引江濟淮工程江水北送段城鄉(xiāng)供水工程地質(zhì)問題與處理措施研究

余小明

（中水淮河規(guī)劃設(shè)計研究有限公司，安徽 合肥 230601）

1 地質(zhì)概況

引江濟淮工程是國家172 項節(jié)水供水重大水利工程之一，劃分為引江濟巢、江淮溝通和江水北送三段。江水北送段城鄉(xiāng)供水工程區(qū)屬淮北平原區(qū)平原地貌，局部為淮河二級階地，地勢平坦。區(qū)內(nèi)分布主要河流有沙潁河、西淝河、渦河、泉河等。工程區(qū)第四系地層發(fā)育，以沖積類型為主，出露的第四系地層主要有上更新統(tǒng)茆塘組黃、棕黃色粉砂、砂質(zhì)粘土，含鈣質(zhì)結(jié)核及鐵錳小球，局部夾黑色砂質(zhì)粘土、壤土，全新統(tǒng)大墩組棕紅、棕黃、灰黃色粉砂質(zhì)粘土與粘土質(zhì)粉砂互層；淮河沿岸下部為灰、灰黑色中細(xì)砂、淤泥質(zhì)粉細(xì)砂，上部為灰黃、棕灰色砂壤土、輕粉質(zhì)壤土夾灰黑色淤泥質(zhì)粘土。

工程區(qū)淺層含水層主要為第四系松散巖類孔隙含水層，地下水類型一般為潛水，局部具微承壓性。地下水流向與地形傾向總體一致，呈西北向東南流動，水位埋深隨地形變低埋深逐漸變小，總體上地層富水較弱。地下水與河水水力聯(lián)系密切，相互補給。

工程區(qū)主要地層滲透特性見表1。

表1 工程區(qū)主要地層滲透特性表

2 主要地質(zhì)問題分析

2.1 地基不均勻沉降問題及處理措施

地基的不均勻沉降是引起管道運行事故的主要原因，由于工程區(qū)范圍大，基礎(chǔ)位于不同地基土層上，地基土力學(xué)性質(zhì)存在差異，從而引起地基土的不均勻沉降，導(dǎo)致管道發(fā)生變形，造成接口或管道破裂漏水故障，促使管道發(fā)生更嚴(yán)重的不均勻沉降，最終引起事故[1]。地基不均勻沉降的處理措施首先應(yīng)提高軟弱地基的允許承載力，防止發(fā)生地基破壞，同時采取適當(dāng)措施使地基土層差異沉降滿足設(shè)計要求。

2.1.1 提高軟弱地基土承載力

城鄉(xiāng)供水工程輸水管道一般對地基強度要求不高，地基允許承載力一般可滿足設(shè)計要求，而新近沉積軟弱地基土或地基土存在軟弱下臥層時則需考慮承載力不足問題，處理措施可選用水泥土換填或水泥土深層攪拌樁處理，提高地基承載力、增大變形模量、減小沉降。軟弱地基土分布于地基表層且厚度不超過3.0m 時，可采用水泥土換填方法，若軟弱地基土厚度大、分布范圍廣，或地基土存在軟弱下臥層不滿足設(shè)計要求時，可選用水泥土深層攪拌樁處理。

2.1.2 控制不同地基土沉降差異

輸水管道沿線各地基土承載力或經(jīng)處理后的復(fù)合地基強度和沉降量均滿足設(shè)計要求后，需控制不同地基土之間的沉降差異量，其主要措施為鋪設(shè)管底墊層和管道胸腔土回填。管底墊層鋪設(shè)主要作用為找平管道地基面，適應(yīng)地基變形，使管道受力均勻，避免管道發(fā)生應(yīng)力集中變形。管道胸腔部分回填質(zhì)量需保證管道在受到荷載時不破壞管道結(jié)構(gòu)和發(fā)生偏移，可分為兩個部分分別進行回填設(shè)計：管底三角區(qū)應(yīng)采用中粗砂進行回填，壓實度要求與墊層一致；管底三角區(qū)以上胸腔部分可采用符合設(shè)計要求的壤土、粘土回填，管兩側(cè)至槽邊和管頂范圍內(nèi)壓實度不得低于0.95，管頂至地面以下500mm 區(qū)域內(nèi)壓實度不得低于0.92，管道兩側(cè)應(yīng)同時均勻分層回填，采用輕夯對稱壓實。

2.2 管道抗浮問題

城鄉(xiāng)供水工程輸水管道的抗浮穩(wěn)定性應(yīng)分別對施工期和運行期進行評價，其控制措施也不同。施工期的抗浮措施主要是通過采取有效的降排水措施，確保管道基坑內(nèi)積水及時排出或控制基坑水位解決，同時應(yīng)合理安排施工工序，及時回填基坑，防止降雨引起雨水倒灌造成管道浮起。運行期的抗浮穩(wěn)定問題一般發(fā)生在地下水位較高且管道處于放空檢修期時，其工程措施主要是通過上覆土的壓重進行抗浮，在進行抗浮穩(wěn)定驗算時，抗浮設(shè)防水位可取工程區(qū)地面標(biāo)高[2～3]，抗浮安全系數(shù)應(yīng)不小于1.1。

