天津市洪泥河倒虹吸圍堰支護及基坑降水設計

王紅菊，張 磊

(河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250)

天津市洪泥河倒虹吸圍堰支護及基坑降水設計

王紅菊，張 磊

(河北省水利水電勘測設計研究院，天津 300250)

洪泥河倒虹吸地基主要持力層為淤泥、淤泥質粘土、厚層粉土，由于地下水位較高，使用常規方法在基坑開挖、降水的過程中出現了圍堰坍塌、裂縫，基坑涌水、涌砂等問題。通過科學分析、計算，采用鋼板樁支護方案解決了圍堰邊坡滑塌問題，采用井點降水成功降低了基坑水位，確保了后期工序正常開展。

圍堰;抗滑樁;基坑涌水;井點降水

1 概述

洪泥河位于天津市津南區，地處市區東南部、海河中下游南岸，地勢低洼。津南區雙白引河在樁號1+ 570附近與洪泥河相交，兩側被洪泥河隔斷。現狀洪泥河底寬約20 m，為復式斷面結構，河底高程-2.7 m，下部邊坡坡比為1∶2.5，上部邊坡坡比約1∶4。洪泥河日常平均水位為1.5 m。

為保證雙白引河暢通及雙白引河與洪泥河水系的溝通，提高河道的整體排澇能力，設計新建雙白引河穿洪泥河倒虹吸及連通閘工程。倒虹吸與洪泥河呈54.5°角斜交布置。倒虹吸由進口段、進口閘室、管身段及出口段四部分組成，總長132.9 m。其中進口段長40 m，進口閘室長5 m，管身段長81 m，出口段長5.9 m。倒虹吸水平段管頂高程-3.7 m，管底高程-6.9 m［1］。兩側地下水高程0.16～0.72 m。

由于洪泥河常年有水，采用常規施工方法用圍堰截斷河水，然后進行基坑降水。兩側圍堰填筑施工完成后，因水位較高，施工單位采取了水泵抽水然后開挖基坑的方法。但在實施過程中，降水效果較差，以粉土層為主的基坑出現了邊坡反復坍塌和涌砂的問題，水位下降后不久便又重新上升，致使工程不得不停工。同時因為圍堰下部存在淤泥層、淤泥質粘土層，加之水位下降、基坑開挖引起孔隙水壓力，導致圍堰背水坡出現坍塌、裂縫。因此急需采用有效方法進行降水和護坡，確保干場作業和圍堰穩定，才能使倒虹吸順利從河底穿過。

2 工程地質條件

2.1 地形地貌與地層巖性

工程區地貌屬于濱海平原區，地面高程一般2.5～3.5 m。勘探深度30 m內揭露的地層為人工堆積、第四系全新統和上更新統古河道、洼淀沖積、淺海相沉積、河床—河漫灘相沉積。人工堆積物為素填土、雜填土;古河道、洼淀沖積物(Q43Nal)主要巖性為粘土、砂壤土、淤泥;淺海相沉積物(Q42m)主要巖性為灰色含貝殼碎屑的壤土、砂壤土、淤泥質粘土、淤泥質壤土;河床—河漫灘相沉積物(Q41al)主要巖性為壤土、粘土及粉砂()。

其中，雜填土、素填土(Qml)主要分布于洪泥河兩岸，層厚1.0～2.0 m。②1層粘土(Q43Nal)層厚0.2～2.9 m，②3層淤泥(Q43Nal)層厚3.1～3.3 m。洪泥河右岸、淤泥層底部為③4層淤泥質粘土，厚度2.5 m。該層下部為③2層粉土(Q42m)，層厚7.1～9.5 m。砂壤土層下部為壤土或淤泥質壤土。深度23 m以下分布粉細砂，鉆探揭露的最大厚度為6.70 m。

倒虹吸閘室翼墻及進口斜坡段主要持力層為②3層淤泥(Q43Nal)和③4層淤泥質粘土，因工程性狀較差，需進行地基處理;第③2層粉土(Q42m)分布穩定，為倒虹吸平管段主要持力層。

2.2 地震與飽和砂土液化

工程區地震動峰值加速度為0.15 g，相當于地震基本烈度7度區。設計分組為第二組，地震動反應譜特征周期0.55 s。經判別，地面以下深度11.5 m范圍內的③2層粉土(砂壤土)存在地震液化問題，液化等級為輕微液化。

