某倒虹吸供水管道地基處理與深基坑穩定性評價

[摘要] 該文介紹莆田市湄洲灣北岸供水管道在木蘭溪新開河道段采用倒虹吸鋼管進行改建中，根據不同管段、不同的工程地質條件和管道基底附加應力采取不同的地基處理方案，取得良好的效果；并闡述在松軟土深基坑工程中結合井點降水采用分層放坡開挖的可行性。

[關鍵詞] 工程地質評價 地基處理 倒虹吸 深基坑

1 工程概況

湄洲灣北岸供水工程是為福建省莆田市湄洲灣北岸開發區提供水源的省重點調水、輸水工程，一期設計流量為1m3/s，采用單管直徑1200mm的預應力混凝土管道輸水，工程等別為二等。莆田市木蘭溪一期防洪工程為黃厝至港利段的新開河道工程，堤距為250m，防洪標準為左岸50年一遇（堤頂高程11.76m），右岸20年一遇（堤頂高程11.63m），工程包括河道主河槽開挖（河底高程為-0.60m)、兩岸堤防填筑及灘地平整護砌。該工程與湄洲灣北岸供水一期工程管道在樁號13＋170∽13＋550段發生斜交。新開河道開挖將挖除該段現有輸水管道。改建輸水管道擬采用倒虹吸鋼管，設計流量為1m3/s，管道直徑1200mm，管數1根，管道總長380 m。

2 場地工程地質條件

擬建場地位于莆田木蘭溪下游南北洋平原的荔城區埭里村。擬建管線距城笏公路約250m，交通便利。場地地面高程5.5～7.0m。場地已部分開挖至標高-1.0m處，為海陸交互相和濱海相地貌。

場地地基土層主要有素填土①、粉質粘土②、淤泥質粉質粘土③、細砂④、淤泥質粘土⑤、卵石⑥、花崗巖殘積砂質粘性土⑦等。各土層厚度及分布情況見圖1所示，各土層物理力學指標見表1所示。

本場地地下水的類型主要為第四系松散巖類的孔隙潛水和承壓水。潛水主要賦存和運移在細砂④中；承壓水主要賦存和運移在卵石⑥中。受木蘭溪防洪一期工程新開河道的開挖和抽水影響，場地細砂④中的地下水位在新開河道河床部位明顯下降，據分層水位觀測，細砂④的地下水穩定水位高程在-0.3～2.0m之間，卵石⑥的地下水穩定水位高程在-2.0m左右。地下水主要接受大氣降水的下滲補給及相鄰含水層的側向補給并向東徑流排泄。地下水對混凝土結構無腐蝕性、對鋼結構具有弱腐蝕性。通過對細砂④和卵石⑥進行分層抽水試驗，其滲透系數見表1所示。

擬建場地抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g，設計地震分組為第二組。據標準貫入試驗判定，細砂④局部可產生液化，液化指數等于1.25，液化等級為輕微。淤泥質粘土⑤的承載力標準值fk小于80kPa，可產生震陷。場地土類型為中軟場地土，場地類別為Ⅱ類。

3 地基處理

3.1 過堤段

本段建基面高程為2.50 m，管道基底土層左岸為細砂④（下伏淤泥質粘土⑤）、右岸為淤泥質粉質粘土③。管道基底土承受管道（含管道水）及上覆土自重、堤防土壓力，管道基底附加壓力大，附加壓力p0達120kPa，基底土在附加壓力作用下可產生較大的沉降量，必須對該段管基進行處理，采用Φ800mm鉆孔灌注樁進行地基加固。鉆孔灌注樁以卵石⑦層作為樁端持力層，樁端全斷面進入持力層1000mm。另一方面，因堤防大面積梯形堆載對堤基所產生的附加沉降使鋼管縱向產生過大變形，鋼管應外包鋼筋混凝土箱涵。

3.2 過河段

本段建基面高程為-3.00m，管道基底土層為淤泥質粘土⑤。淤泥質粘土⑤呈高壓縮性、低強度。管道基底土承受管道（含管道水）及上覆土自重、河道靜水壓力。管道埋深大（對原地面而言），管道基底自重壓力大，管道基底自重壓力pk為170kPa，但由于該段為新開河道段，挖除厚層上覆土后，使管道基底附加應力小，其附加應力p0小于10kPa，但綜合考慮湄洲灣北岸供水工程對供水的可靠性、連續性要求高及木蘭溪新開河槽沖刷問題，以及淤泥質粘土⑤厚度不大，采用在鋼管的混凝土支座下，打設雙排間距0.50m、Φ600mm的旋噴樁[1]進行處理，旋噴樁樁端進入卵石層。

