地質復雜地區農村飲水安全工程施工關鍵技術探討

劉學斌，張小平，劉 奇

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

彭陽縣位于寧夏回族自治區東南部、六盤山東麓，西北黃土高原的東部地帶，是一個以農業經濟為主的山區縣。當地水資源短缺，為解決當地群眾飲水困難等問題，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，導致飲水不安全人口增加。

寧夏固原地區(寧夏中南部)城鄉飲水安全水源工程是將寧夏固原地區南部六盤山東麓雨量較多、水量相對較豐沛的涇河流域地表水，經攔截、調蓄，向北輸送到固原中北部干旱缺水地區的區域性水資源優化配置工程。寧夏固原地區(寧夏中南部)城鄉飲水安全工程包括水源工程、連通工程和受水區配套工程三部分。通過新建連通管網及調蓄工程，解決固原地區4 縣(區)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沉池、輸水管道、各類閥井、調蓄水池、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，并為王洼鎮城區1.1萬居民生活飲水及公共服務業用水提供用水保障。在工程建設中要途經多條河流、山谷、梁峁和山地，工程地質復雜。該工程在建設過程中采取了許多新工藝，施工工法有新突破，施工技術有創新，對于類似工程建設具有借鑒意義。

1 工程地質條件

工程途徑地面高程為1 930～1 520 m，總體地形南高北低，管線途經河谷、黃土梁及第三系紅土層等地貌單元。河谷兩側階地發育，以Ⅰ級、Ⅱ級階地分布較廣，階地較對稱。Ⅰ級階地一般呈透鏡體狀分布，面積小。Ⅱ級階地前緣高于河床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。河床中基巖斷續出露，為基座階地。出露的地層有白堊系下統馬東山組泥灰巖(K1m)、第三系清水營組(E3q)泥質砂巖、砂巖，第四系上更新統風積(Qeol3)黃土；第四系全新統沖積(Q1al4)壤土、角礫；第四系全新統沖洪積(Q2apl4)壤土、角礫等。

白堊系下統馬東山組泥灰巖(K1m)：蘭灰色為主，中厚層-厚層狀，堅硬，局部夾薄層狀泥灰巖及灰黑色泥巖，層狀構造。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，抗風化能力較弱，暴曬之后容易崩解。

第三系清水營組(E3q)泥質砂巖、砂巖：土紅色-紫紅色細砂巖，泥質膠結，產狀呈水平，局部夾薄層泥巖或者泥質砂巖。

第四系上更新統馬蘭黃土(Qm3)：土黃色，堅硬狀態，垂直節理發育，可見大孔隙，具濕陷性。

第四系全新統沖積(Q1al4) ：壤土：微紅色、土黃色，堅硬狀態，具層理，大孔隙發育，具濕陷性。角礫：灰褐色，稍濕，松散-稍密，成分為泥灰巖、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100 mm，大于2 mm顆粒占總重的60%～80%，主要由粉細砂充填。

第四系全新統沖洪積(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，成分為泥灰巖、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60 mm，大于2 mm顆粒約占總重的65%，主要由粉細砂及砂壤土充填。主要分布在各沖溝中。

加泥層、大孔隙可形成軟弱地基，基巖含薄加泥層會造成地基承載力不均勻，濕陷性土基易塌陷、滑坡，布設水工建筑物則必須進行基礎處理，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費用。

2 水文地質

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。

管線發現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)。水質檢測成果見表1。

表1 水質成果表 mg/L

在上述不同的工程地質和水文地質條件下修建人畜飲水水工建筑物，都存在不同的工程地質缺陷，會造成基礎沉陷、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、建筑物布設等多方面采取相應的工程措施予以彌補，才能保證人畜飲水工程建成后運行正常。

