供水项目引大渠道除险加固工程施工组织设计140p

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供水项目引大渠道除险加固工程引大入秦总干渠全长86.79m，从地理位置及地形地貌上分为上、下两段，水磨沟以上段渠线通过大通河高山峡谷区称之为“总干渠上段”，水磨沟以下至总干渠尾段渠线通过中低山区称之为“总干渠下段”。从流量分段上为：自渠首至大砂沟段设计流量32m3/s，加大流量36m3/s；大砂沟至总干渠尾段设计流量29m3/s，加大流量34m3/s。总干渠设计以隧洞为主，总长75.376km，占渠线总长的86.85%，其它建筑物占总长的13.15%。
总干渠列入本次除险加固实施方案的主要内容有：隧洞13座，总长23.385km；明渠3段，总长5.01km；渡槽10座，总长1.02km；座槽2座，总长165.71m；总分水闸1座（含新建隧洞1座，长62m）。监理标为1个标段，施工标分9个标段。
东一干渠从总干分水闸至下华家井长49.43km，主要由明（暗）渠、隧洞、渡（座）槽、倒虹吸、陡坡等组成，其中主要建筑物明（暗）渠全长30.785km，占全长的62.3%，其它建筑物占全长的37.7%。
东一干渠列入本次除险加固实施方案的主要内容有：隧洞1座，长65m；梯形明渠共15段（其中现状为梯形渠改建为暗渠6段，总长2.53km；梯形渠拆除重建9段，总长4.12km）；渡槽3座，总长1.81km,；节制闸2座，节制、泄水闸4座，节制、分水闸3座，分水闸4座；支渠分水口65座。
1.1.2 水文气象和工程地质资料
1.1.2.1水文气象资料
根据天堂水文站实测降水和部分蒸发资料以及邻近气象站资料推得多年平均气温为3.0℃，极端最高气温为30.0℃，极端最低气温-28.3℃，多年平均降水量483.4mm，年蒸发量1408.4mm，5～9月多年平均降水量为403.4mm，占全年降水量的83.5%。多年平均风速2.7m/s，最大冻土深度148cm。
东一干渠工程地质条件及评价
1）概述
东一干渠自总干渠末分水闸起，至下华家井，全长49.435km。干渠主要由渠道（包括梯形明渠、暗渠、渐变段）、隧洞、渡槽（包括座槽）、现浇矩形渠、倒虹吸、陡坡等组成，其中渠道长33463.96m ；隧洞8座，长8398.26m；渡槽5座，长2162.48m；现浇矩形渠5段，长2665.27m；倒虹吸1座，长753.07m；压力管道1座，长1814.65m；陡坡2座，长177.81m。
东一干渠渠道及渠系建筑物依次穿越了低中山区、河谷阶地区、黄土丘陵区、盆地平原区等四个地貌单元，海拔在2190～2000m之间，相对高差190m。沿线出露地层有奥陶系变质岩，白垩系、上第三系碎屑岩、砂质泥岩，加里东期闪长岩及第四系松散堆积物，其中以上第三系砂质泥岩和第四系黄土分布最为广泛；工程区在地质构造单元上属永登—河口中新凹陷，区内发育的庄浪河断裂带是区域性活动断裂，其北起永登县西侧的仁寿山，向南经张家坪至河口，全长约62km，该断裂带以西为相对上升隆起带，断裂构造较为发育，以东为相对下降凹陷带，构造形迹多被第四系地层所覆盖，具隐伏性；区内水文地质条件简单，地下水的分布受地形地貌、地层岩性的控制，主要有第四系孔隙潜水和基岩裂隙水两种：孔隙潜水主要分布在庄浪河两岸Ⅰ、Ⅱ级阶地的砂（卵）砾石层中，其水量丰富，水质良好，对普通混凝土结构无腐蚀性；在各大沟谷的洪积砂碎石层中有少量孔隙潜水分布，其水量小，水质较差，对普通混凝土结构具有腐蚀性；在秦王川盆地的洪积砂碎石层中有孔隙潜水分布，其水质较差，对普通混凝土结构具有硫酸盐型腐蚀性，但其埋深大，对工程的影响不大；基岩裂隙水分布于工程区西部的奥陶系千枚岩夹变质砂岩及白垩系砂砾岩中，其埋深大，水量较小，对工程无影响。
