對路基不同部位的危害作用采取不同的防治原則。

1.5.1 地下水埋深較淺

地下水埋深較淺地段，宜以路堤形式通過，路肩高程應(yīng)大于最高地下水位或最高地面積水水位、毛細(xì)水強(qiáng)烈上升高度、安全高度（一般為0.5m）等之和。

1.5.2 出露路堤基底的泉水

出露路堤基底的泉水地段，應(yīng)引排至基底范圍以外或者采用滲水材料填筑路堤基底部位。引排至基底范圍以外，優(yōu)先選用明溝，因?yàn)榘禍弦坏┯偃?，疏通較難，甚至需要開挖重建。

1.5.3 出露路塹邊坡的上層滯水

出露路塹邊坡的上層滯水地段，宜采用邊坡滲溝排除和疏干。對于疏干邊坡上局部潮濕地帶土體并兼起支撐作用的可采用Y 形、I 形邊坡滲溝；對于疏干邊坡大片潮濕地帶土體并兼起支撐邊坡作用的可采用拱形邊坡滲溝。

1.5.4 出露路塹邊坡的潛水

出露路塹邊坡的潛水地段，宜采用側(cè)溝下或側(cè)溝旁的滲溝，降低和排除地下水，地下水位較淺，路塹開挖較深時，可結(jié)合邊坡滲溝，大部分地下水通過邊坡滲溝引入側(cè)溝下或側(cè)溝旁滲溝，降低和排除地下水。

1.5.5 出露路塹邊坡的承壓水

出露路塹邊坡的承壓水地段，對于水頭高差小的微承壓地下水，可采用U 型槽進(jìn)行封堵,對于水頭高差較大的承壓地下水，盡量繞避。

1.5.6 出露路塹邊坡的裂隙水

出露路塹邊坡的裂隙水地段，由于裂隙水分布不均勻，介質(zhì)的滲透性不均勻、有壓無壓具體分析，針對類似于潛水狀態(tài)可以參考潛水處理方式進(jìn)行處理，類似承壓水狀態(tài)可以按承壓水進(jìn)行處理[1]。

1.5.7 出露路塹邊坡的溶洞水

出露路塹邊坡地段的溶洞水地段，由于賦存于溶洞中的地下水，一般巖溶極發(fā)育,水量豐富（或者可以說是地面以下的河流），必須截?cái)嗟叵滤囱a(bǔ)給，否則應(yīng)進(jìn)行繞避。

1.5.8 出露多年凍土地區(qū)的地下水

出露多年凍土地區(qū)地下水地段，針對流量小，出水位置低的地段，在出水一側(cè)加深擴(kuò)大側(cè)溝截面，使其寬度與深度以能容納全部冰量為原則，必要時增設(shè)擋冰墻；針對流量大，可采用滲溝進(jìn)行排除，出水口需要采用掩埋式椎體保溫出口。

1.6 設(shè)計(jì)內(nèi)容

根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等準(zhǔn)確資料，進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)內(nèi)容如下[2]：

