南水北調(diào)中線焦作2渠段工程地質(zhì)問題

喬新穎，陳艷朋，吳雪皓，陳平貨

（1.河南省水利勘測有限公司，河南鄭州450003；2.河南永固巖土工程有限公司，河南開封475000）

南水北調(diào)中線焦作2渠段工程地質(zhì)問題

喬新穎*1，陳艷朋2，吳雪皓2，陳平貨1

（1.河南省水利勘測有限公司，河南鄭州450003；2.河南永固巖土工程有限公司，河南開封475000）

結(jié)合南水北調(diào)中線焦作渠段地形地貌、地層巖性、水文地質(zhì)條件，對(duì)焦作渠段主要存在的黃土狀土濕陷、巖土膨脹性、施工降排水和邊坡穩(wěn)定等問題進(jìn)行了論述、評(píng)價(jià)，并提出了合理化的處理結(jié)論或建議，對(duì)南水北調(diào)中線焦作渠段工程設(shè)計(jì)、施工具有指導(dǎo)意義。

南水北調(diào)；焦作2渠段；地質(zhì)問題

1 概述

南水北調(diào)中線工程焦作2渠段該段總干渠設(shè)計(jì)流量265～260m3/s，加大流量320～310m3/s，設(shè)計(jì)水深7m。工程起點(diǎn)設(shè)計(jì)樁號(hào)Ⅳ41+400，終點(diǎn)設(shè)計(jì)樁號(hào)Ⅳ66+960，全長25.56km。多為挖方填，局部為半挖半填。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

南水北調(diào)中線一期工程總干渠焦作2渠段位于華北平原西部邊緣與太行山東麓的交接部位，穿行于山前坡洪積裙、山前傾斜平原及硬質(zhì)巖丘陵等主要地貌單元，地勢總體呈西北高、東南低的特點(diǎn)。

2.2 地層巖性

工程區(qū)地層主要由古生界奧陶系、石炭系、二疊系和新生界第四系沖洪積、坡積成因的地層組成。

2.2.1 古生界（Pz）

（1）奧陶系（O）。奧陶系中統(tǒng)上馬家溝組灰?guī)r（O2s），在九里山出露。

（2）石炭系（C）。該系地層廣泛出露于太行山前的山坡上和山區(qū)部分山脊上，與奧陶系灰?guī)r呈平行不整合接觸，為海陸交互相含煤建造，分中上2統(tǒng)。渠段僅在山門河和九里山附近見到。

中統(tǒng)本溪組（C2b）：主要為褐黃、褐灰色等雜色粘土巖、頁巖、鋁土質(zhì)泥巖、鋁土礦，底部常見窩狀山西式鐵礦，偶夾砂巖、泥質(zhì)灰?guī)r和煤線。厚度15～45m，一般厚20m。

上統(tǒng)太原組（C3t）：可分為上下2段，厚度85～ 105m，一般95m。下段以灰?guī)r為主，各層灰?guī)r間有3～5m厚的碎屑巖相隔，含煤4～5層。

（3）二疊系（P）。該系地層為陸相沉積，與石炭系呈整合接觸。渠段內(nèi)僅在山門河附近碎屑巖和煤層，厚度70～90m，平均厚85m。

2.2.2 新生界（Kz）

本區(qū)新生界為第四系（Q）中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)、全新統(tǒng)地層。

（1）中更新統(tǒng)(Q2)。坡洪積成因，主要分布于第四系地層下部，巖性為卵石與中、重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)粘土，卵石與粘性土呈互層狀、卵石夾粘性土透鏡體和粘性土夾卵石透鏡體等形式空間展布，揭露厚度10～45m。

（2）上更新統(tǒng)（Q3）。為上更新統(tǒng)上段沖洪積物，巖性為黃土狀重粉質(zhì)壤土和黃土狀砂壤土。

（3）全新統(tǒng)(Q4)。全新統(tǒng)沖洪積物，巖性為黃土狀中、重粉質(zhì)壤土和重粉質(zhì)壤土（局部相變?yōu)橹蟹圪|(zhì)壤土或粉質(zhì)粘土），局部夾卵石透鏡體，有鈣質(zhì)膠結(jié)現(xiàn)象。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造

