地質(zhì)復(fù)雜地區(qū)農(nóng)村飲水安全工程施工關(guān)鍵技術(shù)探討

劉學(xué)斌，張小平，劉 奇

(1．彭陽縣水務(wù)局，寧夏 彭陽 756500；2．中國人民武裝警察部隊(duì)水電第八支隊(duì)，重慶 400000)

彭陽縣位于寧夏回族自治區(qū)東南部、六盤山東麓，西北黃土高原的東部地帶，是一個(gè)以農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)為主的山區(qū)縣。當(dāng)?shù)厮Y源短缺，為解決當(dāng)?shù)厝罕婏嬎щy等問題，近年來已建小型人飲工程46處，其中35處以地表水為水源。受降雨量減少及干旱影響，部分飲水水源水量減少或干涸，群眾只能采用井窖積蓄雨水解決飲水問題，導(dǎo)致飲水不安全人口增加。

寧夏固原地區(qū)(寧夏中南部)城鄉(xiāng)飲水安全水源工程是將寧夏固原地區(qū)南部六盤山東麓雨量較多、水量相對(duì)較豐沛的涇河流域地表水，經(jīng)攔截、調(diào)蓄，向北輸送到固原中北部干旱缺水地區(qū)的區(qū)域性水資源優(yōu)化配置工程。寧夏固原地區(qū)(寧夏中南部)城鄉(xiāng)飲水安全工程包括水源工程、連通工程和受水區(qū)配套工程三部分。通過新建連通管網(wǎng)及調(diào)蓄工程，解決固原地區(qū)4 縣(區(qū))131.51 萬人的飲水安全問題。彭陽縣隸屬固原市管轄，是受水區(qū)4縣之一，連通配套工程由中部茹河、南部紅河、北部安家川三部分組成。彭陽縣北部安家川連通配套工程主要由預(yù)沉池、輸水管道、各類閥井、調(diào)蓄水池、凈水廠和泵站等工程組成，解決彭陽縣北部8.2萬人的安全飲水問題，并為王洼鎮(zhèn)城區(qū)1.1萬居民生活飲水及公共服務(wù)業(yè)用水提供用水保障。在工程建設(shè)中要途經(jīng)多條河流、山谷、梁峁和山地，工程地質(zhì)復(fù)雜。該工程在建設(shè)過程中采取了許多新工藝，施工工法有新突破，施工技術(shù)有創(chuàng)新，對(duì)于類似工程建設(shè)具有借鑒意義。

1 工程地質(zhì)條件

工程途徑地面高程為1 930～1 520 m，總體地形南高北低，管線途經(jīng)河谷、黃土梁及第三系紅土層等地貌單元。河谷兩側(cè)階地發(fā)育，以Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)階地分布較廣，階地較對(duì)稱。Ⅰ級(jí)階地一般呈透鏡體狀分布，面積小。Ⅱ級(jí)階地前緣高于河床2～6 m，由Q1apl4、Q2apl4壤土、礫石層組成，下部由第三系地層及白堊系地層組成。河床中基巖斷續(xù)出露，為基座階地。出露的地層有白堊系下統(tǒng)馬東山組泥灰?guī)r(K1m)、第三系清水營組(E3q)泥質(zhì)砂巖、砂巖，第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積(Qeol3)黃土；第四系全新統(tǒng)沖積(Q1al4)壤土、角礫；第四系全新統(tǒng)沖洪積(Q2apl4)壤土、角礫等。

白堊系下統(tǒng)馬東山組泥灰?guī)r(K1m)：蘭灰色為主，中厚層-厚層狀，堅(jiān)硬，局部夾薄層狀泥灰?guī)r及灰黑色泥巖，層狀構(gòu)造。主要礦物成分鐵白云石、方解石、方沸石、斜長石，其次為石英等，黏土礦物占10%～20%。單層厚度30～100 cm，抗風(fēng)化能力較弱，暴曬之后容易崩解。

第三系清水營組(E3q)泥質(zhì)砂巖、砂巖：土紅色-紫紅色細(xì)砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，產(chǎn)狀呈水平，局部夾薄層泥巖或者泥質(zhì)砂巖。

