浅析地下水对辽宁(营口)沿海产业基地工程建设的影响

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  【摘 要】 本文利用在辽宁营口沿海产业基地所施工的几十个工程项目的地质勘察报告、3000多个地质勘探孔、水文地质试验的地层、地下水资料,通过数理统计、分析、研究等方法,总结出辽宁营口沿海产业基地地下水特征,分析了地下水对工程建设的影响,为工程施工建设起到指导作用。
  【关键词】 辽宁(营口)产业基地;地下水;工程建设;影响
  一、概况
  营口沿海产业基地位于辽宁省营口市主城区南部,滨临渤海湾。产业基地(一期)北起主城区,南到咸水河,东起营盖公路,西到海防堤,总面积41.78km2。该区公路网密集,交通十分便利。
  营口沿海产业基地(一期)分为分产业区和城市区。
  目前,产业区已建成了装备制造产业区、高新技术产业区、化工产业区、轻型产业区、中国五矿集团营口产业园、富士康科技集团营口科技园、冶金和重装备工业区等。城市区已建成了商务、商贸、商住区、教育区、两湖景观区等。
  辽宁营口沿海产业基地(一期)在工程施工建设中,有很多需要进行基坑开挖、降水和抗浮设计、抗腐设计的工程项目,为了合理的进行基坑开挖、降水和抗浮、抗腐设计,必须对营口沿海产业基地的地下水及其水文地质条件进行全面了解。了解地层结构、地下水的类型、地下水及含水层的埋深、渗透性、含水量大小、水土的腐蚀性、地下水对工程的影响等,以便指导基坑降水及有关基础抗浮设计和抗腐设计,避免不必要的浪费,为营口沿海产业基地建设节省建设资金。
  二、地层结构
  营口沿海产业基地工程建设所影响的深度范围内的土层,一般情况下,采用浅基础的建筑,其影响深度较浅,仅有1.5~3.5米;采用基坑等深基础的建筑,其影响深度一般为5~10米;采用桩基础的建筑,其影响深度一般为15~35米,因此,营口沿海产业基地工程建设所影响的深度按最大深度50米考虑。
  依据在营口沿海产业基地几十个工程项目的3000多个钻孔资料,依据成因类型、沉积关系以及力学性质的差异进行分层,场区内土层自上而下可分为7层,各土层的工程地质特征分述如下:
  第①层:淤泥质素填土
  灰黄色,稍湿,主要以粘性土为主。层底埋深为0.30~0.50米,层厚0.30~0.50米。
  第②层:粉质粘土
  灰黄色,软塑状态,中等干强度,中等压缩性,中等韧性,稍有光泽。层底埋深为3.20~3.40米,层厚3.00~3.20米。
  第③层:淤泥质粉质粘土夹薄层粉砂
  灰~灰黑色,饱和,软塑~流塑状态,高压缩性,稍有光泽,干强度中等,含有腐殖质,含有大量贝壳碎片,有腥臭味。二者相互出现,粉砂厚5~20cm。层底埋深为15.40米,层厚12.20米。
  第④层:粉质粘土夹粉细砂
  灰褐色,饱和,软塑状态,中压缩性,含较多铁锰结核。稍有光滑,高干强度,中等韧性。夹多层薄层粉砂,粉砂厚3~25cm。层底埋深为19.00米,层厚3.60米。
  第⑤层:粉细砂
  灰白色,饱和,中密,矿物成分以石英、长石为主,呈次棱角状,颗粒级配一般,分选性一般。层底埋深大于27.5米,层厚大于8.5米。
  第⑥层:粉质粘土
  灰褐色,饱和,可塑状态,中压缩性,含较多铁锰结核。稍有光滑,高干强度,中等韧性。夹多层薄层粉砂,粉砂厚3~25cm。层底埋深为32.0米,层厚4.5米。
  第⑦层:粉细砂
  灰白色,饱和,中密-密实,矿物成分以石英、长石为主,呈次棱角状,颗粒级配一般,分选性一般。层底埋深大于50米,层厚大于20米。
  三、水文地质条件
  (1)地下水类型
  由上述地层结构可以看出,产业基地在50米深度范围内,第四系松散层基本上可分为双层结构,即上部粘性土层和下部粉细砂层。上部粘性土层包括第①层淤泥质冲填土、第②层粉质粘土、第③层淤泥质粉质粘土夹粉砂,第④层粉质粘土夹粉砂,总厚度约19米。下部粉细砂层主要为第⑤层、第⑦层粉细砂,厚度大于30米。
  因此,基地地下水类型可分为赋存于上部粘性土中的弱结合水、毛细水及赋存于下部粉细砂层中的承压水。局部在(一般厚度为1.0-2.0m)素填碎石土中,分布有上层滞水。
