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摘 要：白马河渠道倒虹吸是南水北调中线一期工程中大型的河渠交叉建筑物之一，该建筑物区内存在许多不利的工程地质因素。自1995年开始陆续进行了多次地质勘察，勘察结果表明工程区的主要工程地质问题是膨胀土涨缩性问题、基坑排水及边坡稳定性的问题、渗透破坏和砂土液化问题。基于对上述问题提出更准确可靠的解決方案，于是进行了工程地质钻探工作，根据资料成果，为工程设计及施工提出了有效的解决措施和合理建议。
关键词： 膨胀土；基坑排水；边坡稳定；渗透破坏；砂土液化
白马河渠道倒虹吸是南水北调中线一期工程大型河渠交叉建筑物之一，建筑物区内存在很多不利的工程地质因素，通过工程地质勘察并结合相关资料提出有效的解决措施和合理建议。
1.地质概况
白马河渠道倒虹吸是一座由倒虹吸、检修闸、节制闸、退水闸和排冰闸等组成的枢纽工程，位于河北省邢台县会宁乡东良舍村北，距邢台市约7km。建筑物区发育的地层主要为奥陶系中统马家沟组灰岩、白云质灰岩和碎石土（溶蚀充填物），第四系下更新统冰水积、湖积粘性土和砂土，第四系全新统冲洪积粘性土和砂土[1]。区内地下水有第四系孔隙水和岩溶裂隙水两种类型。根据中国地震局分析预报中心复核的《南水北调中线工程沿线设计地震动参数区划报告》（2004年4月），工程区地震动峰值加速度为0.1g，相应地震基本烈度为Ⅶ度。
2.主要工程地质问题分析
工程区主要工程地质问题是膨胀土的胀缩性对地基的影响、基坑排水、边坡稳定、渗透变形和砂土液化等[3]。
2.1 膨胀土的胀缩性问题。倒虹吸管身段地基以第四系下更新统粘土和壤土为主，其中壤土大部具弱膨胀潜势，粘土大部具中等膨胀潜势。基坑边坡处的膨胀性粘土和壤土，易胀缩变形，导致土体强度降低，对工程和施工有一定的影响。建议采用预留保护层或喷乳化沥青等方法进行防护，以减少膨胀土含水量的变化，保持土的结构和物理力学性质的稳定。
2.2 基坑排水和边坡稳定问题。（1）基坑排水问题。倒虹吸地下水位高程76.25～77.4m，基础底板高程为78.29～66.8m，进口段基础底面位于地下水位以下0～3.5m，管身段基础底面位于地下水位以下3.5～13.4m，出口段基础底面位于地下水位以下1.0～1.8m，因此需考虑基坑排水问题。根据工程区含水层的埋藏特征，基坑涌水量采用《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）[4]附录F中的潜水完整井公式进行计算：
Q=1.366K（2H-S）S/（lg（1+R/r0））
式中：Q—基坑涌水量（m3/d）；K—渗透系数（m/d），由于含水层分布不均匀，且岩性有差异，根据室内渗透试验和现场抽水试验成果，选取了四个断面进行加权平均，计算出基坑综合渗透系数K=2.71×10-2cm/s=23.41m/d；H—含水层厚度（m），取潜水位以下含水层的平均厚度8.7m；S—基坑排水降深（m），水位降至粘性土层或基坑以下0.5m，取平均降深10.0m；R—降水影响半径（m），R=2S（KH ）0.5=285.4m；r0—基坑等效半径（m），r0=0.29（a+b）， a、b分别为基坑的长、短边，按倒虹吸基坑的上、下口长度的平均值计算，分别取500m和50m，计算结果r0=159.5m；
将上述各参数代入公式求得基坑涌水量：Q=5311.71m3/d，建议采用井点排水法预降地下水位。
（2）边坡稳定问题。基坑边坡由第四系全新统和下更新统砂性土和粘性土组成，受地下水影响，边坡稳定性较差，建议放缓边坡，预留马道分级开挖。建议第四系全新统砂土施工临时坡比：水上1：1.75，水下1：2.0。砂壤土1：1.5。壤土1：1.25。建议第四系下更新统砂土临时坡比：水上1：2.0，水下1：2.5。粘土及壤土建议施工临时边坡：水下1：2.0～1：2.5。
2.3渗透破坏问题
基坑边坡由砂土组成，在排水过程中是否会产生渗透破坏，关系到边坡的稳定和排水方案的选定，对边坡主要砂土统计汇总，绘制了综合颗粒分析曲线。依据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287—99）[5]附录M，对各类砂土的破坏形式判别如下：①初判。各类砂土的不均匀系数在3.1～39.7之间，颗粒级配曲线均为连续型，根据规范M.0.2-2公式判断，渗透破坏的类型为管涌。②详判。
