王紅菊

（河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

1 概述

擬建的廊坊干渠是南水北調(diào)中線總干渠配套工程的重要組成部分，主要擔(dān)負(fù)向廊坊市區(qū)供水任務(wù)，屬于大Ⅱ型調(diào)水工程。干渠渠首接總干渠的三岔溝分水口，從總干渠引水后通過專用管道至廊坊市西郊的廣陽水庫(kù)，其間設(shè)有涿州、松林店、固安、固安電廠和永清分水口，線路總長(zhǎng)79.998km，渠首設(shè)計(jì)流量11m3/s，渠尾8m3/s。干渠全線設(shè)計(jì)采用壓力管道輸水型式，鋪設(shè)2排預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管（PCCP管），但在穿越高等級(jí)公路、鐵路時(shí)采用內(nèi)套鋼管形式。涵管管徑2.4m，平管段底板埋深4～5m，頂管段及穿越河道段底板最大埋深13m。沿線交叉工程眾多，穿越較大河流5條（其中1條為規(guī)劃河流）、鐵路3條、高速公路4條、縣級(jí)以上公路（國(guó)、省道）13條及多條渠道、管道、地下通訊光纜等。

干渠位于河北山前傾斜平原區(qū)，地勢(shì)西高東低，地面高程62.2～16.6m。沿線范圍內(nèi)地形最高點(diǎn)位于渠首三岔溝口門附近，高程62.2m，至京九鐵路漸變?yōu)?0.0m，京九鐵路以東地面高程20.0～16.6m。

干渠地表均被第四系地層覆蓋，場(chǎng)區(qū)地層巖性上部為第四系全新統(tǒng)沖洪積（Q4pal）砂壤土、壤土、粉細(xì)砂、中砂、卵石，多呈淺黃、棕黃、灰黃色。卵石顏色雜亂，分布在三岔溝口門至北拒馬河段，埋深0.3～16.9m，由西向東埋深逐漸減小。

中、下部為第四系全新統(tǒng)湖沼積（Q4fl）壤土、砂壤土、粘土、粉細(xì)砂等，多呈淺灰、灰黑、褐灰色，可見姜石、貝殼碎片等，自京廣鐵路以東的南皋村開始揭露至干渠終點(diǎn)廣泛分布，埋深6.5～13m，臨近河流處埋深較大。

干渠穿越的較大河流有北拒馬河南支、白溝河、牤牛河、永定河以及規(guī)劃的北拒馬河，除規(guī)劃北拒馬河外，其他4條均具平原河流特征。河床表層一般為第四系沖積砂層或砂壤土層，漫灘多由細(xì)砂、砂壤土組成，階地一般由壤土、砂壤土組成。干渠渠線及永定河灘地大部分為耕地，少部分為果樹組成的林帶。干渠穿越小型沖溝10余條。

干渠渠首至永定河北堤王碼村段地震動(dòng)峰值加速度值為0.15g，相當(dāng)于地震基本烈度7度區(qū)。王碼村至干渠渠尾段地震動(dòng)峰值加速度值為0.20g，相當(dāng)于地震基本烈度8度區(qū)。

2 干渠主要工程地質(zhì)問題

2.1 地基不均勻沉降

渠段多處分布中砂、細(xì)砂、壤土及砂壤土層，厚度不均一，分布不連續(xù)。由于砂層的承載力、壓縮性都與土層有較大差別，因此易產(chǎn)生不均勻沉降，尤其穿越現(xiàn)有建筑物頂管段及倒虹吸的斜管段施工時(shí)易產(chǎn)生此類問題。

2.2 飽和砂土液化

本渠段深度15m以內(nèi)、地下水位以下的飽和砂壤土、粉～細(xì)砂層大部分地段為非液化土，但北拒馬河、白溝河、永定河段及廊涿高速附近等部分地段地層經(jīng)判斷具地震液化潛勢(shì)，主要為輕微液化，少量為中等液化，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?。其中北拒馬河段液化指數(shù)4.2～6.7，屬于輕微～中等液化；白溝河段液化指數(shù)3.4，屬于輕微液化；永定河段液化指數(shù)3.4～12.8，屬于輕微～中等液化。液化層厚度為2～7m。

