南水北調(diào)配套輸水管道地質(zhì)問題及處理措施

賈占軍，李榮偉，2，劉偉，2

（1.保定市水利水電勘測設(shè)計(jì)院，河北保定 071051；2.保定市江河水利咨詢監(jiān)理有限公司，河北保定 071051）

南水北調(diào)配套輸水管道地質(zhì)問題及處理措施

賈占軍1，李榮偉1，2，劉偉1，2

（1.保定市水利水電勘測設(shè)計(jì)院，河北保定 071051；2.保定市江河水利咨詢監(jiān)理有限公司，河北保定 071051）

保定市南水北調(diào)配套工程地處太行山東麓的低山丘陵區(qū)、山前傾斜平原區(qū)及沖洪積平原區(qū)，地貌及地層巖性變化大，涉及地震液化、地下水、黃土濕陷性等多種工程地質(zhì)問題，本文對主要工程地質(zhì)問題進(jìn)行了分析，并提出了相應(yīng)的處理措施。

南水北調(diào)；輸水管道；地質(zhì)問題；處理措施

南水北調(diào)工程是一項(xiàng)宏偉的跨流域調(diào)水工程，工程實(shí)施后將極大地緩解北方地區(qū)水資源緊缺狀況。中線總干渠工程將于2013年竣工，2014年通水。保定市配套工程是南水北調(diào)工程體系的重要組成部分，承擔(dān)著連接中線總干渠和受水區(qū)地表水廠的紐帶作用，承擔(dān)向保定市27個供水目標(biāo)輸送長江水的任務(wù)。

本工程涉及保定地區(qū)23個縣、市（區(qū)），30條輸水管道，全長192km，采用單管輸水方式，合計(jì)輸水量5.5115億m3/a。輸水線路穿越7條河流、4條鐵路、4條高速或國道。工程區(qū)地貌及地層巖性變化大，地質(zhì)條件相對復(fù)雜，涉及地震液化、地下水、黃土濕陷性等多種工程地質(zhì)問題［1］。

1 自然地理概況

保定市東部平原區(qū)位于華北平原北部，西靠太行山。工程區(qū)位于多個大小不等的山前沖洪積扇構(gòu)成的傾斜平原區(qū)，總體地勢西高東低，根據(jù)地表形態(tài)及成因類型可劃分為3種地貌單元：①山前沖洪積傾斜平原區(qū)，主要由拒馬河、唐河、界河、沙河沖洪積扇組成，自西北向東南傾斜，西部山前地面高程50～80m，坡降1‰～5‰；②沖積、洪積交錯沉積微傾斜平原區(qū)，主要分布于京廣鐵路以東區(qū)域，地勢平緩，地面高程10～30m，坡降小于1‰；③扇間淤積洼地沉積區(qū)，分布于白洋淀為中心的周邊地區(qū)，形成以粘土為主夾粉、細(xì)砂層堆積，地面高程一般在10m以下。本區(qū)河流均屬大清河水系，主要包括北拒馬河、南拒馬河、北易水河、漕河、界河、唐河、沙河等，東部匯入白洋淀。本區(qū)屬溫帶半干旱季風(fēng)氣候，季節(jié)凍土深度0.55～0.70m。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地層巖性

工程區(qū)地表出露與鉆探揭露的地層有：人工堆積物（rQ）、第四系全新統(tǒng)沖洪積層（al+plQ4）、第四系全新統(tǒng)沖積層（alQ4）、第四系上更新統(tǒng)坡洪積層（dl+ plQ3）、太古界阜平群漫山組巖石地層（Arm）。平管段底板埋深2.5～4.5m，管底以下持力層包括如下6類。

（1）壤土。沖洪積成因，棕黃色，稍濕，可塑，局部硬塑，分布廣泛，層位比較穩(wěn)定。一般具中等壓縮性，屬弱透水層，局部具高壓縮性，微透水性，承載力建議值135～140kPa。

（2）黃土狀壤土。主要分布于淶水、保定市區(qū)、順平縣、白洋淀補(bǔ)水等線路上游山前地基段，土質(zhì)均勻，厚度一般大于5m，粉粒含量較高，弱透水性，中等壓縮性。取樣試驗(yàn)結(jié)果多具濕陷性，濕陷程度輕微～中等，濕水后地基穩(wěn)定性變差，承載力建議值130～135kPa。