第四系上更新統(tǒng)馬蘭黃土(Qm3)：土黃色，堅(jiān)硬狀態(tài)，垂直節(jié)理發(fā)育，可見大孔隙，具濕陷性。

第四系全新統(tǒng)沖積(Q1al4) ：壤土：微紅色、土黃色，堅(jiān)硬狀態(tài)，具層理，大孔隙發(fā)育，具濕陷性。角礫：灰褐色，稍濕，松散-稍密，成分為泥灰?guī)r、砂巖、泥巖等，棱角形及次棱角形，一般顆粒粒徑為5～15 mm，最大粒徑達(dá)100 mm，大于2 mm顆粒占總重的60%～80%，主要由粉細(xì)砂充填。

第四系全新統(tǒng)沖洪積(Q2apl4)：壤土：雜色，稍濕，可見大孔隙，主要分布在溝底中。角礫-碎石：灰褐色，稍濕，松散-稍密，成分為泥灰?guī)r、砂巖、泥巖等，顆粒多為棱角形及次棱角形，一般顆粒粒徑為3～15 mm，最大粒徑達(dá)60 mm，大于2 mm顆粒約占總重的65%，主要由粉細(xì)砂及砂壤土充填。主要分布在各沖溝中。

加泥層、大孔隙可形成軟弱地基，基巖含薄加泥層會(huì)造成地基承載力不均勻，濕陷性土基易塌陷、滑坡，布設(shè)水工建筑物則必須進(jìn)行基礎(chǔ)處理，加之地下水的存在，加大了施工難度，延長了工期，大幅提高了工程建設(shè)費(fèi)用。

2 水文地質(zhì)

管線穿越的河道有地表水和地下水。地下水主要位于茹河河道，在河床附近分布；后峽溝、田吾溝和田家井溝溝道有地表長流水。

管線發(fā)現(xiàn)地下水的位置多在前段及過溝建筑物附近，含水層一般為角礫及砂土，地下水位埋藏較淺(多在2～4 m)。水質(zhì)檢測(cè)成果見表1。

表1 水質(zhì)成果表 mg/L

在上述不同的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件下修建人畜飲水水工建筑物，都存在不同的工程地質(zhì)缺陷，會(huì)造成基礎(chǔ)沉陷、邊坡塌方、滑坡、管道安裝困難、建筑物腐蝕等，需要從工程選線、管材選用、施工方法、建筑物布設(shè)等多方面采取相應(yīng)的工程措施予以彌補(bǔ)，才能保證人畜飲水工程建成后運(yùn)行正常。