2.3 地表水的腐蝕性

沿線地下水對(duì)普通水泥不具腐蝕性，但北拒馬河河水SO2－4含量394.0～835.7mg/L，對(duì)普通水泥具有硫酸鹽型弱～強(qiáng)腐蝕；pH值5.94， 屬一般酸性型中等腐蝕； 侵蝕性CO2含量17.2～63.2mg/L，屬碳酸型弱～強(qiáng)腐蝕；綜合評(píng)價(jià)北拒馬河河水對(duì)普通水泥具有強(qiáng)腐蝕性。白溝河河水SO2－4含量364.3mg/L，對(duì)普通水泥具有硫酸鹽型弱腐蝕。

2.4 土壤電化學(xué)腐蝕性

土壤腐蝕性分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為：土壤電阻率小于20Ω·m，為強(qiáng)腐蝕；土壤電阻率20～50Ω·m，為中等腐蝕；土壤電阻率大于50Ω·m，為弱腐蝕。

采用電阻率法進(jìn)行電化學(xué)腐蝕性測(cè)試，自渠首開始，每500m布置1個(gè)測(cè)試點(diǎn)，沿干渠共布置161個(gè)測(cè)試點(diǎn)，對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析可知，管壁附近土壤大部分為弱腐蝕性，少部分為中等～強(qiáng)腐蝕性。土壤具強(qiáng)腐蝕性及接近強(qiáng)腐蝕性的位置及長(zhǎng)度見表1。

表1 土壤電阻率低于25Ω·m的管段位置及長(zhǎng)度

3 處理措施

3.1 地基不均勻沉降

管道地基土層的巖性和粒徑直接影響管道的內(nèi)力分布，并對(duì)管道的縱向剛度有很大影響，尤其管道周圍的土層較松散時(shí)，影響尤為明顯。因此對(duì)卵石地基與細(xì)砂地基的交接處或松散的粉砂、細(xì)砂段，采用局部挖除、基底面夯實(shí)、并換填300mm厚的砂礫石的處理措施，可消除不均勻沉降。換填土的壓實(shí)度應(yīng)不低于0.9或相對(duì)緊密密度不小于0.75。

3.2 地基液化

3.2.1 地基抗液化處理及管道抗震措施

（1）地基抗液化處理

根據(jù)無粘性土、少粘性土液化判定成果，廊坊干渠沿線局部段存在可液化土層。對(duì)液化地基進(jìn)行處理主要采取重錘夯實(shí)的措施，使土層在一定厚度內(nèi)增加密實(shí)度，以滿足液化指數(shù)不大于4的要求，或管底非液化土層厚度達(dá)6～8m，以消除液化。對(duì)于中等液化地基，采用10～20t·m的擊實(shí)能進(jìn)行重夯處理，夯擊6遍，有效影響深度將達(dá)2～3m，夯錘重量的確定和夯擊點(diǎn)布置應(yīng)在施工前根據(jù)夯實(shí)試驗(yàn)確定。

（2）管道抗震措施

在管道抗震方面采取的主要措施有：

對(duì)輕微液化地基，采用型鋼焊接的雙膠圈柔性可伸縮15mm的PCCP管接頭，可較好地適應(yīng)地震變形能力。

對(duì)于中等液化地基，采用減小不均勻沉降、提高管道適應(yīng)能力的方法，即在采用柔性接頭的PCCP管的同時(shí)，適當(dāng)調(diào)整管道埋深、加強(qiáng)管道基礎(chǔ)整體性，減小荷載和偏心，可預(yù)防因地震液化引起的管道變形。

對(duì)于本身為液化地基且同時(shí)穿越鐵路、高等級(jí)公路處采用頂管內(nèi)加鋼套管方式，鋼管兩端設(shè)柔性接頭，在穿河段采用鎧裝PCCP管，使之具有柔性和整體性。以上方法可使穿越工程處的管道提高適應(yīng)地震變形的能力，防止地震液化引起的管道破壞。

