蒋沟河渠道倒虹吸进口渐变段底板顶托破坏案例分析

秦红军

（河南省山水水利工程有限公司，郑州450003）

1 工程概况

该倒虹吸为1 个引水渠道穿越蒋沟河的河渠交叉建筑物，建筑物形式为渠道倒虹吸；倒虹吸总长度247.6m，主要由进口渐变段、进口闸室段、管身段、出口闸室段、出口渐变段组成。管身段长度109m，为4 孔钢筋混凝土箱形结构（单孔尺寸6.5m×7m）；进、出口渐变段分别连接上、下游渠道，进、出口渐变段底板为钢筋混凝土结构。2011 年8 月7 日（待运行期），施工方发现进口渐变段1#、1′#底板处有7 条裂缝；2011 年8 月11 日发现进口渐变段第1 节、第2 节、第3节底板已产生大量裂缝，第1 节、第2 设计分块被顶托抬起13.12cm，裂缝最大开度达到4mm，裂缝呈进口向八字形射线形分布。经分析为顶托变形破坏。

2 发生裂缝、错台原因分析

2.1 初步分析

2011 年8 月初日至2011 年8 月11 日，进口渐变段底板裂缝由少渐多，呈八字形射线形分布，第1、2 设计分块被顶托抬起13.12cm。根据上述情况分析，破坏形式为顶托破坏。

1）进口渐变段底板裂缝、错台产生后，沿裂缝、结构缝均有渗水、冒水现象；8 月13 日，施工单位在1#底板利用水钻打了3排孔，当第一个水钻孔打穿底板后，地下水立即涌出，水头高约1m；待其他水钻孔均打完后，均有地下水涌出，水头逐渐降低至漫流。随着地下水流出，大部分裂缝逐渐趋于闭合，错台也有一定程度的恢复。

2）根据渗压计监测情况分析。根据进口渐变段下游、进水闸附近底板下埋设的渗压计监测数据：在2010 年10 月，随着蒋沟河渠道倒虹吸下部结构施工基本完成，施工降水工作陆续停止，地下水位逐步上升，渗压计的监测值逐步变大，并在同一时间（2011 年8 月7 日）达到峰值（见图1）。在8 月7 日～8 月8 日，进口渐变段底板产生错台、裂缝后，随着地下水的涌出，底板下渗压计监测值骤然下降，最大下降约10kPa，相当于1m 水头。

图1 进口渐变段附近底板下渗压计测值过程曲线

根据上述情况分析，进口渐变段底板产生裂缝、错台的原因可初步判断为地下水的顶托破坏所致。

2.2 上部第四系孔隙潜水对底板产生顶托破坏的可能性分析

场区地下潜水位埋藏较浅，前期勘察期间测得地下潜水位高程104.14～104.94m；2009 年9 月，工程开工前测得地下潜水位高程约103m，高于倒虹吸水平管段建基面约12.5m，高于进口渐变段最低处1#底板建基面5.9m。施工过程中，施工方采取了截渗墙结合管井降水的措施，把地下潜水位有效地降低至建基面1m 以下。2011 年4 月，主体工程完工后，降水工作逐步停止，大部分降水井陆续封堵，地下潜水位逐渐回升。

2011 年8 月1 日～2011 年8 月4 日降雨相对集中，地表水下渗使基坑周边的上部潜水位迅速上升。2011 年8 月11 日渐变段底板产生顶托破坏时，根据场区附近水位观测数据地下潜水位高程101.09～101.26m，高于进口渐变段1#底板建基面4.02～4.19m。由于渐变段底板及两侧翼墙均为钢筋混凝土结构，形成了封闭式的隔水铺盖（仅在两侧翼墙上设置逆止阀，最低一排逆止阀高于1#底板建基面2.0m）。随着地下潜水位迅速上升，沿基坑周边溢出向进口渐变段混凝土底板以下汇集，加之1#底板下游闸室钢筋混凝土基础的阻水作用，使地下水在渐变段底板下形成局部承压水，承压水头4.02～4.19m。