工程于1993年改扩建后至今已运行近二十年，由于渠道老化、冻胀破坏，部分渠段的渠基土及混凝土预制块鼓起、沉陷变形、勾缝脱落、混凝土预制块冻损剥蚀严重；部分隧洞过流能力不足，部分隧洞衬砌出现裂缝；部分填方渠段高水位运行时，渠水外渗，渠道沉陷；部分深挖方、高边坡渠段边坡稳定问题较为突出；部分重点建筑物进、出口连接段变形开裂，支口、斗口沉陷、闸门变形，渗漏水严重；节制闸、泄水闸启闭不灵等问题影响正常通水。虽然近几年对部分险段做了除险加固和维修改造，毕竟杯水车薪，不能从根本上解决问题。为确保工程安全运行和正常输水，必须对东一干渠进行加固改造。
2）渠道工程地质条件及评价
东一干渠的渠道全长33.464km，占干渠总长的67.7%，其中包括明渠、暗渠、渐变段、泄水闸、节制闸、分水闸、支渠分水口、干斗口等，其中以梯形明渠为主。鉴于庄浪河之后的几座跌水、陡坡等的地基条件与紧邻的渠道地基相近，且工程地质条件简单，在此一并叙述。
3）渠道工程地质分段评价
根据渠基岩土类型及工程性状可划分为以下渠段类型：
①plQ43洪积粉质壤土渠段：总长4.242km，为渠道全长的12.68%，主要分布于沿线的各沟谷中，渠基岩性为洪积（plQ43）粉质壤土，天然密度1.71～1.91g/cm3，含水量20.3～22.6%，干密度1.41～1.56g/cm3，渗透系数（0.59～0.77）×10-5cm/s，压缩模量4.30～6.09MPa，压缩系数0.28～0.45MPa-1，湿陷系数0.004～0.037，表部2～3m具有中湿陷性，下部不具湿陷性，具中等压缩性。粉质壤土层厚2～15m。
该渠段部分渠道出现冻胀破坏现象，局部段渠道由于渠基土湿陷变形而沉陷，主要为渠道渠水外渗所致。加固改造时需对粉质壤土进行灰土垫层处理，加强渠道的防渗衬砌，并加0.3m厚的防冻胀砂砾垫层。
②plQ4洪积砂碎石渠段：长9.017km，为渠道全长的26.95%，主要分布于沿线各大冲沟和秦王川盆地中，地层具二元结构：上部为洪积粉质壤土，厚0.5～2m；下部为砂碎石层，夹粉质壤土透镜体或薄层，结构中密，天然密度1.85～2.00g/cm3，含水量2.8～8.1%，干密度1.80～1.85g/cm3，相对密度0.65～0.80，厚度5～50m。
该渠段地基为砂碎石层，渗漏是主要工程地质问题；局部段由于砂碎石层中含泥量较高，且夹有粉质壤土透镜体或薄层，透水性弱，渠道存在冻胀破坏问题，主要为渠道渠水外渗所致，加固改造时需对渠道加强防渗衬砌，并加0.3m厚的防冻胀砂砾垫层。
③al-plQ42冲洪积粉质壤土渠段：总长1.523km，为渠道全长的4.55%，分布于庄浪河左岸的Ⅰ级阶地上，地层具二元结构：上部为粉质壤土，厚1～4m，下部为砂（卵）砾石层，结构中密，厚度12～25m。渠基岩性为冲洪积粉质壤土，天然密度1.35～1.52g/cm3，天然含水量4.2～10.9%，干密度1.25～1.40g/cm3。
该渠段地基土为al-plQ42冲洪积粉质壤土，原为强烈湿陷性土，经过多年的输水运行，湿陷变形已基本稳定。仅局部渠道出现冻胀破坏现象，主要为渠道渠水外渗所致，加固改造时需对渠道加强防渗衬砌，并加0.3m厚的防冻胀砂砾垫层。