3 工程定線

通過對各種地質現狀的分析，經過多次管線踏勘，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，會對管座、鎮墩等造成腐蝕，另一方面由于地下水位高，管溝開挖困難，邊坡易塌陷，并且需要對軟基進行處理，管道安裝施工難度大，管槽需要排水，建設費用會大幅度增加。如茹河地段在布設管道時盡量布在Ⅰ級、Ⅱ級階地上，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設計是從河道兩側懸崖大挖方通過，在定線時將管線向下游移了60多m從低洼段通過，避免了大挖方，降低了施工難度，減少了建設費用。四是必須避開地質塌陷區、滑坡區。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-25 ℃左右，凍土層厚1 m左右，因此管道埋深必須達到1.5 m以上，填方段管道周圍埋深也必須達到上述標準，填方段越多，工程建設費用越大。只在管線途徑乃河庫區內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，若管道埋設于溝床地下，該段管道需要維修時必須放空溝內蓄水，費時且與水庫調蓄調度產生矛盾。因此，為了保證該段管道維修時供水的時效性要求，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、居住區及其他建筑物，以減少拆遷、征地補償費用，同時必須避開回族清真寺、墳場等宗教場所，避免民族糾紛發生。彭陽縣北部安家川連通配套工程很多管線布設在回族集居區，清真寺、墳場是敏感場所；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內，墳場規模大，搬遷難度非常大。

4 管材選用

本著不同的地質條件，不同的水壓，采用相應匹配的管材，以達到安全、經濟的目的。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號以上的鑄造鐵水經添加球化劑后，經過離心球墨鑄鐵機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、鋼的性能。由于其防腐性能優異、延展性能好，密封效果好，廣泛用于市政、工礦企業給水、輸氣，輸油等。在地形復雜的彭陽山區使用該管材，得到的對施工技術和現場安裝的經驗對類似地區的使用很有借鑒作用。當水壓大于等于1.6 MPa，小于3.5 MPa時采用球墨鑄鐵管，但不同的地形、地質條件，采用的管型是不一樣的。對于軟基地區、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地基沉降要求，當管道出現局部懸空時也不會影響正常供水。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基礎要求高。

(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，基座為白堊系下統馬東山組泥灰巖(K1m)，因局部夾薄層狀泥灰巖及灰黑色泥巖，強度不一，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砂巖、砂巖，局部夾薄層泥巖或者泥質砂巖，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，設計安裝為壓力鋼管，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問題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、衛生性能高、使用壽命長，適應更復雜環境，施工安裝方便快捷，相較球墨鑄鐵管、鋼管其價格非常低廉，而壓力等級可達1.6 MPa，但安裝要求地基承載力均勻。對于壓力等級要求低于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風積(Qeol3)黃土覆蓋普遍較厚的丘陵地區，這種地質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

農村飲水工程大多涉及點多、面廣、戰線長，而且地質復雜，沿途有許多城鎮、村莊，一旦出現問題就會危及人民生命財產安全，因此工程質量要求非常高，相應的施工技術就顯得非常重要。彭陽縣北部安家川連通配套工程針對不同的地質、地形條件，采用的許多施工技術方法新穎、實用，對類似工程很有借鑒意義。

(1)3萬m3調蓄池引水管外側的封堵技術。3萬m3調蓄池修建于羅家山山頂，梯形斷面，口寬68 m,長108 m，深7 m，工程地質為第四系上更新統馬蘭黃土(Qm3)，四周為山谷，山坳處居住有農戶。該調蓄池引水管設計為直徑400 mm的球墨鑄鐵管，長38 m，由蓄水池底部一側池壁引出，上部采用原土回填。沿引水管外壁滲漏水的封堵技術是該池施工難點。許多人畜飲水工程調蓄池均出現沿引水管滲漏水現象，而且維修處理困難。傳統的封堵技術為管子周圍用三七灰土(本工程設計)或二八水泥土夯實處理，沿引水管分段焊接鋼板(本工程設計)以延長滲徑并防止推剪破壞。由于球墨鑄鐵管不能被機械或其他硬物撞擊，所以夯實只能人工用木棒振搗，這種方法填土密實度很難達到設計要求，尤其是管道底部。采用保德第三紀晚期紅土當地俗稱“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出露，羅家山山底沖溝就有出露，屬于不透水層。其特點是：膠結好，炮制好后不滲水，可就地取材。炮制的辦法是：將拉運到施工現場的松散紅膠泥以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，狀態和硬面團差不多，然后鋪設到引水管相應部位，每層厚20 cm，仍然用人工踩踏或粗木棒搗擊至完全膠結，再鋪設下一層。這樣做引水管底部與管子接觸部位填土(紅膠泥)也能擠壓膠結密實，封水效果非常好。在修建水庫時在水塔外壁和輸水洞外壁也采用過同樣的封填技術，效果很好。這種技術適用于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，河床白堊系下統馬東山組泥灰巖(K1m)斷續出露。在管溝開挖和管道安裝時為防止管槽側墻塌陷和溝槽內污水進入管道內，必須采取排水措施：可在溝槽任一側2 m以外挖一排水坑，引水至坑內，用相應流量水泵抽排。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，為防止管基有凸點接觸管壁在水壓或填土壓力下造成管壁出現局部應力集中而損壞管道，必須在巖石出露段管床鋪設10 cm厚砂礫石墊層，要求砂礫石最大粒徑小于2 cm，且級配良好。

