南水北調(diào)中線翁澗河倒虹吸工程地質(zhì)問題及評價

王紅莉，陳鵬，郭東波，任永生

1.河南省豫東水利工程管理局，河南 開封 475001；2.河南省水利勘測有限公司，河南 鄭州 450003；3.金龍水利工程（河南）有限公司，河南 商丘 476000

1 概況

南水北調(diào)中線工程總干渠翁澗河渠道倒虹吸工程位于河南省焦作市恩村三街東北。翁澗河為海河水系衛(wèi)河的一條支流，渠道倒虹吸上游匯水面積37.70 km2，100 年一遇洪峰流量740 m3/s，相應洪水位98.44 m，300年一遇洪峰流量873 m3/s，相應洪水位98.77 m。總干渠穿越翁澗河建筑物型式為渠道倒虹吸，由進口漸變段、檢修閘段、倒虹吸管身段、節(jié)制閘段和出口漸變段五部分組成，建筑物總長519 m。

1.1 地形地貌

工程區(qū)位于太行山前沖洪積平原區(qū)，地形較為平坦、開闊，地勢由西北向東南微傾，地面坡降約2‰。翁澗河自西北向東南流經(jīng)工程區(qū)，河谷呈淺“U”字形，河床寬約50 m。沿河兩岸筑有寬度約5～8 m，高0.50～1.50 m的河堤。翁澗河兩岸地面高程97.50～99.75 m，河底高程95.74～97.16 m。

1.2 地層巖性

在勘探深度范圍內(nèi)，揭露地層主要為第四系全新統(tǒng)沖洪積層及中更新統(tǒng)坡洪積層，現(xiàn)分述于下：

①黃土狀重粉質(zhì)壤土（alQ24）：黃褐色，軟至可塑狀，可見針狀孔及植物根孔，結(jié)構(gòu)疏松，頂部為厚0.50 m的雜填土或耕植土層，層厚2.40～5.40 m，層底高程93.00～96.10 m。翁澗河兩岸河堤及新月鐵路路基為人工填土。②、③重粉質(zhì)壤土（alplQ14）：分為兩層。上層褐黃至褐色，軟至可塑狀，含有機質(zhì)，可見螺殼碎片，層厚0.30～3.20 m，層底高程91.03～94.19 m。下層黃至淺棕黃色，可塑狀，見鐵銹侵染，偶含鈣質(zhì)結(jié)核，層厚1.80～5.90 m，層底高程87.26～91.75 m。④中粉質(zhì)壤土（alplQ14）：淺棕黃色，硬塑～可塑狀，可見鐵銹侵染，土質(zhì)不均，局部相變?yōu)檩p粉質(zhì)壤土，層厚3.40～9.70 m，層底高程81.06～87.70 m。⑤中細砂（alplQ14）：灰黃色至灰褐色，飽和，中密，砂粒成分主要為灰?guī)r、石英及長石碎屑，偶含礫石，巖性不均，局部相變?yōu)樯叭劳?。層?.00～6.70 m，層底高程77.26～81.51 m。⑥重粉質(zhì)壤土（dlplQ2）：棕黃至棕紅色，可塑至硬塑狀，結(jié)構(gòu)較致密，含有鈣質(zhì)結(jié)核，零星可見黑色鐵錳質(zhì)結(jié)核，土質(zhì)不均，局部夾中粉質(zhì)壤土透鏡體。最大揭露厚度13.15 m。

1.3 各土體單元物理力學特征

勘察對各土層作了標準貫入試驗，并取原狀土樣作了室內(nèi)物理力學試驗，對砂層作了標貫試驗，經(jīng)綜合分析整理，各土體單元的物理力學特征如下。

第①層黃土狀重粉質(zhì)壤土：天然干密度Pd范圍值1.38～1.63 g/cm3，平均值1.54 g/cm3；液性指數(shù)范圍值0.20～0.60，平均值0.52；壓縮系數(shù)α1-2 范圍值0.17～0.87 MPa-1，平均值0.34 MPa-1，標準貫入擊數(shù)N范圍值1～6擊，平均值3擊，屬高～中等壓縮性軟土，濕陷系數(shù)0.02～0.05，具輕微～中等濕陷性。

