南水北調(diào)中線總干渠沂水河渠道倒虹吸工程地質(zhì)問(wèn)題分析

任宏魁

(河南水投申城四水同治工程管理有限公司，河南 鄭州 450003)

1 工程概況

南水北調(diào)中線一期工程總干渠沂水河渠道倒虹吸工程位于河南省新鄭市西南約9 km的觀音寺鄉(xiāng)前張村附近。沂水河為淮河水系潁河的支流，倒虹吸工程區(qū)上游集流面積86.60 km2。

沂水河渠道倒虹吸長(zhǎng)度401 m，由進(jìn)口漸變段、進(jìn)口閘、倒虹吸管身段、出口閘和出口漸變段等五部分組成。

2 地質(zhì)概況

2.1 地形地貌

沂水河渠道倒虹吸工程位于箕山東麓山前沖洪積傾斜平原區(qū)。沂水河河谷兩岸不對(duì)稱(chēng)，右岸地面高程126 m左右，為侵蝕岸，岸坡多成陡坎；左岸地面高程123.50 m左右。河谷寬150～200 m，河床靠近右側(cè)。1995年實(shí)測(cè)河水位高程113.50 m，水深2～3 m，水面寬約30～40 m，工程下游3 km處混凝土壩擋水壅高河水位。此次勘察測(cè)得河水位高程117.00 m，相應(yīng)水深4～6 m，水面寬150 m左右。

2.2 地層巖性

工程區(qū)地層為土、巖雙層結(jié)構(gòu)，下伏上第三系(N1L)粘土巖與礫巖，上覆第四系(Q)輕、中、重粉質(zhì)壤土及粉質(zhì)粘土等。

2.2.1 上第三系中新統(tǒng)洛陽(yáng)組(N1L)

河湖相沉積，巖性不均，主要為粘土巖及礫巖。揭露厚度最大29.50 m，未揭穿。

粘土巖：棕紅色雜灰綠色，干時(shí)淺紫紅色，泥、鈣質(zhì)微膠結(jié)，可塑～硬塑狀，局部富集灰白色、淺紅色鈣質(zhì)團(tuán)塊。共三層，單層厚1.00～5.75 m。

礫巖：灰黃色，干時(shí)灰白色，礫石成份以灰白色石英巖、石英砂巖為主，礫(卵)石含量50%～60%，粒徑3～5 cm，泥質(zhì)膠結(jié)。揭露兩層：上層結(jié)構(gòu)較密實(shí)，含中細(xì)砂40%左右，單層厚2～5 m。

2.2.2 第四系(Q)

包括中更新統(tǒng)坡洪積層(dlplQ2)、上更新統(tǒng)沖洪積層(alplQ3)和全新統(tǒng)沖積層(alQ4)等。中更新統(tǒng)(dlplQ2)：坡洪積成因，巖性主要為粉質(zhì)粘土和重粉質(zhì)壤土。上更新統(tǒng)(alplQ3)：沖洪積成因，巖性由黃土狀輕、中粉質(zhì)壤土及砂礫石組成。全新統(tǒng)(alQ4)：沖積成因，主要由黃土狀輕粉質(zhì)壤土組成，厚度變化較大，分布于河床及漫灘。

2.3 地質(zhì)構(gòu)造與地震

2.3.1 地質(zhì)構(gòu)造

工程區(qū)處于華北準(zhǔn)地臺(tái)(I)黃淮海坳陷(I2)區(qū)，新構(gòu)造分區(qū)屬豫皖隆起～拗陷區(qū)，構(gòu)造線走向以北西向?yàn)橹?。工程近?chǎng)區(qū)地震構(gòu)造圖顯示，主要有七里崗斷裂、大隗鎮(zhèn)斷裂、超化斷裂和新莊斷裂等。

2.3.2 地震

工程場(chǎng)區(qū)位于華北平原地震帶，新第三紀(jì)以來(lái)，差異活動(dòng)較弱，地震活動(dòng)強(qiáng)度小，頻率低。最大地震為1820年許昌東北6.00級(jí)地震，震中距場(chǎng)區(qū)40 km以上?！赌纤闭{(diào)中線工程沿線設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃報(bào)告》地震動(dòng)峰值加速度值為0.10 g，為地震基本烈度VII度區(qū)。