（3）砂壤土。主要分布于淶高干管、涿州、徐水、定州、定州電廠等線路，厚度一般小于4m，層位變化較大，粉粒及砂粒含量較高，中密，中等壓縮性，弱透水性，局部為中等透水，承載力建議值140～145kPa。

（4）粉質(zhì)粘土。主要分布于曲陽、雄縣、安新等線路，灰黃色或深灰色，沖洪積或湖沼相成因，粘粒含量高，稍濕～濕，可塑～軟塑，多具高壓縮性，弱～微透水性，地基穩(wěn)定性較差，承載力建議值115～130kPa。

（5）砂土。分布廣泛，多見于定州、安國、徐水、望都、淶高干管、涿州等線路，沖積成因，揭露厚度1.0～7.0m。巖性包括粗砂、中砂、細(xì)砂、粉砂，由西向東顆粒逐漸變細(xì)。具中等～強(qiáng)透水性，地基穩(wěn)定性好，地基承載力建議值135～180kPa。

（6）卵石。主要分布于淶高干管、易縣、涿州、白洋淀補(bǔ)水等線路，一般位于鉆孔中下部，具強(qiáng)透水性，地基穩(wěn)定性好，承載力建議值300～400kPa。

2.2 水文地質(zhì)

保定平原區(qū)第四系地層厚度變化較大，一般300～500m，其厚度由西向東逐漸增大。區(qū)內(nèi)地下水主要接受大氣降水補(bǔ)給。在山前一帶，則以山區(qū)側(cè)向徑流補(bǔ)給為主，灌溉回歸水及河流入滲對地下水的補(bǔ)給也有明顯的作用。地下水徑流方向與各河流水系流向一致，即由西向東。地下水埋深具有顯著的分帶性，山前一帶以卵礫石、砂土為主要含水層，潛水埋深10～20m，往東過渡到徑流補(bǔ)給帶，地下水位埋深15～25m，東部至白洋淀附近，徑流變緩，潛水埋深8～15m。

3 主要工程地質(zhì)問題

區(qū)內(nèi)引水管道涉及的主要工程地質(zhì)為地基土層地震液化問題、地基濕陷性問題、高壓縮性地基土及不均勻沉降問題、地下水問題、部分頂管穿越砂和卵石地層施工難度大等問題。

3.1 地震液化

保定以北大部分位于7°烈度區(qū)，初判砂土地基具有地震液化的可能性，考慮正常運(yùn)用時地下水位抬升的因素，應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)貫入錘擊數(shù)法進(jìn)行復(fù)判［2］。

（1）雄縣輸水管線（0+000～3+500）段管底以下砂層具有地震液化的可能性，液化等級為輕微～中等液化。

（2）易縣輸水管線在河床高水位期，左岸淺層粗砂具有地震液化的可能性，液化程度中等。

（3）淶高定輸水管線（13+762～15+000）段附近少粘性土、砂土存在液化現(xiàn)象，液化等級為中等～嚴(yán)重。

（4）涿州輸水管線存在可能液化的砂土或少粘性土，砂壤土、砂土大部分地段具有地震液化的可能性，液化程度多為輕微，少量為中等液化。

3.2 地基濕陷性

區(qū)內(nèi)山前地帶廣泛分布黃土狀壤土地層，根據(jù)取樣試驗(yàn)結(jié)果多具濕陷性，均屬非自重濕陷性壤土［3-5］：

（1）順平管線（0+342～0+725）段黃土狀壤土濕陷系數(shù)0.018～0.044，平均值0.035，濕陷起始壓力11～63kPa，濕陷程度中等，按基底以下10m計(jì)，總濕陷量一般18～44cm。

（2）保定市管線（0+000～4+000）分布黃土狀壤土，濕陷系數(shù)δs=0.0350～0.0463，平均值0.0401，濕陷起始壓力11～36kPa，濕陷程度中等，計(jì)算總濕陷量一般35～46cm。

（3）淶高干管線黃土狀壤土濕陷性變化較大，無濕陷性（0+000～3+930），黃土狀壤土（3+930～7+620）濕陷系數(shù)0.017～0.083，濕陷等級輕微～強(qiáng)烈，考慮試驗(yàn)值離散性較大，個別強(qiáng)濕陷性試驗(yàn)值不具有代表性，故該段地基土按中等濕陷性考慮。

