基础换填法在南水北调北汝河倒虹吸工程中的应用

郭勤军

（南水北调河南直管建管局，河南 郑州 450046）

南水北调中线北汝河倒虹吸工程长1 482 m，是沙河南～黄河南渠段上第6座河渠交叉建筑物，设计流量315 m3/s，加大流量375 m3/s，管身横断面为两联四孔箱型结构，孔径宽7.0 m、高6.95 m。倒虹吸水平管身段长950 m，基底高程约为99.9 m，位于地表下18 m深处。地质报告显示管身基底大部为粘土岩或砂质粘土岩、部分为砂砾岩，该层的承载力和强度均较高，适于作构筑物建基面。

1 北汝河倒虹吸工程基础地质问题的发现

2010年6月28日下午，参建各方对新开挖倒虹吸管身52～53号的基础建基面进行了隐蔽工程联合验收，验收结果表明：建基面平坦、基底无积水及冒水点，边沿的两个渗水点进行了盲沟导渗，地质情况较好。当日夜里就开始了垫层混凝土浇筑，于6月29日上午浇筑结束，整个浇筑及养护是按照规程、规范和设计要求进行的。6月30日早上发现垫层局部出现细小裂纹，7月1日发现垫层出现三角形交叉裂缝，7月2日下午出现大面积裂缝，以致错台，经联合测量，垫层隆起最高处达28.1 cm。整个过程，施工及监理单位都进行了详细的观测与记录。

地质与水文报告显示没有异常，降排水措施是根据抽水试验成果和地质复勘结果确定的，基坑降排水及开挖工作是按照批准的方案实施的，上层潜水进行了疏导、抽排并填筑了粘土芯墙截渗，基底两边进行了管井强降水并挖有截渗沟，混凝土浇筑及养护是按照规范及设计要求进行的。什么原因导致垫层破坏，针对出现的问题进行反思。

2 专家论证和换填方案的提出

2.1 专家现场查看并建议

2010年7月5日、7月9日及7月16日，分别邀请河南省水利厅、华北水院及黄委会等单位的地质及水文专家到南水北调北汝河倒虹吸工地进行现场把脉，及时召开座谈会。通过勘查，专家们认为，造成垫层破坏的主因是水力作用结果，粘土岩的弱中膨胀潜势属于次因；从基坑开挖面的细小纹层、裂缝走向结合现场探坑，大家认为粘土岩面存在不规则裂隙、使岩层中赋存的地下承压水具有一定的复杂性。按专家的意见，在现场进行了基底水槽试验、探坑开挖、观测孔的布置，按业主要求加密了降水井、补充了地质勘探工作，联系了地质CT勘测。

2.2 现场水槽试验、基底探坑、观测井及补充地质勘探

在现场渗水点埋设水槽，测量承压水水头；大小水槽试验共进行了两次，2010年7月9日的检测结果显示，水槽中水位高出建基面约55 cm。

经业主同意，在揭露开的53号基底上开挖探坑4个，深度达1.5 m，其中两个探坑相邻。结果显示探坑内多有缝隙，个别裂缝较大，水力联系复杂。其中较近的两个探坑一个水量丰富，只好持续排水，另一个干枯，始终不见水位上升；尽管二者仅相距50 cm，水位差保持了近1.2 m，水量对比悬殊。观测孔及管井测量结果显示，水位悬殊很大。7月27日完成的54～58号补充地质勘探结果表明，在建基面下3～6.5 m分布有粉砂岩透水层，该层富含承压水，观测孔显示水头超出建基面6.6 m。

2.3 问题的分析及论证过程

参建各方于2010年7月5日、8月5日、8月17日召开了三次专题会议，讨论北汝河倒虹吸的基础问题。经过三次会议，根据专家意见、现场试验情况和以往的施工经验，认为粘土岩层的不规则裂隙导致了地下水的孤立性、分散性及不连续性，加上地下承压水的复杂性，按原设计降水和施工将举步维艰。在7月9日的碰头会上就提出了换填试验段的初步设想，直到几轮谈判之后在8月25日片区会上，大家才默认了开挖换填试验段的建议。

3 换填方案及其技术原理

基础换填法可以归纳为“适度超挖、全面换填，盲沟导渗、降排结合，覆膜保土、覆纸保浆”，其技术原理为：水力学的渗流及流网理论。粘土岩的相对不透水性、裂隙分布的不规则性，决定了降排水工作的复杂性；一方面要给水出路、降低糙率、导排结合，另一方面要确保基底土不流失。

3.1 换填方案的理论分析

“适度超挖”能充分利用粘土岩作为持力层的有利条件，避开水力破坏，且能节省材料。“全面换填”能适应粘土岩裂隙不规则、避开地下水孤立性、分散性的制约，且能便于施工。开挖盲沟可给渗水一出路，起有效导流效果；盲沟内换填天然砾料，可降低糙率，易于排水导渗；换填砂卵石，就地取材成本低；土工膜的采用能保证建基面细小颗粒不流失且便于水的渗透；垫层底部覆纸既保证了混凝土浆不流失，又保证了砂卵石的透水路径。

3.2 换填施工注意事项

换填的具体尺寸、厚度、规格、参数等细节问题，由设计做了具体要求，其内容为：采用倒虹吸基坑原建基面下开挖40 cm，针对出水点开挖盲沟把水导到基坑两边的纵向排水沟内，盲沟用5～20 mm卵石填筑，其上依次布置一层土工布、10 cm厚的砂、30 cm厚的（5～20 mm级配）碎石；用蛙式夯机把换填的碎石夯实，在其上铺一层牛皮纸（防止水泥浆渗入级配碎石），最后在牛皮纸上浇筑垫层混凝土（见图1）。

图1 倒虹吸基础换填示意图Fig.1 Sketch drawing of foundation replacement in invert siphon

3.3 换填方案的成功实践

从首次浇筑垫层失败到采取换填方案并成功浇筑55号管节倒虹吸底板，时间过去了80天。第一节倒虹吸管身垫层及底板的成功浇筑鼓舞了士气，也给施工找到了一个出路，解决了施工的技术难题。

至今已完成18节管身、20多节垫层的混凝土浇筑任务，施工进展顺利，弥补了两个多月的损失，为后续施工带来了突破，其意义深远，投资、进度及年度目标得以实现。

4 社会和经济价值分析

（1）经济效益：短期来看，弥补工期近3个月，预计加快施工总进度半年以上，为工地节约投资500余万元，确保了投资目标的实现。长期对比，效益不可估量。

（2）社会效益：为工程顺利完工创造了条件，为早日通水提供了保障，为南水北调工程打开了思路，为同类型工程的施工积累了经验。

5 结论与建议

基础换填施工对南水北调北汝河倒虹吸工程来说，不仅是实用的而且是可行的。它被已成功浇筑的倒虹吸管身实践所验证，为设计与施工管理都提供了有益的尝试。

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