本渠段位于華北準(zhǔn)地臺(tái)黃淮海坳陷的西部邊緣；新構(gòu)造分區(qū)屬華北斷陷—隆起區(qū)的太行山隆起分區(qū)東南角和河北斷陷分區(qū)交接部位。本渠段沿線地震動(dòng)峰值加速度為0.15g，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅶ度。

2.4 水文地質(zhì)條件

2.4.1 地下水賦存條件及含水層組的劃分

第四系松散巖類孔隙潛水含水層組：含水層巖性上部由粉質(zhì)壤土、黃土狀壤土組成，富水性一般較差。含水層組主要由粘性土和砂卵石互層組成，巖性巖相變化頻繁，厚度變化較大。由于巖性巖相及地形變化，局部地下水具有承壓性。

第四系松散巖類孔隙承壓水含水層組：主要分布于沿線山前坡洪積裙與山前沖洪積傾斜平原交接部位的下部。含水層組主要由粉細(xì)砂組成。

奧陶系灰?guī)r裂隙巖溶含水層組：含水層組主要由奧陶系灰?guī)r組成，巖溶較發(fā)育，局部受構(gòu)造影響巖溶十分發(fā)育，但不均勻，屬中等透水，多位于渠底板以下。

2.4.2 地下水的補(bǔ)給、徑流與排泄

第四系松散巖類孔隙潛水主要接受大氣降水入滲、側(cè)向徑流、灌溉及地表（河、溝、渠等）水入滲補(bǔ)給，排泄方式主要為蒸發(fā)（僅限蘇藺一帶）、側(cè)向徑流及人工開采；地下水整體西北向東南流動(dòng)，局部地段受地形控制或補(bǔ)給源影響，流向有所變化。

第四系松散巖類孔隙承壓水主要接受上游地下水側(cè)向徑流補(bǔ)給、潛水和下部承壓水越流補(bǔ)給，消耗于側(cè)向徑流和人工開采。

奧陶系可溶巖巖溶裂隙含水層組主要接受大氣降水入滲和側(cè)向徑流補(bǔ)給，以側(cè)向徑流方式排泄。

2.4.3 土、巖體滲透性分級(jí)

根據(jù)勘察試驗(yàn)成果，場區(qū)粘性土一般具極微—弱透水性，砂壤土、粉細(xì)砂具中等—強(qiáng)透水性，砂卵石具強(qiáng)透水性，灰?guī)r具弱—中等透水性。

2.4.4 地下水位及動(dòng)態(tài)變化

（1）本渠段地下水動(dòng)態(tài)變化主要為入滲—徑流—開采型。

（2）根據(jù)預(yù)測結(jié)果，本渠段最高水位高于渠底板的渠段長度7.85km；最高水位在渠底板附近，且接近地面的渠段長度1.50km。

3 主要工程地質(zhì)問題

焦作段主要存在的工程地質(zhì)問題為：黃土狀土濕陷問題、巖土膨脹性問題、施工降排水問題、施工邊坡穩(wěn)定問題和地裂縫問題等。

3.1 黃土狀土濕陷問題

本渠段黃土狀土主要指第四系全新統(tǒng)和上更新統(tǒng)形成的次生黃土，沿渠線累計(jì)分布長度約12.172km，約占渠線總長度的50.63%。主要分布于山前坡洪積裙。

根據(jù)濕陷性的強(qiáng)弱，沿線黃土狀土共分為3個(gè)段，其中具中等濕陷性的有1段，分布長度8.501km，具中等—強(qiáng)烈濕陷性的有2段，累計(jì)分布長度3.671km。

據(jù)各場點(diǎn)的試驗(yàn)成果分析，黃土狀土的濕陷深度多在7m以內(nèi)；均為非自重濕陷場地，地基濕陷等級(jí)為輕微。黃土狀土的濕陷性對(duì)挖方渠段影響不大，不必考慮渠道的濕陷變形問題，半挖半填及填方渠段因在原地層上增加了荷載，則要考慮黃土狀土（特別是具中等和中等—強(qiáng)濕陷性的黃土狀土）的濕陷變形對(duì)渠坡和渠基穩(wěn)定的不利影響

施工過程中根據(jù)黃土狀土的濕陷等級(jí)和填方高度分別采用了重夯和強(qiáng)夯對(duì)黃土狀土地基進(jìn)行了處理，在村莊附近為了消除震動(dòng)對(duì)村民的影響，采用了換填法對(duì)地基進(jìn)行了處理。

