天津市洪泥河倒虹吸围堰支护及基坑降水设计

王红菊，张 磊

(河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250)

天津市洪泥河倒虹吸围堰支护及基坑降水设计

王红菊，张 磊

(河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250)

洪泥河倒虹吸地基主要持力层为淤泥、淤泥质粘土、厚层粉土，由于地下水位较高，使用常规方法在基坑开挖、降水的过程中出现了围堰坍塌、裂缝，基坑涌水、涌砂等问题。通过科学分析、计算，采用钢板桩支护方案解决了围堰边坡滑塌问题，采用井点降水成功降低了基坑水位，确保了后期工序正常开展。

围堰;抗滑桩;基坑涌水;井点降水

1 概述

洪泥河位于天津市津南区，地处市区东南部、海河中下游南岸，地势低洼。津南区双白引河在桩号1+ 570附近与洪泥河相交，两侧被洪泥河隔断。现状洪泥河底宽约20 m，为复式断面结构，河底高程-2.7 m，下部边坡坡比为1∶2.5，上部边坡坡比约1∶4。洪泥河日常平均水位为1.5 m。

为保证双白引河畅通及双白引河与洪泥河水系的沟通，提高河道的整体排涝能力，设计新建双白引河穿洪泥河倒虹吸及连通闸工程。倒虹吸与洪泥河呈54.5°角斜交布置。倒虹吸由进口段、进口闸室、管身段及出口段四部分组成，总长132.9 m。其中进口段长40 m，进口闸室长5 m，管身段长81 m，出口段长5.9 m。倒虹吸水平段管顶高程-3.7 m，管底高程-6.9 m［1］。两侧地下水高程0.16～0.72 m。

由于洪泥河常年有水，采用常规施工方法用围堰截断河水，然后进行基坑降水。两侧围堰填筑施工完成后，因水位较高，施工单位采取了水泵抽水然后开挖基坑的方法。但在实施过程中，降水效果较差，以粉土层为主的基坑出现了边坡反复坍塌和涌砂的问题，水位下降后不久便又重新上升，致使工程不得不停工。同时因为围堰下部存在淤泥层、淤泥质粘土层，加之水位下降、基坑开挖引起孔隙水压力，导致围堰背水坡出现坍塌、裂缝。因此急需采用有效方法进行降水和护坡，确保干场作业和围堰稳定，才能使倒虹吸顺利从河底穿过。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌与地层岩性

工程区地貌属于滨海平原区，地面高程一般2.5～3.5 m。勘探深度30 m内揭露的地层为人工堆积、第四系全新统和上更新统古河道、洼淀冲积、浅海相沉积、河床—河漫滩相沉积。人工堆积物为素填土、杂填土;古河道、洼淀冲积物(Q43Nal)主要岩性为粘土、砂壤土、淤泥;浅海相沉积物(Q42m)主要岩性为灰色含贝壳碎屑的壤土、砂壤土、淤泥质粘土、淤泥质壤土;河床—河漫滩相沉积物(Q41al)主要岩性为壤土、粘土及粉砂()。

其中，杂填土、素填土(Qml)主要分布于洪泥河两岸，层厚1.0～2.0 m。②1层粘土(Q43Nal)层厚0.2～2.9 m，②3层淤泥(Q43Nal)层厚3.1～3.3 m。洪泥河右岸、淤泥层底部为③4层淤泥质粘土，厚度2.5 m。该层下部为③2层粉土(Q42m)，层厚7.1～9.5 m。砂壤土层下部为壤土或淤泥质壤土。深度23 m以下分布粉细砂，钻探揭露的最大厚度为6.70 m。

倒虹吸闸室翼墙及进口斜坡段主要持力层为②3层淤泥(Q43Nal)和③4层淤泥质粘土，因工程性状较差，需进行地基处理;第③2层粉土(Q42m)分布稳定，为倒虹吸平管段主要持力层。

2.2 地震与饱和砂土液化

工程区地震动峰值加速度为0.15 g，相当于地震基本烈度7度区。设计分组为第二组，地震动反应谱特征周期0.55 s。经判别，地面以下深度11.5 m范围内的③2层粉土(砂壤土)存在地震液化问题，液化等级为轻微液化。

2.3 水文地质条件

地下水类型为第四系孔隙潜水，主要赋存于砂性土层中。2013年11月测得洪泥河两岸地下水位高程0.16～0.72 m。各土层渗透系数一般在10-4～10-6cm/s之间，属中等—微透水层。地下水对普通混凝土具硫酸盐型强腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋及钢结构均具中等腐蚀性。

3 基坑围堰及护坡设计

为保证施工干场作业，常规方法:即在施工区河道上下游修筑横向围堰，截断河水，施工时将河道水排走。原设计排水方法为:初期排水采用潜水泵抽排，然后在基坑周边布置排水干沟，基坑边排水边开挖，并随着开挖的加深，逐渐加深排水干沟。同时在建筑物轮廓线外侧布置集水井定时抽排。

