南水北調(diào)登封配套管線工程地質(zhì)條件及評(píng)價(jià)

張連忠，薛寒

(河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司，河南 鄭州 450016)

0 引言

河南省南水北調(diào)配套工程主要向11個(gè)省直轄市和所屬的6座縣級(jí)市、26座縣城以及鄧州市、滑縣2座直管市縣共45座城市的83座水廠和6座水庫(kù)供水，年分配水量29.94億m3，敷設(shè)供水管道1 000 km左右，其中河南省總干渠共設(shè)分水口門40處。

登封南水北調(diào)配套管線工程16號(hào)口門至白沙水庫(kù)段全長(zhǎng)約28.69 km，途徑平原地貌和丘陵地貌，工程沿線地層巖性多樣、工程地質(zhì)條件復(fù)雜，所表現(xiàn)的工程的地質(zhì)問(wèn)題也較多。本文運(yùn)用多種勘測(cè)手段，查明了工程沿線的地質(zhì)條件，對(duì)主要工程地質(zhì)問(wèn)題進(jìn)行了分析和評(píng)價(jià)。

1 工程概況

登封南水北調(diào)配套管線工程16號(hào)口門至白沙水庫(kù)段管徑為DN1000，管材采用給水涂塑復(fù)合鋼和球墨管，雙管布置，管道中心間距為2 m，工作壓力1.50Mpa，輸水設(shè)計(jì)流量為1.00 m3/s，年分配水量為2 000萬(wàn)m3。管道埋深為地面下2.50～5.00 m。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形地貌

工程場(chǎng)區(qū)分為兩個(gè)地貌單元：平原地貌和丘陵地貌，其中平原地貌又分為潁河河谷地貌和潁河沖洪積平原地貌。工程場(chǎng)區(qū)西高東低，整個(gè)地勢(shì)由西北向東南傾斜。地面高程為：125.00～287.00 m。樁號(hào)： 0+000～11+200和16號(hào)口門至擬建泵站之間的管線為潁河沖洪積平原地貌，管線附近地面高程為：125.00～145.00 m。樁號(hào)：11+200～25+000為潁河河谷地貌，管線附近地面高程為：141.00～189.00 m。樁號(hào)：25+000～26+680為丘陵地貌，管線附近地面高程為：190.00～258.00 m。

2.2 地層巖性

該工程沿線揭露的地層巖性有新生界第四系全新統(tǒng)沖洪積(Q4alp)和坡洪積(Q4dlp)的輕粉質(zhì)壤土、中粉質(zhì)壤土、粉砂和卵石；第四系上新統(tǒng)沖洪積(Q3alp)和坡洪積(Q3dlp)的輕(中、重)粉質(zhì)壤土和卵石，黃土狀輕(重)粉質(zhì)壤土；第四系中新統(tǒng)坡洪積(Q2dlp)的重粉質(zhì)壤土和碎石土。

新生界新近系(N)泥巖、砂巖、泥質(zhì)砂巖和砂質(zhì)泥巖。

古生界二疊系(P)砂巖和泥巖。

①層輕粉質(zhì)壤土(Q4alp)：灰黃、褐黃色，稍密，稍濕。土質(zhì)不均，局部含較多砂粒，局部為砂壤土。該層厚度一般為1.00～2.00 m。主要分布在管線所經(jīng)潁河及潁河支流的河床和漫灘上。

①-1層中粉質(zhì)壤土(Q4dlp)：灰黃、褐黃色，可塑～硬塑，土質(zhì)不均，含有碎石。層厚一般為3.00～5.00 m，較厚處約7.00 m，一般分布在沖溝底部。

②層砂卵石(Q4alp)：以灰白色為主，稍密～中密，底部為中實(shí)狀，圓狀、次圓狀，局部為次棱角狀，砂質(zhì)充填，粒徑一般為2～10 cm，含量約60%～70%，成份主要為石英砂巖，個(gè)別為灰?guī)r。局部含有漂石，粒徑大者可達(dá)30 cm。該層厚度一般>3.00 m。主要分布在管線所經(jīng)潁河及潁河支流的河床和漫灘處。