第②層重粉質(zhì)壤土：天然干密度Pd范圍值1.46～1.62 g/cm3，平均值1.56 g/cm3；液性指數(shù)范圍值0.20～0.50，平均值0.33；壓縮系數(shù)α1-2 范圍值0.23～0.44 MPa-1，平均值0.31 MPa-1，標準貫入擊數(shù)N范圍值4～9擊，平均值6擊，屬中等壓縮性中硬土。

第③層重粉質(zhì)壤土：天然干密度Pd范圍值1.46～1.64 g/cm3，平均值1.56 g/cm3；液性指數(shù)范圍值0.10～0.70，平均值0.31；壓縮系數(shù)α1-2 范圍值0.22～0.50MPa-1，平均值0.36 MPa-1，標準貫入擊數(shù)N范圍值5～11擊，平均值8擊，具中等壓縮性中硬土。

第④層中粉質(zhì)壤土：天然干密度Pd范圍值1.62～1.69 g/cm3，平均值1.67 g/cm3；液性指數(shù)范圍值0.20～0.40，平均值0.33；壓縮系數(shù)α1-2范圍值0.11～0.23 MPa-1，平均值0.17 MPa-1，標準貫入擊數(shù)N范圍值5～11擊，平均值9擊，屬中等壓縮性硬至中硬土。

第⑤層中細砂：標準貫入擊數(shù)范圍值17～27擊，平均值21擊，屬中密砂層。

第⑥層重粉質(zhì)壤土：天然干密度Pd范圍值1.52～1.63 g/cm3，平均值1.59 g/cm3；液性指數(shù)范圍值0.10～0.40，平均值0.25；壓縮系數(shù)α1-2 范圍值0.18～0.47 MPa-1，平均值0.31 MPa-1，標準貫入擊數(shù)N范圍值7～19擊，平均值11擊，屬中等壓縮性硬土。

2 主要工程地質(zhì)問題及評價

2.1 主要工程地質(zhì)問題

根據(jù)建筑物型式和工程地質(zhì)條件，建筑物場區(qū)存在的主要工程地質(zhì)問題是閘基穩(wěn)定問題、施工邊坡穩(wěn)定問題、承壓水的頂托破壞及施工排水問題。

2.1.1 閘基穩(wěn)定問題

進口閘基礎置于第②層重粉質(zhì)壤土中，為中等壓縮性中硬土，其承載力標準值fk=115 kPa。出口閘位于第①層黃土狀重粉質(zhì)壤土中，該層為軟土，其承載力標準值fk僅為90 kPa，且基礎埋深較淺，存在閘基穩(wěn)定問題，建議采取適當?shù)奶幚泶胧?/p>

2.1.2 施工邊坡穩(wěn)定及施工排水問題

倒虹吸主體建筑物段施工臨時邊坡高度上游鐵路段為10 m，下游河流段為15 m，邊坡為粘性土均一結(jié)構(gòu)，粘性土多為中等壓縮性中軟～中硬土；場區(qū)賦存潛水和承壓水，潛水位高程95.90～97.46 m，高出倒虹吸水平管段建基面12～14 m，第⑤層中細砂承壓含水層承壓水位高程96.09～96.10 m，承壓水頭14.30～15.00 m，以上各種因素影響施工邊坡穩(wěn)定性。建議施工開挖邊坡高寬比1：1.50～1：1.75，分級開挖，中間設置馬道。