④al-plQ42冲洪积砂砾卵石渠段：长0.718km，约占渠道全长的2.15%，分布于庄浪河左岸的Ⅰ级阶地上，地层具二元结构：上部为粉质壤土，厚1～4m，下部为砂（卵）砾石层，结构中密，厚度12～25m。该渠段上部为粉质壤土，下部为砂砾卵石，渗漏是主要工程地质问题，加固改造时需对渠道加强防渗衬砌，并加0.3m厚的防冻胀砂砾垫层。
⑤al-plQ41冲洪积粉质壤土渠段：总长4.622km，为渠道全长的13.81%，主要分布于庄浪河左岸的Ⅱ级阶地上，地层具二元结构：上部为粉质壤土，厚5～10m，下部为砂（卵）砾石层，结构中密，厚度12～25m。渠基岩性为冲洪积粉质壤土，天然密度1.35～1.52g/cm3，天然含水量4.2～10.9%，干密度1.25～1.40g/cm3。
该渠段地基土为al-plQ42冲洪积粉质壤土，原为强烈湿陷性土，经过多年的输水运行，湿陷变形已基本稳定。仅局部渠道出现冻胀破坏现象，加固改造时需对渠道加强防渗衬砌，并加0.3m厚的防冻胀砂砾垫层。
⑥eolQ3风积马兰黄土渠段：长9.262km，为渠道全长的27.68%，主要分布在黄土丘陵区，浅黄色，成分以粉粒含量为主，占69.7～73.8%，次为粘粒，占20.6～22.1%，砂粒含量4.1～9.7%，大孔隙和垂直节理发育，土质均匀、疏松，厚度6～18m。马兰黄土天然密度1.52～1.79g/cm3，干密度1.36～1.53g/cm3，压缩系数0.26～0.29MPa-1，湿陷变形系数0.016～0.039，属中等压缩性、中～弱湿陷性土。
该渠段地基土为马兰黄土，原为强烈湿陷性土，经过多年的输水运行，湿陷变形已基本稳定，局部段渠道由于渠基土湿陷变形而沉陷。部分渠道段冻胀破坏较为严重，主要为渠道渠水外渗所致，加固改造时需对渠基土进行灰土垫层处理，对渠道加强防渗衬砌，并加0.3m厚的防冻胀砂砾垫层。
⑦plQ31洪积粉质壤土渠段：长0.035km，为渠道全长的0.1%，分布在黄土丘陵区，浅黄色，成分以粉土为主，其次为粉砂，粘粒含量较少，大孔隙和垂直节理发育，土质均匀、疏松，天然密度1.47～1.56g/cm3，干密度1.34～1.43g/cm3，压缩系数0.09～0.19MPa-1，湿陷系数0.01～0.035，属中低压缩性、中湿陷性土。厚度10～35m。
该渠段地基土为plQ31粉质壤土，经过多年的输水运行，湿陷变形已基本稳定。仅局部渠道出现冻胀破坏现象，加固改造时需加强渠道的防渗衬砌，并加0.3m厚的防冻胀砂砾垫层。
⑧plQ3洪积砂砾（碎）石渠段：长1.306km，为渠道全长的3.9%，分布于杨家岘一带。砂砾碎石呈灰褐色，成分主要由变质砂岩组成，粒径一般1～3cm，呈棱角或次棱角状，充填中粗砂，间夹粉砂土透镜体，层厚5～40m，结构中密～密实，局部微胶结，天然密度1.85～2.00g/cm3，干密度1.80～1.85g/cm3，相对密度0.65～0.80。
该渠段地基土为砂碎石层，渗漏是主要工程地质问题；局部段由于砂碎石层中含泥量较高，且夹有粉质壤土透镜体或薄层，透水性弱，渠道存在冻胀破坏问题，主要为渠道渠水外渗所致，加固改造时需对渠道加强防渗衬砌，并加0.3m厚的防冻胀砂砾垫层。
⑨plQ2洪积粉质壤土（离石黄土）渠段：长0.779km，为渠道全长的2.33%，主要分布于黄土丘陵区，呈褐黄色，成分以粉土为主，粉、粘粒含量不均，断面局部可见淡灰色圆形斑点，间夹1～3层浅褐红色古土壤（单层厚约1m）。土质结构较密实，含钙质结核，层厚10～30m。其天然密度1.60～1.80g/cm3，干密度1.45～1.57g/cm3，压缩系数0.06～0.11MPa-1，湿陷系数0.006～0.014，属中低压缩性、非湿陷性土。