②-1層粉砂(Q4alp)：灰黃、淺黃色，松散～稍密，稍濕～飽和。主要成份為：石英、長(zhǎng)石。級(jí)配差。

③層重粉質(zhì)壤土(Q3alp)：灰黃、褐黃、黃褐等色，可塑～硬塑。見有鐵錳質(zhì)斑點(diǎn)，土質(zhì)不均，局部為輕粉質(zhì)壤土和中粉質(zhì)壤土。

③-1層黃土狀輕粉質(zhì)壤土(Q3alp)：灰黃、褐黃色，稍密，稍濕。見有白色鈣質(zhì)條紋和針狀孔隙，局部含有少許鈣質(zhì)結(jié)核。土質(zhì)不均，局部粘粒含量高。該層厚度一般為1.50～3.90 m，平均層厚約2.83 m。主要分布在南水北調(diào)總干渠16號(hào)口門附近。

③-2層黃土狀重粉質(zhì)壤土(Q3alp)：褐黃、黃褐色，可塑～硬塑。見有白色鈣質(zhì)條紋和針狀孔隙，含有少許鈣質(zhì)結(jié)核。土質(zhì)不均，局部夾有黃土狀輕粉質(zhì)壤土和黃土狀中粉質(zhì)壤土。該層厚度一般為1.50～2.60 m，平均層厚約2.05 m。主要分布在南水北調(diào)總干渠16號(hào)口門附近。

③-3層輕粉質(zhì)壤土(Q3alp)：灰黃、褐黃色，稍密～中密，稍濕。土質(zhì)不均，底部夾有砂壤土，見有鐵銹侵染。該層厚度一般為0.50～5.80 m，平均層厚約1.87 m。主要分布在潁河一級(jí)階地和二級(jí)階地的上部。

④層砂卵石(Q3alp)：以灰白色為主，多為中密狀，底部為密實(shí)狀，圓狀、次圓狀，局部為次棱角狀，砂質(zhì)充填，粒徑一般為3～8 cm，含量約60%～70%，成份主要為石英砂巖，個(gè)別為灰?guī)r。局部含有漂石，粒徑大者可達(dá)25 cm。該層厚度一般大于3.00 m。主要分布在潁河的一級(jí)階地和二級(jí)階地下部。

④-1層重粉質(zhì)壤土(Q3alp)：褐黃、黃褐色，可塑～硬塑。土質(zhì)不均，見有鐵錳質(zhì)浸染。

⑤層重粉質(zhì)壤土(Q3dlp): 褐黃、黃褐色，可塑～硬塑。局部含大量鈣質(zhì)結(jié)核，直徑1-4 cm。土質(zhì)不均，局部夾有輕粉質(zhì)壤土薄層。該層厚度一般為2.30 ～6.30 m，平均層厚約4.40 m。

⑤-1輕粉質(zhì)壤土(Q3dlp): 灰黃、淺黃色，稍密，稍濕。土質(zhì)不均，局部夾有中粉質(zhì)壤土薄層。

⑥層碎石(Q2dlp)：以灰白、灰黃色、灰色為主，母巖成分為砂巖，石英砂巖等，次棱角狀，一般粒徑為3.00～7.00 cm，較大者為10～15 cm，碎石含量為55%～65%，充填物為礫石和重粉質(zhì)壤土。該層厚度一般為1.00～8.50 m，平均層厚約3.95 m。

⑥-1層重粉質(zhì)壤土(Q2dlp)：黃褐色，硬塑。含有碎石和鈣質(zhì)結(jié)核，見有鐵錳質(zhì)氧化物，土質(zhì)不均。

⑦層泥巖(N)：褐紅色、棕紅色雜少量灰綠色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，成巖差，呈可塑～硬塑狀，失水易干裂，發(fā)育有不規(guī)則裂隙。揭露厚度中層厚大于2.00 m。主要分布在崗地。