2.3 地震效應(yīng)影響

江水北送段工程區(qū)地震動峰值加速度為0.05～0.10g，相應(yīng)地震基本烈度為Ⅵ～Ⅶ度，位于Ⅶ度區(qū)的需進行地震效應(yīng)評價。在Ⅶ度地震條件下，工程區(qū)分布的第四系全新統(tǒng)沉積的輕粉質(zhì)壤土或砂壤土等少黏性土，一般位于地下水位以下，呈飽和狀態(tài)，易發(fā)生液化，軟弱土存在震陷問題。對于軟弱土的震陷問題可結(jié)合地基處理措施進行消除，對于少黏性土液化問題主要通過選用低摩擦系數(shù)的回填材料和控制回填施工質(zhì)量，同時通過提高管厚增大重量或選用柔性管材并合理設(shè)置管道附件等方面減弱地震效應(yīng)對管道的影響，提高長距離輸水管道的抗震可靠度[4]。

2.4 土壤腐蝕性

土壤腐蝕類型主要為電化學(xué)腐蝕，其腐蝕性首先會引起輸水管道的外腐蝕，同時土壤中的酸性物質(zhì)和活性離子也會滲入到砂漿保護層，導(dǎo)致內(nèi)部預(yù)應(yīng)力鋼絲發(fā)生電化學(xué)腐蝕，其腐蝕產(chǎn)物和腐蝕過程中產(chǎn)生的氫原子滲入高強鋼絲結(jié)構(gòu)，引起高強鋼絲的氫脆斷裂，對輸水管道的危害較大。土壤腐蝕性大小由土壤的理化性質(zhì)決定，評價指標(biāo)包括氧化還原電位、電阻率、pH 值、極化電流密度、質(zhì)量損失等，確定土壤的腐蝕性等級，作為輸水管道采取防腐蝕措施的依據(jù)。

江水北送段城鄉(xiāng)供水工程輸水管道埋藏深度內(nèi)土壤的腐蝕性一般為：對混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中鋼筋為弱腐蝕性，對鋼結(jié)構(gòu)具中～強腐蝕性，據(jù)此結(jié)論對PCCP 輸水管道防腐措施為環(huán)氧瀝青涂料外防腐和陰極保護，對鋼管防腐措施為外涂環(huán)氧樹脂內(nèi)涂環(huán)氧粉末和陰極保護。在實施過程中，經(jīng)過充分論證，管道的防腐措施優(yōu)化為加厚環(huán)氧煤瀝青方案。

2.5 施工降排水問題

江水北送段城鄉(xiāng)供水工程輸水管道基坑開挖深度內(nèi)主要受到淺層地下水的影響，多存在降排水問題。根據(jù)工程區(qū)地層結(jié)構(gòu)特點，可選用集水明排、井點降水等降排水措施。若基坑開挖揭穿或揭露砂性土等滲透性較大的地層時，涌水量較大，采用集水明排無法保證干地施工，且易對邊坡造成滲透破壞，對坡腳形成沖刷，影響邊坡的穩(wěn)定性，需采取井點降水措施；若地基為弱透水性的黏性土，基坑開挖未揭露滲透性較大的地層或揭露的滲透性較大地層位于地下水位以上時，基坑涌水量較小，還應(yīng)根據(jù)黏性土地基的厚度確定降排水措施：黏性土地基一般下伏承壓含水層，應(yīng)首先根據(jù)承壓水頭大小進行突涌穩(wěn)定性驗算，確定承壓含水層頂板地基土層臨界厚度，當(dāng)黏性土地基厚度小于臨界厚度時，承壓水會對地基形成頂托破壞，造成基坑突涌水，應(yīng)采取井點降水降低下伏承壓含水層水頭，確保施工安全，反之黏性土地基厚度大于臨界厚度時，可采用集水明排措施。

2.6 沉管穿越段分析

江水北送段城鄉(xiāng)供水工程區(qū)內(nèi)分布多條重要內(nèi)河航道，輸水管線需穿越河道，穿越長度一般在200～300m，采用沉管施工主要工程地質(zhì)問題是水下管道開挖基坑邊坡的穩(wěn)定性。

