王红菊

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

1 概述

拟建的廊坊干渠是南水北调中线总干渠配套工程的重要组成部分，主要担负向廊坊市区供水任务，属于大Ⅱ型调水工程。干渠渠首接总干渠的三岔沟分水口，从总干渠引水后通过专用管道至廊坊市西郊的广阳水库，其间设有涿州、松林店、固安、固安电厂和永清分水口，线路总长79.998km，渠首设计流量11m3/s，渠尾8m3/s。干渠全线设计采用压力管道输水型式，铺设2排预应力钢筒混凝土管（PCCP管），但在穿越高等级公路、铁路时采用内套钢管形式。涵管管径2.4m，平管段底板埋深4～5m，顶管段及穿越河道段底板最大埋深13m。沿线交叉工程众多，穿越较大河流5条（其中1条为规划河流）、铁路3条、高速公路4条、县级以上公路（国、省道）13条及多条渠道、管道、地下通讯光缆等。

干渠位于河北山前倾斜平原区，地势西高东低，地面高程62.2～16.6m。沿线范围内地形最高点位于渠首三岔沟口门附近，高程62.2m，至京九铁路渐变为20.0m，京九铁路以东地面高程20.0～16.6m。

干渠地表均被第四系地层覆盖，场区地层岩性上部为第四系全新统冲洪积（Q4pal）砂壤土、壤土、粉细砂、中砂、卵石，多呈浅黄、棕黄、灰黄色。卵石颜色杂乱，分布在三岔沟口门至北拒马河段，埋深0.3～16.9m，由西向东埋深逐渐减小。

中、下部为第四系全新统湖沼积（Q4fl）壤土、砂壤土、粘土、粉细砂等，多呈浅灰、灰黑、褐灰色，可见姜石、贝壳碎片等，自京广铁路以东的南皋村开始揭露至干渠终点广泛分布，埋深6.5～13m，临近河流处埋深较大。

干渠穿越的较大河流有北拒马河南支、白沟河、牤牛河、永定河以及规划的北拒马河，除规划北拒马河外，其他4条均具平原河流特征。河床表层一般为第四系冲积砂层或砂壤土层，漫滩多由细砂、砂壤土组成，阶地一般由壤土、砂壤土组成。干渠渠线及永定河滩地大部分为耕地，少部分为果树组成的林带。干渠穿越小型冲沟10余条。

干渠渠首至永定河北堤王码村段地震动峰值加速度值为0.15g，相当于地震基本烈度7度区。王码村至干渠渠尾段地震动峰值加速度值为0.20g，相当于地震基本烈度8度区。

2 干渠主要工程地质问题

2.1 地基不均匀沉降

渠段多处分布中砂、细砂、壤土及砂壤土层，厚度不均一，分布不连续。由于砂层的承载力、压缩性都与土层有较大差别，因此易产生不均匀沉降，尤其穿越现有建筑物顶管段及倒虹吸的斜管段施工时易产生此类问题。

2.2 饱和砂土液化

本渠段深度15m以内、地下水位以下的饱和砂壤土、粉～细砂层大部分地段为非液化土，但北拒马河、白沟河、永定河段及廊涿高速附近等部分地段地层经判断具地震液化潜势，主要为轻微液化，少量为中等液化，应采取适当的处理措施。其中北拒马河段液化指数4.2～6.7，属于轻微～中等液化；白沟河段液化指数3.4，属于轻微液化；永定河段液化指数3.4～12.8，属于轻微～中等液化。液化层厚度为2～7m。

2.3 地表水的腐蚀性

沿线地下水对普通水泥不具腐蚀性，但北拒马河河水SO2－4含量394.0～835.7mg/L，对普通水泥具有硫酸盐型弱～强腐蚀；pH值5.94， 属一般酸性型中等腐蚀； 侵蚀性CO2含量17.2～63.2mg/L，属碳酸型弱～强腐蚀；综合评价北拒马河河水对普通水泥具有强腐蚀性。白沟河河水SO2－4含量364.3mg/L，对普通水泥具有硫酸盐型弱腐蚀。