考慮管道工程附加荷載應(yīng)力較小，黃土狀壤土實(shí)際濕陷量應(yīng)小于上述計(jì)算值。

3.3 高壓縮性地基土及不均勻沉降

區(qū)內(nèi)引水管道以下部分線路所在地層具高壓縮性。

（1）高陽管線（1+700～5+600）段、（5+600～7+040）段部分管底位于粘土或壤土層中，具中等～高壓縮性。

（2）安新管線（16+500～18+000）段管底附近分布厚層粘土，為湖沼相淤積成因，深灰色，含較多有機(jī)質(zhì)成分，孔隙比0.872～1.061，壓縮系數(shù)0.57MPa-1，壓縮模量3.30.57MPa，屬高壓縮性軟土，容易產(chǎn)生較大壓縮變形。

（3）雄縣管線（7+500～8+000）段底板大部分坐落在沼湖相壤土層中，局部具高壓縮性。

另外，由于區(qū)內(nèi)地層巖性變化較大，存在差異沉降問題，設(shè)計(jì)時尤其應(yīng)注意砂土與壤土過渡段的不均勻沉降問題。

3.4 地表水及地下水問題

包括易縣管線穿北易水河、涿州管線穿拒馬河南支、高陽管線穿孝義河、清苑管線穿南環(huán)堤河等地段長年流水，地下水位接近或略低于地表水位，該地段需考慮基坑排水措施。北易水河到虹吸設(shè)計(jì)基坑降水深度7.1m，卵石層滲透系數(shù)120m/d，采用岸邊降水計(jì)算公式，基坑排水量7800m3/d；拒馬河南支基坑降水深度6.2m，細(xì)砂滲透系數(shù)9.0×10-3cm/s，計(jì)算基坑排水量690m3/d。

曲陽管線（0+000～9+200）沿沙河灌渠北側(cè)布置，間距僅15～50m，干渠輸水時致使兩側(cè)地基形成上層滯水，實(shí)測水位埋深1～3m；安新管線（13+500～18+ 500）段穿越大張莊排干，兩側(cè)上層滯水水位埋深1～ 5m，遠(yuǎn)離渠道地段埋深逐漸增大，預(yù)計(jì)上層滯水對管道施工有影響較大。

3.5 砂卵礫石地層頂管穩(wěn)定問題

保定市管線燕趙街頂管穿越卵礫石層，管底以上卵礫石厚2m左右。卵礫石地層穩(wěn)定性差，管壁摩阻力大，不宜進(jìn)行頂管施工。安國市管線朔黃鐵路頂管穿越中細(xì)砂層；涿州市涿淶公路頂管、107國道頂管穿越中細(xì)砂層，管底以上砂層厚度2～3m，頂管施工容易出現(xiàn)塌方問題，頂管施工難度較大。

4 地基處理措施

4.1 砂土液化處理

地震液化易造成建筑物基礎(chǔ)較大沉陷，消除地基液化沉陷措施主要有：重錘夯實(shí)，使管基一定厚度內(nèi)消除液化，滿足液化指數(shù)不大于4的要求，或不液化土層厚度達(dá)到6～8m。初步擬定采用10～20t·m的擊實(shí)能、夯擊6遍，有效影響深度2～3m。施工前根據(jù)設(shè)備情況進(jìn)行夯實(shí)試驗(yàn)。

4.2 濕陷性黃土地基處理

順平縣、保定市區(qū)、淶高干管線黃土狀壤土多具中等濕陷性，設(shè)計(jì)采用部分消除濕陷性的方法，對地基土層進(jìn)行挖填并分層夯實(shí)，或直接采用中夯夯實(shí)，消除濕陷深度大于3m。另外，管道連接采取嚴(yán)格防滲漏措施，如預(yù)應(yīng)力鋼筒混凝土管道、球墨鑄鐵管采用雙密封膠圈接口，鋼管采用焊接接口等。

4.3 軟土地基處理

安新、曲陽縣管線管底以下大部分為高壓縮性粘土，地基易產(chǎn)生較大變形，軟土地基施工比較困難；設(shè)計(jì)采取土層置換，處理深度30cm，鋪設(shè)砂礫石墊層20cm，其表面再鋪10cm粗砂墊層，為了保證管底土體不被擾動，在溝底預(yù)留30cm左右保護(hù)層，留待管道鋪設(shè)時人工二次挖除。

4.4 不均勻沉降地基處理

粘性土與砂土地基，或粘性土與卵礫石過渡段容易產(chǎn)生不均勻沉降，本工程中不均勻沉降少，對管道基礎(chǔ)影響小，設(shè)計(jì)對過渡段粘性土地基僅做夯實(shí)處理。