产生管涌破坏的临界坡降采用以下公式进行计算：Jcr=2.2（Gs-1）（1-n）2（d5/d20）；式中： Jcr —临界水力坡降；Gs —土的颗粒密度与水的密度之比；n —土的孔隙率（%）；d5、d20—分别占总土重的5%和20%的土粒粒径（mm）。边坡主要砂土渗透变形的判别和水力比降的计算过程和结果见表2.1。通过计算和分析，砂土的临界水力坡降Jcr=0.11～0.44，允许水力坡降J允许=0.08～0.22。
2.4砂土液化问题。工程区地处Ⅶ度地震基本烈度区，当河道行洪时砂性土处于饱和状态，有发生液化的可能。倒虹吸基础座落于第四系下更新统地层中，基础以下存在砂性土，但根据《水利水电工程地质勘察规范》GB50287-99附录N，地质时代处于Q3以前可初判为不液化土，且砂性土的标贯击数较高，实测平均值为39.0～48.3，可判定为不液化土。根据规范判别过程如下。液化判别标准贯入锤击数临界值采用下式计算：
式中： ρc—土的粘粒含量质量百分率（%），当ρc<3%时，取值3%；N0—液化判别标准贯入锤击数基准值，按近震考虑，取值为6；Ncr—液化判别临界贯入锤击数；ds—标准贯入点埋深（m），5m以内按5m计算；dw—工程正常运用时，地下水位在当时地面以下的深度（m），当地面淹没于水面以下时，dw取0；N63.5—工程运用时，标贯点在当时地面以下ds（m）深度处的标贯击数，对实测击数应按N.0.4-2式进行校正；判定标准：当N63.5>Ncr时不液化；当N63.5 3.结论及建议
根据以上计算和分析，倒虹吸地基土大部具弱～中等膨胀潜势，对工程和施工有一定的影响，建议采用预留保护层、喷乳化沥青或放缓边坡分级开挖等方法进行防护。基坑边坡上部的砂土大部分为可能液化土，施工时将被开挖掉，对边坡稳定稍有影响。建议施工时放缓边坡，预留马道分级开挖。
地基中砂土的渗透变形类型为管涌，应考虑渗透破坏问题。倒虹吸基础底面位于地下水位以下，需考虑基坑排水问题，建议低水位期施工，采用明沟法或井点法进行排水。
参考文献
[1] 《堤防工程地质勘察规程》（SL188-2005）.北京：中国水利水电出版社，2005.
[2] 《岩土工程勘察规范》（GB50021-2008）
[3] 《工程地质手册》（第四版），北京：中国建筑工业出版社，2007
[4] 《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）
[5] 《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-99）
作者简介：王杰，1987年6月出生，男，汉族，河北平山人，助理工程师。
关键词： 膨胀土；基坑排水；边坡稳定；渗透破坏；砂土液化
白马河渠道倒虹吸是南水北调中线一期工程大型河渠交叉建筑物之一，建筑物区内存在很多不利的工程地质因素，通过工程地质勘察并结合相关资料提出有效的解决措施和合理建议。
1.地质概况
白马河渠道倒虹吸是一座由倒虹吸、检修闸、节制闸、退水闸和排冰闸等组成的枢纽工程，位于河北省邢台县会宁乡东良舍村北，距邢台市约7km。建筑物区发育的地层主要为奥陶系中统马家沟组灰岩、白云质灰岩和碎石土（溶蚀充填物），第四系下更新统冰水积、湖积粘性土和砂土，第四系全新统冲洪积粘性土和砂土[1]。区内地下水有第四系孔隙水和岩溶裂隙水两种类型。根据中国地震局分析预报中心复核的《南水北调中线工程沿线设计地震动参数区划报告》（2004年4月），工程区地震动峰值加速度为0.1g，相应地震基本烈度为Ⅶ度。
2.主要工程地质问题分析
工程区主要工程地质问题是膨胀土的胀缩性对地基的影响、基坑排水、边坡稳定、渗透变形和砂土液化等[3]。
2.1 膨胀土的胀缩性问题。倒虹吸管身段地基以第四系下更新统粘土和壤土为主，其中壤土大部具弱膨胀潜势，粘土大部具中等膨胀潜势。基坑边坡处的膨胀性粘土和壤土，易胀缩变形，导致土体强度降低，对工程和施工有一定的影响。建议采用预留保护层或喷乳化沥青等方法进行防护，以减少膨胀土含水量的变化，保持土的结构和物理力学性质的稳定。
2.2 基坑排水和边坡稳定问题。（1）基坑排水问题。倒虹吸地下水位高程76.25～77.4m，基础底板高程为78.29～66.8m，进口段基础底面位于地下水位以下0～3.5m，管身段基础底面位于地下水位以下3.5～13.4m，出口段基础底面位于地下水位以下1.0～1.8m，因此需考虑基坑排水问题。根据工程区含水层的埋藏特征，基坑涌水量采用《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）[4]附录F中的潜水完整井公式进行计算：