管道鋪設(shè)于通航河道河床下，其埋置深度需滿足河道通航、河槽沖刷及管道抗浮要求，并適當(dāng)考慮現(xiàn)狀河底淤積情況，基槽深度一般不少于5.0m，往河道兩側(cè)開挖深度可達(dá)10m 以上。沉管水下基槽開挖邊坡揭露地層一般為淤泥或淤泥質(zhì)層、砂土層等對邊坡穩(wěn)定不利的地層，同時由于施工對基槽邊坡的擾動，易引起邊坡失穩(wěn)滑塌回淤。為確保水下基槽開挖的穩(wěn)定性，需根據(jù)不同地層特性，并考慮施工影響，確定合理的放坡坡率。一般來說，確定水下邊坡坡率的總體原則是：上游邊坡較下游邊坡緩，上層邊坡較下層邊坡緩，據(jù)此建議邊坡上部淤泥或淤泥質(zhì)土層放坡坡比為1∶7～1∶10，砂土層、砂壤土或輕粉質(zhì)壤土層等放坡坡比為1∶4～1∶5，黏性土層放坡坡比可為1∶2，且不同坡率之間設(shè)置寬度不小于2.0m 的坡間平臺，同時在施工過程中，嚴(yán)格控制施工減小對邊坡土層的擾動和沖刷，尤其是對坡腳的保護。還應(yīng)注意各施工工序的銜接，縮短基槽開挖和管段沉放的時間間隔等措施來減少回淤。

2.7 頂管穿越段分析

輸水線路與公路、鐵路交叉或是穿越城區(qū)段，不具備明挖施工條件，且會切斷交通運行，對周邊建筑物產(chǎn)生安全隱患，可采取頂管施工方法進行鋪設(shè)，該方法在江水北送段城鄉(xiāng)供水工程中得到廣泛應(yīng)用，穿越長度80～600m，穿越深度4.0～10.0m。頂管施工可分為工作井施工和管道穿越施工，應(yīng)分別進行工程地質(zhì)條件評價和建議。

頂管工作井通常采用沉井法施工，沉井下沉過程中受土體對其側(cè)壁的摩阻力是沉井結(jié)構(gòu)設(shè)計和助沉措施實施的依據(jù)，根據(jù)沉管下沉深度內(nèi)涉及地層的物理力學(xué)性質(zhì)，依據(jù)相關(guān)規(guī)范提出土層與側(cè)壁摩阻力的建議值，并對井周土層和管底持力層的均勻性作出評價，判斷是否可能因受力不均發(fā)生傾斜，同時施工過程中應(yīng)嚴(yán)格控制挖土順序、挖土深度和下沉速度，并加強監(jiān)測，做到及時糾偏。其次還應(yīng)根據(jù)場地的水文地質(zhì)條件對下沉施工方法提出建議，若場地地下水位低或下沉過程中涉及透水性差的地層，涌水量不大時，建議采取排水法下沉；若地下水位較高且下沉過程中涉及透水性好的地層，涌水量大時，特別是場區(qū)附近有既有建構(gòu)筑物時，應(yīng)采取不排水施工。當(dāng)沉井地基為黏性土層時，還應(yīng)評價當(dāng)沉井下沉至設(shè)計高程時，黏性土地基是否下伏承壓含水層及其是否會對地基產(chǎn)生頂托破壞，作為沉井封底前是否采取降壓排水措施的依據(jù)。

頂管穿越施工應(yīng)首先確定始發(fā)洞口和接收洞口范圍內(nèi)水文地層條件，若洞口范圍內(nèi)為含水層，尤其是承壓含水層，應(yīng)對洞口采取適當(dāng)加固和止水措施，防治發(fā)生涌水、涌砂事故；其次應(yīng)對頂管頂進過程中，管道范圍內(nèi)的地層強度差異性是否會引起管端阻力不均導(dǎo)致管道頂偏進行評價，特別是管底遇軟弱土?xí)r可能會發(fā)生“磕頭”事故；管道頂進過程中，還應(yīng)控制頂進速率和注漿壓力，防止地面發(fā)生沉陷或隆起，特別是遇承壓含水層時，應(yīng)綜合考慮承壓水頭的作用，防止泥水通過管土間隙涌入工作井。

另外，頂管施工前還應(yīng)采取必要的物探手段探明場區(qū)地下管線的分布情況，對于管道穿越施工范圍內(nèi)的管線應(yīng)進行遷移，對于管道施工可能引起的土體位移影響范圍內(nèi)的管線應(yīng)建議進行加固或遷移等措施。

3 結(jié)論

皖北地區(qū)具有相似的工程地質(zhì)條件和水文地質(zhì)條件，在該地區(qū)興建城鄉(xiāng)供水工程具有類似的地質(zhì)問題。本文通過總結(jié)近年來該地區(qū)已建成和在建工程勘察成果，對工程可能存在的地質(zhì)問題和沉管、頂管法鋪管可能存在的地質(zhì)風(fēng)險進行歸納和評價，并提出處理措施建議，為類似管道工程的建設(shè)提供參考■