地下水路塹設計

李珊珊

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司東北分院，黑龍江哈爾濱150001）

1 地下水定義

1.1 什么是地下水

水，化學符號H2O，是由氫、氧兩種元素組成的無機物，地下水顧名思義地面線以下，埋藏在地層中。

1.2 地下水的類別

地下水一般概略地分為兩種狀態：一是束縛水，也稱吸附水，受土粒表面電荷和分子力影響而處于被束縛的狀態，對工程危害較小，一般不予以考慮；二是自由水，在重力作用下，可以自由流動的水，常見的主要有毛細水、上層滯水、潛水、承壓水、裂隙水、溶洞水、多年凍土地區地下水，對工程會造成很大的危害和影響。

1.3 地下水危害

地下水（自由水）的存在和活動引起各種路基病害，主要有：

1.3.1 浸濕軟化

地下水在路基范圍內活動，逐漸浸濕路基土體，在土體自重、列車荷載及其他外力作用下，將產生基床翻漿冒泥、擠出下沉、邊坡表土滑動、溜塌，路堤潰爬或沿傾斜基底面滑動等。地下水在路基旁側的山坡地層中活動，可降低山坡土體及其結構面的強度，影響其穩定性，導致崩塌、滑坡等病害的發生。

1.3.2 凍脹及鹽漬化

毛細水凍結時能吸引集聚大量水分形成凍脹層，使路基發生凍脹變形，凍層融化時又會產生翻漿冒泥；在地下水含鹽量大的地區，由于毛細水的活動，還可能使路基土體鹽漬化，并引起路基膨脹等病害。

1.3.3 潛蝕

地下水能溶解土中的易溶鹽類，地下水的動水壓力能帶走土中的細顆粒，這些均可降低地基土的強度，甚至形成地下洞穴，引起黃土層及其他松散層地表塌陷，進而引起路基下沉，坍塌等病害。

1.3.4 流砂和液化

粉細砂地層被地下水飽和可能隨地下水流動形成流砂，在地震作用下或在列車荷載作用下產生液化，引起路基下沉、滑動等病害。

1.4 水文地質調查和資料收集

1.4.1 工程地質及水文地質

（1）判定地下水類型：潛水、承壓水等。例如潛水進一步查明毛細水上升高度，承壓水需要判定承壓性、水頭高度等。

（2）地下水的平面分布、埋藏深度、運動規律、補給來源、出露情況。

（3）含水層與隔水層的性質（包括巖性、組成成分、結構、孔隙等），含水層的滲透系數。

（4）地下水位、流速、流向、流量、環境類別及作用等級。

（5）土的凍結深度及有關氣象資料。

1.4.2 測繪資料及地質填繪

（1）地質的平面圖。

（2）地質的縱斷面圖。

（3）地質的橫斷面。

1.5 設計原則

針對不同形態的地下水活動對路基不同部位的危害作用采取不同的防治原則。

1.5.1 地下水埋深較淺

地下水埋深較淺地段，宜以路堤形式通過，路肩高程應大于最高地下水位或最高地面積水水位、毛細水強烈上升高度、安全高度（一般為0.5m）等之和。

1.5.2 出露路堤基底的泉水

出露路堤基底的泉水地段，應引排至基底范圍以外或者采用滲水材料填筑路堤基底部位。引排至基底范圍以外，優先選用明溝，因為暗溝一旦淤塞，疏通較難，甚至需要開挖重建。

1.5.3 出露路塹邊坡的上層滯水

出露路塹邊坡的上層滯水地段，宜采用邊坡滲溝排除和疏干。對于疏干邊坡上局部潮濕地帶土體并兼起支撐作用的可采用Y 形、I 形邊坡滲溝；對于疏干邊坡大片潮濕地帶土體并兼起支撐邊坡作用的可采用拱形邊坡滲溝。

1.5.4 出露路塹邊坡的潛水

出露路塹邊坡的潛水地段，宜采用側溝下或側溝旁的滲溝，降低和排除地下水，地下水位較淺，路塹開挖較深時，可結合邊坡滲溝，大部分地下水通過邊坡滲溝引入側溝下或側溝旁滲溝，降低和排除地下水。

