南沙河渠道倒虹吸主要地質(zhì)問題分析與評價

孟鎖蘭，李 鵬

（河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院，石家莊 050021）

南沙河渠道倒虹吸主要地質(zhì)問題分析與評價

孟鎖蘭，李 鵬

（河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院，石家莊 050021）

南沙河渠道倒虹吸是南水北調(diào)中線工程總干渠穿越南沙河的河渠交叉建筑物。從地質(zhì)條件、巖性分布特征、地下水賦存條件等方面，對本工程存在的主要地質(zhì)問題進行分析與評價，以便更好地指導施工，同時也為類似工程提供了參考。

南水北調(diào)工程；倒虹吸；邊坡穩(wěn)定；基坑排水；不均勻沉降

1 工程概況

南沙河渠道倒虹吸擬建于沙河市西北10km的高店村西至邢臺縣前留村南的南沙河上，是南水北調(diào)中線工程河北省邯邢段規(guī)模最大的河渠交叉建筑物。

南沙河屬于季節(jié)性河流，工程位置處主河槽分為南北兩汊，中間有河心灘，河道寬5.6km。建筑物上游控制流域面積1640km2，建筑物位置100a一遇洪峰流量8840m3/s，相應(yīng)洪水位91.41m；300a一遇洪峰流量11390m3/s， 相應(yīng)洪水位90.56m。

倒虹吸工程分南、北汊兩段水平埋管布置，中間高漫灘段以明渠相聯(lián)接，全長4335m，其中南段倒虹吸段長1255m、北段倒虹吸段長1055m、中間明渠段長2025m。倒虹吸設(shè)計流量230m3/s，加大設(shè)計流量250m3/s［1］。

2 場地地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

工程區(qū)地處太行山東麓與河北平原過渡地帶，總體地勢西高東低，南岸為低丘垅崗區(qū)，北岸為傾斜平原地帶。河谷呈寬淺式，高、低漫灘及兩岸一級階地發(fā)育，屬侵蝕堆積河谷地貌。河床高程86～92m，低于一級階地10m。河床南部的高漫灘和中部高漫灘之間為南河槽，寬400m；中間有較為廣闊的高漫灘分布，地面高程89.5～92.0m，臺面較為平坦；靠近河床北岸為主河槽，寬600m，河底高程87.4～88.0m。 在高漫灘邊緣零星分布東西延伸狹長形低漫灘，臺面高程大多為88.5～89.0m。一級階地在南岸零星分布，前緣臨河床，后緣靠低丘垅崗；在北岸分布廣闊，臺面高程100m，其間垂直河岸沖溝分布較普遍，使沙河北岸呈鋸齒狀。

2.2 地層巖性

場區(qū)發(fā)育的地層巖性均為第四系松散堆積物［2－3］，主要有：

2.2.1 下更新統(tǒng)冰水積湖積（fgl＋lQ1）

組成巖性以中砂和雜色壤土為主，夾粉砂、砂壤土、粘土及粗砂透鏡體，頂板埋深69.08～81.65m，在勘探深度內(nèi)揭露最大厚度為50.4m。這套地層的突出特點是雜色，以灰綠色、棕紅色、棕黃色和灰白色為主，成分較為復雜，粘性土中多含砂粒，砂性土含有粘粒，且砂粒中斜長石顆粒已風化，用手可捻碎。粘性土具弱～中等膨脹潛勢［4］，砂性土具塑性。

2.2.2 上更新統(tǒng)沖洪積（al＋plQ3）

黃土狀壤土、卵石：①卵石，主要成分為長石石英砂巖，最大直徑30cm以上，含量60%～70%，充填中粗砂含泥質(zhì)，厚度9.0～17.0m，埋藏于Q4卵石層之下。 ②黃土狀壤土，分布在北岸一級階地表層，可見垂直節(jié)理，含鈣質(zhì)結(jié)核，夾砂壤土薄層和粉細砂透鏡體，厚度12.0m。

2.2.3 全新統(tǒng)沖洪積（al＋plQ4）

卵石、砂土分布于高漫灘、低漫灘、河床不同微地貌單元上，分為Q14、Q24、Q34不同時期。卵石在巖性上和級配組合上與Q3卵石近似，最大厚度8m，局部覆蓋薄層細砂。