⑦-1層泥質(zhì)砂巖(N)：褐紅色夾灰白色，巖性不均，局部砂巖和泥巖呈互層狀。

⑧層砂巖(N)：灰白色、淺褐紅色，以中細(xì)粒為主，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，層理近水平，成份主要為石英、長(zhǎng)石，含零星礫石，局部層間夾有云母片。局部膠結(jié)，膠結(jié)較好，巖心呈短柱狀。揭露層厚>2.00 m。主要分布在崗地下部。

⑧-1層砂質(zhì)泥巖(N)：褐紅色夾灰白色，巖性不均，局部砂巖和泥巖呈互層狀。

⑨層砂巖(P)：灰白、灰黃、紫紅等色，強(qiáng)～弱風(fēng)化，裂隙發(fā)育。以中細(xì)粒為主，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，層理近水平，成份主要為石英、長(zhǎng)石。局部夾有泥巖。巖芯呈柱狀。

⑨-1層泥巖(P)：紫紅色，強(qiáng)～弱風(fēng)化，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，裂隙面見有鐵錳質(zhì)侵染。

2.3 水文地質(zhì)條件

工程區(qū)根據(jù)含水層的結(jié)構(gòu)和地下水的賦存特點(diǎn)將地下水類型劃分為第四系松散層孔隙潛水和基巖裂隙水兩大類型。

松散層孔隙潛水的埋深受地貌單元的控制，潁河沖洪積平原地貌地下水埋藏較淺，丘陵地貌勘探深度內(nèi)未見地下水。

第四系孔隙潛水主要賦存于砂卵石層中，接受大氣降水補(bǔ)給，排泄方式方法主要為地下徑流、人工開采和大氣蒸發(fā)。管線穿越潁河及潁河支流勇泉河附近察期間地下水埋深0.50～7.50 m，管線其它地段地下水埋深為8.00～15.00 m。地下水多年變幅為：3.00～5.00 m。

基巖裂隙水，基巖裂隙水主要分布于基巖裂隙、構(gòu)造破碎帶、節(jié)理裂隙密集帶中，以網(wǎng)狀、脈狀及帶狀形式分布，水量一般不大，且受季節(jié)影響較大，接受大氣降水補(bǔ)給。根據(jù)工程地質(zhì)測(cè)繪和鉆探資料，勘察期間鉆孔未揭露地下水，地表也未發(fā)現(xiàn)出露點(diǎn)。

根據(jù)室內(nèi)滲透試驗(yàn)成果，結(jié)合鄰近工程勘察資料，進(jìn)行工程類比，對(duì)各土體單元的滲透性進(jìn)行評(píng)價(jià)。見表1。

表1 各土體單元滲透性評(píng)價(jià)表

2.4 土壤腐蝕性

對(duì)場(chǎng)區(qū)管道附近土壤進(jìn)行腐蝕性檢測(cè)、評(píng)價(jià)，結(jié)合管道埋深及工程地質(zhì)段巖性組合情況，本工程在管線沿線布置了5組測(cè)試點(diǎn)。試驗(yàn)成果見表2。根據(jù)測(cè)試結(jié)果可知：工程場(chǎng)區(qū)管線附近土壤土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)腐蝕等級(jí)為中等腐蝕性。

表2 輸水管線土對(duì)鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性評(píng)價(jià)表

2.5 濕陷性黃土

工程場(chǎng)區(qū)分布有濕陷性黃土，勘察期間在該區(qū)挖豎井取方塊樣進(jìn)行了室內(nèi)濕陷性試驗(yàn)。由試驗(yàn)可知：黃土狀重粉質(zhì)壤土在深度3.00 m處，濕陷系數(shù)δs為0.17×10-1>0.15×10-1，為輕微濕陷性。場(chǎng)地為非自重濕陷性場(chǎng)地，且Δs=25.50 mm<300 mm濕陷類型為Ⅰ(輕微)。在深度3.00 m處的濕陷起始?jí)毫?67 kPa。濕陷深度約為3.50 m。

