地下水路堑设计

李珊珊

（中铁第五勘察设计院集团有限公司东北分院，黑龙江哈尔滨150001）

1 地下水定义

1.1 什么是地下水

水，化学符号H2O，是由氢、氧两种元素组成的无机物，地下水顾名思义地面线以下，埋藏在地层中。

1.2 地下水的类别

地下水一般概略地分为两种状态：一是束缚水，也称吸附水，受土粒表面电荷和分子力影响而处于被束缚的状态，对工程危害较小，一般不予以考虑；二是自由水，在重力作用下，可以自由流动的水，常见的主要有毛细水、上层滞水、潜水、承压水、裂隙水、溶洞水、多年冻土地区地下水，对工程会造成很大的危害和影响。

1.3 地下水危害

地下水（自由水）的存在和活动引起各种路基病害，主要有：

1.3.1 浸湿软化

地下水在路基范围内活动，逐渐浸湿路基土体，在土体自重、列车荷载及其他外力作用下，将产生基床翻浆冒泥、挤出下沉、边坡表土滑动、溜塌，路堤溃爬或沿倾斜基底面滑动等。地下水在路基旁侧的山坡地层中活动，可降低山坡土体及其结构面的强度，影响其稳定性，导致崩塌、滑坡等病害的发生。

1.3.2 冻胀及盐渍化

毛细水冻结时能吸引集聚大量水分形成冻胀层，使路基发生冻胀变形，冻层融化时又会产生翻浆冒泥；在地下水含盐量大的地区，由于毛细水的活动，还可能使路基土体盐渍化，并引起路基膨胀等病害。

1.3.3 潜蚀

地下水能溶解土中的易溶盐类，地下水的动水压力能带走土中的细颗粒，这些均可降低地基土的强度，甚至形成地下洞穴，引起黄土层及其他松散层地表塌陷，进而引起路基下沉，坍塌等病害。

1.3.4 流砂和液化

粉细砂地层被地下水饱和可能随地下水流动形成流砂，在地震作用下或在列车荷载作用下产生液化，引起路基下沉、滑动等病害。

1.4 水文地质调查和资料收集

1.4.1 工程地质及水文地质

（1）判定地下水类型：潜水、承压水等。例如潜水进一步查明毛细水上升高度，承压水需要判定承压性、水头高度等。

（2）地下水的平面分布、埋藏深度、运动规律、补给来源、出露情况。

（3）含水层与隔水层的性质（包括岩性、组成成分、结构、孔隙等），含水层的渗透系数。

（4）地下水位、流速、流向、流量、环境类别及作用等级。

（5）土的冻结深度及有关气象资料。

1.4.2 测绘资料及地质填绘

（1）地质的平面图。

（2）地质的纵断面图。

（3）地质的横断面。

1.5 设计原则

针对不同形态的地下水活动对路基不同部位的危害作用采取不同的防治原则。

1.5.1 地下水埋深较浅

地下水埋深较浅地段，宜以路堤形式通过，路肩高程应大于最高地下水位或最高地面积水水位、毛细水强烈上升高度、安全高度（一般为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，应引排至基底范围以外或者采用渗水材料填筑路堤基底部位。引排至基底范围以外，优先选用明沟，因为暗沟一旦淤塞，疏通较难，甚至需要开挖重建。

1.5.3 出露路堑边坡的上层滞水

出露路堑边坡的上层滞水地段，宜采用边坡渗沟排除和疏干。对于疏干边坡上局部潮湿地带土体并兼起支撑作用的可采用Y 形、I 形边坡渗沟；对于疏干边坡大片潮湿地带土体并兼起支撑边坡作用的可采用拱形边坡渗沟。

1.5.4 出露路堑边坡的潜水

出露路堑边坡的潜水地段，宜采用侧沟下或侧沟旁的渗沟，降低和排除地下水，地下水位较浅，路堑开挖较深时，可结合边坡渗沟，大部分地下水通过边坡渗沟引入侧沟下或侧沟旁渗沟，降低和排除地下水。

1.5.5 出露路堑边坡的承压水

出露路堑边坡的承压水地段，对于水头高差小的微承压地下水，可采用U 型槽进行封堵,对于水头高差较大的承压地下水，尽量绕避。

1.5.6 出露路堑边坡的裂隙水

出露路堑边坡的裂隙水地段，由于裂隙水分布不均匀，介质的渗透性不均匀、有压无压具体分析，针对类似于潜水状态可以参考潜水处理方式进行处理，类似承压水状态可以按承压水进行处理[1]。