3.2 膨脹巖土問題

本渠段內(nèi)分布的膨脹巖土均為第四系中更新統(tǒng)重粉質(zhì)壤土（Qd2lpl），局部夾粉質(zhì)粘土，多呈棕紅色。從渠底板以下5m至一級(jí)馬道之間膨脹土累計(jì)分布長度5km，多呈條帶狀或透鏡體壯分布，均具弱膨脹潛勢。

施工過程中，對(duì)一級(jí)馬道以下根據(jù)邊坡地層巖性的組成及膨脹土的分布等特征，采取了粘性土換填、漿砌石封堵等不同的處理措施。一般為：一級(jí)邊坡地層為粘性土（或夾松散卵石透鏡體），膨脹土呈條帶狀分布，采用渠坡?lián)Q填厚1.4m粘性土，渠底換填厚1.0m粘性土的粘性土換填處理方案；一級(jí)邊坡為粘性土、卵石（多鈣質(zhì)膠結(jié)）互層結(jié)構(gòu)，膨脹土呈透鏡體狀分布，對(duì)膨脹土垂直邊坡挖深0.5m，采用M7.5漿砌石封堵處理方案。

3.3 施工降排水問題

根據(jù)地下水預(yù)測結(jié)果，本渠段最高水位高于渠底板的渠段分布在樁號(hào)Ⅳ42+900～Ⅳ50+400，長度7.85km，存在施工降排水問題。

該段地下水主要屬于第四系松散巖類孔隙潛水，含水層組由粘性土和砂卵石互層組成，巖性巖相變化頻繁，厚度變化較大。由于巖性巖相及地形變化，局部地下水具有承壓性。粘性土一般具微—弱透水性，砂卵石具強(qiáng)透水性。

采用渠底打管井降水并結(jié)合排水溝明排的降排水施工措施。在渠道左岸均設(shè)有左岸截流溝，匯集總干渠左側(cè)的坡流和面流，導(dǎo)流于左岸排水建筑物和較大河流處穿越總干渠，保護(hù)了總干渠的渠坡安全。

3.4 施工邊坡穩(wěn)定問題

渠道邊坡穩(wěn)定性是影響渠道成渠條件的重要因素。影響渠道邊坡穩(wěn)定的主要因素有：地層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造巖性組合特征、土巖的工程特性（巖層的產(chǎn)狀、成巖及風(fēng)化程度）、邊坡高度、地下水及地表水對(duì)土巖體的影響以及施工和排水方式等。

本渠段分布的特殊巖土的膨脹收縮、濕陷變形對(duì)渠道邊坡穩(wěn)定產(chǎn)生不利影響；灰?guī)r的構(gòu)造（巖層走向與渠線小角度相交，造成開挖渠道邊坡一側(cè)呈順層）、發(fā)育的陡傾角裂隙，對(duì)邊坡穩(wěn)定不利；地下水位高于渠底板的渠段在渠道成渠后至運(yùn)行前期間，地下水對(duì)渠坡的滲透壓力將影響渠道邊坡的穩(wěn)定。本渠段邊坡多為高邊坡，坡高15～30m的邊坡長13.826km，占渠道長度的57.54%，坡高大于30m的邊坡長2.332 km，占渠道長度的9.71%。

焦作2段對(duì)于小于15m的中低邊坡，渠坡在一般粘性土組成的渠段邊坡坡比一般采用1∶2；對(duì)于大于15m高邊坡渠段，考慮地下水位情況、巖性組合特征、土巖的工程特性、邊坡的高度等因素綜合確定，渠道分級(jí)開挖，中間設(shè)置馬道，邊坡坡比為（1∶1.5）～（1∶3.5）；對(duì)于（灰?guī)r）巖質(zhì)邊坡，一級(jí)邊坡坡比為1∶0.7，打錨桿掛鋼筋網(wǎng)襯砌，一級(jí)馬道以上邊坡坡比為1∶0.7，并采用打錨桿掛鋼筋網(wǎng)噴護(hù)。在地下水位高于渠底板渠段，在渠坡設(shè)計(jì)時(shí)均加有逆止閥等排水設(shè)施，降低地下水對(duì)渠坡的滲透壓力和頂托破壞作用。