3 線路工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

3.1 管線工程地質(zhì)條件分段

根據(jù)土體的時(shí)代成因、性質(zhì)和結(jié)構(gòu)類型不同，將管線沿線分為3種地質(zhì)結(jié)構(gòu)類型。

Ⅰ類(16號(hào)口門至擬建泵站之間管線、樁號(hào)A0+000～ A1+407.469、樁號(hào)0+000～8+900和9+150～11+000)，該段地質(zhì)主要結(jié)構(gòu)為壤土單一結(jié)構(gòu)。

Ⅱ類(樁號(hào)8+900～9+150和11+000～25+200)，該段地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要為上壤土下砂卵石雙層結(jié)構(gòu)，局部為上砂卵石下基巖雙層結(jié)構(gòu)。

Ⅲ類(樁號(hào)25+200～26+680)，該段地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要為上土下基巖雙層結(jié)構(gòu)。

3.2 管線工程地質(zhì)評(píng)價(jià)

3.2.1 Ⅰ類工程地質(zhì)段

該段地質(zhì)主要結(jié)構(gòu)為壤土單一結(jié)構(gòu)，存在的工程地質(zhì)問(wèn)題主要有黃土濕陷問(wèn)題、地基穩(wěn)定問(wèn)題、施工邊坡穩(wěn)定問(wèn)題和降排水問(wèn)題。

①黃土濕陷問(wèn)題,黃土狀土主要分布在16號(hào)口門至擬建泵站之間管線和樁號(hào)A0+000～A1+407.469段，場(chǎng)地為非自重濕陷性場(chǎng)地，且濕陷類型為Ⅰ(輕微)，濕陷深度約為3.50 m。存在黃土濕陷段的管線一般埋深約3.00 m左右，場(chǎng)地為非自重濕陷場(chǎng)地，管道的埋設(shè)沒(méi)有增加附加荷載，故可不考慮黃土濕陷對(duì)管線的影響，但施工時(shí)應(yīng)注意黃土受雨水浸泡產(chǎn)生的變形影響。

②地基穩(wěn)定問(wèn)題,管線基礎(chǔ)位于③層重粉質(zhì)壤土和③-3層輕粉質(zhì)壤土上，③層承載力特征值fak=140 kPa，③-3層承載力特征值fak=120 kPa，承載力滿足要求。

③施工邊坡穩(wěn)定問(wèn)題,管線埋深為地面下3.00～4.00 m，施工邊坡地層巖性為③層重粉質(zhì)壤土和③-3輕粉質(zhì)壤土，建議開挖邊坡坡比采用1∶0.75～1∶1.00。開挖過(guò)程中應(yīng)做好監(jiān)測(cè)工作，管線兩側(cè)不宜堆載。

④降排水問(wèn)題,勘察期間，地下水位埋深8.00～10.00 m，地下水多年變幅為3.00～5.00 m，建議施工前復(fù)核地下水位。

3.2.2 Ⅱ類工程地質(zhì)段

該段地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要為上壤土下砂卵石雙層結(jié)構(gòu)(局部為上砂卵石下基巖)，存在的工程地質(zhì)問(wèn)題主要有地基變形問(wèn)題、邊坡穩(wěn)定問(wèn)題和降排水問(wèn)題。

3.2.2.1 地基變形問(wèn)題

管線基礎(chǔ)位于②層砂卵石、③層重粉質(zhì)壤土、③-3層輕粉質(zhì)壤土和④層砂卵石上，②層砂卵石承載力特征值fak=160 kPa，③重粉質(zhì)壤土層承載力特征值fak=140 kPa，③-3層輕粉質(zhì)壤土承載力特征值fak=120 kPa，④層砂卵石承載力特征值fak=200 kPa，⑦層泥巖承載力特征值fak=200 kPa，⑦-1層泥質(zhì)砂巖承載力特征值fak=250 kPa，⑧層砂巖承載力特征值fak=300 kPa，⑧-1層砂質(zhì)泥巖承載力特征值fak=280 kPa，承載力滿足要求。