1.5.5 出露路塹邊坡的承壓水

出露路塹邊坡的承壓水地段，對于水頭高差小的微承壓地下水，可采用U 型槽進行封堵,對于水頭高差較大的承壓地下水，盡量繞避。

1.5.6 出露路塹邊坡的裂隙水

出露路塹邊坡的裂隙水地段，由于裂隙水分布不均勻，介質的滲透性不均勻、有壓無壓具體分析，針對類似于潛水狀態可以參考潛水處理方式進行處理，類似承壓水狀態可以按承壓水進行處理[1]。

1.5.7 出露路塹邊坡的溶洞水

出露路塹邊坡地段的溶洞水地段，由于賦存于溶洞中的地下水，一般巖溶極發育,水量豐富（或者可以說是地面以下的河流），必須截斷地下水水源補給，否則應進行繞避。

1.5.8 出露多年凍土地區的地下水

出露多年凍土地區地下水地段，針對流量小，出水位置低的地段，在出水一側加深擴大側溝截面，使其寬度與深度以能容納全部冰量為原則，必要時增設擋冰墻；針對流量大，可采用滲溝進行排除，出水口需要采用掩埋式椎體保溫出口。

1.6 設計內容

根據工程地質、水文地質等準確資料，進行相關設計，設計內容如下[2]：

1.6.1 判定地下水類型

地下水類型主要有：毛細水、上層滯水、潛水、承壓水、裂隙水、溶洞水等。

1.6.2 流量計算

（1）計算流入排水構造物的流量、必要時繪制降落曲線或者計算簡圖。

（2）進行水力計算，并確定構造物尺寸。

（3）設計與計算排水構造物細部尺寸。

1.6.3 排水構造物選擇

排水構造物的主要類型：暗溝、邊坡滲溝、支撐滲溝、滲溝、滲井、滲管、平式鉆孔。

1.6.4 附屬設施

主要附屬設施：出水口設施結構、檢查井結構等。

1.6.5 相關圖紙說明

（1）排水平面示意圖。

（2）排水的縱斷設計面。

（3）橫斷面設計圖。

（4）排水設施細部結構圖及通用圖紙。

2 項目概述

2.1 研究范圍

此次介紹以xx 鐵路專用線（簡稱專用線）DK4+750～DK6+200 段地下水路塹為工程實例，以下為該工程背景：

專用線DK4+750～DK6+200 以挖方通過，長1450m，最大挖深22.7m，勘察范圍內（未見不透水層）含水層主要位于強風化花崗巖巖層中，介質均勻，平坡滲流，主要受大氣降水補給，向低洼處滲流。此次考慮最不利位置（流量最大）即未開挖時地下水位標高為253.4m，設計水位下降至241.7m，水位下降高度11.7m。

2.2 地質情況

2.2.1 工程地質特征

工點區地層巖性主要為第四系全新統沖積層（Q4

al）粉質黏土，下伏華力西晚期（γ4）花崗巖；各地層巖性由新至老分述如下：

（1）第四系上新統風洪積層（Q4al）

粉質黏土（Q4al）：分布于表層，黃褐色，硬塑，Ⅱ級普通土，σ。=150kPa。

（2）下伏華力西晚期（γ4）

全風化花崗巖（γ4）：黃褐色，原巖結構基本破壞，巖芯風化呈砂土夾碎塊狀，Ⅲ級硬土，σ。=350kPa；

強風化花崗巖（γ4）：黃褐色，主要礦物成分以石英、長石為主并含有少量云母，中粒構造，塊徑一般為10-20mm，最大50mm 錘擊易碎，Ⅳ級軟石，σ。=700kPa；

弱風化花崗巖（γ4）：黃褐色，中粒結構，塊狀構造，巖芯呈短柱狀，一般長10-30cm，最長40cm，錘擊聲脆，大錘可擊碎，Ⅴ級次堅石，σ。=1000kPa；

2.2.2 水文地質特征

（1）地下水的類型、埋藏情況及其變化特征

地下水類型為基巖裂隙水，分布于DK4+750～DK6+200，受大氣降水補給，勘探期間地下水位埋深11.0～18.0m，受季節影響較大，水位變化幅度一般為1～3m。綜合滲透系數為K=2m/d。

