引江济淮工程江水北送段城乡供水工程地质问题与处理措施研究

余小明

（中水淮河规划设计研究有限公司，安徽 合肥 230601）

1 地质概况

引江济淮工程是国家172 项节水供水重大水利工程之一，划分为引江济巢、江淮沟通和江水北送三段。江水北送段城乡供水工程区属淮北平原区平原地貌，局部为淮河二级阶地，地势平坦。区内分布主要河流有沙颍河、西淝河、涡河、泉河等。工程区第四系地层发育，以冲积类型为主，出露的第四系地层主要有上更新统茆塘组黄、棕黄色粉砂、砂质粘土，含钙质结核及铁锰小球，局部夹黑色砂质粘土、壤土，全新统大墩组棕红、棕黄、灰黄色粉砂质粘土与粘土质粉砂互层；淮河沿岸下部为灰、灰黑色中细砂、淤泥质粉细砂，上部为灰黄、棕灰色砂壤土、轻粉质壤土夹灰黑色淤泥质粘土。

工程区浅层含水层主要为第四系松散岩类孔隙含水层，地下水类型一般为潜水，局部具微承压性。地下水流向与地形倾向总体一致，呈西北向东南流动，水位埋深随地形变低埋深逐渐变小，总体上地层富水较弱。地下水与河水水力联系密切，相互补给。

工程区主要地层渗透特性见表1。

表1 工程区主要地层渗透特性表

2 主要地质问题分析

2.1 地基不均匀沉降问题及处理措施

地基的不均匀沉降是引起管道运行事故的主要原因，由于工程区范围大，基础位于不同地基土层上，地基土力学性质存在差异，从而引起地基土的不均匀沉降，导致管道发生变形，造成接口或管道破裂漏水故障，促使管道发生更严重的不均匀沉降，最终引起事故[1]。地基不均匀沉降的处理措施首先应提高软弱地基的允许承载力，防止发生地基破坏，同时采取适当措施使地基土层差异沉降满足设计要求。

2.1.1 提高软弱地基土承载力

城乡供水工程输水管道一般对地基强度要求不高，地基允许承载力一般可满足设计要求，而新近沉积软弱地基土或地基土存在软弱下卧层时则需考虑承载力不足问题，处理措施可选用水泥土换填或水泥土深层搅拌桩处理，提高地基承载力、增大变形模量、减小沉降。软弱地基土分布于地基表层且厚度不超过3.0m 时，可采用水泥土换填方法，若软弱地基土厚度大、分布范围广，或地基土存在软弱下卧层不满足设计要求时，可选用水泥土深层搅拌桩处理。

2.1.2 控制不同地基土沉降差异

输水管道沿线各地基土承载力或经处理后的复合地基强度和沉降量均满足设计要求后，需控制不同地基土之间的沉降差异量，其主要措施为铺设管底垫层和管道胸腔土回填。管底垫层铺设主要作用为找平管道地基面，适应地基变形，使管道受力均匀，避免管道发生应力集中变形。管道胸腔部分回填质量需保证管道在受到荷载时不破坏管道结构和发生偏移，可分为两个部分分别进行回填设计：管底三角区应采用中粗砂进行回填，压实度要求与垫层一致；管底三角区以上胸腔部分可采用符合设计要求的壤土、粘土回填，管两侧至槽边和管顶范围内压实度不得低于0.95，管顶至地面以下500mm 区域内压实度不得低于0.92，管道两侧应同时均匀分层回填，采用轻夯对称压实。

2.2 管道抗浮问题

城乡供水工程输水管道的抗浮稳定性应分别对施工期和运行期进行评价，其控制措施也不同。施工期的抗浮措施主要是通过采取有效的降排水措施，确保管道基坑内积水及时排出或控制基坑水位解决，同时应合理安排施工工序，及时回填基坑，防止降雨引起雨水倒灌造成管道浮起。运行期的抗浮稳定问题一般发生在地下水位较高且管道处于放空检修期时，其工程措施主要是通过上覆土的压重进行抗浮，在进行抗浮稳定验算时，抗浮设防水位可取工程区地面标高[2～3]，抗浮安全系数应不小于1.1。

2.3 地震效应影响

江水北送段工程区地震动峰值加速度为0.05～0.10g，相应地震基本烈度为Ⅵ～Ⅶ度，位于Ⅶ度区的需进行地震效应评价。在Ⅶ度地震条件下，工程区分布的第四系全新统沉积的轻粉质壤土或砂壤土等少黏性土，一般位于地下水位以下，呈饱和状态，易发生液化，软弱土存在震陷问题。对于软弱土的震陷问题可结合地基处理措施进行消除，对于少黏性土液化问题主要通过选用低摩擦系数的回填材料和控制回填施工质量，同时通过提高管厚增大重量或选用柔性管材并合理设置管道附件等方面减弱地震效应对管道的影响，提高长距离输水管道的抗震可靠度[4]。

2.4 土壤腐蚀性

土壤腐蚀类型主要为电化学腐蚀，其腐蚀性首先会引起输水管道的外腐蚀，同时土壤中的酸性物质和活性离子也会渗入到砂浆保护层，导致内部预应力钢丝发生电化学腐蚀，其腐蚀产物和腐蚀过程中产生的氢原子渗入高强钢丝结构，引起高强钢丝的氢脆断裂，对输水管道的危害较大。土壤腐蚀性大小由土壤的理化性质决定，评价指标包括氧化还原电位、电阻率、pH 值、极化电流密度、质量损失等，确定土壤的腐蚀性等级，作为输水管道采取防腐蚀措施的依据。