该渠段地基土为plQ2粉质壤土，仅局部渠道出现冻胀破坏现象，加固改造时需对渠道加强防渗衬砌，并加0.3m厚的防冻胀砂砾垫层。
⑩基岩渠段：全长1.095km，为渠道全长的3.27%，零星分布在渠道沿线，渠道地基分别为奥陶系（O2）浅灰绿色千枚岩夹变质砂岩，长0.152km；白垩系砂砾岩，长0.018km；上第三系（N2）红色砂质泥岩，长0.925km。岩石地基的工程地质性能较好，大部分渠道基本完好，N2砂质泥岩渠段的局部因渠水渗漏引发冻胀破坏，需进行加固改造，加强防渗衬砌，并设防冻胀砂砾垫层。
人工填筑土渠段（填方渠段）：长0.865km，为渠道全长的2.58%，多处于沟道中，填土成分多为粉质壤土。目前，填方渠段在高水位运行时存在渠水外渗、渠基沉陷等问题，究其原因，主要是填方质量的问题，渠基土没有夯筑密实；防渗衬砌也有问题；部分渠堤单薄，渠顶宽度只有1.5m左右，这些因素导致了填方渠道在高水位运行时的渗漏、渠基沉陷等问题的发生。建议对存在问题的填方渠道进行加固改造，加强填方质量控制，填筑土的干密度大于1.6g/cm3，最优含水量13～15%；对渠堤单薄段进行加宽处理；加强防渗衬砌，并设防冻胀砂砾垫层。
渠系建筑物：处于庄浪河之后的跌水、陡坡、泄水闸、节制闸、分水闸、支渠分水口、干斗口等的地基土有al-plQ42冲洪积粉质壤土、al-plQ41冲洪积粉质壤土、plQ43洪积粉质壤土、plQ4洪积砂碎石、eolQ3风积马兰黄土、plQ31洪积粉质壤土、plQ3洪积砂砾碎石、plQ2洪积粉质壤土（离石黄土）、N2砂质泥岩等，其各自的工程地质特征及物理力学性质同上。存在的问题有：部分闸的侧墙变形、表面混凝土脱落，底板出现裂缝；跌水、陡坡混凝土出现裂缝；部分支渠分水口、干斗口混凝土出现裂缝，这主要是地基土的冻胀引起的，部分是由于地基土的湿陷变形造成的。建议对存在问题的建筑物进行加固改造，且对地基土进行3:7灰土垫层处理；对闸、干斗口墙后地基土进行充分夯实。
4）渠道的工程地质问题分析与处理建议
构成东一干渠道地基的岩土主要有：plQ4粉质壤土、plQ4砂碎石、al-plQ4砂砾卵石、eolQ32马兰黄土、plQ31洪积粉质壤土、plQ3洪积砂砾碎石、plQ2洪积粉质壤土（离石黄土）、基岩渠段等，各渠段均存在渠道渗漏问题，其中细粒土渠段存在渠道冻胀问题，plQ4粉质壤土、eolQ32马兰黄土、plQ31洪积粉质壤土等具有湿陷性。为了防止渠道渗漏，对各类地基的渠道均进行了防渗衬砌。
从目前的渠道运行情况看，部分渠段的渠基冻胀问题严重，出现混凝土预制块隆起变形，渠底混凝土预制块破坏，局部段渠基土沉陷；渠道两侧边坡目前大部分稳定，少部分渠段存在高边坡稳定问题。近一两年新衬砌的渠道完好。
a渠道渗漏问题
通过近二十年的运行，东一干渠部分渠道由于老化、渠基冻胀、湿陷变形、渠水冲刷与施工质量等因素的影响而损坏，造成混凝土预制块鼓起、开裂、预制块损坏及预制块间勾缝脱落，出现渗漏现象。渠道长期渗漏会造成冻胀破坏及渠基沉陷，需对部分损坏渠道进行加固改造，加强防渗衬砌。
b渠道冻胀问题
工程区为大陆性干旱气候，季节性冻土发育，最大冻土深度1.45m。冻胀主要受渠基土的岩性、含水量和地下水位埋深、渠基土层的毛细水上升高度等诸多因素的控制。本区地下水位埋深大于10m，地下水对渠道的冻胀破坏没有影响，产生冻胀破坏的原因主要是渠水的入渗。东一干渠约有总长21.3km的渠道地基为粉质壤土、马兰黄土等，均属细粒土，由于透水性弱，渠水入渗后不易下渗，冬季随着气温的降低，渠基土的冻胀破坏由浅至深，最后因冰冻而产生的冻胀力顶裂或顶起混凝土预制块，从而发生冻胀破坏；春季气温升高，冻胀的渠基土产生消融，过大的冻融将造成渠基土及渠身的破坏，因此，冻胀破坏是东一干渠工程中普遍存在的工程地质问题。一般情况下阴坡（右坡）的冻胀比阳坡严重，局部渠段阳坡也有冻胀破坏，渠底的冻胀破坏较为严重，由于冻胀造成混凝土预制块鼓起、开裂、预制块损坏及预制块间勾缝脱落。