3 工程定線

通過對(duì)各種地質(zhì)現(xiàn)狀的分析，經(jīng)過多次管線踏勘，確定了以下選線原則：一是盡量避開地下水位高的地段。一方面由于地下水SO2-4含量較高，會(huì)對(duì)管座、鎮(zhèn)墩等造成腐蝕，另一方面由于地下水位高，管溝開挖困難，邊坡易塌陷，并且需要對(duì)軟基進(jìn)行處理，管道安裝施工難度大，管槽需要排水，建設(shè)費(fèi)用會(huì)大幅度增加。如茹河地段在布設(shè)管道時(shí)盡量布在Ⅰ級(jí)、Ⅱ級(jí)階地上，盡可能避開地下水位高的地段。二是丘陵地帶管線盡量沿平緩山脊布置，水平方向盡可能走直線，以保證管線最短，水頭損失最小。三是盡量避開地形突變段，如較高的陡坎、懸崖等，避免大挖方。管道在橫穿田吾溝時(shí)設(shè)計(jì)是從河道兩側(cè)懸崖大挖方通過，在定線時(shí)將管線向下游移了60多m從低洼段通過，避免了大挖方，降低了施工難度，減少了建設(shè)費(fèi)用。四是必須避開地質(zhì)塌陷區(qū)、滑坡區(qū)。五是盡可能減少填方段。彭陽縣北部安家川連通配套工程地處溫帶，四季分明，冬季溫度可達(dá)-25 ℃左右，凍土層厚1 m左右，因此管道埋深必須達(dá)到1.5 m以上，填方段管道周圍埋深也必須達(dá)到上述標(biāo)準(zhǔn)，填方段越多，工程建設(shè)費(fèi)用越大。只在管線途徑乃河庫區(qū)內(nèi)的一條支溝布置了一處填方段，該溝呈V字形，溝深9.5 m，口寬32 m，正交布置。該溝最高蓄水位距溝頂1.65 m，常年蓄水，若管道埋設(shè)于溝床地下，該段管道需要維修時(shí)必須放空溝內(nèi)蓄水，費(fèi)時(shí)且與水庫調(diào)蓄調(diào)度產(chǎn)生矛盾。因此，為了保證該段管道維修時(shí)供水的時(shí)效性要求，垂直支溝修建了一座長35 m的土壩，管道沿土壩中心線埋深1.5 m通過。六是管線盡量避開墳地、居住區(qū)及其他建筑物，以減少拆遷、征地補(bǔ)償費(fèi)用，同時(shí)必須避開回族清真寺、墳場(chǎng)等宗教場(chǎng)所，避免民族糾紛發(fā)生。彭陽縣北部安家川連通配套工程很多管線布設(shè)在回族集居區(qū)，清真寺、墳場(chǎng)是敏感場(chǎng)所；在一座清真寺禮拜的回族群眾其死亡的同袍往往埋在一處墳場(chǎng)內(nèi)，墳場(chǎng)規(guī)模大，搬遷難度非常大。

4 管材選用

本著不同的地質(zhì)條件，不同的水壓，采用相應(yīng)匹配的管材，以達(dá)到安全、經(jīng)濟(jì)的目的。彭陽縣北部安家川連通配套工程選用的管材有球墨鑄鐵管、鋼管和PVC-M 3種。

(1)球墨鑄鐵管。使用18號(hào)以上的鑄造鐵水經(jīng)添加球化劑后，經(jīng)過離心球墨鑄鐵機(jī)高速離心鑄造成的管材，稱之為“球墨鑄鐵管”(Ductile Cast Iron Pipes)。球墨鑄鐵管是鑄鐵管的一種，具有鐵的本質(zhì)、鋼的性能。由于其防腐性能優(yōu)異、延展性能好，密封效果好，廣泛用于市政、工礦企業(yè)給水、輸氣，輸油等。在地形復(fù)雜的彭陽山區(qū)使用該管材，得到的對(duì)施工技術(shù)和現(xiàn)場(chǎng)安裝的經(jīng)驗(yàn)對(duì)類似地區(qū)的使用很有借鑒作用。當(dāng)水壓大于等于1.6 MPa，小于3.5 MPa時(shí)采用球墨鑄鐵管，但不同的地形、地質(zhì)條件，采用的管型是不一樣的。對(duì)于軟基地區(qū)、填方地段和坡度大于25°以上地段要采用壓塊式自錨球墨鑄鐵管道，這種管材能更好地適應(yīng)地基沉降要求，當(dāng)管道出現(xiàn)局部懸空時(shí)也不會(huì)影響正常供水。其他地段可采用T型接口球墨鑄鐵管道。壓塊式自錨球墨鑄鐵管比T型接口球墨鑄鐵管較貴，但T型接口球墨鑄鐵管道對(duì)基礎(chǔ)要求高。

(2)鋼管。彭陽縣北部安家川連通配套工程管道橫跨后峽溝、甘海子、田吾溝和田家井溝四條主溝道，最大靜水壓力達(dá)到 407.3 m，屬于寧夏壓力最大的人畜飲水工程。后峽溝、甘海子溝道存地表長流水，基座為白堊系下統(tǒng)馬東山組泥灰?guī)r(K1m)，因局部夾薄層狀泥灰?guī)r及灰黑色泥巖，強(qiáng)度不一，承載力差別大；田吾溝溝道存地表長流水，基巖埋深厚，上覆8～10 m厚第四系全新統(tǒng)沖積(Q1al4)壤土、角礫-碎石，承載能力較基巖差但均勻；田家井溝為茹河主支溝，存長流水，基巖外露，為第三系清水營組泥質(zhì)砂巖、砂巖，局部夾薄層泥巖或者泥質(zhì)砂巖，承載力不均勻。由于上述四處管道水壓大，地基承載力不均勻，設(shè)計(jì)安裝為壓力鋼管，其接頭采用凸面法蘭剛性連接、鋼墊封水。這樣就解決了管道承壓?jiǎn)栴}和由于地基承載力不均勻造成管道變形問題。