1.6.1 判定地下水類型

地下水類型主要有：毛細(xì)水、上層滯水、潛水、承壓水、裂隙水、溶洞水等。

1.6.2 流量計(jì)算

（1）計(jì)算流入排水構(gòu)造物的流量、必要時繪制降落曲線或者計(jì)算簡圖。

（2）進(jìn)行水力計(jì)算，并確定構(gòu)造物尺寸。

（3）設(shè)計(jì)與計(jì)算排水構(gòu)造物細(xì)部尺寸。

1.6.3 排水構(gòu)造物選擇

排水構(gòu)造物的主要類型：暗溝、邊坡滲溝、支撐滲溝、滲溝、滲井、滲管、平式鉆孔。

1.6.4 附屬設(shè)施

主要附屬設(shè)施：出水口設(shè)施結(jié)構(gòu)、檢查井結(jié)構(gòu)等。

1.6.5 相關(guān)圖紙說明

（1）排水平面示意圖。

（2）排水的縱斷設(shè)計(jì)面。

（3）橫斷面設(shè)計(jì)圖。

（4）排水設(shè)施細(xì)部結(jié)構(gòu)圖及通用圖紙。

2 項(xiàng)目概述

2.1 研究范圍

此次介紹以xx 鐵路專用線（簡稱專用線）DK4+750～DK6+200 段地下水路塹為工程實(shí)例，以下為該工程背景：

專用線DK4+750～DK6+200 以挖方通過，長1450m，最大挖深22.7m，勘察范圍內(nèi)（未見不透水層）含水層主要位于強(qiáng)風(fēng)化花崗巖巖層中，介質(zhì)均勻，平坡滲流，主要受大氣降水補(bǔ)給，向低洼處滲流。此次考慮最不利位置（流量最大）即未開挖時地下水位標(biāo)高為253.4m，設(shè)計(jì)水位下降至241.7m，水位下降高度11.7m。

2.2 地質(zhì)情況

2.2.1 工程地質(zhì)特征

工點(diǎn)區(qū)地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)沖積層（Q4

al）粉質(zhì)黏土，下伏華力西晚期（γ4）花崗巖；各地層巖性由新至老分述如下：

（1）第四系上新統(tǒng)風(fēng)洪積層（Q4al）

粉質(zhì)黏土（Q4al）：分布于表層，黃褐色，硬塑，Ⅱ級普通土，σ。=150kPa。

（2）下伏華力西晚期（γ4）

全風(fēng)化花崗巖（γ4）：黃褐色，原巖結(jié)構(gòu)基本破壞，巖芯風(fēng)化呈砂土夾碎塊狀，Ⅲ級硬土，σ。=350kPa；

強(qiáng)風(fēng)化花崗巖（γ4）：黃褐色，主要礦物成分以石英、長石為主并含有少量云母，中粒構(gòu)造，塊徑一般為10-20mm，最大50mm 錘擊易碎，Ⅳ級軟石，σ。=700kPa；

弱風(fēng)化花崗巖（γ4）：黃褐色，中粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，巖芯呈短柱狀，一般長10-30cm，最長40cm，錘擊聲脆，大錘可擊碎，Ⅴ級次堅(jiān)石，σ。=1000kPa；

2.2.2 水文地質(zhì)特征

（1）地下水的類型、埋藏情況及其變化特征

地下水類型為基巖裂隙水，分布于DK4+750～DK6+200，受大氣降水補(bǔ)給，勘探期間地下水位埋深11.0～18.0m，受季節(jié)影響較大，水位變化幅度一般為1～3m。綜合滲透系數(shù)為K=2m/d。

（2）地下水對混凝土等建筑材料的侵蝕性

勘測期間地下水及地表水取樣分析結(jié)果，依據(jù)《鐵路混凝土結(jié)構(gòu)耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10005—2010）[3]判定，地下水化學(xué)侵蝕類型為H1。

2.2.3 氣象特征

最冷月平均氣溫-14.8oC，按鐵路工程氣候分區(qū)屬寒冷地區(qū)。該地區(qū)最大凍深2.07m。

根據(jù)《中國地震動峰值加速度區(qū)劃圖》（GB 18306—2015），沿線地震動峰值加速度＜0.05g，相當(dāng)于地震基本烈度小于Ⅵ度，地震動反應(yīng)譜特征周期0.35s。

3 設(shè)計(jì)思路

3.1 第一步：判定地下水類型

根據(jù)勘察結(jié)果，地下水為基巖裂隙水無壓，按潛水進(jìn)行設(shè)計(jì)，由于不透水層較深，滲溝溝底位于含水層內(nèi)，計(jì)算按潛水不完整井（完整井：溝底位于隔水層，溝底不滲水；不完整井：溝底位于含水層，溝底滲水）。

