山西省坪上应急引水工程供水管道软基础工程特性分析

罗中元

（山西省水利工程质量与安全监督站 山西太原0300002）

近年来由于社会经济的快速发展，工程建设规模不断地扩大，在建筑、水利、电力、交通和铁道等土木工程建设中，人们越来越多地遇到各种不同类型的不良地基问题，如何正确处理不良地基是目前工程施工设计中的一大难题，尤其是高地下水位条件下的软基土，由于地下水位较高，地基土常期处于饱和、接近饱和状态，施工时存在涌水问题，排水疏干又可引发边坡失稳，给工程施工建设带来了很大的危害。因此，对于高地下水位软基土，应认真勘测软基土的地质情况和水文情况、土质及空间结构等特点，分析各类状态下软基础的工程特性，为高地下水位软基础处理方案的确定提供依据。本文以坪上应急引水工程管道沿线地区软弱土地基为例，分析研究了坪上应急引水工程供水管道沿线高地下水位下各类软基土的工程特性，为合理确定供水管道管沟开挖方案和管道的顺利安装提供依据。

1 坪上应急引水工程概况

坪上应急引水工程位于忻州市的五台县、定襄县、忻府区和原平市境内。主要任务是向忻府区、定襄县和原平市提供城镇生活和工业用水，近期年设计引水量3 500万m3。工程由水源工程和供水工程两大部分组成。线路总长123 km，其中管道总长115 km（包括穿隧洞管道2.3 km），隧洞长11 km。供水工程总体布局为：以季庄分水点为中心将供水管线分为三段，甲子湾—季庄分水点为供水干线、季庄—忻府区供水支线和季庄—原平供水支线，见示意图1。

图1 山西省坪上应急引水工程示意图

供水干线管道沿线地区发育地层多为第四系早期洪冲积堆积物，高水位区域地形较平坦，岩性主要以淡黄色低液限黏土，粉土、级配不良砂为主，土颗粒细而均匀，结构松散，管线沿途经过的农田基本上是水浇地，部分为稻田。供水支线（季庄～忻府区、季庄～原平）沿线位于忻定盆地冲洪积平原区，地形较平坦。发育地层为第四系全新统早期洪冲积物，岩性表层为淡黄色低液限黏土，土颗粒细而均匀，稍湿或湿，可搓成细土条，属于典型的软基础，且含水量较高。在软弱土基上铺设供水管道，必须分析其特有的水文地质状况、土性、土质及其空间结构特点，提出有效且经济合理的软弱土地基处治措施，才能保证管道的正常安装过程中和管道长期安全使用，具有重要的现实意义。

2 供水管道沿线水文地质特性

2.1 主干线甲子湾～季庄段

桩号6+154.0～17+960.3位于滹沱河漫滩地带，发育地层为第四系全新统早期洪冲积堆积，上部为淡黄色低液限粉土，土颗粒细而均匀，结构松散，厚0.5～4.0 m，其下为低液限黏土，稍湿、可塑，土质坚硬。下层分布有级配不良砂，粒度均一，结构松散，为含水层。管道基础持力层为低液限粉土、级配不良砂土基础。地下水位埋深较浅，施工时存在涌水问题，需排水，同时，粉土质砂存在震动液化问题。

桩号20+717.7～25+713.2段位于忻定冲洪积平原区，发育地层为上更新统冲积物，岩性为淡黄色低液限黏土，稍湿或湿，黏粒含量较高，可塑，土质较硬。地下水位埋深1.8～3.5 m，管线基础持力层为低液限黏土。

2.2 供水支线季庄～定襄段

桩号5+320.0～10+600.0段位于忻定冲洪积平原区，发育地层为第四系全新统早期洪冲积物，地面高程748.0～751.0 m，地形较平坦，岩性主要为淡黄色低液限黏土，土颗粒细而均匀，稍湿或湿，可搓成细土条，结构松散，厚2.5～4.0 m，近滹沱河河床处地下水位埋深较浅，施工时存在涌水问题，需排水。同时地基土处于饱和状态，排水疏干又可引发边坡失稳，需采取工程措施进行处理。

桩号11+000～14+200段位于滹沱河右岸漫滩。出露地层为全新统早期洪冲积物，岩性主要为淡黄色低液限粉土，厚4.0～6.0 m，供水管道地基持力层为低液限粉土，地下水位埋深3.0～4.0 m，向滹沱河方向排泄。供水管线施工近河床带存在涌水问题，需排水。桩号14+200至定襄供水点段，该段位于定襄县城西南部，地形较平缓，地面高程760.0～759.6 m。发育地层为第四系上更新统冲积物（Q3al）岩性为淡黄色低液限粉土，土颗粒细而均匀，稍湿或湿，手搓有砂感，结构松散，厚度大于3.5 m，地下水位埋深3.2～4.4 m，管道地基持力层为低液限粉土基础。