(3)PVC-M管。PVC-M管又稱給水用抗沖改性聚氯乙烯管，具有良好的韌性和剛性(抗沖擊性能)，能有效控制“水錘、氣錘”破壞，耐腐蝕性能好、衛(wèi)生性能高、使用壽命長，適應(yīng)更復(fù)雜環(huán)境，施工安裝方便快捷，相較球墨鑄鐵管、鋼管其價(jià)格非常低廉，而壓力等級(jí)可達(dá)1.6 MPa，但安裝要求地基承載力均勻。對(duì)于壓力等級(jí)要求低于1.6 MPa的引水、供水和排水管道非常適用。彭陽縣北部安家川連通配套工程大部分管道安裝在第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積(Qeol3)黃土覆蓋普遍較厚的丘陵地區(qū)，這種地質(zhì)條件其地基承載力非常均勻，因此，水壓要求低于1.6 MPa的地段采用了PVC-M管。

5 施工方法

農(nóng)村飲水工程大多涉及點(diǎn)多、面廣、戰(zhàn)線長，而且地質(zhì)復(fù)雜，沿途有許多城鎮(zhèn)、村莊，一旦出現(xiàn)問題就會(huì)危及人民生命財(cái)產(chǎn)安全，因此工程質(zhì)量要求非常高，相應(yīng)的施工技術(shù)就顯得非常重要。彭陽縣北部安家川連通配套工程針對(duì)不同的地質(zhì)、地形條件，采用的許多施工技術(shù)方法新穎、實(shí)用，對(duì)類似工程很有借鑒意義。

(1)3萬m3調(diào)蓄池引水管外側(cè)的封堵技術(shù)。3萬m3調(diào)蓄池修建于羅家山山頂，梯形斷面，口寬68 m,長108 m，深7 m，工程地質(zhì)為第四系上更新統(tǒng)馬蘭黃土(Qm3)，四周為山谷，山坳處居住有農(nóng)戶。該調(diào)蓄池引水管設(shè)計(jì)為直徑400 mm的球墨鑄鐵管，長38 m，由蓄水池底部一側(cè)池壁引出，上部采用原土回填。沿引水管外壁滲漏水的封堵技術(shù)是該池施工難點(diǎn)。許多人畜飲水工程調(diào)蓄池均出現(xiàn)沿引水管滲漏水現(xiàn)象，而且維修處理困難。傳統(tǒng)的封堵技術(shù)為管子周圍用三七灰土(本工程設(shè)計(jì))或二八水泥土夯實(shí)處理，沿引水管分段焊接鋼板(本工程設(shè)計(jì))以延長滲徑并防止推剪破壞。由于球墨鑄鐵管不能被機(jī)械或其他硬物撞擊，所以夯實(shí)只能人工用木棒振搗，這種方法填土密實(shí)度很難達(dá)到設(shè)計(jì)要求，尤其是管道底部。采用保德第三紀(jì)晚期紅土當(dāng)?shù)厮追Q“紅膠泥”替代三七灰土，這種紅膠泥在黃土高原普遍存在，一般在黃土下部，多在深切溝道下部兩側(cè)出露，羅家山山底沖溝就有出露，屬于不透水層。其特點(diǎn)是：膠結(jié)好，炮制好后不滲水，可就地取材。炮制的辦法是：將拉運(yùn)到施工現(xiàn)場(chǎng)的松散紅膠泥以2 m3左右為一組添加水泡24 h后用人工踩踏或粗木棒擊搗至肉眼看不到顆粒為止，狀態(tài)和硬面團(tuán)差不多，然后鋪設(shè)到引水管相應(yīng)部位，每層厚20 cm，仍然用人工踩踏或粗木棒搗擊至完全膠結(jié)，再鋪設(shè)下一層。這樣做引水管底部與管子接觸部位填土(紅膠泥)也能擠壓膠結(jié)密實(shí)，封水效果非常好。在修建水庫時(shí)在水塔外壁和輸水洞外壁也采用過同樣的封填技術(shù)，效果很好。這種技術(shù)適用于30 m以下水頭壓力工程。