3.3 斜坡段

本段管道穿越在細砂④中，細砂④局部可產生液化，由于在結構上已采用鋼管取代混凝土管，可不考慮采取其他處理措施[2]。

3.4 灘地段

左岸灘地段管道基底土層為細砂④，本段除上覆土自重外，無其他不均勻外加荷載，能滿足承載力要求。雖然細砂④局部可產生液化，但由于在結構上已采用鋼管取代混凝土管，可不考慮采取其他處理措施[2]。

右岸灘地段管道地基土層為淤泥質粉質粘土③，但本段長度小，建基面以下淤泥質粉質粘土③厚度小，采用換填法進行處理，換填材料采用1:2砂、碎石。

4 深基坑穩定性評價

本工程過河段最大挖深達9m以上，坑壁土層有粉質粘土②、淤泥質粉質粘土③和厚層細砂④，厚層細砂④為基坑的主要含水層，開挖前地下水位比建基面高出3.5m以上，在地下水滲流力或施工震動荷載的作用下，易出現流砂或震動液化現象，對邊坡穩定不利。放坡開挖雖然土方工程量大，但可結合木蘭溪新開河道開挖，施工場面容易展開，施工迅速便利；而垂直開挖土方量雖然減少，但必須進行基坑支護，其造價昂貴，且施工工期相對較長，故采用放坡開挖。經基坑邊坡穩定分析計算，過河段基坑開挖采用三層開挖，開挖坡度取1:2，每層深度約3m，層間留1.5m寬的平臺。并根據細砂④的滲透系數及降水深度，采用輕型井點（完整井）進行降水，兩岸各布置一臺W1干式真空泵（抽氣速率370m3/h），井點間距1.20m，設在從上而下第二層開挖平臺上。本工程施工實踐表明，采取上述措施后，降水效果較好，基坑坑壁沒有出現大的滑坡或流砂現象，基坑邊坡穩定。

另一方面，由于基坑下部有承壓含水層卵石⑥，應評價基坑開挖引起下伏含水層承壓水頭壓力沖毀基坑底板造成突涌的可能性，這也直接關系到施工降水設計方案及施工安全。可以近似地根據壓力平衡概念[3]進行估算（見圖2所示），即γH=γwh，要求基坑開挖后不透水層厚度滿足下式才是安全的：

H≥γwh／γ

式中：

H—基坑開挖后不透水層的厚度（m）；

γ—承壓含水層頂板之上建基面以下土層的重度（kN／m³）(為多層土時應采用厚度加權平均法進行計算)，因不計土層頂起時的側向凝聚力和考慮井點降水作用，故采用天然重度替代浮重度，γ=16.9kN／m³；

γw—水的重度（kN／m³）；

h—承壓水位高于含水層頂板的高度（m）；

經計算，基坑底板不發生突涌時淤泥質粘土⑤的最小厚度應為2.35m，而開挖后淤泥質粘土⑤的實際厚度為3.0～4.6m，故可判定為不會發生基坑突涌，基坑底部穩定安全。

5 結語

5.1 倒虹吸管應根據不同管段不同的工程地質條件和管道基底附加應力及上層建筑物對不均勻沉降的敏感性，分別采取不同的地基處理方案，做到安全、經濟、合理。

5.2 過堤段倒虹吸管地基處理不僅要考慮堤身大面積梯形堆載產生的附加應力使管道基底土產生較大沉降，又要考慮此堆載對堤基所產生的附加沉降使鋼管縱向產生過大變形，宜采用鋼筋混凝土箱涵內套鋼管并打設鉆孔灌注樁進行處理。

5.3 過河段倒虹吸管雖因新開河道深開挖使管道基底附加應力小，但當管道基底為軟土時，宜綜合考慮工程重要性及新開河道沖刷問題采用旋噴樁進行加固處理。

5.4 坑壁為軟土、松砂的深基坑工程，在條件許可下，結合井點降水采用分層放坡的方法進行開挖是可行的，且可節省工期和造價。

參考文獻

[1] 盧肇基，等. 地基處理新技術[M]. 北京：中國建筑工業出版社，1989.

[2] 華東水利學院. 水工設計手冊[M]. 北京：中國水利電力出版社，1984.

[3] 手冊編委會. 巖土工程手冊[M]. 北京：中國建筑工業出版社，1995.