2.1.3 承壓水的頂托破壞（基坑突涌）問題

場區(qū)第⑤層中細砂為承壓水含水層，強透水，其上粘性土為相對隔水層。含水層頂面高程81.06～87.70 m，承壓水位96.09～96.10 m，承壓水水頭高一般14.30～15.00 m。按1 m土層可承受2 m 承壓水頭估算，承壓頂面以上需7.00～7.50 m 厚土層方能保持平衡穩(wěn)定。而倒虹吸管身段建基面至承壓含水層頂面厚度僅1～6 m，施工開挖時，地基必產(chǎn)生頂托破壞，以河流段更為嚴重。按承壓含水層頂面最高處及現(xiàn)測最高水位估算，當開挖至約90 m 高程后，基坑將失去平衡，即產(chǎn)生基坑突涌，因此，不能采取坑內(nèi)疏干排水措施，建議采取井點降壓排水措施，將地下水位降至建基面以下的安全深度，設觀測孔進行觀測，確保地基不遭受破壞，方可開挖基坑，并做好施工排水。

2.2 建筑物工程地質(zhì)評價

2.2.1 進口漸變段（含檢修閘）

進口漸變段（含檢修閘）長57 m，地面高程98.80 m，建基面主要位于第①層黃土狀重粉質(zhì)壤土中，檢修閘建基面位于第②層重粉質(zhì)壤土中。第①層為中等～高壓縮性軟土，其承載力標準值fk=90 kPa；第②層為中等壓縮性中硬土，其承載力標準值fk=115 kPa。閘基埋藏較淺，另外第①層黃土狀重粉質(zhì)壤土具輕微～中等濕陷性，需對地基進行處理。由于設計水位高于進口段地面高程，需填方筑堤，施工時應保證填土質(zhì)量。

2.2.2 倒虹吸管身段

該段全長390 m，分上游鐵路段和下游河流段，各由進、出口斜管段和水平段組成。地面高程98～99 m，河底高程約96 m，管身段建基面高程上游段約87.70 m，下游段約83.65 m，該段基礎均位于第④層中粉質(zhì)壤土中，該層承載力標準值為160 kPa。該段施工邊坡高度10～15 m，邊坡結(jié)構(gòu)類型為粘性土均一結(jié)構(gòu)，邊坡大部分位于地下水位以下，存在施工邊坡穩(wěn)定問題及基坑排水問題。建議施工邊坡采用分級邊坡，邊坡高寬比1：1.50～1：1.75，并注意基坑排水。

倒虹吸管身段建基面以下第⑤層中細砂為承壓含水層，承壓水水頭高一般14.30～15.00 m，管身段建基面以下隔水頂板厚僅1～4 m，施工開挖時，存在承壓水頂托破壞問題。建議采取井點排水降壓措施將承壓水水位降低至建基面以下，并設觀測孔進行監(jiān)控。

2.2.3 出口漸變段（含節(jié)制閘）

出口漸變段（含節(jié)制閘）長72 m，地面高程97.50 m，節(jié)制閘建基面高程約95.50 m，節(jié)制閘建基面位于第①層黃土狀重粉質(zhì)壤土中，該層為軟土，具輕微～中等濕陷性，其承載力標準值fk僅為90 kPa，且基礎埋深較淺，需對地基進行處理，防止?jié)裣葑冃?，提高地基強度?/p>

3 結(jié)論

翁澗河渠道倒虹吸渠工程為南水北調(diào)中線工程總干渠穿越翁澗河的河渠交叉建筑物。工程區(qū)地質(zhì)結(jié)構(gòu)，倒虹吸由進口漸變段、檢修閘段、倒虹吸管身段、節(jié)制閘段和出口漸變段五部分組成，主要存在工程地質(zhì)問題、閘基穩(wěn)定問題、施工邊坡穩(wěn)定、施工排水問題及承壓水的頂托破壞問題等。倒虹吸段層頂面厚度僅1～6 m，施工開挖時，地基必產(chǎn)生頂托破壞，以河流段更為嚴重，會產(chǎn)生基坑突涌，為確保工程運行及施工的安全，建議采取井點降壓排水措施，將地下水位降至建基面以下的安全深度，并設觀測孔進行觀測，確保地基不遭受破壞，并做好施工排水工作。