2.3 水文地質條件

地下水類型為第四系孔隙潛水，主要賦存于砂性土層中。2013年11月測得洪泥河兩岸地下水位高程0.16～0.72 m。各土層滲透系數一般在10-4～10-6cm/s之間，屬中等—微透水層。地下水對普通混凝土具硫酸鹽型強腐蝕性，對鋼筋混凝土結構中的鋼筋及鋼結構均具中等腐蝕性。

3 基坑圍堰及護坡設計

為保證施工干場作業，常規方法:即在施工區河道上下游修筑橫向圍堰，截斷河水，施工時將河道水排走。原設計排水方法為:初期排水采用潛水泵抽排，然后在基坑周邊布置排水干溝，基坑邊排水邊開挖，并隨著開挖的加深，逐漸加深排水干溝。同時在建筑物輪廓線外側布置集水井定時抽排。

圍堰修筑完畢、基坑內河水排干后即行開挖。期間圍堰背水坡出現了裂縫，施工單位隨即在背水坡打了兩排臨時性木樁增加穩定性，隨后又繼續基坑開挖、抽水工作。但很快兩道圍堰背水坡均出現了不同程度的塌坡以及基坑涌砂、涌水現象，施工被迫停止，重新進行圍堰支護及基坑排水設計已刻不容緩。

3.1 圍堰設計

工程實施時，洪泥河實際水位為1.5 m，設計河底高程為-2.7 m，兩側堤頂高程為3.2 m。設計圍堰寬6 m，高5.9 m，堰頂與兩岸堤頂平齊。迎水側邊坡坡比1∶3，背水側邊坡坡比1∶2。兩道圍堰內開口距離156 m。

圍堰地基自上至下依次為厚約1.0～2.5 m的淤泥和淤泥質壤土層、8 m厚的粉土、壤土層。

倒虹吸底部水平管段設計開挖高程為-7.0 m，齒槽部位設計開挖高程為-7.5 m。根據規范要求，地下水位需降至-8.0 m以下。

按地下水位-8.0 m、開挖邊坡1∶3，對圍堰進行了抗滑穩定計算。利用河海大學水工結構有限元分析系統(AutoBANKV7.0)軟件，采用簡化畢肖普法。經計算，圍堰及基坑邊坡抗滑穩定系數為1.38，大于規范要求的1.1，表明圍堰及基坑邊坡是穩定的。計算成果見圖1。

圖1 地下水位-8.0 m時邊坡抗滑穩定計算成果圖Fig.1 The calculating result of anti-sliding stability of slope when the underground water level is-8.0 meters

按地下水位-2.7m(河底)，對邊坡穩定進行了驗算，邊坡抗滑穩定系數為0.91，表面邊坡不穩定，需采取固坡措施(圖2)。

圖2 地下水位-2.7 m邊坡抗滑穩定計算成果圖Fig.2 The calculating result of anti-sliding stability of slope when the underground water level is-2.7 meters

3.2 抗滑樁設計

由于圍堰地基淤泥質壤土層厚度1.0～2.5 m，且地處市區，挖除、臨時堆放較困難。為保證臨時圍堰及河道岸坡的穩定，進行經濟比較后確定，在背水坡增加鋼板樁支護，樁頂設計高程為1.0 m，見圖3。

圖3 地下水位-2.7 m抗滑鋼板樁布置示意圖Fig.3 The layout diagram of anti-sliding steel sheet pile when the underground water level is-2.7 meters

抗滑樁采用常用的I40a型工字鋼，高400 mm，腿寬142 mm，腹厚10.5 mm，截面積86.1 cm2，每延米重67.6 kg。考慮到工字鋼間無法咬合，截水效果較差，為增強防滲效果，減少流砂，工字鋼采用一順一丁布置［2］。

采用《建筑基坑支護技術規程》(JGJ 120—2012)對鋼板樁穩定性進行計算。計算結果抗滑穩定安全系數為2.1，＞1.2，表明抗滑穩定。對圍堰整體穩定性進行抗滑計算，計算方法采用圓弧滑動條分法進行。經計算，安全系數為5.2，遠高于1.3，說明整體抗滑穩定。

