蔣溝河渠道倒虹吸進口漸變段底板頂托破壞案例分析

秦紅軍

（河南省山水水利工程有限公司，鄭州450003）

1 工程概況

該倒虹吸為1 個引水渠道穿越蔣溝河的河渠交叉建筑物，建筑物形式為渠道倒虹吸；倒虹吸總長度247.6m，主要由進口漸變段、進口閘室段、管身段、出口閘室段、出口漸變段組成。管身段長度109m，為4 孔鋼筋混凝土箱形結(jié)構(gòu)（單孔尺寸6.5m×7m）；進、出口漸變段分別連接上、下游渠道，進、出口漸變段底板為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。2011 年8 月7 日（待運行期），施工方發(fā)現(xiàn)進口漸變段1#、1′#底板處有7 條裂縫；2011 年8 月11 日發(fā)現(xiàn)進口漸變段第1 節(jié)、第2 節(jié)、第3節(jié)底板已產(chǎn)生大量裂縫，第1 節(jié)、第2 設(shè)計分塊被頂托抬起13.12cm，裂縫最大開度達到4mm，裂縫呈進口向八字形射線形分布。經(jīng)分析為頂托變形破壞。

2 發(fā)生裂縫、錯臺原因分析

2.1 初步分析

2011 年8 月初日至2011 年8 月11 日，進口漸變段底板裂縫由少漸多，呈八字形射線形分布，第1、2 設(shè)計分塊被頂托抬起13.12cm。根據(jù)上述情況分析，破壞形式為頂托破壞。

1）進口漸變段底板裂縫、錯臺產(chǎn)生后，沿裂縫、結(jié)構(gòu)縫均有滲水、冒水現(xiàn)象；8 月13 日，施工單位在1#底板利用水鉆打了3排孔，當?shù)谝粋€水鉆孔打穿底板后，地下水立即涌出，水頭高約1m；待其他水鉆孔均打完后，均有地下水涌出，水頭逐漸降低至漫流。隨著地下水流出，大部分裂縫逐漸趨于閉合，錯臺也有一定程度的恢復。

2）根據(jù)滲壓計監(jiān)測情況分析。根據(jù)進口漸變段下游、進水閘附近底板下埋設(shè)的滲壓計監(jiān)測數(shù)據(jù)：在2010 年10 月，隨著蔣溝河渠道倒虹吸下部結(jié)構(gòu)施工基本完成，施工降水工作陸續(xù)停止，地下水位逐步上升，滲壓計的監(jiān)測值逐步變大，并在同一時間（2011 年8 月7 日）達到峰值（見圖1）。在8 月7 日～8 月8 日，進口漸變段底板產(chǎn)生錯臺、裂縫后，隨著地下水的涌出，底板下滲壓計監(jiān)測值驟然下降，最大下降約10kPa，相當于1m 水頭。

圖1 進口漸變段附近底板下滲壓計測值過程曲線

根據(jù)上述情況分析，進口漸變段底板產(chǎn)生裂縫、錯臺的原因可初步判斷為地下水的頂托破壞所致。

2.2 上部第四系孔隙潛水對底板產(chǎn)生頂托破壞的可能性分析

場區(qū)地下潛水位埋藏較淺，前期勘察期間測得地下潛水位高程104.14～104.94m；2009 年9 月，工程開工前測得地下潛水位高程約103m，高于倒虹吸水平管段建基面約12.5m，高于進口漸變段最低處1#底板建基面5.9m。施工過程中，施工方采取了截滲墻結(jié)合管井降水的措施，把地下潛水位有效地降低至建基面1m 以下。2011 年4 月，主體工程完工后，降水工作逐步停止，大部分降水井陸續(xù)封堵，地下潛水位逐漸回升。

2011 年8 月1 日～2011 年8 月4 日降雨相對集中，地表水下滲使基坑周邊的上部潛水位迅速上升。2011 年8 月11 日漸變段底板產(chǎn)生頂托破壞時，根據(jù)場區(qū)附近水位觀測數(shù)據(jù)地下潛水位高程101.09～101.26m，高于進口漸變段1#底板建基面4.02～4.19m。由于漸變段底板及兩側(cè)翼墻均為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，形成了封閉式的隔水鋪蓋（僅在兩側(cè)翼墻上設(shè)置逆止閥，最低一排逆止閥高于1#底板建基面2.0m）。隨著地下潛水位迅速上升，沿基坑周邊溢出向進口漸變段混凝土底板以下匯集，加之1#底板下游閘室鋼筋混凝土基礎(chǔ)的阻水作用，使地下水在漸變段底板下形成局部承壓水，承壓水頭4.02～4.19m。

