白馬河渠道倒虹吸主要工程地質問題分析

王杰　張金歡　王夢潔

摘 要：白馬河渠道倒虹吸是南水北調中線一期工程中大型的河渠交叉建筑物之一，該建筑物區內存在許多不利的工程地質因素。自1995年開始陸續進行了多次地質勘察，勘察結果表明工程區的主要工程地質問題是膨脹土漲縮性問題、基坑排水及邊坡穩定性的問題、滲透破壞和砂土液化問題。基于對上述問題提出更準確可靠的解決方案，于是進行了工程地質鉆探工作，根據資料成果，為工程設計及施工提出了有效的解決措施和合理建議。

關鍵詞： 膨脹土；基坑排水；邊坡穩定；滲透破壞；砂土液化

白馬河渠道倒虹吸是南水北調中線一期工程大型河渠交叉建筑物之一，建筑物區內存在很多不利的工程地質因素，通過工程地質勘察并結合相關資料提出有效的解決措施和合理建議。

1.地質概況

白馬河渠道倒虹吸是一座由倒虹吸、檢修閘、節制閘、退水閘和排冰閘等組成的樞紐工程，位于河北省邢臺縣會寧鄉東良舍村北，距邢臺市約7km。建筑物區發育的地層主要為奧陶系中統馬家溝組灰巖、白云質灰巖和碎石土（溶蝕充填物），第四系下更新統冰水積、湖積粘性土和砂土，第四系全新統沖洪積粘性土和砂土[1]。區內地下水有第四系孔隙水和巖溶裂隙水兩種類型。根據中國地震局分析預報中心復核的《南水北調中線工程沿線設計地震動參數區劃報告》（2004年4月），工程區地震動峰值加速度為0.1g，相應地震基本烈度為Ⅶ度。

2.主要工程地質問題分析

工程區主要工程地質問題是膨脹土的脹縮性對地基的影響、基坑排水、邊坡穩定、滲透變形和砂土液化等[3]。

2.1 膨脹土的脹縮性問題。倒虹吸管身段地基以第四系下更新統粘土和壤土為主，其中壤土大部具弱膨脹潛勢，粘土大部具中等膨脹潛勢。基坑邊坡處的膨脹性粘土和壤土，易脹縮變形，導致土體強度降低，對工程和施工有一定的影響。建議采用預留保護層或噴乳化瀝青等方法進行防護，以減少膨脹土含水量的變化，保持土的結構和物理力學性質的穩定。

2.2 基坑排水和邊坡穩定問題。（1）基坑排水問題。倒虹吸地下水位高程76.25～77.4m，基礎底板高程為78.29～66.8m，進口段基礎底面位于地下水位以下0～3.5m，管身段基礎底面位于地下水位以下3.5～13.4m，出口段基礎底面位于地下水位以下1.0～1.8m，因此需考慮基坑排水問題。根據工程區含水層的埋藏特征，基坑涌水量采用《建筑基坑支護技術規程》（JGJ120-99）[4]附錄F中的潛水完整井公式進行計算：

Q=1.366K（2H-S）S/（lg（1+R/r0））

式中：Q—基坑涌水量（m3/d）；K—滲透系數（m/d），由于含水層分布不均勻，且巖性有差異，根據室內滲透試驗和現場抽水試驗成果，選取了四個斷面進行加權平均，計算出基坑綜合滲透系數K=2.71×10-2cm/s=23.41m/d；H—含水層厚度（m），取潛水位以下含水層的平均厚度8.7m；S—基坑排水降深（m），水位降至粘性土層或基坑以下0.5m，取平均降深10.0m；R—降水影響半徑（m），R=2S（KH ）0.5=285.4m；r0—基坑等效半徑（m），r0=0.29（a+b）， a、b分別為基坑的長、短邊，按倒虹吸基坑的上、下口長度的平均值計算，分別取500m和50m，計算結果r0=159.5m；

