基礎換填法在南水北調北汝河倒虹吸工程中的應用

郭勤軍

（南水北調河南直管建管局，河南 鄭州 450046）

南水北調中線北汝河倒虹吸工程長1 482 m，是沙河南～黃河南渠段上第6座河渠交叉建筑物，設計流量315 m3/s，加大流量375 m3/s，管身橫斷面為兩聯四孔箱型結構，孔徑寬7.0 m、高6.95 m。倒虹吸水平管身段長950 m，基底高程約為99.9 m，位于地表下18 m深處。地質報告顯示管身基底大部為粘土巖或砂質粘土巖、部分為砂礫巖，該層的承載力和強度均較高，適于作構筑物建基面。

1 北汝河倒虹吸工程基礎地質問題的發現

2010年6月28日下午，參建各方對新開挖倒虹吸管身52～53號的基礎建基面進行了隱蔽工程聯合驗收，驗收結果表明：建基面平坦、基底無積水及冒水點，邊沿的兩個滲水點進行了盲溝導滲，地質情況較好。當日夜里就開始了墊層混凝土澆筑，于6月29日上午澆筑結束，整個澆筑及養護是按照規程、規范和設計要求進行的。6月30日早上發現墊層局部出現細小裂紋，7月1日發現墊層出現三角形交叉裂縫，7月2日下午出現大面積裂縫，以致錯臺，經聯合測量，墊層隆起最高處達28.1 cm。整個過程，施工及監理單位都進行了詳細的觀測與記錄。

地質與水文報告顯示沒有異常，降排水措施是根據抽水試驗成果和地質復勘結果確定的，基坑降排水及開挖工作是按照批準的方案實施的，上層潛水進行了疏導、抽排并填筑了粘土芯墻截滲，基底兩邊進行了管井強降水并挖有截滲溝，混凝土澆筑及養護是按照規范及設計要求進行的。什么原因導致墊層破壞，針對出現的問題進行反思。

2 專家論證和換填方案的提出

2.1 專家現場查看并建議

2010年7月5日、7月9日及7月16日，分別邀請河南省水利廳、華北水院及黃委會等單位的地質及水文專家到南水北調北汝河倒虹吸工地進行現場把脈，及時召開座談會。通過勘查，專家們認為，造成墊層破壞的主因是水力作用結果，粘土巖的弱中膨脹潛勢屬于次因；從基坑開挖面的細小紋層、裂縫走向結合現場探坑，大家認為粘土巖面存在不規則裂隙、使巖層中賦存的地下承壓水具有一定的復雜性。按專家的意見，在現場進行了基底水槽試驗、探坑開挖、觀測孔的布置，按業主要求加密了降水井、補充了地質勘探工作，聯系了地質CT勘測。

2.2 現場水槽試驗、基底探坑、觀測井及補充地質勘探

在現場滲水點埋設水槽，測量承壓水水頭；大小水槽試驗共進行了兩次，2010年7月9日的檢測結果顯示，水槽中水位高出建基面約55 cm。

經業主同意，在揭露開的53號基底上開挖探坑4個，深度達1.5 m，其中兩個探坑相鄰。結果顯示探坑內多有縫隙，個別裂縫較大，水力聯系復雜。其中較近的兩個探坑一個水量豐富，只好持續排水，另一個干枯，始終不見水位上升；盡管二者僅相距50 cm，水位差保持了近1.2 m，水量對比懸殊。觀測孔及管井測量結果顯示，水位懸殊很大。7月27日完成的54～58號補充地質勘探結果表明，在建基面下3～6.5 m分布有粉砂巖透水層，該層富含承壓水，觀測孔顯示水頭超出建基面6.6 m。

2.3 問題的分析及論證過程

參建各方于2010年7月5日、8月5日、8月17日召開了三次專題會議，討論北汝河倒虹吸的基礎問題。經過三次會議，根據專家意見、現場試驗情況和以往的施工經驗，認為粘土巖層的不規則裂隙導致了地下水的孤立性、分散性及不連續性，加上地下承壓水的復雜性，按原設計降水和施工將舉步維艱。在7月9日的碰頭會上就提出了換填試驗段的初步設想，直到幾輪談判之后在8月25日片區會上，大家才默認了開挖換填試驗段的建議。

3 換填方案及其技術原理

基礎換填法可以歸納為“適度超挖、全面換填，盲溝導滲、降排結合，覆膜保土、覆紙保漿”，其技術原理為：水力學的滲流及流網理論。粘土巖的相對不透水性、裂隙分布的不規則性，決定了降排水工作的復雜性；一方面要給水出路、降低糙率、導排結合，另一方面要確?；淄敛涣魇?。

3.1 換填方案的理論分析

“適度超挖”能充分利用粘土巖作為持力層的有利條件，避開水力破壞，且能節省材料。“全面換填”能適應粘土巖裂隙不規則、避開地下水孤立性、分散性的制約，且能便于施工。開挖盲溝可給滲水一出路，起有效導流效果；盲溝內換填天然礫料，可降低糙率，易于排水導滲；換填砂卵石，就地取材成本低；土工膜的采用能保證建基面細小顆粒不流失且便于水的滲透；墊層底部覆紙既保證了混凝土漿不流失，又保證了砂卵石的透水路徑。

3.2 換填施工注意事項

換填的具體尺寸、厚度、規格、參數等細節問題，由設計做了具體要求，其內容為：采用倒虹吸基坑原建基面下開挖40 cm，針對出水點開挖盲溝把水導到基坑兩邊的縱向排水溝內，盲溝用5～20 mm卵石填筑，其上依次布置一層土工布、10 cm厚的砂、30 cm厚的（5～20 mm級配）碎石；用蛙式夯機把換填的碎石夯實，在其上鋪一層牛皮紙（防止水泥漿滲入級配碎石），最后在牛皮紙上澆筑墊層混凝土（見圖1）。

圖1 倒虹吸基礎換填示意圖Fig.1 Sketch drawing of foundation replacement in invert siphon

3.3 換填方案的成功實踐

從首次澆筑墊層失敗到采取換填方案并成功澆筑55號管節倒虹吸底板，時間過去了80天。第一節倒虹吸管身墊層及底板的成功澆筑鼓舞了士氣，也給施工找到了一個出路，解決了施工的技術難題。

至今已完成18節管身、20多節墊層的混凝土澆筑任務，施工進展順利，彌補了兩個多月的損失，為后續施工帶來了突破，其意義深遠，投資、進度及年度目標得以實現。

4 社會和經濟價值分析

（1）經濟效益：短期來看，彌補工期近3個月，預計加快施工總進度半年以上，為工地節約投資500余萬元，確保了投資目標的實現。長期對比，效益不可估量。

（2）社會效益：為工程順利完工創造了條件，為早日通水提供了保障，為南水北調工程打開了思路，為同類型工程的施工積累了經驗。

5 結論與建議

基礎換填施工對南水北調北汝河倒虹吸工程來說，不僅是實用的而且是可行的。它被已成功澆筑的倒虹吸管身實踐所驗證，為設計與施工管理都提供了有益的嘗試。

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