3.5 渠道內(nèi)地裂縫問題

地裂縫位于焦作段白莊村與沿山村之間的耕地中、總干渠設(shè)計(jì)樁號(hào)Ⅳ61+490～Ⅳ62+560之間，長度約1360m，近似呈直線型，走向基本與總干渠中心線一致，南段距離總干渠中心線3～15m，向北逐漸偏離中心線，北端最遠(yuǎn)處偏離中心線約180m。

該渠段場地西北有方莊煤礦深部采空區(qū)，東南有白莊煤礦采空區(qū)，下伏九里山斷裂形成的埋藏基巖陡崖，土體結(jié)構(gòu)存在差異，環(huán)境地質(zhì)條件復(fù)雜，形成有地裂縫發(fā)育的地質(zhì)缺陷。經(jīng)初步的綜合分析，裂縫成因：受九里山斷裂構(gòu)造的控制，在其它環(huán)境工程地質(zhì)條件的變化因素（采礦活動(dòng)引起的應(yīng)力釋放、地下水下降、地表水下滲）誘發(fā)和激化的疊加作用的結(jié)果。綜合地質(zhì)成因分析和初步監(jiān)測結(jié)果，分析地裂縫基本穩(wěn)定，可能誘發(fā)地裂縫的環(huán)境地質(zhì)因素（采礦、地下水）趨于緩和，綜合評(píng)估白莊地裂縫的危害正在逐漸減小。目前地裂縫的監(jiān)測工作正在進(jìn)行。

對(duì)地裂縫渠段的處理，設(shè)計(jì)采用一級(jí)馬道以下：沿過水?dāng)嗝?，全斷面換填土工格柵。一級(jí)馬道以上：（1）對(duì)渠坡采用換填土，下鋪土工膜對(duì)裂縫進(jìn)行封堵防護(hù)；（2）對(duì)兩頭的地裂縫采用沿垂直地裂縫方向各設(shè)置2排高壓旋噴樁進(jìn)行封堵處理。

4 結(jié)論

南水北調(diào)中線工程焦作2渠段工程全長25.56km，渠線穿行于山前坡洪積裙與硬質(zhì)巖丘陵等主要地貌單元，地勢總體呈西北高、東南低的特點(diǎn)。

黃土狀土沿渠線累計(jì)分布長度約12.172km，多屬非自重濕陷性黃土狀土，中根據(jù)黃土狀土的濕陷等級(jí)和填方高度主要采用了重夯法對(duì)黃土狀土地基進(jìn)行了處理；渠段內(nèi)分布的膨脹巖土均具弱膨脹潛勢，對(duì)一級(jí)馬道以下根據(jù)邊坡地層巖性的組成及膨脹土的分布等特征，采取了粘性土換填、漿砌石封堵等不同的處理措施；地下水高于渠底板的渠段分布在樁號(hào)Ⅳ42+900～Ⅳ50+750段，存在施工降排水問題，均采用管井降水結(jié)合明溝排水的降排水措施；對(duì)渠道邊坡穩(wěn)定性問題采用分級(jí)放坡開挖，中間設(shè)置馬道，對(duì)邊坡還采取了襯砌、防護(hù)（或支護(hù)）并設(shè)置排水措施處理；渠段樁號(hào)Ⅳ61+490～Ⅳ62+560段存在地裂縫問題，對(duì)設(shè)計(jì)對(duì)一級(jí)馬道以下，沿過水?dāng)嗝?，全斷面換填土工格柵；對(duì)一級(jí)馬道以上采用換土方式進(jìn)行封堵，并對(duì)兩頭的（Ⅳ61+ 300和Ⅳ62+387）地裂縫采用旋噴樁進(jìn)行封堵。

[1]GB50487－2008水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范[S].北京：中國計(jì)劃出版社，2008.

[2]GB20025－2004濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[3]SL386－2007水利水電工程邊坡設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2007.

P642

A

1004-5716(2016)12-0163-03

2015-12-30

2016-01-01

喬新穎（1977-），男（漢族），河南鞏義人，高級(jí)工程師，現(xiàn)從事水利水電、巖土工程地質(zhì)勘察、基礎(chǔ)處理施工及研究工作。