將上述各參數代入公式求得基坑涌水量：Q=5311.71m3/d，建議采用井點排水法預降地下水位。

（2）邊坡穩定問題。基坑邊坡由第四系全新統和下更新統砂性土和粘性土組成，受地下水影響，邊坡穩定性較差，建議放緩邊坡，預留馬道分級開挖。建議第四系全新統砂土施工臨時坡比：水上1：1.75，水下1：2.0。砂壤土1：1.5。壤土1：1.25。建議第四系下更新統砂土臨時坡比：水上1：2.0，水下1：2.5。粘土及壤土建議施工臨時邊坡：水下1：2.0～1：2.5。

2.3滲透破壞問題

基坑邊坡由砂土組成，在排水過程中是否會產生滲透破壞，關系到邊坡的穩定和排水方案的選定，對邊坡主要砂土統計匯總，繪制了綜合顆粒分析曲線。依據《水利水電工程地質勘察規范》（GB50287—99）[5]附錄M，對各類砂土的破壞形式判別如下：①初判。各類砂土的不均勻系數在3.1～39.7之間，顆粒級配曲線均為連續型，根據規范M.0.2-2公式判斷，滲透破壞的類型為管涌。②詳判。

產生管涌破壞的臨界坡降采用以下公式進行計算：Jcr=2.2（Gs-1）（1-n）2（d5/d20）；式中： Jcr —臨界水力坡降；Gs —土的顆粒密度與水的密度之比；n —土的孔隙率（%）；d5、d20—分別占總土重的5%和20%的土粒粒徑（mm）。邊坡主要砂土滲透變形的判別和水力比降的計算過程和結果見表2.1。通過計算和分析，砂土的臨界水力坡降Jcr=0.11～0.44，允許水力坡降J允許=0.08～0.22。

2.4砂土液化問題。工程區地處Ⅶ度地震基本烈度區，當河道行洪時砂性土處于飽和狀態，有發生液化的可能。倒虹吸基礎座落于第四系下更新統地層中，基礎以下存在砂性土，但根據《水利水電工程地質勘察規范》GB50287-99附錄N，地質時代處于Q3以前可初判為不液化土，且砂性土的標貫擊數較高，實測平均值為39.0～48.3，可判定為不液化土。根據規范判別過程如下。液化判別標準貫入錘擊數臨界值采用下式計算：

式中： ρc—土的粘粒含量質量百分率（%），當ρc<3%時，取值3%；N0—液化判別標準貫入錘擊數基準值，按近震考慮，取值為6；Ncr—液化判別臨界貫入錘擊數；ds—標準貫入點埋深（m），5m以內按5m計算；dw—工程正常運用時，地下水位在當時地面以下的深度（m），當地面淹沒于水面以下時，dw取0；N63.5—工程運用時，標貫點在當時地面以下ds（m）深度處的標貫擊數，對實測擊數應按N.0.4-2式進行校正；判定標準：當N63.5>Ncr時不液化；當N63.5

3.結論及建議

根據以上計算和分析，倒虹吸地基土大部具弱～中等膨脹潛勢，對工程和施工有一定的影響，建議采用預留保護層、噴乳化瀝青或放緩邊坡分級開挖等方法進行防護。基坑邊坡上部的砂土大部分為可能液化土，施工時將被開挖掉，對邊坡穩定稍有影響。建議施工時放緩邊坡，預留馬道分級開挖。

地基中砂土的滲透變形類型為管涌，應考慮滲透破壞問題。倒虹吸基礎底面位于地下水位以下，需考慮基坑排水問題，建議低水位期施工，采用明溝法或井點法進行排水。

參考文獻

[1] 《堤防工程地質勘察規程》（SL188-2005）.北京：中國水利水電出版社，2005.

[2] 《巖土工程勘察規范》（GB50021-2008）

[3] 《工程地質手冊》（第四版），北京：中國建筑工業出版社，2007

[4] 《建筑基坑支護技術規程》（JGJ120-99）

[5] 《水利水電工程地質勘察規范》（GB50287-99）

作者簡介：王杰，1987年6月出生，男，漢族，河北平山人，助理工程師。