对于粗粒土，当含泥量（小于0.005mm的颗粒含量）大于5%时，也具备了一定的持水能力而成为冻胀性土，含泥量越高，产生冻胀的可能性越大。如位于秦王川盆地中的洪积砂碎石渠基，部分渠道存在冻胀问题。一般情况下阴坡（右坡）的冻胀比阳坡严重，局部渠段阳坡也有冻胀破坏，渠底的冻胀破坏较为严重，由于冻胀造成混凝土预制块鼓起、开裂、预制块损坏及预制块间勾缝脱落。
局部段的基岩渠基因排水不畅，渠水入渗后也会产生冻胀破坏，如N2砂质泥岩渠基，由于岩石成分以泥质矿物为主，岩性软弱，遇水易软化崩解，受地形条件的影响渠水入渗后无法排除，在冬季便产生冻胀。如28+067.87～28+108段渠道的冻胀破坏较为严重。
另外，施工质量也是影响渠道冻胀破坏的因素之一，调查中发现，同样的渠基，施工质量好（渠基土处理密实，混凝土浇筑密实，勾缝密实）的渠段没有产生冻胀破坏，而施工质量差的渠段则有冻胀问题。所以，提高施工质量也是解决渠道冻胀问题的手段之一。
另外，部分渠段由于降水形成的坡面水沿渠顶两侧进入渠基，从而产生冻胀破坏。
建议对已产生冻胀破坏的渠道进行加固改造，且需对渠基土进行处理，加强渠道的防渗衬砌，并加设防冻胀砂砾垫层；将渠道两侧适当填高，以防坡面水进入渠基。
c渠基土的湿陷变形问题
构成东一干渠道主要地基的Q4粉质壤土、Q32马兰黄土、plQ31粉质壤土，均具有湿陷性，在天然状态下，Q4粉质壤土、Q32马兰黄土具有强烈湿陷性，plQ31粉质壤土具有中湿陷性，处于黄土丘陵区的原东干渠湿陷裂缝发育，渠道因湿陷变形破坏严重；于1993年改扩建成东一干渠通水，至今已运行近二十年，目前渠基土的湿陷变形已基本完成，渠道沿线未发现湿陷裂缝，仅局部段渠道由于渠基土湿陷变形而沉陷。本次工作重点对plQ4粉质壤土、Q32马兰黄土进行了勘探取样及室内试验，以查证其湿陷性的变化，勘探点在渠道左侧边3～4m处，虽然不能完全代表渠基土的性质，但也能反应土层湿陷性的变化，各土层的湿陷性程度如下：
plQ4粉质壤土：呈褐黄色、浅黄色，结构疏松，其工程性状与风积黄土极为相似，其天然密度1.71～1.91g/cm3，含水量20.3～22.6%，干密度1.41～1.56g/cm3，渗透系数（0.59～0.77）×10-5cm/s，压缩模量4.30～6.09MPa，压缩系数0.28～0.45MPa-1，湿陷系数0.004～0.037，表部2～3m具有中湿陷性，下部不具湿陷性，具中等压缩性。
Q32马兰黄土：浅黄色，大孔隙和垂直节理发育，土质均匀、疏松，天然密度1.52～1.79g/cm3，干密度1.36～1.53g/cm3，压缩系数0.26～0.29MPa-1，湿陷变形系数0.016～0.039，属中等压缩性、弱～中湿陷性土。
可见，plQ4粉质壤土、Q32马兰黄土，原为强烈湿陷性土，经过多年的输水运行，其湿陷变形已基本稳定，湿陷性程度由强变弱，甚至到无湿陷性，目前，仅有局部渠段由于渠基土的湿陷变形而沉陷，出现预制混凝土预制块拉裂和隆起变形，需对渠道进行加固改造。建议：加固改造时需对渠底的湿陷性土层进行翻夯处理，并加灰土垫层，翻夯土层及灰土垫层的压实系数不应小于0.95；加强渠道的防渗衬砌，并加0.3m厚的防冻胀砂砾垫层。