3.2.2.2 邊坡穩(wěn)定問(wèn)題

管線埋深為地面下3.00～5.00 m，施工臨時(shí)邊坡地層巖性為①層輕粉質(zhì)壤土、②層砂卵石、③層重粉質(zhì)壤土、③-3層輕粉質(zhì)壤土、④層砂卵石、⑦層泥巖、⑦-1層泥質(zhì)砂巖、⑧層砂巖和⑧-1層砂質(zhì)泥巖，壤土建議開挖邊坡坡比采用1∶0.75～1∶1.00；②層砂卵石建議開挖邊坡坡比采用1∶1.25～1∶1.50；④層砂卵石建議開挖邊坡坡比采用1∶1.00～1∶1.25；⑦層泥巖和⑧-1層砂質(zhì)泥巖建議開挖邊坡坡比采用1∶0.75～1∶1.00；⑦-1層泥質(zhì)砂巖和⑧層砂巖建議開挖邊坡坡比采用1∶0.50～1∶0.75。開挖過(guò)程中應(yīng)做好監(jiān)測(cè)工作，管線兩側(cè)不宜堆載。

3.2.2.3 降排水問(wèn)題

勘察期間，潁河及潁河支流勇泉河附近地下水埋深0.50～7.50 m，地下水多年變幅為：3.00～5.00 m。存在施工降排水問(wèn)題，建議施工前復(fù)核地下水位。

3.2.3 Ⅲ類工程地質(zhì)段

該段地質(zhì)結(jié)構(gòu)主要為上土下基巖雙層結(jié)構(gòu)，存在的工程地質(zhì)問(wèn)題主要有地基變形問(wèn)題和邊坡穩(wěn)定問(wèn)題。

3.2.3.1 地基變形問(wèn)題

管線基礎(chǔ)位于⑤層重粉質(zhì)壤土、⑤-1層輕粉質(zhì)壤土、⑥層碎石土、⑥-1層重粉質(zhì)壤土、⑨層砂巖和⑨-1層泥巖上，⑤層重粉質(zhì)壤土承載力特征值fak=160kPa，⑤-1層輕粉質(zhì)壤土承載力特征值fak=130 kPa，⑥層碎石土承載力特征值fak=180 kPa，⑥-1層重粉質(zhì)壤土承載力特征值fak=160 kPa，⑨層砂巖承載力特征值fak=800 kPa，⑨-1層泥巖承載力特征值fak=300 kPa，承載力滿足要求。

3.2.3.2 邊坡穩(wěn)定問(wèn)題

管線埋深為地面下2.50～4.50 m，施工臨時(shí)邊坡地層巖性為⑤層重粉質(zhì)壤土、⑤-1層輕粉質(zhì)壤土、⑥層碎石土、⑥-1層重粉質(zhì)壤土、⑨-1層泥巖和⑨層砂巖，壤土建議開挖邊坡坡比采用1∶0.75～1∶1.00；⑥層碎石土建議開挖邊坡坡比采用1∶1.00～1∶1.25；⑨層砂巖建議開挖邊坡坡比采用1∶0.50～1∶0.70；⑨-1層泥巖建議開挖邊坡坡比采用1∶0.75～1∶1.00。開挖過(guò)程中應(yīng)做好監(jiān)測(cè)工作，管線兩側(cè)不宜堆載。

4 結(jié)論

①通過(guò)多種勘察手段查明了工程的地質(zhì)條件，提出了合理的物理力學(xué)性參數(shù)；②管線工程線路長(zhǎng)，勘察難度大，多種勘探方法的運(yùn)用為類似工程提供了參考；③經(jīng)過(guò)驗(yàn)槽，管線沿線揭露的地層巖性基本與勘察報(bào)告相符。但局部由于排水效果差，造成新近系泥巖的軟化，存在換填問(wèn)題。