Q=1.366K（2H-S）S/（lg（1+R/r0））
式中：Q—基坑涌水量（m3/d）；K—渗透系数（m/d），由于含水层分布不均匀，且岩性有差异，根据室内渗透试验和现场抽水试验成果，选取了四个断面进行加权平均，计算出基坑综合渗透系数K=2.71×10-2cm/s=23.41m/d；H—含水层厚度（m），取潜水位以下含水层的平均厚度8.7m；S—基坑排水降深（m），水位降至粘性土层或基坑以下0.5m，取平均降深10.0m；R—降水影响半径（m），R=2S（KH ）0.5=285.4m；r0—基坑等效半径（m），r0=0.29（a+b）， a、b分别为基坑的长、短边，按倒虹吸基坑的上、下口长度的平均值计算，分别取500m和50m，计算结果r0=159.5m；
将上述各参数代入公式求得基坑涌水量：Q=5311.71m3/d，建议采用井点排水法预降地下水位。
（2）边坡稳定问题。基坑边坡由第四系全新统和下更新统砂性土和粘性土组成，受地下水影响，边坡稳定性较差，建议放缓边坡，预留马道分级开挖。建议第四系全新统砂土施工临时坡比：水上1：1.75，水下1：2.0。砂壤土1：1.5。壤土1：1.25。建议第四系下更新统砂土临时坡比：水上1：2.0，水下1：2.5。粘土及壤土建议施工临时边坡：水下1：2.0～1：2.5。
2.3渗透破坏问题
基坑边坡由砂土组成，在排水过程中是否会产生渗透破坏，关系到边坡的稳定和排水方案的选定，对边坡主要砂土统计汇总，绘制了综合颗粒分析曲线。依据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287—99）[5]附录M，对各类砂土的破坏形式判别如下：①初判。各类砂土的不均匀系数在3.1～39.7之间，颗粒级配曲线均为连续型，根据规范M.0.2-2公式判断，渗透破坏的类型为管涌。②详判。
产生管涌破坏的临界坡降采用以下公式进行计算：Jcr=2.2（Gs-1）（1-n）2（d5/d20）；式中： Jcr —临界水力坡降；Gs —土的颗粒密度与水的密度之比；n —土的孔隙率（%）；d5、d20—分别占总土重的5%和20%的土粒粒径（mm）。边坡主要砂土渗透变形的判别和水力比降的计算过程和结果见表2.1。通过计算和分析，砂土的临界水力坡降Jcr=0.11～0.44，允许水力坡降J允许=0.08～0.22。
2.4砂土液化问题。工程区地处Ⅶ度地震基本烈度区，当河道行洪时砂性土处于饱和状态，有发生液化的可能。倒虹吸基础座落于第四系下更新统地层中，基础以下存在砂性土，但根据《水利水电工程地质勘察规范》GB50287-99附录N，地质时代处于Q3以前可初判为不液化土，且砂性土的标贯击数较高，实测平均值为39.0～48.3，可判定为不液化土。根据规范判别过程如下。液化判别标准贯入锤击数临界值采用下式计算：
式中： ρc—土的粘粒含量质量百分率（%），当ρc<3%时，取值3%；N0—液化判别标准贯入锤击数基准值，按近震考虑，取值为6；Ncr—液化判别临界贯入锤击数；ds—标准贯入点埋深（m），5m以内按5m计算；dw—工程正常运用时，地下水位在当时地面以下的深度（m），当地面淹没于水面以下时，dw取0；N63.5—工程运用时，标贯点在当时地面以下ds（m）深度处的标贯击数，对实测击数应按N.0.4-2式进行校正；判定标准：当N63.5>Ncr时不液化；当N63.5
根据以上计算和分析，倒虹吸地基土大部具弱～中等膨胀潜势，对工程和施工有一定的影响，建议采用预留保护层、喷乳化沥青或放缓边坡分级开挖等方法进行防护。基坑边坡上部的砂土大部分为可能液化土，施工时将被开挖掉，对边坡稳定稍有影响。建议施工时放缓边坡，预留马道分级开挖。
地基中砂土的渗透变形类型为管涌，应考虑渗透破坏问题。倒虹吸基础底面位于地下水位以下，需考虑基坑排水问题，建议低水位期施工，采用明沟法或井点法进行排水。
参考文献
[1] 《堤防工程地质勘察规程》（SL188-2005）.北京：中国水利水电出版社，2005.
[2] 《岩土工程勘察规范》（GB50021-2008）
[3] 《工程地质手册》（第四版），北京：中国建筑工业出版社，2007
[4] 《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）
[5] 《水利水电工程地质勘察规范》（GB50287-99）
作者简介：王杰，1987年6月出生，男，汉族，河北平山人，助理工程师。