引江濟淮工程江水北送段城鄉供水工程地質問題與處理措施研究

余小明

（中水淮河規劃設計研究有限公司，安徽 合肥 230601）

1 地質概況

引江濟淮工程是國家172 項節水供水重大水利工程之一，劃分為引江濟巢、江淮溝通和江水北送三段。江水北送段城鄉供水工程區屬淮北平原區平原地貌，局部為淮河二級階地，地勢平坦。區內分布主要河流有沙潁河、西淝河、渦河、泉河等。工程區第四系地層發育，以沖積類型為主，出露的第四系地層主要有上更新統茆塘組黃、棕黃色粉砂、砂質粘土，含鈣質結核及鐵錳小球，局部夾黑色砂質粘土、壤土，全新統大墩組棕紅、棕黃、灰黃色粉砂質粘土與粘土質粉砂互層；淮河沿岸下部為灰、灰黑色中細砂、淤泥質粉細砂，上部為灰黃、棕灰色砂壤土、輕粉質壤土夾灰黑色淤泥質粘土。

工程區淺層含水層主要為第四系松散巖類孔隙含水層，地下水類型一般為潛水，局部具微承壓性。地下水流向與地形傾向總體一致，呈西北向東南流動，水位埋深隨地形變低埋深逐漸變小，總體上地層富水較弱。地下水與河水水力聯系密切，相互補給。

工程區主要地層滲透特性見表1。

表1 工程區主要地層滲透特性表

2 主要地質問題分析

2.1 地基不均勻沉降問題及處理措施

地基的不均勻沉降是引起管道運行事故的主要原因，由于工程區范圍大，基礎位于不同地基土層上，地基土力學性質存在差異，從而引起地基土的不均勻沉降，導致管道發生變形，造成接口或管道破裂漏水故障，促使管道發生更嚴重的不均勻沉降，最終引起事故[1]。地基不均勻沉降的處理措施首先應提高軟弱地基的允許承載力，防止發生地基破壞，同時采取適當措施使地基土層差異沉降滿足設計要求。

2.1.1 提高軟弱地基土承載力

城鄉供水工程輸水管道一般對地基強度要求不高，地基允許承載力一般可滿足設計要求，而新近沉積軟弱地基土或地基土存在軟弱下臥層時則需考慮承載力不足問題，處理措施可選用水泥土換填或水泥土深層攪拌樁處理，提高地基承載力、增大變形模量、減小沉降。軟弱地基土分布于地基表層且厚度不超過3.0m 時，可采用水泥土換填方法，若軟弱地基土厚度大、分布范圍廣，或地基土存在軟弱下臥層不滿足設計要求時，可選用水泥土深層攪拌樁處理。

2.1.2 控制不同地基土沉降差異

輸水管道沿線各地基土承載力或經處理后的復合地基強度和沉降量均滿足設計要求后，需控制不同地基土之間的沉降差異量，其主要措施為鋪設管底墊層和管道胸腔土回填。管底墊層鋪設主要作用為找平管道地基面，適應地基變形，使管道受力均勻，避免管道發生應力集中變形。管道胸腔部分回填質量需保證管道在受到荷載時不破壞管道結構和發生偏移，可分為兩個部分分別進行回填設計：管底三角區應采用中粗砂進行回填，壓實度要求與墊層一致；管底三角區以上胸腔部分可采用符合設計要求的壤土、粘土回填，管兩側至槽邊和管頂范圍內壓實度不得低于0.95，管頂至地面以下500mm 區域內壓實度不得低于0.92，管道兩側應同時均勻分層回填，采用輕夯對稱壓實。