2.4 水文地質(zhì)條件

2.4.1 地下水類(lèi)型

地下水分為兩類(lèi)：第四系孔隙潛水及承壓水。①第四系孔隙潛水：賦存于黃土狀中、輕粉質(zhì)壤土中，受地表水位影響較大。測(cè)得潛水位116.82～118.17 m。潛水主要接受大氣降水和側(cè)向逕流補(bǔ)給，消耗于蒸發(fā)和側(cè)向逕流排泄。②承壓水：賦存于第④層砂礫石中，實(shí)測(cè)承壓水水位高程113.87～114.00 m，水頭高達(dá)10～11 m。承壓水主要接受側(cè)向逕流補(bǔ)給，消耗于人工開(kāi)采和側(cè)向逕流排泄。

2.4.2 土體滲透性

對(duì)工程區(qū)各粘性土層取原狀土作室內(nèi)滲透試驗(yàn)，各土層的滲透系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 土滲透試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)表

表1中第②層黃土狀中粉質(zhì)壤土具弱～中等透水性，第③層黃土狀中粉質(zhì)壤土具微～中等透水性，第⑤層黃土狀輕粉質(zhì)壤土具弱～中等透水性，第⑥重粉質(zhì)壤土及第⑦層粉質(zhì)粘土具微～極微透水性。第④層砂礫石多為中粗砂充填，為承壓性含水層，為強(qiáng)透水層。

3 建筑物工程地質(zhì)條件及評(píng)價(jià)

3.1 地質(zhì)結(jié)構(gòu)

沂水河左、右岸地面高程123.50～126.00 m，河床地面高程113～115 m。場(chǎng)區(qū)為土、巖雙層結(jié)構(gòu)，上覆第四系全新統(tǒng)、上更新統(tǒng)及中更新統(tǒng)地層，下伏上第三系中新統(tǒng)洛陽(yáng)組地層。

3.2 土巖物理力學(xué)性質(zhì)

3.2.1 土、巖物理力學(xué)性質(zhì)

工程區(qū)對(duì)礫巖、卵石作了野外重探試驗(yàn)，對(duì)土層作了靜力觸探和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，在鉆孔中取原狀土樣作了室內(nèi)物理力學(xué)試驗(yàn)，各巖土體物理力學(xué)特征如下。

3.2.1.1 黃土狀輕粉質(zhì)壤土(alQ4)

天然干密度平均值1.58 g/cm3；標(biāo)貫擊數(shù)1～6擊，平均3擊，屬軟土；濕陷系數(shù)1.20×10-3～2.00×10-2，具輕微濕陷性。

3.2.1.2 黃土狀中粉質(zhì)壤土(alplQ3)

天然干密度1.34～1.63 g/cm3，平均值1.53 g/cm3；壓縮系數(shù)1.10×10-1～4.18×10-1MPa-1，平均值2.16×10-1MPa-1，具中等壓縮性；標(biāo)貫擊數(shù)2～11擊，平均7擊，屬中硬土；濕陷系數(shù)范圍值為2.80×10-2～5.40×10-2，具弱～中等濕陷性。

3.2.1.3 黃土狀中粉質(zhì)壤土(alplQ3)

天然干密度1.56～1.64 g/cm3，平均值1.61 g/cm3；壓縮系數(shù)1.25×10-1～3.07×10-1MPa-1，平均值1.98×10-1MPa-1，具中等壓縮性；標(biāo)貫擊數(shù)5～13擊，平均9擊，屬中等偏硬土。

3.2.1.4 砂礫石(alplQ3)

標(biāo)貫擊數(shù)14～28擊，平均22擊，個(gè)別大于30擊；重探擊數(shù)15～17擊，平均16擊，屬中密～密實(shí)層。

3.2.1.5 黃土狀輕粉質(zhì)壤土(alplQ3)

天然干密度1.56～1.67 g/cm3，平均值1.62 g/cm3；壓縮系數(shù)1.22×10-1～1.80×10-1MPa-1，平均值1.43×10-1MPa-1，具中等壓縮性；標(biāo)貫擊數(shù)6～14擊，平均11擊，屬中等偏硬土。