3.2.2 管道抗震驗(yàn)算

由于干渠地震基本烈度為7度和8度，需進(jìn)行管道抗震復(fù)核計(jì)算。

鋼筒混凝土管按6m一段、分縫拉壓允許變形15mm計(jì)算。地震特征周期0.4s，土層剪切波速按中軟土150m/s計(jì)算。在地震烈度7度和8度（相應(yīng)動(dòng)峰值加速度為0.15g、0.20g）情況下，PCCP管的計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 地震作用下半波長(zhǎng)范圍內(nèi)位移量計(jì)算表

倘若PCCP管接口型式改為水泥砂漿接口，每個(gè)接口允許位移量?jī)H為0.4mm，則半個(gè)視波長(zhǎng)范圍內(nèi)的允許位移量為1.2mm，小于計(jì)算位移量，不滿足規(guī)范要求。因此需采用柔性接口型式，確保每一個(gè)接口伸縮量不少于4mm。鋼管的應(yīng)變量計(jì)算值約為0.1%，小于受拉允許值1.0%和受壓允許值0.28%，亦滿足規(guī)范要求。

3.3 地表水的腐蝕性

3.3.1 鋼管內(nèi)、外防腐

（1）外防腐。在鋼管外壁進(jìn)行優(yōu)質(zhì)的防腐保護(hù)是延長(zhǎng)鋼管壽命的關(guān)鍵因素之一。目前應(yīng)用最為廣泛的外防腐材料是環(huán)氧煤瀝青。該種材料具有防腐效果好、便于施工、造價(jià)較低的優(yōu)點(diǎn)。廊坊干渠對(duì)埋地鋼管的外防腐采用無溶劑型環(huán)氧煤瀝青涂料加強(qiáng)級(jí)，厚度不小于0.6mm，并承受5000V電火花測(cè)試。

（2）內(nèi)防腐。鋼管內(nèi)防腐的常用做法主要有兩種，一種為水泥砂漿襯里，另一種為涂料。大口徑、長(zhǎng)距離輸水的埋地鋼管一般采用水泥砂漿襯里防腐，而涂料防腐一般用于口徑較小、距離較短、大口徑管道的不規(guī)則處，如彎管段采用水泥砂漿施工較困難的埋地鋼管處可采用涂料防腐。

考慮到廊坊干渠工程的鋼管用量較少，因此對(duì)埋地鋼管的內(nèi)防腐采用涂料防腐。由于本工程輸送水為生活和工業(yè)用水，要求涂料無毒、機(jī)械性能高、粘結(jié)牢固、耐磨耗，且便于施工。經(jīng)比較，選擇環(huán)氧白陶瓷涂料進(jìn)行鋼管內(nèi)防腐，涂層總厚度不小于0.6mm。

3.3.2 PCCP管防腐

管道穿越北拒馬河和白溝河段采用倒虹吸方案，北拒馬河河水對(duì)普通水泥具有碳酸型強(qiáng)腐蝕性，白溝河河水對(duì)普通水泥具有硫酸鹽型弱腐蝕。腐蝕性和附近的養(yǎng)殖場(chǎng)及農(nóng)藥廠排出的污水有關(guān)，因此必須采取防腐措施。

為防止PCCP管道中的混凝土受到侵蝕，提高其耐久性，在穿越北拒馬河和白溝河段所用PCCP管采用環(huán)氧煤瀝青加強(qiáng)級(jí)外防腐保護(hù)措施。對(duì)土壤環(huán)境屬于強(qiáng)腐蝕的地段，除采用上述的外防腐層外，另增加電化學(xué)保護(hù)措施。

3.4 管道電化學(xué)腐蝕性

對(duì)埋地鋼管而言，土壤本身所含水份及水中所含各種離子將對(duì)金屬產(chǎn)生腐蝕，單純采用普通外防腐措施并不能徹底解決部分地段鋼管的腐蝕問題，目前經(jīng)濟(jì)有效的防護(hù)措施是對(duì)地下輸水鋼管采用電化學(xué)保護(hù)與防腐絕緣層聯(lián)合保護(hù)的方法。因此，廊坊干渠輸水管道在強(qiáng)腐蝕土壤段除采用外涂防腐層外，需增加電化學(xué)保護(hù)措施。