地下水揚壓力：

式中，P 為地下水揚壓力；ρ水為水的密度；H 為地下水揚壓力水頭，考慮到翼墻逆止閥的排水作用，取2.0m；g 為重力加速度，取10N/kg。

經(jīng)計算，1#底板處基底水的揚壓力P=20kPa。

底板蓋重：

式中，G 為底板蓋重；ρ混為混-鋼筋混凝土的容重，根據(jù)經(jīng)驗取2 600kg/m3；h 為鋼筋混凝土底板的厚度，取0.5。

經(jīng)計算：1#底板處鋼筋混凝土底板蓋重G=13kPa。

根據(jù)計算結(jié)果P＞G，所以可能產(chǎn)生基底揚壓力對底板的頂托破壞。經(jīng)現(xiàn)場勘查，兩側(cè)翼墻大部分逆止閥排水不暢，更增加了地下水對底板頂托破壞的可能性[1]。

2.3 下部第四系孔隙承壓水對底板產(chǎn)生頂托破壞的可能性分析

根據(jù)勘察成果，倒虹吸進口段底板位于第④層黃土狀重粉質(zhì)壤土（相對隔水層）中，底板以下該層厚度1.5～4.8m，根據(jù)勘察期間承壓水位的觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)設(shè)計驗算：進口段1#～3#底板地基存在第⑤層輕壤土和第⑥層細砂承壓水的頂托破壞問題。

施工過程中，施工方根據(jù)設(shè)計方案對1#～3#底板建基面以下的第④層黃土狀重粉質(zhì)壤土、第⑤層輕壤土和第⑥層細砂層進行了高噴灌漿處理措施。在1#底板下游（IV13+935.3）處高噴底部高程為89.182m，頂高程為94.982m，底板底部高程為97.12m，底板（C20 鋼筋混凝土）厚50cm；在3#底板上游（IV13+901.55）處高噴底高程為90.516m，頂高程為93.816m，底板底部高程為98.758m，底板（C20 鋼筋混凝土）厚50cm。

灌漿處理后，底板以下第④層重粉質(zhì)壤土及其下部灌漿所覆蓋地層（均視為相對不透水體）總厚度約7.9m，容重按2.0g/cm3；厚50cm 的鋼筋混凝土底板和混凝土墊層的容重按2.5g/cm3；因此，鋼筋混凝土底板、混凝土墊層及其以下的相對不透水體總厚度為8.4m，總的蓋重荷重約為170kPa。

施工期觀測的下部承壓水最高承壓水位為102.4m，在相對不透體底部（高程89.182m）產(chǎn)生的承壓水頭約為13.2m，承壓水揚壓力為132kPa。

經(jīng)分析，混凝土底板及其以下相對不透水體總荷重（170kPa）大于下部承壓水所產(chǎn)生的水頭壓力（132kPa），進口段1#～3#混凝土底板不會產(chǎn)生地下承壓水的頂托破壞問題。

2.4 分析結(jié)果

綜上所述，漸變段底板產(chǎn)生的裂縫、錯臺等原因：由于汛期地下潛水位快速上升、在進口漸變段底板下匯集形成局部承壓水，導致底板在地下水揚壓力的作用下產(chǎn)生了頂托破壞。

3 工程處理

根據(jù)以上原因分析，施工單位根據(jù)設(shè)計要求采取了相應的處理措施：（1）對進口漸變段翼墻的排水孔進行了疏通處理，保證強后排水通暢；（2）在進口漸變段底板設(shè)置排水孔，間距3m，梅花形布置，使底板下的地下水能夠順利排出。同時，施工單位根據(jù)設(shè)計要求對待運行期可能產(chǎn)生地下水頂托破壞現(xiàn)象的其他倒虹吸建筑物進出口底板均設(shè)置了排水設(shè)施。至今，沒有發(fā)生過類似的頂托破壞問題。

4 結(jié)語

通過對蔣溝河進口漸變段底板產(chǎn)生裂縫和錯臺破壞的原因分析，充分說明了在工程建設(shè)期間工況條件下降排水工作的重要性。特別在高地下水位場區(qū)，工程建設(shè)過程中不僅要考慮施工過程中的施工降排水問題、正常運行期的內(nèi)外水平衡問題，同時要根據(jù)工程建設(shè)的實際情況，充分考慮完建期、待運行期不同工況條件下的內(nèi)外水平衡、降排水問題，確保建筑物安全的問題，以避免發(fā)生安全、質(zhì)量事故。