4.5 地表水及地下水處理

易縣穿北易水、高陽穿孝義、清苑穿環(huán)堤河等地段，施工排水采用圍堰導(dǎo)流地表水，基坑采用排水溝和集水坑降低地下水位等措施。易縣穿北易水河段季節(jié)性洪水較大，施工安排在枯水期，采用圍堰導(dǎo)流地表水；砂卵石地層滲透系數(shù)0.12～0.15cm/s，地下水位基本與地表水持平，按分段開挖長度30m考慮，水位降深6m時，估算基坑排水量1.2萬m3/d，用10～12臺水泵排水可滿足設(shè)計(jì)水位降深。

其他平管高地下水位地段，在基坑槽底部兩側(cè)設(shè)0.5m×0.5m排水溝，并設(shè)1.0m×1.0m深1.5m集水井，排出基坑滲水，降低地下水位至設(shè)計(jì)基準(zhǔn)面0.5m以下；對高地下水位地段的高含水粘性土地基，增設(shè)300～500mm厚中粗或砂礫石墊層。

4.6 砂卵石地基頂管問題處理

保定市管線燕趙街頂管穿越卵礫石層，不宜進(jìn)行頂管施工［6］，設(shè)計(jì)采取明挖方式，即破路分段施工方法；安國和涿州管線頂管穿不穩(wěn)定砂層，地下水均位于管底線以下，采取人工挖掘和擠壓式相結(jié)合的方法，在保證土體穩(wěn)定的前提下縮短進(jìn)尺增加頂管頻次。上述地段地質(zhì)條件較差，設(shè)計(jì)采用頂管（鋼筋混凝土管）內(nèi)套鋼管的穿越方案，管頂覆土厚度在規(guī)范要求的基礎(chǔ)上適當(dāng)增大，即不小于管道外徑的2倍，設(shè)計(jì)厚度3.5～5.0m。

5 結(jié)語

保定市南水北調(diào)配套工程采用管道輸水方式，地質(zhì)勘察范圍跨越山前至內(nèi)陸平原3種地貌單元，地層成因復(fù)雜，巖性變化多樣，地質(zhì)勘察根據(jù)管道工程的特點(diǎn)，重點(diǎn)查明地表至管底以下5～8m影響范圍內(nèi)的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件，提出存在的主要工程地質(zhì)問題，工程設(shè)計(jì)遵循技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理的原則，針對不同的地質(zhì)問題采取了相應(yīng)的地基處理措施及工程措施，為初步設(shè)計(jì)階段勘察和設(shè)計(jì)打下了良好的基礎(chǔ)。

［1］保定市水利水電勘測設(shè)計(jì)院．保定市南水北調(diào)配套工程水廠以上輸水管道工程可行性研究工程地質(zhì)勘察報(bào)告［R］. 2012.

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

［3］GB50025—2004，濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范［S］.

［4］賈淑敏，曹竹良.土擠密樁法消除黃土濕陷性的試驗(yàn)分析［J］.水科學(xué)與工程技術(shù)，2012（3）.

［5］王建權(quán).南水北調(diào)中線工程石家莊段黃土狀土濕陷性研究［J］.水科學(xué)與工程技術(shù)，2011（1）.

［6］CECS246—2008，給水排水工程頂管技術(shù)規(guī)程［S］.

Geological Problems and Treatment Measures of Water Conveyance Pipeline in South-to-North Water Diversion

JIA Zhan-jun1，LI Rong-wei1，2，LIU Wei1，2
（1Baoding Institute of Investigation&Design of Water Conservancy&Hydropower，Baoding 071051，China；2.Baoding River Water Conservancy Consultation and Supervision Co.，LTD，Baoding 071051，China）

Baoding matching engineering of South-to-North water transfer project is located in the east foothill hilly region，piedmont sloping plain and alluvial plain area of Taihang Mountain，landform and stratum change is big，and there are many kinds of engineering geological problems，such as earthquake liquefaction，groundwater and loess collapsibility and so on.The main engineering geological problems are analyzed and the relevant treatment measures are forward.

South-to-North Water Diversion；water conveyance pipeline；geological problems；treatment measures

P642

A

1672-9900（2013）01-0079-04

2012-11-28

賈占軍（1964-），男（漢族），河北定州人，高級工程師，主要從事水利水電工程地質(zhì)和施工技術(shù)等工作，（Tel）18931261630。