電化學(xué)保護(hù)有兩種方法，即外加電流陰極保護(hù)法和犧牲陽極保護(hù)法?？紤]到外加電流法雖然具有保護(hù)范圍大、適應(yīng)性強(qiáng)、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，但初次建造費(fèi)用較高，運(yùn)行中需外部電源，需設(shè)專門的陰極保護(hù)站，維護(hù)管理費(fèi)用較高。而犧牲陽極法不需外部電源，施工及維護(hù)管理簡(jiǎn)單，安全、可靠，保護(hù)電流利用率高，建造費(fèi)用較低。因此廊坊干渠陰極保護(hù)選用犧牲陽極法。

犧牲陽極種類的選擇主要根據(jù)土壤電阻率、土壤含鹽種類及被保護(hù)管道覆蓋層狀態(tài)來進(jìn)行。一般來說，鎂陽極適用于各種土壤環(huán)境中，鋅陽極適用于電阻率低的潮濕環(huán)境。

廊坊干渠環(huán)境類型屬于Ⅲ類，土壤電阻率為20Ω·m，因此采用犧牲陽極的陰極保護(hù)法，陽極采用鋅合金陽極，使用壽命為15a。

對(duì)強(qiáng)腐蝕土壤地段，每隔200m每條管道各設(shè)置1組3支14kg鋅合金陽極，分水口段每條管道各設(shè)置1組2支14kg鋅合金陽極。為了便于定期檢測(cè)管道的陰極保護(hù)現(xiàn)狀，相鄰兩組犧牲陽極管段的中間部位設(shè)置測(cè)試樁，測(cè)試樁處設(shè)有輔助試片及長(zhǎng)效參比電極，輔助試片與被保護(hù)材質(zhì)相同。

通過采用犧牲陽極法的電化學(xué)保護(hù)措施及管道內(nèi)外防腐措施，可徹底解決土壤電阻率低于25Ω·m的管段鋼管的腐蝕問題。

4 結(jié)語

廊坊干渠雖然存在不均勻沉降、砂土液化、地表水腐蝕性、土壤電化學(xué)腐蝕等工程地質(zhì)問題，但對(duì)不均勻地基段采用局部挖除、基底面夯實(shí)、并換填墊層處理措施，可消除不均勻沉降；對(duì)液化地基采取重錘夯實(shí)的措施，使土層在一定厚度內(nèi)增加密實(shí)度，可避免砂土液化，同時(shí)采用柔性接口的PCCP管，可顯著提高管道適應(yīng)液化沉陷的能力；對(duì)地表水具腐蝕性地段的鋼管外防腐采用環(huán)氧煤瀝青加強(qiáng)級(jí)、內(nèi)防腐采用涂料防腐，PCCP管采用環(huán)氧煤瀝青加強(qiáng)級(jí)外防腐，可有效解決管道腐蝕性問題；對(duì)土壤環(huán)境屬于強(qiáng)腐蝕的地段，除采用上述的外防腐層外，另增加電化學(xué)保護(hù)措施，可徹底解決鋼管的腐蝕性問題。

通過采取以上工程措施，可保證管道安全輸水，為廊坊市經(jīng)濟(jì)發(fā)展發(fā)揮巨大效益。

［1］謝東，蔣濤，蹇磊，等.外加電流電化學(xué)保護(hù)在輸水管道防腐蝕工程中的應(yīng)用［J］.全面腐蝕控制，2004（6）：10-19.

［2］安麗芬，段媛媛，段日升.淺談水土對(duì)工程建筑物的腐蝕性及檢測(cè)方法［J］.河北地質(zhì)，2009（4）：29-30.

［3］SY/T0019—97，埋地鋼質(zhì)管道犧牲陽極陰極保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］GB50332—2002，給水排水工程管道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.河北省廊坊市應(yīng)急供水工程廊坊干渠初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.2009.