3.2 第二步：流量計(jì)算

3.2.1 計(jì)算流入滲溝的流量

計(jì)算流入滲溝的流量，由于含水層厚度是無限，所以每米單側(cè)溝壁的流量按下列公式計(jì)算：

式（1）中：q——每米單側(cè)溝壁的流量，如水自兩側(cè)同時流入滲溝內(nèi)，應(yīng)乘以2，m3/s；

ε——根據(jù)試驗(yàn)資料的校正系數(shù)；

H——水位下降高度，m；

K——含水層中水流的滲透系數(shù)，m/s；

φ——含水層厚度是無限時：φ=π/2+α，含水層厚度是有限時：φ=β+α；

α—— 降落曲線與x 軸方向夾角近似為；

β——，H含為含水層厚度；

R——水力影響半徑，根據(jù)抽水試驗(yàn)或者經(jīng)驗(yàn)公式估算，m。

r——滲溝寬度一半，m；

暫定滲溝寬度為1.2m，各個參數(shù)取值：

ε——無試驗(yàn)資料，暫取1；

將各個參數(shù)數(shù)值帶入公式（1）

DK4+750～DK6+200 地下水路塹總長度為1450m，單側(cè)流量：

Q= 1450×q= 0.11m3/s。

3.2.2 假設(shè)排除地下水設(shè)備

此次設(shè)計(jì)暫時采用Φ315mmpvc 雙壁波紋帶孔滲水管將地下水排除，按下列公式（2）計(jì)算：

式（2）中：Q——流量，m3/s；

ω——水流斷面面積，m2；

ν——水流的平均流速，m/s；

R——水流斷面的水力半徑，x 為濕周，m；

i——水力坡度；

C——流速系數(shù)，采用巴甫洛夫斯基公式：

n——粗糙系數(shù)，pvc 材質(zhì)粗糙系數(shù)查《鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB 10001—2016）[4]附錄“F 表F.0.3 溝管壁粗糙系數(shù)”取0.01；

R——水流斷面的水力半徑，m；

y——與R 及n 有關(guān)的指數(shù)，采用公式：

各個參數(shù)取值：

采用Φ315mmpvc 雙壁波紋帶孔滲水管允許流量為0.12m3/s＞地下水路塹滲入單側(cè)流量0.11m3/s，設(shè)計(jì)合理，否則調(diào)整滲水管的孔徑重新進(jìn)行檢算。

3.3 第三步：排水構(gòu)造物選擇

路塹開挖較深，增設(shè)邊坡滲溝，地下水通過邊坡滲溝引入側(cè)溝下或側(cè)溝旁滲溝，降低和排除地下水。

其一，滲溝布置原則：可以設(shè)置側(cè)溝下或者設(shè)在側(cè)溝平臺以下，滲溝寬度采用1.2m、滲溝深度根據(jù)該工程凍結(jié)深度確定，挖深較深時或者受外界影響時，可以增設(shè)保溫板，減少滲溝挖深。

其二，邊坡滲溝垂直嵌入邊坡坡體，斷面采用矩形，寬度不宜小于1.2m，深度可以根據(jù)邊坡潮濕土層厚度確定。

3.4 第四步：附屬設(shè)施

由于工程處于嚴(yán)寒地區(qū)，出水口采用保溫出水口，檢查井井內(nèi)加設(shè)防寒木蓋，檢查井沿線路每隔30m 設(shè)一處，檢查井結(jié)構(gòu)構(gòu)造采用直角式及轉(zhuǎn)角式兩種形式。

3.5 第五步：繪制圖紙

一是排水平面示意圖。

二是排水的縱斷設(shè)計(jì)面。

三是橫斷面設(shè)計(jì)圖。

四是排水設(shè)施細(xì)部結(jié)構(gòu)圖及通用圖紙。

4 結(jié)論

影響地下水的因素較多，鐵路地下水路塹設(shè)計(jì)需要遵循針對不同形態(tài)的地下水活動對路基不同部位的危害作用采取不同的防治原則，計(jì)算繁雜，流量計(jì)算是處理地下水路塹的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)前應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的水文地質(zhì)勘察，依據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等準(zhǔn)確資料判定地下水類型，為計(jì)算流量提供準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)支持并對水力、流入排水構(gòu)造物的流量、排水構(gòu)造物細(xì)部尺寸進(jìn)行計(jì)算；排水構(gòu)造物的主要類型：暗溝、邊坡滲溝、支撐滲溝、滲溝、滲井、滲管、平式鉆孔，根據(jù)計(jì)算結(jié)果對構(gòu)造物進(jìn)行選擇。鐵路路塹地下水處理對預(yù)防鐵路路基運(yùn)營過程中的病害起決定性作用，所以必須全面分析，設(shè)計(jì)方案必須嚴(yán)謹(jǐn)可行，保證工程措施的可行性，防止地下水活動產(chǎn)生路基病害，造成安全隱患。