(2)河道段管道施工。彭陽縣北部安家川連通配套工程有10 km安裝在茹河河道，該段地下水位高，河床白堊系下統(tǒng)馬東山組泥灰?guī)r(K1m)斷續(xù)出露。在管溝開挖和管道安裝時(shí)為防止管槽側(cè)墻塌陷和溝槽內(nèi)污水進(jìn)入管道內(nèi)，必須采取排水措施：可在溝槽任一側(cè)2 m以外挖一排水坑，引水至坑內(nèi)，用相應(yīng)流量水泵抽排。排水坑布置間隔不能過長，以管槽不塌陷、不影響管道安裝為宜。若管床為出露的巖石，為防止管基有凸點(diǎn)接觸管壁在水壓或填土壓力下造成管壁出現(xiàn)局部應(yīng)力集中而損壞管道，必須在巖石出露段管床鋪設(shè)10 cm厚砂礫石墊層，要求砂礫石最大粒徑小于2 cm，且級(jí)配良好。

(3)T型接口球墨鑄鐵管安裝。球墨鑄鐵管在運(yùn)輸、裝卸、堆放等方面嚴(yán)格按規(guī)范要求施工外，關(guān)鍵技術(shù)是接口的安裝。在安裝前用鋼絲刷、25 mm油灰平鏟、毛刷、抹布清掃插口外表面、承口內(nèi)表密封面及橡膠圈，不得沾有任何沙土等雜物，仔細(xì)檢查插口倒角是否滿足安裝要求，插口和膠圈要保持干凈。安裝時(shí)將橡膠圈彎曲成“心”或“十”字形(DN800以下把橡膠圈捏成“8”字形)放入承口密封槽內(nèi)，施加徑向力使橡膠圈完全放入密封槽內(nèi)，不得反裝或扭曲。用毛刷將潤滑油(食用油)均勻涂在承口處的橡膠圈內(nèi)表面和插口端接觸面上；插口端涂油位置是從倒角處開始涂，涂油要點(diǎn)是潤滑油不得涂在承口密封槽內(nèi)。然后保持兩根管子的中心線在一條直線上，將管子一次性插入管材上的兩條安裝標(biāo)志線的中間。

彭陽縣北部安家川連通配套工程用球墨鑄鐵管最大管徑為400 mm，采用葫蘆、倒鏈輔助人工安裝，這樣對(duì)于安裝技術(shù)熟練程度高的技術(shù)工人可憑經(jīng)驗(yàn)就能判斷出接口安裝是否到位、正確。嚴(yán)禁用挖掘機(jī)等大型機(jī)械頂入，而現(xiàn)場(chǎng)用機(jī)械頂入的管道接頭大多都滲、漏水。對(duì)于安裝完成的每一個(gè)接頭都要檢測(cè)安裝質(zhì)量，方法是：沿插口圓周用小鋸條或薄窄鋼尺900四點(diǎn)檢測(cè)插入承口內(nèi)直到頂?shù)较鹉z圈，看看深度是否一致，若不一致則拔出管子，換掉橡膠圈重新安裝；對(duì)于DN400管道要求派專人拿手電進(jìn)入管內(nèi)，檢查管子是否安裝到位，膠圈是否頂破或變形，管內(nèi)是否遺留雜物等，確保安裝質(zhì)量。為了保證管道的正常運(yùn)行，管口軸線坡度大于等于8°時(shí)，承口必須朝上指向山頂方向，才能保證球墨鑄鐵管達(dá)到設(shè)計(jì)水壓時(shí)其接口不滲水漏水。山脊、山谷兩側(cè)管道可用雙承彎頭調(diào)換管材承口方向，以保證承口始終指向山頂。