地基土主要物理力學指標建議值見表1。

表1 地基土主要物理力學指標建議值表

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

近場區(qū)發(fā)育的主要斷裂分布在東部和南部，有邯鄲—邢臺斷裂、紫山東斷裂、紫山西斷裂、曲陌斷裂及會寧東斷裂等，均為隱伏斷裂。第四系以來均有活動，但晚更新世以來活動性較弱，對場區(qū)的穩(wěn)定性影響不大。工程區(qū)地震動峰值加速度為0.10g，相應(yīng)地震基本烈度為7度［5］。

2.4 水文地質(zhì)條件

南沙河地表水本屬多年徑流型，在上游興建東仕嶺、野溝門、朱莊等大中型水庫攔蓄水后，除雨季外地表水常常斷流。近10多年，因沙河上游建有不少鐵選礦廠，廢水排入河道，現(xiàn)狀有少量水流通過，但流量較小。地表水（選礦場棄水）經(jīng)取樣2組分析，水化學類型為SO4－HCO3－Ca－Mg型水，SO2－4含量381.2～525.5mg/L， 對普通水泥具結(jié)晶類硫酸鹽型弱～強腐蝕 性［6］。

場區(qū)地下水主要為第四系淺層孔隙潛水，主要賦存于卵石層中，含水層厚度10～12m，南河槽段和中間明渠段地下水位高程85.0～86.8m，北河槽地下水位高程82.0～84.7m。 多孔抽水試驗成果， 卵石層滲透系數(shù)5.64×10－2～6.84×10－2cm/s， 平均6.4×10－2cm/s，影響半徑145.39m，屬強透水性。含水層底板為下更新統(tǒng)粘性土和砂土，均屬弱～微透水性，為相對隔水層。水化學類型為SO4－HCO3－Ca型水，SO2－4含量70.6～130.1mg/L，對普通水泥無腐蝕［6］。

3 主要工程地質(zhì)問題

根據(jù)建筑物型式結(jié)合場區(qū)工程與水文地質(zhì)條件，場區(qū)存在的主要工程地質(zhì)問題有基坑臨時邊坡穩(wěn)定、基坑排水、Q1粘性土脹縮性、地基不均勻沉降及明渠段襯砌抗浮等問題［7］。

3.1 基坑臨時邊坡穩(wěn)定問題

倒虹吸基礎(chǔ)開挖深度14～16m，基坑邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要為卵石、中砂或壤土，地下水位以下邊坡高度9～12m，受地下水影響，尤其是下部Q1砂層對邊坡穩(wěn)定不利，總體邊坡穩(wěn)定性差。建議采用井點降水排水方式，可以避免卵石與其下部砂土接觸沖刷，預先疏干地下水，施工場地必須保持干場作業(yè)，有利于邊坡穩(wěn)定。根據(jù)卵石休止角及坡高，并考慮其結(jié)構(gòu)特征，采用多級邊坡開挖，留足分級馬道寬度，并做好必要的防護措施。上部卵石可用防滲土工膜遮蓋并做好坡面排水，下部Q1地層局部必要時增加護坡樁。建議坡比值為：卵石1∶1.5，粘性土1∶1.5～1∶1.75，中砂1∶2.0。

3.2 基坑排水問題

南沙河卵石含水層分布廣且厚度大，滲透性強，多裸露于地表，其補給條件優(yōu)越，是當?shù)氐叵滤_采的主要含水層，屬孔隙潛水，平均滲透系數(shù)為55.4m/d（相當于6.4×10－2cm/s），具強透水性，地下水水量豐富。

倒虹吸管建基面高程75.5～76.5m， 地下水位高程83.4～88.8m，地下水位高于建基面8～12m，存在基坑排水問題，對施工影響較大。建議在做好河道地表水導流基礎(chǔ)上，采取有效的排水、截滲措施，保持干場作業(yè)為好。

根據(jù)建筑物區(qū)地下水賦存條件和基坑排水降深大、涌水量大的特點，結(jié)合邊坡巖性結(jié)構(gòu)特征，以采用井點排水方式為好。

3.3 Q1粘性土脹縮性問題

倒虹吸管建基面局部揭露Q1粘土和壤土，具弱～中等膨脹潛勢，其脹縮性將對建筑物施工有一定影響。在施工中宜采用分段快速作業(yè)法，也可預留適當保護層，施工過程中不得使基坑長時期曝曬或泡水，以避免失水后干裂或飽水后膨脹變形，使天然地基失效。