2.2 管道抗浮問題

城鄉供水工程輸水管道的抗浮穩定性應分別對施工期和運行期進行評價，其控制措施也不同。施工期的抗浮措施主要是通過采取有效的降排水措施，確保管道基坑內積水及時排出或控制基坑水位解決，同時應合理安排施工工序，及時回填基坑，防止降雨引起雨水倒灌造成管道浮起。運行期的抗浮穩定問題一般發生在地下水位較高且管道處于放空檢修期時，其工程措施主要是通過上覆土的壓重進行抗浮，在進行抗浮穩定驗算時，抗浮設防水位可取工程區地面標高[2～3]，抗浮安全系數應不小于1.1。

2.3 地震效應影響

江水北送段工程區地震動峰值加速度為0.05～0.10g，相應地震基本烈度為Ⅵ～Ⅶ度，位于Ⅶ度區的需進行地震效應評價。在Ⅶ度地震條件下，工程區分布的第四系全新統沉積的輕粉質壤土或砂壤土等少黏性土，一般位于地下水位以下，呈飽和狀態，易發生液化，軟弱土存在震陷問題。對于軟弱土的震陷問題可結合地基處理措施進行消除，對于少黏性土液化問題主要通過選用低摩擦系數的回填材料和控制回填施工質量，同時通過提高管厚增大重量或選用柔性管材并合理設置管道附件等方面減弱地震效應對管道的影響，提高長距離輸水管道的抗震可靠度[4]。

2.4 土壤腐蝕性

土壤腐蝕類型主要為電化學腐蝕，其腐蝕性首先會引起輸水管道的外腐蝕，同時土壤中的酸性物質和活性離子也會滲入到砂漿保護層，導致內部預應力鋼絲發生電化學腐蝕，其腐蝕產物和腐蝕過程中產生的氫原子滲入高強鋼絲結構，引起高強鋼絲的氫脆斷裂，對輸水管道的危害較大。土壤腐蝕性大小由土壤的理化性質決定，評價指標包括氧化還原電位、電阻率、pH 值、極化電流密度、質量損失等，確定土壤的腐蝕性等級，作為輸水管道采取防腐蝕措施的依據。

江水北送段城鄉供水工程輸水管道埋藏深度內土壤的腐蝕性一般為：對混凝土結構和鋼筋混凝土結構中鋼筋為弱腐蝕性，對鋼結構具中～強腐蝕性，據此結論對PCCP 輸水管道防腐措施為環氧瀝青涂料外防腐和陰極保護，對鋼管防腐措施為外涂環氧樹脂內涂環氧粉末和陰極保護。在實施過程中，經過充分論證，管道的防腐措施優化為加厚環氧煤瀝青方案。

2.5 施工降排水問題

江水北送段城鄉供水工程輸水管道基坑開挖深度內主要受到淺層地下水的影響，多存在降排水問題。根據工程區地層結構特點，可選用集水明排、井點降水等降排水措施。若基坑開挖揭穿或揭露砂性土等滲透性較大的地層時，涌水量較大，采用集水明排無法保證干地施工，且易對邊坡造成滲透破壞，對坡腳形成沖刷，影響邊坡的穩定性，需采取井點降水措施；若地基為弱透水性的黏性土，基坑開挖未揭露滲透性較大的地層或揭露的滲透性較大地層位于地下水位以上時，基坑涌水量較小，還應根據黏性土地基的厚度確定降排水措施：黏性土地基一般下伏承壓含水層，應首先根據承壓水頭大小進行突涌穩定性驗算，確定承壓含水層頂板地基土層臨界厚度，當黏性土地基厚度小于臨界厚度時，承壓水會對地基形成頂托破壞，造成基坑突涌水，應采取井點降水降低下伏承壓含水層水頭，確保施工安全，反之黏性土地基厚度大于臨界厚度時，可采用集水明排措施。