围堰修筑完毕、基坑内河水排干后即行开挖。期间围堰背水坡出现了裂缝，施工单位随即在背水坡打了两排临时性木桩增加稳定性，随后又继续基坑开挖、抽水工作。但很快两道围堰背水坡均出现了不同程度的塌坡以及基坑涌砂、涌水现象，施工被迫停止，重新进行围堰支护及基坑排水设计已刻不容缓。

3.1 围堰设计

工程实施时，洪泥河实际水位为1.5 m，设计河底高程为-2.7 m，两侧堤顶高程为3.2 m。设计围堰宽6 m，高5.9 m，堰顶与两岸堤顶平齐。迎水侧边坡坡比1∶3，背水侧边坡坡比1∶2。两道围堰内开口距离156 m。

围堰地基自上至下依次为厚约1.0～2.5 m的淤泥和淤泥质壤土层、8 m厚的粉土、壤土层。

倒虹吸底部水平管段设计开挖高程为-7.0 m，齿槽部位设计开挖高程为-7.5 m。根据规范要求，地下水位需降至-8.0 m以下。

按地下水位-8.0 m、开挖边坡1∶3，对围堰进行了抗滑稳定计算。利用河海大学水工结构有限元分析系统(AutoBANKV7.0)软件，采用简化毕肖普法。经计算，围堰及基坑边坡抗滑稳定系数为1.38，大于规范要求的1.1，表明围堰及基坑边坡是稳定的。计算成果见图1。

图1 地下水位-8.0 m时边坡抗滑稳定计算成果图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)，对边坡稳定进行了验算，边坡抗滑稳定系数为0.91，表面边坡不稳定，需采取固坡措施(图2)。

图2 地下水位-2.7 m边坡抗滑稳定计算成果图Fig.2 The calculating result of anti-sliding stability of slope when the underground water level is-2.7 meters

3.2 抗滑桩设计

由于围堰地基淤泥质壤土层厚度1.0～2.5 m，且地处市区，挖除、临时堆放较困难。为保证临时围堰及河道岸坡的稳定，进行经济比较后确定，在背水坡增加钢板桩支护，桩顶设计高程为1.0 m，见图3。

图3 地下水位-2.7 m抗滑钢板桩布置示意图Fig.3 The layout diagram of anti-sliding steel sheet pile when the underground water level is-2.7 meters

抗滑桩采用常用的I40a型工字钢，高400 mm，腿宽142 mm，腹厚10.5 mm，截面积86.1 cm2，每延米重67.6 kg。考虑到工字钢间无法咬合，截水效果较差，为增强防渗效果，减少流砂，工字钢采用一顺一丁布置［2］。

采用《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)对钢板桩稳定性进行计算。计算结果抗滑稳定安全系数为2.1，＞1.2，表明抗滑稳定。对围堰整体稳定性进行抗滑计算，计算方法采用圆弧滑动条分法进行。经计算，安全系数为5.2，远高于1.3，说明整体抗滑稳定。

由于基坑外侧土体自上至下为壤土、淤泥、粉土(砂壤土)，基坑内侧土体为粉土(砂壤土)。采用《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)4.2.1公式进行计算［3］。经计算，设计采用12 m长I40a型工字钢，入土深度6 m，能满足稳定要求。局部挡土高度较大部位，其上部做减载处理。

采用《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)4.4.2式，对板桩应力进行验算［4］。经计算，钢板桩顺向布置时，安全系数为0.16;一顺一丁布置时，安全系数为1.4。

4 基坑降水设计

洪泥河附近地下水位较高，施工初期采用水泵抽水方法，降水效果不好，基坑内仍有积水，基坑涌砂、涌水现象严重，无法连续工作。

由于基坑土层为厚层粉土，为保证降水效果，设计采用井点降水。因系临时工程，井点布置多了浪费，少了则可能长时间降不下去，影响施工工期。因此，有效降水成为工程进度的制约因素，而降水井数量、深度、水泵大小的选择则是降水成败的关键。

4.1 基本数据

两围堰之间上口宽度156 m，计算底宽132.4 m，根据本工程实际情况，采用140 m，视为基坑长度L，两岸河堤之间的距离48 m，视为基坑宽度b。

洪泥河段主要含水层为粉土(砂壤土)，粉土粘粒含量5%左右，干密度偏小(最小值1.37 g/cm3)、孔隙比较大(最大值0.973)，且粉土层埋藏较浅，根据室内试验及经验，综合分析认为渗透系数建议值K=5.2× 10-4cm/s≈0.45 m/d。

按照勘察期间地下水位:左岸钻孔水位0.72 m，右岸钻孔水位0.16 m，因为河床有明水，水位高程约1.5 m，因此计算时，水位值取高值0.72 m。

倒虹吸底高程-6.9 m，齿槽部位设计开挖高程为-7.5 m。根据《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)7.3.2“降水后基坑内的水位应低于坑底0.5 m”的要求，为保证干场作业，地下水位需降至-8.0 m以下，则地下水降深值Sd=0.72-(-8.0)=8.72 m。

含水层厚度H取地下水位至粉土层底部距离，左侧钻孔H1=0.72+10.48=11.2 m，右侧钻孔H2= 0.16+14.94=15.1 m，取平均值H=(H1+H2)/2= 13.2 m。