3.4 不均勻沉降問題

根據(jù)設(shè)計成果，倒虹吸管選定為雙向預應(yīng)力結(jié)構(gòu)，對地基的均勻變形要求較高。倒虹吸管建基面高程75.5～76.5m，平管段和斜坡段基礎(chǔ)位于上更新統(tǒng)（Q3）卵石底部和下更新統(tǒng)（Q1）壤土、粉砂及中砂層中。 卵石底面高程72.11～81.65m，起伏較大，具有低壓縮性；而Q1地層一般具有中等偏高壓縮性，建基面以下分布Q3卵石層與Q1地層，易產(chǎn)生不均勻沉降變形，可能對建筑物正常運行產(chǎn)生不利影響。Q1地層各巖性層位不穩(wěn)定，大小不同巖性的透鏡體相互穿插或包容，粘性土與砂土之間壓縮性變化較大，也可形成不均勻沉降變形。

為避免虹吸管局部產(chǎn)生不均勻沉降變形，特別對建基面上Q3卵石和Q1砂土、粘性土水平變化較大部位，建議采用局部換填墊層法進行處理。

3.5 明渠襯砌抗浮問題

中間明渠段長2030m，地處河心高漫灘部位。地表高程91.5m，地下水位83.2～86.3m。 渠底高程80.1m，最大挖深11m，渠底在地下水位3～6m以下，大部置于卵石層，局部置于壤土、粘土層，地下水位高于渠底3～6m。

倒虹吸中間明渠段設(shè)計過水斷面全部采用混凝土板防滲襯砌，襯砌后渠道無水時地下水的頂托將對渠道安全運行產(chǎn)生不利影響。建議做好渠道渠坡排水減壓措施，考慮豐水年地下水變幅的影響，并對建基面采取增加混凝土壓重措施，以確保渠道運行安全。

4 結(jié)語

綜合分析，建筑物場區(qū)工程與水文地質(zhì)條件是影響工程設(shè)計與施工的重要因素。通過鉆探、原位測試、室內(nèi)外試驗等方法，結(jié)合建筑物型式、結(jié)構(gòu)、埋深及尺寸等，場區(qū)存在基坑臨時邊坡穩(wěn)定、基坑排水、Q1粘性土脹縮性、地基不均勻沉降及明渠段襯砌抗浮等主要工程地質(zhì)問題，對于這些地質(zhì)問題可以采取分級邊坡開挖、排水截滲、預留保護層、地基土換填、渠坡排水結(jié)合壓重等有效措施加以解決，確保建筑物施工和安全運行。

［1］河北省水利水電第二勘測設(shè)計研究院.南水北調(diào)中線工程南沙河渠道倒虹吸初步設(shè)計階段工程地質(zhì)勘察報告［R］.2008.

［2］本書編委會.河北省北京市天津市區(qū)域地質(zhì)志［M］.北京：地質(zhì)出版社，1989.

［3］河北省地質(zhì)礦產(chǎn)局水文地質(zhì)研究室.河北第四系［R］.北京：中國計劃出版社，2001.

［4］GBJ112—87，膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)程［S］.

［5］GB18306—2001，中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖［S］.

［6］GB50487—2008，水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)程［S］.

［7］常士驃，張?zhí)K民，等.工程地質(zhì)手冊（第四版）［K］.北京：中國建筑出版社，2007.

Main Geological Problems of the Inverted Siphon in Nansha River Channel

MENG Suo－lan， LI Peng
（The second design and research institute of water conservancy and hydropower of Hebei，Shijiazhuang 050021，China）

The inverted siphon in Nansha River channel is a channel cross－building which the main channel of South－to－North water diversion central line project passes through.In order to guide a better construction， the main engineering geological problems have been discussed and evaluated from the following aspects： the geological conditions， lithologic distribution and conditions of groundwater occurrence.This study can also provide reference for similar projects.

South－to－North water diversion project； inverted siphon； slope stability； dewatering； subside asymmetrical

P64；TV672＋.5

A

1672-9900（2011）01-0073-03

2010－11－24

孟鎖蘭（1963－），男（漢族），河北晉州人，高級工程師，主要從事工程地質(zhì)與水文地質(zhì)工作，（Tel）13398610683。