地下水扬压力：

式中，P 为地下水扬压力；ρ水为水的密度；H 为地下水扬压力水头，考虑到翼墙逆止阀的排水作用，取2.0m；g 为重力加速度，取10N/kg。

经计算，1#底板处基底水的扬压力P=20kPa。

底板盖重：

式中，G 为底板盖重；ρ混为混-钢筋混凝土的容重，根据经验取2 600kg/m3；h 为钢筋混凝土底板的厚度，取0.5。

经计算：1#底板处钢筋混凝土底板盖重G=13kPa。

根据计算结果P＞G，所以可能产生基底扬压力对底板的顶托破坏。经现场勘查，两侧翼墙大部分逆止阀排水不畅，更增加了地下水对底板顶托破坏的可能性[1]。

2.3 下部第四系孔隙承压水对底板产生顶托破坏的可能性分析

根据勘察成果，倒虹吸进口段底板位于第④层黄土状重粉质壤土（相对隔水层）中，底板以下该层厚度1.5～4.8m，根据勘察期间承压水位的观测数据，经设计验算：进口段1#～3#底板地基存在第⑤层轻壤土和第⑥层细砂承压水的顶托破坏问题。

施工过程中，施工方根据设计方案对1#～3#底板建基面以下的第④层黄土状重粉质壤土、第⑤层轻壤土和第⑥层细砂层进行了高喷灌浆处理措施。在1#底板下游（IV13+935.3）处高喷底部高程为89.182m，顶高程为94.982m，底板底部高程为97.12m，底板（C20 钢筋混凝土）厚50cm；在3#底板上游（IV13+901.55）处高喷底高程为90.516m，顶高程为93.816m，底板底部高程为98.758m，底板（C20 钢筋混凝土）厚50cm。

灌浆处理后，底板以下第④层重粉质壤土及其下部灌浆所覆盖地层（均视为相对不透水体）总厚度约7.9m，容重按2.0g/cm3；厚50cm 的钢筋混凝土底板和混凝土垫层的容重按2.5g/cm3；因此，钢筋混凝土底板、混凝土垫层及其以下的相对不透水体总厚度为8.4m，总的盖重荷重约为170kPa。

施工期观测的下部承压水最高承压水位为102.4m，在相对不透体底部（高程89.182m）产生的承压水头约为13.2m，承压水扬压力为132kPa。

经分析，混凝土底板及其以下相对不透水体总荷重（170kPa）大于下部承压水所产生的水头压力（132kPa），进口段1#～3#混凝土底板不会产生地下承压水的顶托破坏问题。

2.4 分析结果

综上所述，渐变段底板产生的裂缝、错台等原因：由于汛期地下潜水位快速上升、在进口渐变段底板下汇集形成局部承压水，导致底板在地下水扬压力的作用下产生了顶托破坏。

3 工程处理

根据以上原因分析，施工单位根据设计要求采取了相应的处理措施：（1）对进口渐变段翼墙的排水孔进行了疏通处理，保证强后排水通畅；（2）在进口渐变段底板设置排水孔，间距3m，梅花形布置，使底板下的地下水能够顺利排出。同时，施工单位根据设计要求对待运行期可能产生地下水顶托破坏现象的其他倒虹吸建筑物进出口底板均设置了排水设施。至今，没有发生过类似的顶托破坏问题。

4 结语

通过对蒋沟河进口渐变段底板产生裂缝和错台破坏的原因分析，充分说明了在工程建设期间工况条件下降排水工作的重要性。特别在高地下水位场区，工程建设过程中不仅要考虑施工过程中的施工降排水问题、正常运行期的内外水平衡问题，同时要根据工程建设的实际情况，充分考虑完建期、待运行期不同工况条件下的内外水平衡、降排水问题，确保建筑物安全的问题，以避免发生安全、质量事故。