  上部粘性土中的弱结合水、毛细水主要接受大气降水的补给。降水多时,土内孔隙呈饱和状态,水位埋深较浅,一般埋深0.2~1.0m左右。降水少或干旱时,由于蒸发作用,土中地下水逐渐被蒸发,或向下缓慢渗透,使水位埋深逐渐变大,一般埋深2.5~5.0m。
  下部粉细砂层中的承压水主要接受大气降水和上游地下水径流的补给。若揭穿该层地下水,地下水在承压水头的作用下,沿着渗透通道,将向上升到一定的高度,水头埋深可为0.3~1.5m,水头高度可达17.0米。
  局部素填碎石土中上层滞水,主要接受大气降水的补给。降雨多时,碎石土中空隙呈饱和状态,水位埋深较浅,一般埋深0.5~1.0m,水量较大。降水少或干旱时,水量较少。
  (2)地下水位
  在产业基地选取有代表性地段,进行水文地质试验。经过7天对5个试验孔地下水的观测,各试验孔的初见水位和稳定水位分别为:
  初见水位埋深及标高(孔口地面平均标高为2.2米)
  试验孔编号 zk1 zk2 zk3 zk4 zk5
  试验孔深度(米) 8 8 8 12 20
  揭露含水层 粘性土 粘性土 粘性土 粘性土 粉细砂
  水位埋深(米) 3.5 3.6 3.6 3.5 3.6
  水位标高(米) -1.3 -1.4 -1.4 -1.3 -1.4
  稳定水位埋深及标高(孔口地面平均标高为2.2米)   试验孔编号 zk1 zk2 zk3 zk4 zk5
  试验孔深度(米) 8 8 8 12 20
  揭露含水层 粘性土 粘性土 粘性土 粘性土 粉细砂
  水位埋深(米) 1.8 1.7 1.8 1.8 0.8
  水位标高(米) 0.4 0.5 0.4 0.4 1.4
  (3)水、土腐蚀性
  在粘性土中取水、土样进行室内水、土腐蚀性分析。
  水的腐蚀性分析结果
  上部粘性土地下水中,硫酸盐含量(SO42-)为5535.93mg/L镁盐含量(Mg2+)为2801.97mg/L,铵盐含量(NH4+)为1.5mg/L,苛性碱含量(OH-)为0.00mg/L,氯根含量(CL-)为36137.10mg/L。总矿化度为45747.11mg/L,PH值=7.0。
  按照GB50021-2009《岩土工程勘察规范》中有关水和土腐蚀性评价的规定,上部粘性土中的地下水腐蚀性评价结果为:
  在I、II类环境时,对混凝土结构为强腐蚀;对钢筋混凝土中的钢筋的腐蚀性,在长期浸水,为弱腐蚀,干湿交替时,为强腐蚀;对钢结构的腐蚀性为中等腐蚀。
  在III类环境时,对混凝土结构为中等腐蚀;对钢筋混凝土中的钢筋的腐蚀性,在长期浸水,为弱腐蚀,干湿交替时,为强腐蚀;对钢结构的腐蚀性为中等腐蚀。
  土的腐蚀性分析结果
  上部粘性土中,硫酸盐含量(SO42-)为750~1320mg/kg,镁盐含量(Mg2+)为129~334mg/kg,钙盐含量(Ca2+)为80~160mg/kg,重碳酸根含量(HCO3-)为152.5~183mg/kg,碳酸根含量(CO32-)为30~60mg/kg,PH值=7.72~7.95,氯根含量(CL-)为5585~8900mg/kg。
  按照GB50021-2009《岩土工程勘察规范》中有关水和土腐蚀性评价的规定,上部粘性土的腐蚀性评价结果为:
  在I类环境时,对混凝土结构为中等腐蚀;对钢筋混凝土中的钢筋的腐蚀性,为强腐蚀。
  在II类环境时,对混凝土结构为弱腐蚀;对钢筋混凝土中的钢筋的腐蚀性,为强腐蚀。
  从上部粘性土的易溶盐含量看,CL-含量为16~25%,SO42-含量为8.37~10.51%,含量均大于3%,初步确定为盐渍土(氯盐渍土)。
  四、地下水对工程影响
  地下水对工程的影响较大,影响的种类较多,本文主要利用试验场数据,对地下水的浮托作用和基坑突涌重点叙述如下。
  ①上部粘性土中地下水的渗流特点及对工程的影响
  试验场地内的上部粘性土中地下水主要为弱结合水,当水力坡度(I)不大时,不能产生渗流。即渗流速度(v)等于零,只有当I>I’b(起始水力坡度),土中地下水才会产生渗流。