4.2 基坑涌水量计算

按《建筑基坑支护技术规程》(JGJ 120—2012)中潜水完整井计算公式进行计算

式中:Q为基坑涌水量(m3/d);K为渗透系数(m/d); H为潜水含水层厚度(m);Sd为降深(m);r0为基坑等效半径(m);R为降水影响半径(m)。

当K=0.45 m/d，H=13.2 m，Sd=8.62 m，R= 48.74 m，r0=46.26 m时，经计算，Q=300.94 m3/d。

4.3 管井的单井出水量及井点数量

4.3.1 单井出水量

由于洪泥河主要含水层为粉土层，这种土的特性是粉粒含量高，粒径0.005～0.075 mm范围内的颗粒集中，不均匀系数较大，虽属于中等透水性土层，但抽水过程中经常会出现淤堵现象，因此水泵功率不必太大，井径太大也容易坍塌［5］。根据地层情况及施工单位现有设备，确定抽水井直径为40 cm。

过滤器进水部分长度应采用粉土层厚度，洪泥河左岸钻孔粉土层厚度7.9 m，右侧厚度5.9 m，平均厚度约7 m。渗透系数 K为5.2×10-4cm/s≈0.45 m/ d。向外抽水管的管径5 cm。单井出水量计算公式为:

式中:q为单井出水能力(m3/d);rs为过滤器半径(m); l为过滤器进水部分长度(m);K为渗透系数(m/d);经计算，q=50.53(m3/d)。

4.3.2 井点数量

式中:Q为基坑涌水量(m3/d)，q为单井出水能力(m3/d)。经计算，抽水井数量n=6.55，按7眼计。

为缩短抽水时间，并考虑未知因素，实际布置抽水井8眼，均匀布置在倒虹吸基坑两侧，控制深度为穿透粉土层并进入相对不透水的粘土层，预计深度15～18 m。

施工单位制定了管井施工方案，采用钻孔法成孔，孔径应较井管直径大20 cm左右。管井的过滤管采用水泥无砂管，井管与孔壁之间填充的滤料规格根据粉土含水层d50(0.042 mm)确定，经计算采用中粗砂或含砾中粗砂填充。填充滤料后及时洗井，直至过滤器与滤料滤水畅通为止，然后开始降水。

5 工程效果及结语

上述基坑降排水及抗滑桩支护方案提出后，施工单位严格按设计要求进行井点布设及施工，连续抽水7天后，地下水位已降至设计深度，然后及时进行观测，根据水位上升情况断续抽水，直至工程结束。由于钢板桩的支护作用，没有因为水位的下降引起围堰的裂缝、坍塌等，确保了围堰的稳定。目前倒虹吸工程已顺利竣工。

工程实践表明，在软土地基中进行临时围堰及基坑降水、开挖施工时，如果地基存在淤泥或淤泥质土层，当上部堆载较大、且存在水位下降引起的附加有效应力影响时，边坡产生塌滑、裂缝的可能性较大。如果是永久工程，且淤泥层不太厚的情况下，可将淤泥层挖除;如果是临时工程，且淤泥层较厚，可采用抗滑桩，但尽量不要采用具有挤土效应的混凝土预制桩［6］。在软土地基的护坡措施中，钢板桩不失为一种有效的方法。

厚层粉土层基坑降水较为适宜的方法为井点降水。降水设计前应准确确定土层的渗透系数，由于粉土层抽水试验不易成功，可通过室内试验结合经验值确定。同时应根据具体情况确定水泵功率、井径、井点数量、管井结构等因素，才能确保降水成功。

洪泥河倒虹吸在基坑施工中遇到了围堰边坡坍塌、基坑降水困难及涌砂等问题，但通过精心计算、科学设计、合理施工，问题顺利解决，工程效果明显。笔者将该项目的基坑降水及护坡设计方案予以简述，供工程界同仁指正、借鉴。

［1］ 鞠勤国，马洪飞，杨艳军，等.中小河流治理重点县综合整治和水系连通试点天津市津南区双白引河辛庄镇项目区变更设计报告［R］.天津:河北省水利水电勘测设计研究院，2015.

［2］ 黄强.深基坑支护工程设计［M］.北京:中国建材工业出版社，2000.

［3］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.建筑基坑支护技术规程: JGJ120—2012［S］.北京:中国建筑工业出版社，2012.

［4］ 中华人民共和国建设部.钢结构设计规范:GB50017—2003［S］.北京:中国计划出版社，2003.

［5］ 张兴军，张湖滨.建筑工程基坑降水设计方案优化的探讨［C］//河南省土木建筑学会.河南省土木建筑学会2010年学术大会论文集.郑州:河南省土木建筑学会，2010.

［6］ 袁聚云.基础工程设计原理［M］.上海:同济大学出版社，2001.

(责任编辑:陈姣霞)

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

王红菊 (1968-)，女，教授级高级工程师，水文地质与工程地质专业，从事岩土工程勘察设计与施工工作。E-mail:whj999@126.com

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20150909.1438.002.html数字出版日期:2015-09-09 14:38