(3)T型接口球墨鑄鐵管安裝。球墨鑄鐵管在運輸、裝卸、堆放等方面嚴格按規范要求施工外，關鍵技術是接口的安裝。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、承口內表密封面及橡膠圈，不得沾有任何沙土等雜物，仔細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，施加徑向力使橡膠圈完全放入密封槽內，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，涂油要點是潤滑油不得涂在承口密封槽內。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，這樣對于安裝技術熟練程度高的技術工人可憑經驗就能判斷出接口安裝是否到位、正確。嚴禁用挖掘機等大型機械頂入，而現場用機械頂入的管道接頭大多都滲、漏水。對于安裝完成的每一個接頭都要檢測安裝質量，方法是：沿插口圓周用小鋸條或薄窄鋼尺900四點檢測插入承口內直到頂到橡膠圈，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；對于DN400管道要求派專人拿手電進入管內，檢查管子是否安裝到位，膠圈是否頂破或變形，管內是否遺留雜物等，確保安裝質量。為了保證管道的正常運行，管口軸線坡度大于等于8°時，承口必須朝上指向山頂方向，才能保證球墨鑄鐵管達到設計水壓時其接口不滲水漏水。山脊、山谷兩側管道可用雙承彎頭調換管材承口方向，以保證承口始終指向山頂。

(4)鎮墩的布設。鎮墩作為農村飲水工程管道的附屬必建項目在技術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，甚至有裁剪鎮墩數量的現象發生，這對農村飲水工程運行安全造成危害，尤其是工程地質復雜的丘陵地區的農村飲水工程危害更甚。在工程地質突變點和地形明顯變化的轉彎處按照不同的地質條件和水壓必須布設不同規格的鎮墩。有許多鎮墩布設在半山腰或山頂，施工極其不便，需要靠人力背、擔材料才能送到，這些點的鎮墩往往被施工隊伍偷裁剪掉，而這些點的鎮墩又極其重要，一旦管道出現問題，會對附近的群眾生命財產安全構成危害，所以各參建單位必須加強監管。

彭陽縣北部安家川連通配套工程管道布設的鎮墩許多在地下水位線以下，根據檢測，地下水SO2-4含量較高，會對鎮墩等建筑物造成腐蝕，因此必須使用抗硫水泥。對于小于11.25°的管道轉角，沒有國標管件安裝，一般采取利用不同管材的允許安裝偏轉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角為3°，PVC-M管的允許安裝偏轉角為4°，鋼管采用剛性連接，沒有允許安裝偏轉角，必須制作相應角度的彎頭安裝。無論哪類管材，平順過渡段必須布設鎮墩。

6 結 語

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

(2)在確保管道運行安全的情況下，本著經濟、實用的原則，按照不同的水壓、不同的地質條件選擇不同的管材和管材不同的壓力等級，以降低工程投資。水壓小于1.6 MPa且地基承載力均勻時選用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、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復雜地段選用壓力鋼管。

(3)采用保德第三紀晚期紅土(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10 cm厚、最大粒徑小于2 cm且級配良好的砂礫石墊層，以防止產生應力集中而破壞管道。

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

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[1] 固原市水利勘測設計院.寧夏中南部城鄉飲水安全工程彭陽縣北部安家川片區連通工程初步設計報告[R].寧夏固原，2013.

[2] GB/T13295-2013，水及燃氣管道用球墨鑄鐵管、管件和附件[S].

[3] GB50268-2008，給水排水管道工程施工及驗收規范[S].