2.6 沉管穿越段分析

江水北送段城鄉供水工程區內分布多條重要內河航道，輸水管線需穿越河道，穿越長度一般在200～300m，采用沉管施工主要工程地質問題是水下管道開挖基坑邊坡的穩定性。

管道鋪設于通航河道河床下，其埋置深度需滿足河道通航、河槽沖刷及管道抗浮要求，并適當考慮現狀河底淤積情況，基槽深度一般不少于5.0m，往河道兩側開挖深度可達10m 以上。沉管水下基槽開挖邊坡揭露地層一般為淤泥或淤泥質層、砂土層等對邊坡穩定不利的地層，同時由于施工對基槽邊坡的擾動，易引起邊坡失穩滑塌回淤。為確保水下基槽開挖的穩定性，需根據不同地層特性，并考慮施工影響，確定合理的放坡坡率。一般來說，確定水下邊坡坡率的總體原則是：上游邊坡較下游邊坡緩，上層邊坡較下層邊坡緩，據此建議邊坡上部淤泥或淤泥質土層放坡坡比為1∶7～1∶10，砂土層、砂壤土或輕粉質壤土層等放坡坡比為1∶4～1∶5，黏性土層放坡坡比可為1∶2，且不同坡率之間設置寬度不小于2.0m 的坡間平臺，同時在施工過程中，嚴格控制施工減小對邊坡土層的擾動和沖刷，尤其是對坡腳的保護。還應注意各施工工序的銜接，縮短基槽開挖和管段沉放的時間間隔等措施來減少回淤。

2.7 頂管穿越段分析

輸水線路與公路、鐵路交叉或是穿越城區段，不具備明挖施工條件，且會切斷交通運行，對周邊建筑物產生安全隱患，可采取頂管施工方法進行鋪設，該方法在江水北送段城鄉供水工程中得到廣泛應用，穿越長度80～600m，穿越深度4.0～10.0m。頂管施工可分為工作井施工和管道穿越施工，應分別進行工程地質條件評價和建議。

頂管工作井通常采用沉井法施工，沉井下沉過程中受土體對其側壁的摩阻力是沉井結構設計和助沉措施實施的依據，根據沉管下沉深度內涉及地層的物理力學性質，依據相關規范提出土層與側壁摩阻力的建議值，并對井周土層和管底持力層的均勻性作出評價，判斷是否可能因受力不均發生傾斜，同時施工過程中應嚴格控制挖土順序、挖土深度和下沉速度，并加強監測，做到及時糾偏。其次還應根據場地的水文地質條件對下沉施工方法提出建議，若場地地下水位低或下沉過程中涉及透水性差的地層，涌水量不大時，建議采取排水法下沉；若地下水位較高且下沉過程中涉及透水性好的地層，涌水量大時，特別是場區附近有既有建構筑物時，應采取不排水施工。當沉井地基為黏性土層時，還應評價當沉井下沉至設計高程時，黏性土地基是否下伏承壓含水層及其是否會對地基產生頂托破壞，作為沉井封底前是否采取降壓排水措施的依據。

頂管穿越施工應首先確定始發洞口和接收洞口范圍內水文地層條件，若洞口范圍內為含水層，尤其是承壓含水層，應對洞口采取適當加固和止水措施，防治發生涌水、涌砂事故；其次應對頂管頂進過程中，管道范圍內的地層強度差異性是否會引起管端阻力不均導致管道頂偏進行評價，特別是管底遇軟弱土時可能會發生“磕頭”事故；管道頂進過程中，還應控制頂進速率和注漿壓力，防止地面發生沉陷或隆起，特別是遇承壓含水層時，應綜合考慮承壓水頭的作用，防止泥水通過管土間隙涌入工作井。

另外，頂管施工前還應采取必要的物探手段探明場區地下管線的分布情況，對于管道穿越施工范圍內的管線應進行遷移，對于管道施工可能引起的土體位移影響范圍內的管線應建議進行加固或遷移等措施。

3 結論

皖北地區具有相似的工程地質條件和水文地質條件，在該地區興建城鄉供水工程具有類似的地質問題。本文通過總結近年來該地區已建成和在建工程勘察成果，對工程可能存在的地質問題和沉管、頂管法鋪管可能存在的地質風險進行歸納和評價，并提出處理措施建議，為類似管道工程的建設提供參考■