  此时,达西公式可表述为下式:
  V=K(I-I’b)
  式中,V---土中水的渗流速度(m/d)
   K---土的渗透系数(m/d)
   I----土中水的水力坡度
   I’b--土中水的起始水力坡度
  通过水文地质试验孔水位实测,可知I’b=5,即当基坑开挖到大于5米时,开始产生渗流,其渗流量按下式计算:
  Q=V.F
  式中,Q---基坑内地下水的渗出量(m3/d)
   V---土中水的渗流速度(m/d)
   F---基坑内土中水的渗出断面积(m2)
  在基坑开挖深度内的土层中,不夹粉细砂含水层时,按上式计算,基坑内地下水的渗出量有限,水量较少,可在坑内明沟排水即可解决。
  若施工时间较长,应考虑大量降雨对地下水的补给作用,致使土壤饱和,地下水位上涨,基坑边坡不稳定等不利影响。
  土中水对地基的浮托作用,应结合地层实际及地区经验,酌情考虑。
  ②下部粉细砂层中的承压水对工程影响
  场地内基坑下部为粉细砂层承压水,应评价基坑开挖是否导致承压水头冲毁基坑底板,造成突涌的可能性。
  按下列压力平衡理论,对基坑突涌的产生条件进行验算:
  即,公式 H=(rw/r).h为平衡状态;
   H>(rw/r).h为安全,基坑不发生突涌;
   H<(rw/r).h可能发生突涌。
  式中,H---基坑底板至承压水含水层的不透水层厚度(m)
   r----土的重度(kN/m3)
   rw---水的重度(kN/m3)
   h---承压水头高出含水层顶板的高度(m)
  现求算上覆的极限安全厚度,
  设定基坑开挖深度为8米,粘性土层总厚度为19米,基坑底板至承压水含水层的不透水层厚度Hmin=19-8=11米;
  承压水头埋深0.3米,h=18-0.3=18.7米;
  水的重度rw=10kN/m3
  土的重度r按厚度加权平均法求得:
  r=(12.20×17.7+3.0×19.2+3.8×19.1)/(12.2+3.0+3.8)=18.2kN/m3
  因此,H=(rw/r).h=(10/18.2)×18.7=10.3米
  Hmin与H相比较,11>10.3,即Hmin>H。
  说明基坑开挖深度超过8米时,下部粉细砂层承压水不会导致承压水头冲毁基坑底板,造成突涌。
  若基坑开挖深度超过8米时,在开挖基坑时,建议先进行降水,当水位降到设计基坑底板以下1~2米时,方可开挖。降水方法主要有轻型井点和管井降水法。
  五、结论
  1、营口沿海产业基地地下水类型可分为赋存于上部粘性土中的弱结合水、毛细水及赋存于下部粉细砂层中的承压水。局部地段在(一般厚度为1.0-2.0m)素填碎石土中,分布有上层滞水。
  2、通过水文地质试验孔水位实测,当基坑开挖到3.5~5.0米时,开始产生渗流,但基坑内地下水的渗出量有限,水量较少,可在坑内明沟排水即可解决。
  3、场地内基坑下部为粉细砂层承压水,基坑开挖深度≤8米时,不会导致下部为粉细砂层承压水头冲毁基坑底板,造成突涌。
  4、若基坑开挖深度超过8米时,在开挖基坑时,建议先进行降水,当水位降到设计基坑底板以下1~2米时,方可开挖。降水方法主要有轻型井点和管井降水法。
  5、通过本次试验可知,揭穿下部粉细砂层承压水时,粉细砂沿着渗流通道产生涌砂现象,涌砂的上升高度一般为8~10米。
  6、当以下部第⑤层粉细砂层为桩基持力层时,由于该层上部有厚度19米的软塑状态的粘性土覆盖层,不会诱发承压水的整体上升。但应注意个别桩的混凝土封灌不严或灌注不及时,产生局部承压水的上升。
  7、通过对上部粘性土中水、土的腐蚀性试验可知,水和土腐蚀性为:
  在I、II类环境时,对混凝土结构为强腐蚀;对钢筋混凝土中的钢筋的腐蚀性,土为强腐蚀;在长期浸水时,水为弱腐蚀,干湿交替时,为强腐蚀。
  在III类环境时,对混凝土结构为中等腐蚀;对钢筋混凝土中的钢筋的腐蚀性,土为强腐蚀;在长期浸水时,水为弱腐蚀,干湿交替时,水为强腐蚀。
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