2.4 土壤电化学腐蚀性

土壤腐蚀性分级标准为：土壤电阻率小于20Ω·m，为强腐蚀；土壤电阻率20～50Ω·m，为中等腐蚀；土壤电阻率大于50Ω·m，为弱腐蚀。

采用电阻率法进行电化学腐蚀性测试，自渠首开始，每500m布置1个测试点，沿干渠共布置161个测试点，对测试数据进行分析可知，管壁附近土壤大部分为弱腐蚀性，少部分为中等～强腐蚀性。土壤具强腐蚀性及接近强腐蚀性的位置及长度见表1。

表1 土壤电阻率低于25Ω·m的管段位置及长度

3 处理措施

3.1 地基不均匀沉降

管道地基土层的岩性和粒径直接影响管道的内力分布，并对管道的纵向刚度有很大影响，尤其管道周围的土层较松散时，影响尤为明显。因此对卵石地基与细砂地基的交接处或松散的粉砂、细砂段，采用局部挖除、基底面夯实、并换填300mm厚的砂砾石的处理措施，可消除不均匀沉降。换填土的压实度应不低于0.9或相对紧密密度不小于0.75。

3.2 地基液化

3.2.1 地基抗液化处理及管道抗震措施

（1）地基抗液化处理

根据无粘性土、少粘性土液化判定成果，廊坊干渠沿线局部段存在可液化土层。对液化地基进行处理主要采取重锤夯实的措施，使土层在一定厚度内增加密实度，以满足液化指数不大于4的要求，或管底非液化土层厚度达6～8m，以消除液化。对于中等液化地基，采用10～20t·m的击实能进行重夯处理，夯击6遍，有效影响深度将达2～3m，夯锤重量的确定和夯击点布置应在施工前根据夯实试验确定。

（2）管道抗震措施

在管道抗震方面采取的主要措施有：

对轻微液化地基，采用型钢焊接的双胶圈柔性可伸缩15mm的PCCP管接头，可较好地适应地震变形能力。

对于中等液化地基，采用减小不均匀沉降、提高管道适应能力的方法，即在采用柔性接头的PCCP管的同时，适当调整管道埋深、加强管道基础整体性，减小荷载和偏心，可预防因地震液化引起的管道变形。

对于本身为液化地基且同时穿越铁路、高等级公路处采用顶管内加钢套管方式，钢管两端设柔性接头，在穿河段采用铠装PCCP管，使之具有柔性和整体性。以上方法可使穿越工程处的管道提高适应地震变形的能力，防止地震液化引起的管道破坏。

3.2.2 管道抗震验算

由于干渠地震基本烈度为7度和8度，需进行管道抗震复核计算。

钢筒混凝土管按6m一段、分缝拉压允许变形15mm计算。地震特征周期0.4s，土层剪切波速按中软土150m/s计算。在地震烈度7度和8度（相应动峰值加速度为0.15g、0.20g）情况下，PCCP管的计算结果见表2。

表2 地震作用下半波长范围内位移量计算表

倘若PCCP管接口型式改为水泥砂浆接口，每个接口允许位移量仅为0.4mm，则半个视波长范围内的允许位移量为1.2mm，小于计算位移量，不满足规范要求。因此需采用柔性接口型式，确保每一个接口伸缩量不少于4mm。钢管的应变量计算值约为0.1%，小于受拉允许值1.0%和受压允许值0.28%，亦满足规范要求。

3.3 地表水的腐蚀性

3.3.1 钢管内、外防腐

（1）外防腐。在钢管外壁进行优质的防腐保护是延长钢管寿命的关键因素之一。目前应用最为广泛的外防腐材料是环氧煤沥青。该种材料具有防腐效果好、便于施工、造价较低的优点。廊坊干渠对埋地钢管的外防腐采用无溶剂型环氧煤沥青涂料加强级，厚度不小于0.6mm，并承受5000V电火花测试。

（2）内防腐。钢管内防腐的常用做法主要有两种，一种为水泥砂浆衬里，另一种为涂料。大口径、长距离输水的埋地钢管一般采用水泥砂浆衬里防腐，而涂料防腐一般用于口径较小、距离较短、大口径管道的不规则处，如弯管段采用水泥砂浆施工较困难的埋地钢管处可采用涂料防腐。

考虑到廊坊干渠工程的钢管用量较少，因此对埋地钢管的内防腐采用涂料防腐。由于本工程输送水为生活和工业用水，要求涂料无毒、机械性能高、粘结牢固、耐磨耗，且便于施工。经比较，选择环氧白陶瓷涂料进行钢管内防腐，涂层总厚度不小于0.6mm。