1.5.7 出露路堑边坡的溶洞水

出露路堑边坡地段的溶洞水地段，由于赋存于溶洞中的地下水，一般岩溶极发育,水量丰富（或者可以说是地面以下的河流），必须截断地下水水源补给，否则应进行绕避。

1.5.8 出露多年冻土地区的地下水

出露多年冻土地区地下水地段，针对流量小，出水位置低的地段，在出水一侧加深扩大侧沟截面，使其宽度与深度以能容纳全部冰量为原则，必要时增设挡冰墙；针对流量大，可采用渗沟进行排除，出水口需要采用掩埋式椎体保温出口。

1.6 设计内容

根据工程地质、水文地质等准确资料，进行相关设计，设计内容如下[2]：

1.6.1 判定地下水类型

地下水类型主要有：毛细水、上层滞水、潜水、承压水、裂隙水、溶洞水等。

1.6.2 流量计算

（1）计算流入排水构造物的流量、必要时绘制降落曲线或者计算简图。

（2）进行水力计算，并确定构造物尺寸。

（3）设计与计算排水构造物细部尺寸。

1.6.3 排水构造物选择

排水构造物的主要类型：暗沟、边坡渗沟、支撑渗沟、渗沟、渗井、渗管、平式钻孔。

1.6.4 附属设施

主要附属设施：出水口设施结构、检查井结构等。

1.6.5 相关图纸说明

（1）排水平面示意图。

（2）排水的纵断设计面。

（3）横断面设计图。

（4）排水设施细部结构图及通用图纸。

2 项目概述

2.1 研究范围

此次介绍以xx 铁路专用线（简称专用线）DK4+750～DK6+200 段地下水路堑为工程实例，以下为该工程背景：

专用线DK4+750～DK6+200 以挖方通过，长1450m，最大挖深22.7m，勘察范围内（未见不透水层）含水层主要位于强风化花岗岩岩层中，介质均匀，平坡渗流，主要受大气降水补给，向低洼处渗流。此次考虑最不利位置（流量最大）即未开挖时地下水位标高为253.4m，设计水位下降至241.7m，水位下降高度11.7m。

2.2 地质情况

2.2.1 工程地质特征

工点区地层岩性主要为第四系全新统冲积层（Q4

al）粉质黏土，下伏华力西晚期（γ4）花岗岩；各地层岩性由新至老分述如下：

（1）第四系上新统风洪积层（Q4al）

粉质黏土（Q4al）：分布于表层，黄褐色，硬塑，Ⅱ级普通土，σ。=150kPa。

（2）下伏华力西晚期（γ4）

全风化花岗岩（γ4）：黄褐色，原岩结构基本破坏，岩芯风化呈砂土夹碎块状，Ⅲ级硬土，σ。=350kPa；

强风化花岗岩（γ4）：黄褐色，主要矿物成分以石英、长石为主并含有少量云母，中粒构造，块径一般为10-20mm，最大50mm 锤击易碎，Ⅳ级软石，σ。=700kPa；

弱风化花岗岩（γ4）：黄褐色，中粒结构，块状构造，岩芯呈短柱状，一般长10-30cm，最长40cm，锤击声脆，大锤可击碎，Ⅴ级次坚石，σ。=1000kPa；

2.2.2 水文地质特征

（1）地下水的类型、埋藏情况及其变化特征

地下水类型为基岩裂隙水，分布于DK4+750～DK6+200，受大气降水补给，勘探期间地下水位埋深11.0～18.0m，受季节影响较大，水位变化幅度一般为1～3m。综合渗透系数为K=2m/d。