2.3 供水支线季庄～原平段

桩号8+954.5～10+525段地处忻定盆地北受禄新村与向阳村，地形较平坦。发育地层为第四系全新统早期洪冲积物（Q41pal），岩性表层为淡黄色低液限黏土，稍湿或湿，结构较松散，表层植物根系发育，厚度2.5～4.0 m。其下为级配不良砂地层。该段地下水位埋深1.8～2.5 m，供水管道埋深2.5～3.0 m，施工时存在涌水问题。

桩号12+700～14+819段地处凤凰山庄至上汤头段，广济渠西侧。出露地层为第四系全新统早期洪冲积物，岩性表层为低液限粉土，稍湿，结构松散，厚度0.8～1.5 m。其下为级配不良砂层，地下水埋深2.0 m左右，供水管道持力层为级配不良砂层。忻州支线牧马河段供水管线主要沿牧马河左岸穿越，出露地层主要为第四系全新统早期洪冲积物（Q41pal），岩性为淡黄色低液限粉土、低液限黏土，局部为中细砂等；上更新统（Q3al）冲积物，岩性主要为低液限黏土、低液限粉土。该段供水管线低液限粉土持力层，地下水埋深较浅。局部地带上部存在轻微湿陷问题。

3 高地下水位软基土主要特征

通过分析高地下水位软基土物理力学试验结果可知，项目区沿线高水位软弱土基础大致可分为黏性土地基、粉土地基和级配不良砂地基三种。

3.1 高地下水位黏性土地基主要特征

通过分析高地下水位黏性土物理力学试验结果，该类软基土具有以下特征。

（1）天然含水率高、孔隙比大。黏性土主要是由黏粒和粉粒组成,表面带负电荷的黏土矿物与周围介质中的水分子和阳离子相互吸引形成水膜，所以这种土含水率高、孔隙比大。天然含水率在16.5%～33.3%之间，孔隙比在0.589～0.932之间。

（2）强度不易提高。软弱土黏粒含量高，渗透性很弱，其渗透系数在 0.01×10-5～9.74×10-5cm/s，平均为 0.89×10-5cm/s，所以排水固结缓慢、沉降时间长、强度不易提高。

（3）压缩性较高。软弱土孔隙比大，因此压缩性高。在自重和外荷载作用下长期得不到固结。软弱土的压缩系数一般为0.16～1.02 MPa-1，平均为 0.37 MPa-1。

（4）抗剪强度低。由于软弱土天然含水率高、天然孔隙比大，因此软弱土地基变形大、强度低。软基土的抗剪强度低，抗剪强度在3.9～11.2kPa，平均为6.6 kPa。

3.2 高地下水位粉土地基主要特征

通过分析高地下水位粉土物理力学试验结果可知，粉土与黏性土的各颗粒组成百分数平均值较为接近，塑性指标平均值略低于黏性土，因而都具有相似的物理特征。

（1）天然含水率高、孔隙比大。粉土天然含水率在18.5%～29.6%，孔隙比在0.570～0.823之间。

（2）渗透性小。粉土渗透系数在 0.03×10-5～3.7×10-5cm/s，平均值为1.04×10-5cm/s，略大于黏性土渗透系数，但从统计数据来看，渗透系数变化区间较小，变异系数0.92，整体渗透系数大于黏性土。

（3）中等压缩性。粉土的压缩系数在0.08～0.62 MPa-1，平均0.24 MPa-1，为中压缩土。

（4）抗剪强度低。粉土的抗剪强度低在5.0～47.7kPa，平均为17.3 kPa。

（5）容易液化。粉土质砂细颗粒含量较多，在有水的环境下容易液化，饱和状态下呈流态，在动水作用下极易产生塌陷、侵蚀、冲刷甚至引起边坡失稳。

3.3 高地下水位级配不良砂地基主要特征

高地下水位级配不良砂颗粒组成以砂粒和粉粒为主，黏粒含量极少，不均匀系数2.3～3.0，曲率系数1.0～1.4，单粒级含量较大，级配不良，容易液化。通过分析高地下水位级配不良砂具有以下主要特征：

（1）天然含水率高、孔隙比大。天然含水率在15.7%～28.5%，孔隙比在0.501～0.775之间。

（2）渗透性强。级配不良砂砂粒含量在61.8%～82.8%间，渗透性较强,其渗透系数在 89.4×10-5～98.5×10-5cm/s之间,平均值为 95.5×10-5cm/s。

（3）中压缩性。级配不良砂的压缩系数一般为0.09～0.25 MPa-1，平均 0.14 MPa-1。

（4）容易液化。粉土质砂细颗粒含量较多在有水的环境下容易液化，饱和状态下呈流态，在动水作用下极易产生塌陷、侵蚀、冲刷甚至引起边坡失稳。

4 结语

本文简单分析了坪上应急引水工程管道沿线的高地下水位软基土的水文地质条件，通过土工试验结果分析，得到高地下水位黏性土、高地下水位粉土、高地下水位级配不良砂三种软基土的工程特性，为以后的供水管道铺设及基础处理方案的确定提供了必要的资料，也为该地区的其他类似工程的建设提供参考。