(4)鎮(zhèn)墩的布設(shè)。鎮(zhèn)墩作為農(nóng)村飲水工程管道的附屬必建項(xiàng)目在技術(shù)上并沒有特殊的要求，只是在修建過程中往往引不起施工單位的重視，甚至有裁剪鎮(zhèn)墩數(shù)量的現(xiàn)象發(fā)生，這對(duì)農(nóng)村飲水工程運(yùn)行安全造成危害，尤其是工程地質(zhì)復(fù)雜的丘陵地區(qū)的農(nóng)村飲水工程危害更甚。在工程地質(zhì)突變點(diǎn)和地形明顯變化的轉(zhuǎn)彎處按照不同的地質(zhì)條件和水壓必須布設(shè)不同規(guī)格的鎮(zhèn)墩。有許多鎮(zhèn)墩布設(shè)在半山腰或山頂，施工極其不便，需要靠人力背、擔(dān)材料才能送到，這些點(diǎn)的鎮(zhèn)墩往往被施工隊(duì)伍偷裁剪掉，而這些點(diǎn)的鎮(zhèn)墩又極其重要，一旦管道出現(xiàn)問題，會(huì)對(duì)附近的群眾生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成危害，所以各參建單位必須加強(qiáng)監(jiān)管。

彭陽縣北部安家川連通配套工程管道布設(shè)的鎮(zhèn)墩許多在地下水位線以下，根據(jù)檢測(cè)，地下水SO2-4含量較高，會(huì)對(duì)鎮(zhèn)墩等建筑物造成腐蝕，因此必須使用抗硫水泥。對(duì)于小于11.25°的管道轉(zhuǎn)角，沒有國標(biāo)管件安裝，一般采取利用不同管材的允許安裝偏轉(zhuǎn)角多根管子平順過度的辦法安裝。球墨鑄鐵管的允許安裝偏轉(zhuǎn)角為3°，PVC-M管的允許安裝偏轉(zhuǎn)角為4°，鋼管采用剛性連接，沒有允許安裝偏轉(zhuǎn)角，必須制作相應(yīng)角度的彎頭安裝。無論哪類管材，平順過渡段必須布設(shè)鎮(zhèn)墩。

6 結(jié) 語

(1)管道選線應(yīng)盡可能避開地質(zhì)條件較差的地段，盡可能減少填方段，以降低工程費(fèi)用和施工難度。

(2)在確保管道運(yùn)行安全的情況下，本著經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的原則，按照不同的水壓、不同的地質(zhì)條件選擇不同的管材和管材不同的壓力等級(jí)，以降低工程投資。水壓小于1.6 MPa且地基承載力均勻時(shí)選用PVC-M管；水壓在1.6～3.5 MPa之間選用球墨鑄鐵管且軟基地區(qū)、填方地段和坡度大于25°以上地段采用壓塊式自錨球墨鑄鐵管道；水壓大于3.5 MPa或不宜采用上述管材的地質(zhì)復(fù)雜地段選用壓力鋼管。

(3)采用保德第三紀(jì)晚期紅土(紅膠泥)替代三七灰土或二八水泥土防滲漏水效果更好，工程更安全且施工難度減小。

(4)在基巖上安裝管道必須鋪設(shè)10 cm厚、最大粒徑小于2 cm且級(jí)配良好的砂礫石墊層，以防止產(chǎn)生應(yīng)力集中而破壞管道。

(5)T型接口球墨鑄鐵管安裝不可使用大型機(jī)械頂入。管口軸線坡度大于等于8°時(shí)，承口必須朝上指向山頂方向，才能保證球墨鑄鐵管達(dá)到設(shè)計(jì)水壓時(shí)其接口不滲水漏水。

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[1] 固原市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院.寧夏中南部城鄉(xiāng)飲水安全工程彭陽縣北部安家川片區(qū)連通工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].寧夏固原，2013.

[2] GB/T13295-2013，水及燃?xì)夤艿烙们蚰T鐵管、管件和附件[S].

[3] GB50268-2008，給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范[S].