（2）地下水对混凝土等建筑材料的侵蚀性

勘测期间地下水及地表水取样分析结果，依据《铁路混凝土结构耐久性设计规范》（TB 10005—2010）[3]判定，地下水化学侵蚀类型为H1。

2.2.3 气象特征

最冷月平均气温-14.8oC，按铁路工程气候分区属寒冷地区。该地区最大冻深2.07m。

根据《中国地震动峰值加速度区划图》（GB 18306—2015），沿线地震动峰值加速度＜0.05g，相当于地震基本烈度小于Ⅵ度，地震动反应谱特征周期0.35s。

3 设计思路

3.1 第一步：判定地下水类型

根据勘察结果，地下水为基岩裂隙水无压，按潜水进行设计，由于不透水层较深，渗沟沟底位于含水层内，计算按潜水不完整井（完整井：沟底位于隔水层，沟底不渗水；不完整井：沟底位于含水层，沟底渗水）。

3.2 第二步：流量计算

3.2.1 计算流入渗沟的流量

计算流入渗沟的流量，由于含水层厚度是无限，所以每米单侧沟壁的流量按下列公式计算：

式（1）中：q——每米单侧沟壁的流量，如水自两侧同时流入渗沟内，应乘以2，m3/s；

ε——根据试验资料的校正系数；

H——水位下降高度，m；

K——含水层中水流的渗透系数，m/s；

φ——含水层厚度是无限时：φ=π/2+α，含水层厚度是有限时：φ=β+α；

α—— 降落曲线与x 轴方向夹角近似为；

β——，H含为含水层厚度；

R——水力影响半径，根据抽水试验或者经验公式估算，m。

r——渗沟宽度一半，m；

暂定渗沟宽度为1.2m，各个参数取值：

ε——无试验资料，暂取1；

将各个参数数值带入公式（1）

DK4+750～DK6+200 地下水路堑总长度为1450m，单侧流量：

Q= 1450×q= 0.11m3/s。

3.2.2 假设排除地下水设备

此次设计暂时采用Φ315mmpvc 双壁波纹带孔渗水管将地下水排除，按下列公式（2）计算：

式（2）中：Q——流量，m3/s；

ω——水流断面面积，m2；

ν——水流的平均流速，m/s；

R——水流断面的水力半径，x 为湿周，m；

i——水力坡度；

C——流速系数，采用巴甫洛夫斯基公式：

n——粗糙系数，pvc 材质粗糙系数查《铁路路基设计规范》（TB 10001—2016）[4]附录“F 表F.0.3 沟管壁粗糙系数”取0.01；

R——水流断面的水力半径，m；

y——与R 及n 有关的指数，采用公式：

各个参数取值：

采用Φ315mmpvc 双壁波纹带孔渗水管允许流量为0.12m3/s＞地下水路堑渗入单侧流量0.11m3/s，设计合理，否则调整渗水管的孔径重新进行检算。

3.3 第三步：排水构造物选择

路堑开挖较深，增设边坡渗沟，地下水通过边坡渗沟引入侧沟下或侧沟旁渗沟，降低和排除地下水。

其一，渗沟布置原则：可以设置侧沟下或者设在侧沟平台以下，渗沟宽度采用1.2m、渗沟深度根据该工程冻结深度确定，挖深较深时或者受外界影响时，可以增设保温板，减少渗沟挖深。

其二，边坡渗沟垂直嵌入边坡坡体，断面采用矩形，宽度不宜小于1.2m，深度可以根据边坡潮湿土层厚度确定。

3.4 第四步：附属设施

由于工程处于严寒地区，出水口采用保温出水口，检查井井内加设防寒木盖，检查井沿线路每隔30m 设一处，检查井结构构造采用直角式及转角式两种形式。

3.5 第五步：绘制图纸

一是排水平面示意图。

二是排水的纵断设计面。

三是横断面设计图。

四是排水设施细部结构图及通用图纸。

4 结论

影响地下水的因素较多，铁路地下水路堑设计需要遵循针对不同形态的地下水活动对路基不同部位的危害作用采取不同的防治原则，计算繁杂，流量计算是处理地下水路堑的关键，设计前应进行详细的水文地质勘察，依据工程地质、水文地质等准确资料判定地下水类型，为计算流量提供准确、可靠的数据支持并对水力、流入排水构造物的流量、排水构造物细部尺寸进行计算；排水构造物的主要类型：暗沟、边坡渗沟、支撑渗沟、渗沟、渗井、渗管、平式钻孔，根据计算结果对构造物进行选择。铁路路堑地下水处理对预防铁路路基运营过程中的病害起决定性作用，所以必须全面分析，设计方案必须严谨可行，保证工程措施的可行性，防止地下水活动产生路基病害，造成安全隐患。