3.2.1.6 重粉質(zhì)壤土(dlplQ2)

天然干密度1.44～1.66 g/cm3，平均值1.53 g/cm3；壓縮系數(shù)1.20×10-1～2.13×10-1MPa-1，平均值1.69×10-1MPa-1，具中等壓縮性；標(biāo)貫擊數(shù)7～14擊，平均10擊，屬中等偏硬土。

3.2.1.7 粉質(zhì)粘土(dlplQ2)

天然干密度1.53～1.71 g/cm3，平均值1.67 g/cm3；壓縮系數(shù)7.00×10-2～1.20×10-1MPa-1，平均值9.30×10-2MPa-1，具低～中等壓縮性；標(biāo)貫擊數(shù)10～18擊，平均15擊，屬硬～很硬土。

3.2.2 土、巖體物理力學(xué)性指標(biāo)建議值

按有關(guān)規(guī)程規(guī)范的規(guī)定，求出各土、巖體單元的物理、力學(xué)性指標(biāo)的平均值和標(biāo)準(zhǔn)值，結(jié)合工程實(shí)際、測(cè)試方法以及經(jīng)驗(yàn)類(lèi)比進(jìn)行修正，提出各土、巖體物理、力學(xué)性指標(biāo)建議值見(jiàn)表2、表3。

表2 各土層的物理性指標(biāo)建議值表

表3 各土、巖體單元力學(xué)性指標(biāo)建議值表

3.3 主要工程地質(zhì)問(wèn)題

依據(jù)建筑物型式和場(chǎng)區(qū)工程地質(zhì)條件，主要存在施工邊坡穩(wěn)定及施工排水等問(wèn)題。

3.3.1 施工邊坡穩(wěn)定問(wèn)題

沂水河兩岸地面高程123.50～126.90 m，河底高程112.00～115.70 m，設(shè)計(jì)進(jìn)、出口漸變段渠底高程116.98～ 117.14 m。倒虹吸進(jìn)、出口漸變段及退水閘段施工開(kāi)挖深度7～13 m，邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)類(lèi)型為黃土狀均一結(jié)構(gòu)；倒虹吸管身段施工開(kāi)挖深度15～18 m。邊坡地質(zhì)結(jié)構(gòu)類(lèi)型為粘、礫雙層結(jié)構(gòu)；采用復(fù)式邊坡，設(shè)置馬道，邊坡高寬比采用：粘性土1∶1.50～1∶1.75，砂礫石1∶1.75～1∶2.00。

3.3.2 施工排水問(wèn)題

倒虹吸管身段建基面高程97.35 m，場(chǎng)區(qū)賦存潛水和承壓水。承壓水位高程113.87～114.00 m，高出倒虹吸水平管段建基面16.50 m左右，存在施工排水問(wèn)題。倒虹吸施工開(kāi)挖前應(yīng)先在開(kāi)挖基坑周邊順河方向采取井點(diǎn)降壓排水措施，以免承壓水對(duì)基坑邊坡造成破壞。

第⑤層黃土狀輕粉質(zhì)壤土底部亦存在與第④層砂礫石相似的卵、礫石夾層，分布不連續(xù)，距倒虹吸水平管底板較近，為避免產(chǎn)生基坑突涌，建議在降低第④層砂礫石承壓水時(shí)加深降壓排水井的深度至該層。

4 結(jié)論與建議

工程場(chǎng)區(qū)地貌形態(tài)為山前沖洪積傾斜平原，屬土、巖雙層結(jié)構(gòu)，上覆第四系中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)及全新統(tǒng)地層；下伏上第三系中新統(tǒng)洛陽(yáng)組地層，地層分布穩(wěn)定。

依據(jù)建筑物型式和工程地質(zhì)條件，場(chǎng)區(qū)主要存在施工邊坡穩(wěn)定和施工排水問(wèn)題。建議施工邊坡高寬比采用1∶1.00～1∶1.50，采取井點(diǎn)降壓排水措施，并做好施工導(dǎo)流工作。