由于基坑外側土體自上至下為壤土、淤泥、粉土(砂壤土)，基坑內側土體為粉土(砂壤土)。采用《建筑基坑支護技術規程》(JGJ 120—2012)4.2.1公式進行計算［3］。經計算，設計采用12 m長I40a型工字鋼，入土深度6 m，能滿足穩定要求。局部擋土高度較大部位，其上部做減載處理。

采用《鋼結構設計規范》(GB 50017—2003)4.4.2式，對板樁應力進行驗算［4］。經計算，鋼板樁順向布置時，安全系數為0.16;一順一丁布置時，安全系數為1.4。

4 基坑降水設計

洪泥河附近地下水位較高，施工初期采用水泵抽水方法，降水效果不好，基坑內仍有積水，基坑涌砂、涌水現象嚴重，無法連續工作。

由于基坑土層為厚層粉土，為保證降水效果，設計采用井點降水。因系臨時工程，井點布置多了浪費，少了則可能長時間降不下去，影響施工工期。因此，有效降水成為工程進度的制約因素，而降水井數量、深度、水泵大小的選擇則是降水成敗的關鍵。

4.1 基本數據

兩圍堰之間上口寬度156 m，計算底寬132.4 m，根據本工程實際情況，采用140 m，視為基坑長度L，兩岸河堤之間的距離48 m，視為基坑寬度b。

洪泥河段主要含水層為粉土(砂壤土)，粉土粘粒含量5%左右，干密度偏小(最小值1.37 g/cm3)、孔隙比較大(最大值0.973)，且粉土層埋藏較淺，根據室內試驗及經驗，綜合分析認為滲透系數建議值K=5.2× 10-4cm/s≈0.45 m/d。

按照勘察期間地下水位:左岸鉆孔水位0.72 m，右岸鉆孔水位0.16 m，因為河床有明水，水位高程約1.5 m，因此計算時，水位值取高值0.72 m。

倒虹吸底高程-6.9 m，齒槽部位設計開挖高程為-7.5 m。根據《建筑基坑支護技術規程》(JGJ 120—2012)7.3.2“降水后基坑內的水位應低于坑底0.5 m”的要求，為保證干場作業，地下水位需降至-8.0 m以下，則地下水降深值Sd=0.72-(-8.0)=8.72 m。

含水層厚度H取地下水位至粉土層底部距離，左側鉆孔H1=0.72+10.48=11.2 m，右側鉆孔H2= 0.16+14.94=15.1 m，取平均值H=(H1+H2)/2= 13.2 m。

4.2 基坑涌水量計算

按《建筑基坑支護技術規程》(JGJ 120—2012)中潛水完整井計算公式進行計算

式中:Q為基坑涌水量(m3/d);K為滲透系數(m/d); H為潛水含水層厚度(m);Sd為降深(m);r0為基坑等效半徑(m);R為降水影響半徑(m)。

當K=0.45 m/d，H=13.2 m，Sd=8.62 m，R= 48.74 m，r0=46.26 m時，經計算，Q=300.94 m3/d。

4.3 管井的單井出水量及井點數量

4.3.1 單井出水量

由于洪泥河主要含水層為粉土層，這種土的特性是粉粒含量高，粒徑0.005～0.075 mm范圍內的顆粒集中，不均勻系數較大，雖屬于中等透水性土層，但抽水過程中經常會出現淤堵現象，因此水泵功率不必太大，井徑太大也容易坍塌［5］。根據地層情況及施工單位現有設備，確定抽水井直徑為40 cm。

過濾器進水部分長度應采用粉土層厚度，洪泥河左岸鉆孔粉土層厚度7.9 m，右側厚度5.9 m，平均厚度約7 m。滲透系數 K為5.2×10-4cm/s≈0.45 m/ d。向外抽水管的管徑5 cm。單井出水量計算公式為:

式中:q為單井出水能力(m3/d);rs為過濾器半徑(m); l為過濾器進水部分長度(m);K為滲透系數(m/d);經計算，q=50.53(m3/d)。

4.3.2 井點數量

式中:Q為基坑涌水量(m3/d)，q為單井出水能力(m3/d)。經計算，抽水井數量n=6.55，按7眼計。

為縮短抽水時間，并考慮未知因素，實際布置抽水井8眼，均勻布置在倒虹吸基坑兩側，控制深度為穿透粉土層并進入相對不透水的粘土層，預計深度15～18 m。

施工單位制定了管井施工方案，采用鉆孔法成孔，孔徑應較井管直徑大20 cm左右。管井的過濾管采用水泥無砂管，井管與孔壁之間填充的濾料規格根據粉土含水層d50(0.042 mm)確定，經計算采用中粗砂或含礫中粗砂填充。填充濾料后及時洗井，直至過濾器與濾料濾水暢通為止，然后開始降水。