3.3.2 PCCP管防腐

管道穿越北拒马河和白沟河段采用倒虹吸方案，北拒马河河水对普通水泥具有碳酸型强腐蚀性，白沟河河水对普通水泥具有硫酸盐型弱腐蚀。腐蚀性和附近的养殖场及农药厂排出的污水有关，因此必须采取防腐措施。

为防止PCCP管道中的混凝土受到侵蚀，提高其耐久性，在穿越北拒马河和白沟河段所用PCCP管采用环氧煤沥青加强级外防腐保护措施。对土壤环境属于强腐蚀的地段，除采用上述的外防腐层外，另增加电化学保护措施。

3.4 管道电化学腐蚀性

对埋地钢管而言，土壤本身所含水份及水中所含各种离子将对金属产生腐蚀，单纯采用普通外防腐措施并不能彻底解决部分地段钢管的腐蚀问题，目前经济有效的防护措施是对地下输水钢管采用电化学保护与防腐绝缘层联合保护的方法。因此，廊坊干渠输水管道在强腐蚀土壤段除采用外涂防腐层外，需增加电化学保护措施。

电化学保护有两种方法，即外加电流阴极保护法和牺牲阳极保护法。考虑到外加电流法虽然具有保护范围大、适应性强、使用寿命长等优点，但初次建造费用较高，运行中需外部电源，需设专门的阴极保护站，维护管理费用较高。而牺牲阳极法不需外部电源，施工及维护管理简单，安全、可靠，保护电流利用率高，建造费用较低。因此廊坊干渠阴极保护选用牺牲阳极法。

牺牲阳极种类的选择主要根据土壤电阻率、土壤含盐种类及被保护管道覆盖层状态来进行。一般来说，镁阳极适用于各种土壤环境中，锌阳极适用于电阻率低的潮湿环境。

廊坊干渠环境类型属于Ⅲ类，土壤电阻率为20Ω·m，因此采用牺牲阳极的阴极保护法，阳极采用锌合金阳极，使用寿命为15a。

对强腐蚀土壤地段，每隔200m每条管道各设置1组3支14kg锌合金阳极，分水口段每条管道各设置1组2支14kg锌合金阳极。为了便于定期检测管道的阴极保护现状，相邻两组牺牲阳极管段的中间部位设置测试桩，测试桩处设有辅助试片及长效参比电极，辅助试片与被保护材质相同。

通过采用牺牲阳极法的电化学保护措施及管道内外防腐措施，可彻底解决土壤电阻率低于25Ω·m的管段钢管的腐蚀问题。

4 结语

廊坊干渠虽然存在不均匀沉降、砂土液化、地表水腐蚀性、土壤电化学腐蚀等工程地质问题，但对不均匀地基段采用局部挖除、基底面夯实、并换填垫层处理措施，可消除不均匀沉降；对液化地基采取重锤夯实的措施，使土层在一定厚度内增加密实度，可避免砂土液化，同时采用柔性接口的PCCP管，可显著提高管道适应液化沉陷的能力；对地表水具腐蚀性地段的钢管外防腐采用环氧煤沥青加强级、内防腐采用涂料防腐，PCCP管采用环氧煤沥青加强级外防腐，可有效解决管道腐蚀性问题；对土壤环境属于强腐蚀的地段，除采用上述的外防腐层外，另增加电化学保护措施，可彻底解决钢管的腐蚀性问题。

通过采取以上工程措施，可保证管道安全输水，为廊坊市经济发展发挥巨大效益。

［1］谢东，蒋涛，蹇磊，等.外加电流电化学保护在输水管道防腐蚀工程中的应用［J］.全面腐蚀控制，2004（6）：10-19.

［2］安丽芬，段媛媛，段日升.浅谈水土对工程建筑物的腐蚀性及检测方法［J］.河北地质，2009（4）：29-30.

［3］SY/T0019—97，埋地钢质管道牺牲阳极阴极保护设计规范［S］.

［4］GB50332—2002，给水排水工程管道结构设计规范［S］.

［5］河北省水利水电勘测设计研究院.河北省廊坊市应急供水工程廊坊干渠初步设计报告［R］.2009.