江水北送段城乡供水工程输水管道埋藏深度内土壤的腐蚀性一般为：对混凝土结构和钢筋混凝土结构中钢筋为弱腐蚀性，对钢结构具中～强腐蚀性，据此结论对PCCP 输水管道防腐措施为环氧沥青涂料外防腐和阴极保护，对钢管防腐措施为外涂环氧树脂内涂环氧粉末和阴极保护。在实施过程中，经过充分论证，管道的防腐措施优化为加厚环氧煤沥青方案。

2.5 施工降排水问题

江水北送段城乡供水工程输水管道基坑开挖深度内主要受到浅层地下水的影响，多存在降排水问题。根据工程区地层结构特点，可选用集水明排、井点降水等降排水措施。若基坑开挖揭穿或揭露砂性土等渗透性较大的地层时，涌水量较大，采用集水明排无法保证干地施工，且易对边坡造成渗透破坏，对坡脚形成冲刷，影响边坡的稳定性，需采取井点降水措施；若地基为弱透水性的黏性土，基坑开挖未揭露渗透性较大的地层或揭露的渗透性较大地层位于地下水位以上时，基坑涌水量较小，还应根据黏性土地基的厚度确定降排水措施：黏性土地基一般下伏承压含水层，应首先根据承压水头大小进行突涌稳定性验算，确定承压含水层顶板地基土层临界厚度，当黏性土地基厚度小于临界厚度时，承压水会对地基形成顶托破坏，造成基坑突涌水，应采取井点降水降低下伏承压含水层水头，确保施工安全，反之黏性土地基厚度大于临界厚度时，可采用集水明排措施。

2.6 沉管穿越段分析

江水北送段城乡供水工程区内分布多条重要内河航道，输水管线需穿越河道，穿越长度一般在200～300m，采用沉管施工主要工程地质问题是水下管道开挖基坑边坡的稳定性。

管道铺设于通航河道河床下，其埋置深度需满足河道通航、河槽冲刷及管道抗浮要求，并适当考虑现状河底淤积情况，基槽深度一般不少于5.0m，往河道两侧开挖深度可达10m 以上。沉管水下基槽开挖边坡揭露地层一般为淤泥或淤泥质层、砂土层等对边坡稳定不利的地层，同时由于施工对基槽边坡的扰动，易引起边坡失稳滑塌回淤。为确保水下基槽开挖的稳定性，需根据不同地层特性，并考虑施工影响，确定合理的放坡坡率。一般来说，确定水下边坡坡率的总体原则是：上游边坡较下游边坡缓，上层边坡较下层边坡缓，据此建议边坡上部淤泥或淤泥质土层放坡坡比为1∶7～1∶10，砂土层、砂壤土或轻粉质壤土层等放坡坡比为1∶4～1∶5，黏性土层放坡坡比可为1∶2，且不同坡率之间设置宽度不小于2.0m 的坡间平台，同时在施工过程中，严格控制施工减小对边坡土层的扰动和冲刷，尤其是对坡脚的保护。还应注意各施工工序的衔接，缩短基槽开挖和管段沉放的时间间隔等措施来减少回淤。

2.7 顶管穿越段分析

输水线路与公路、铁路交叉或是穿越城区段，不具备明挖施工条件，且会切断交通运行，对周边建筑物产生安全隐患，可采取顶管施工方法进行铺设，该方法在江水北送段城乡供水工程中得到广泛应用，穿越长度80～600m，穿越深度4.0～10.0m。顶管施工可分为工作井施工和管道穿越施工，应分别进行工程地质条件评价和建议。

顶管工作井通常采用沉井法施工，沉井下沉过程中受土体对其侧壁的摩阻力是沉井结构设计和助沉措施实施的依据，根据沉管下沉深度内涉及地层的物理力学性质，依据相关规范提出土层与侧壁摩阻力的建议值，并对井周土层和管底持力层的均匀性作出评价，判断是否可能因受力不均发生倾斜，同时施工过程中应严格控制挖土顺序、挖土深度和下沉速度，并加强监测，做到及时纠偏。其次还应根据场地的水文地质条件对下沉施工方法提出建议，若场地地下水位低或下沉过程中涉及透水性差的地层，涌水量不大时，建议采取排水法下沉；若地下水位较高且下沉过程中涉及透水性好的地层，涌水量大时，特别是场区附近有既有建构筑物时，应采取不排水施工。当沉井地基为黏性土层时，还应评价当沉井下沉至设计高程时，黏性土地基是否下伏承压含水层及其是否会对地基产生顶托破坏，作为沉井封底前是否采取降压排水措施的依据。

顶管穿越施工应首先确定始发洞口和接收洞口范围内水文地层条件，若洞口范围内为含水层，尤其是承压含水层，应对洞口采取适当加固和止水措施，防治发生涌水、涌砂事故；其次应对顶管顶进过程中，管道范围内的地层强度差异性是否会引起管端阻力不均导致管道顶偏进行评价，特别是管底遇软弱土时可能会发生“磕头”事故；管道顶进过程中，还应控制顶进速率和注浆压力，防止地面发生沉陷或隆起，特别是遇承压含水层时，应综合考虑承压水头的作用，防止泥水通过管土间隙涌入工作井。

另外，顶管施工前还应采取必要的物探手段探明场区地下管线的分布情况，对于管道穿越施工范围内的管线应进行迁移，对于管道施工可能引起的土体位移影响范围内的管线应建议进行加固或迁移等措施。

3 结论

皖北地区具有相似的工程地质条件和水文地质条件，在该地区兴建城乡供水工程具有类似的地质问题。本文通过总结近年来该地区已建成和在建工程勘察成果，对工程可能存在的地质问题和沉管、顶管法铺管可能存在的地质风险进行归纳和评价，并提出处理措施建议，为类似管道工程的建设提供参考■