5 工程效果及結語

上述基坑降排水及抗滑樁支護方案提出后，施工單位嚴格按設計要求進行井點布設及施工，連續抽水7天后，地下水位已降至設計深度，然后及時進行觀測，根據水位上升情況斷續抽水，直至工程結束。由于鋼板樁的支護作用，沒有因為水位的下降引起圍堰的裂縫、坍塌等，確保了圍堰的穩定。目前倒虹吸工程已順利竣工。

工程實踐表明，在軟土地基中進行臨時圍堰及基坑降水、開挖施工時，如果地基存在淤泥或淤泥質土層，當上部堆載較大、且存在水位下降引起的附加有效應力影響時，邊坡產生塌滑、裂縫的可能性較大。如果是永久工程，且淤泥層不太厚的情況下，可將淤泥層挖除;如果是臨時工程，且淤泥層較厚，可采用抗滑樁，但盡量不要采用具有擠土效應的混凝土預制樁［6］。在軟土地基的護坡措施中，鋼板樁不失為一種有效的方法。

厚層粉土層基坑降水較為適宜的方法為井點降水。降水設計前應準確確定土層的滲透系數，由于粉土層抽水試驗不易成功，可通過室內試驗結合經驗值確定。同時應根據具體情況確定水泵功率、井徑、井點數量、管井結構等因素，才能確保降水成功。

洪泥河倒虹吸在基坑施工中遇到了圍堰邊坡坍塌、基坑降水困難及涌砂等問題，但通過精心計算、科學設計、合理施工，問題順利解決，工程效果明顯。筆者將該項目的基坑降水及護坡設計方案予以簡述，供工程界同仁指正、借鑒。

［1］ 鞠勤國，馬洪飛，楊艷軍，等.中小河流治理重點縣綜合整治和水系連通試點天津市津南區雙白引河辛莊鎮項目區變更設計報告［R］.天津:河北省水利水電勘測設計研究院，2015.

［2］ 黃強.深基坑支護工程設計［M］.北京:中國建材工業出版社，2000.

［3］ 中華人民共和國住房和城鄉建設部.建筑基坑支護技術規程: JGJ120—2012［S］.北京:中國建筑工業出版社，2012.

［4］ 中華人民共和國建設部.鋼結構設計規范:GB50017—2003［S］.北京:中國計劃出版社，2003.

［5］ 張興軍，張湖濱.建筑工程基坑降水設計方案優化的探討［C］//河南省土木建筑學會.河南省土木建筑學會2010年學術大會論文集.鄭州:河南省土木建筑學會，2010.

［6］ 袁聚云.基礎工程設計原理［M］.上海:同濟大學出版社，2001.

(責任編輯:陳姣霞)

Cofferdam Support and Excavation Dewatering Design of Hongnihe Inverted Siphon in Tianjin City

WANG Hongju，ZHANG Lei
(Hebei Research Institute of Inverstigation＆Design of Water Conservacy＆Hydropower，Tianjin 300250)

Main bearing layer of foundation of Hongnihe inverted siphon is silt，silt clay，and thick layer of silt.Due to the high groundwater level，conventional methods in the process of foundation pit excavation and dewatering caused cofferdam collapse，cracks，discharge into foundation pit，sand gushing and other issues.Through scientific analysis and calculation，using steel sheet pile supporting programs settled the problem of coffer dam slope collapse，and using well point dewatering lowered water level of foundation pit successfully，this project ensured the later stage performed normally.

cofferdam;anti-slide pile;discharge into foundation pit;well-point dewatering

TV551.3;TV551.4+1

:A

:1671-1211(2015)05-0643-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.201505028

2015-06-13;改回日期:2015-07-23

王紅菊 (1968-)，女，教授級高級工程師，水文地質與工程地質專業，從事巖土工程勘察設計與施工工作。E-mail:whj999@126.com

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150909.1438.002.html數字出版日期:2015-09-09 14:38