（2）地下水對混凝土等建筑材料的侵蝕性

勘測期間地下水及地表水取樣分析結果，依據《鐵路混凝土結構耐久性設計規范》（TB 10005—2010）[3]判定，地下水化學侵蝕類型為H1。

2.2.3 氣象特征

最冷月平均氣溫-14.8oC，按鐵路工程氣候分區屬寒冷地區。該地區最大凍深2.07m。

根據《中國地震動峰值加速度區劃圖》（GB 18306—2015），沿線地震動峰值加速度＜0.05g，相當于地震基本烈度小于Ⅵ度，地震動反應譜特征周期0.35s。

3 設計思路

3.1 第一步：判定地下水類型

根據勘察結果，地下水為基巖裂隙水無壓，按潛水進行設計，由于不透水層較深，滲溝溝底位于含水層內，計算按潛水不完整井（完整井：溝底位于隔水層，溝底不滲水；不完整井：溝底位于含水層，溝底滲水）。

3.2 第二步：流量計算

3.2.1 計算流入滲溝的流量

計算流入滲溝的流量，由于含水層厚度是無限，所以每米單側溝壁的流量按下列公式計算：

式（1）中：q——每米單側溝壁的流量，如水自兩側同時流入滲溝內，應乘以2，m3/s；

ε——根據試驗資料的校正系數；

H——水位下降高度，m；

K——含水層中水流的滲透系數，m/s；

φ——含水層厚度是無限時：φ=π/2+α，含水層厚度是有限時：φ=β+α；

α—— 降落曲線與x 軸方向夾角近似為；

β——，H含為含水層厚度；

R——水力影響半徑，根據抽水試驗或者經驗公式估算，m。

r——滲溝寬度一半，m；

暫定滲溝寬度為1.2m，各個參數取值：

ε——無試驗資料，暫取1；

將各個參數數值帶入公式（1）

DK4+750～DK6+200 地下水路塹總長度為1450m，單側流量：

Q= 1450×q= 0.11m3/s。

3.2.2 假設排除地下水設備

此次設計暫時采用Φ315mmpvc 雙壁波紋帶孔滲水管將地下水排除，按下列公式（2）計算：

式（2）中：Q——流量，m3/s；

ω——水流斷面面積，m2；

ν——水流的平均流速，m/s；

R——水流斷面的水力半徑，x 為濕周，m；

i——水力坡度；

C——流速系數，采用巴甫洛夫斯基公式：

n——粗糙系數，pvc 材質粗糙系數查《鐵路路基設計規范》（TB 10001—2016）[4]附錄“F 表F.0.3 溝管壁粗糙系數”取0.01；

R——水流斷面的水力半徑，m；

y——與R 及n 有關的指數，采用公式：

各個參數取值：

采用Φ315mmpvc 雙壁波紋帶孔滲水管允許流量為0.12m3/s＞地下水路塹滲入單側流量0.11m3/s，設計合理，否則調整滲水管的孔徑重新進行檢算。

3.3 第三步：排水構造物選擇

路塹開挖較深，增設邊坡滲溝，地下水通過邊坡滲溝引入側溝下或側溝旁滲溝，降低和排除地下水。

其一，滲溝布置原則：可以設置側溝下或者設在側溝平臺以下，滲溝寬度采用1.2m、滲溝深度根據該工程凍結深度確定，挖深較深時或者受外界影響時，可以增設保溫板，減少滲溝挖深。

其二，邊坡滲溝垂直嵌入邊坡坡體，斷面采用矩形，寬度不宜小于1.2m，深度可以根據邊坡潮濕土層厚度確定。

3.4 第四步：附屬設施

由于工程處于嚴寒地區，出水口采用保溫出水口，檢查井井內加設防寒木蓋，檢查井沿線路每隔30m 設一處，檢查井結構構造采用直角式及轉角式兩種形式。

3.5 第五步：繪制圖紙

一是排水平面示意圖。

二是排水的縱斷設計面。

三是橫斷面設計圖。

四是排水設施細部結構圖及通用圖紙。

4 結論

影響地下水的因素較多，鐵路地下水路塹設計需要遵循針對不同形態的地下水活動對路基不同部位的危害作用采取不同的防治原則，計算繁雜，流量計算是處理地下水路塹的關鍵，設計前應進行詳細的水文地質勘察，依據工程地質、水文地質等準確資料判定地下水類型，為計算流量提供準確、可靠的數據支持并對水力、流入排水構造物的流量、排水構造物細部尺寸進行計算；排水構造物的主要類型：暗溝、邊坡滲溝、支撐滲溝、滲溝、滲井、滲管、平式鉆孔，根據計算結果對構造物進行選擇。鐵路路塹地下水處理對預防鐵路路基運營過程中的病害起決定性作用，所以必須全面分析，設計方案必須嚴謹可行，保證工程措施的可行性，防止地下水活動產生路基病害，造成安全隱患。