南水北調中線工程穿沁河建筑物工程地質勘察與地質問題處理實錄

喬新穎, 周 亮, 秦紅軍

(1.河南省水利勘測有限公司,河南 鄭州 450003; 2.鄭州工業貿易學校,河南 鄭州 450007)

南水北調中線工程穿沁河建筑物工程地質勘察與地質問題處理實錄

喬新穎1, 周 亮2, 秦紅軍1

(1.河南省水利勘測有限公司,河南 鄭州 450003; 2.鄭州工業貿易學校,河南 鄭州 450007)

以南水北調中線工程穿沁河建筑物工程地質勘察與地質問題處理為實例，分析場區地質環境對建筑物選址、選型的影響，論述建筑物場區存在的主要工程地質問題及相應的工程處理措施，其勘察思路和工程措施可作為類似工程研究的借鑒實例。

工程地質;地質環境;地質缺陷

太沙基說過“一個詳盡的案例應當受到與十個具有創新性理論一樣的重視。”從工程案例中吸取知識和經驗，上升為理論，這就是人們“實踐—認識—再實踐—再認識”走向成功的途徑。詳盡的案例就是“實錄”，而典型的案例則更鮮明、更生動、更有代表性，具有永恒的價值，它既是成功的典范，又是失敗的警示，是新概念、新方法、新技術的源泉。

南水北調中線工程總干渠穿沁河建筑物歷經多期系統勘察，查明了場區存在承壓水頂托、基坑涌水、基坑邊坡穩定等主要工程地質問題[1]。朱太山、馮光偉等學者曾就地基液化、倒虹吸埋深問題進行過研究[2-3]。本文針對地質缺陷提出具體工程措施,經過施工期檢驗，總體上前期地質勘察識別科學，判斷客觀，提出工程建議合理可行。該項目勘察思路可被類似工程研究借鑒。

1 工程概況

南水北調中線總干渠穿沁河建筑物型式為渠道倒虹吸，工程位于河南省溫縣徐堡鎮、博愛縣白馬溝之間，焦作—溫縣公路經沁河大橋通過本區。該工程由進口漸變段與檢修閘、倒虹吸管身段和出口漸變段與節制閘組成。建筑物進口總干渠設計樁號Ⅳ9+261.3，出口總干渠設計樁號Ⅳ10+444.3，全長1 183 m，其中進口漸變段60 m，檢修閘長15 m，管身段長1 015 m，節制閘長23 m，出口漸變段長70 m；倒虹吸管身段采用鋼筋混凝土箱形結構，單聯3孔，孔徑為6.9 m×6.9 m，兩側斜管段坡率為1∶4。倒虹吸工程設計流量265 m3/s，加大流量320 m3/s。進口設計渠水位高程107.569 m(1985國家高程基準，下同)，渠底高程100.569 m；出口設計渠水位高程106.949 m，渠底高程99.949 m。設計水深7.0 m，加大水深7.618 m。

2 工程場區地質概況

2.1 地形地貌

工程區位于黃、沁沖積平原，沁河自西向東流經本區。場區具平原區河谷地貌形態，河床寬度40～180 m(勘察期間測得，下同)，河底高程106.4～108.7 m，枯水期水深一般1.5～2.0 m；漫灘地形略有起伏，高出河床1.2～2.4 m，右岸漫灘寬175～720 m，地面高程111.0～111.5 m，左漫灘寬150～395 m，地面高程109.3～111.7 m，前緣與河床呈1.0～1.5 m低坎或緩坡連接；沁河兩岸堤高5 m左右，堤頂寬8～16 m，堤頂高程114 m左右，右岸堤內地面高程109.1～110.2 m，左岸堤內地面高程108.7～109.6 m。

2.2 地層巖性

工程區在勘察深度范圍內揭示地層為第四系沖積、坡洪積物，由中更新統地層(dlplQ2)和全新統地層(alQ4)組成。

第四系全新統地層：第(1)層黃土狀輕粉質壤土,(鉆孔揭示，下同)層厚0.2～3.0 m，具輕微濕陷性；第(2)層細砂，層厚10.0～20.6 m，分布于河槽，該層嚴重液化；第(3)層礫質中砂，厚0.3～7.6 m，僅在比較線揭露；第(4)層黃土狀重粉質壤土，層厚2.5～6.6 m，具輕微—中等濕陷性，分布于兩岸；第(5)層黃土狀中粉質壤土，層厚4～10 m，分布于兩岸，局部夾細砂；第(6)層黃土狀重粉質壤土，層厚6～13 m；第(7)層中砂，層厚0.6～7.3 m。

第四系中更新統地層：第(8)層重粉質壤土，層厚3.7～12.3 m；第(9)層細砂，層厚2.5～7.0 m；第(10)層重粉質壤土，層厚7.4～16 m，局部夾細砂夾層；第(11)層細砂，層厚0.9～7.7 m；第(12)層重粉質壤土，揭露最大厚度3.7 m，未揭穿。

2.3 地質構造及地震

工程區位于華北準地臺(Ⅰ)黃淮海坳陷(Ⅰ2)的西南部，北與山西臺背斜(Ⅰ3)相鄰。新構造分區為豫皖隆起—拗陷區與華北斷陷—隆起區交接部位，場區未發現第四紀全新世活動斷裂構造。地震動峰值加速度為0.10g，相應于地震基本烈度Ⅶ度區。場地土的類型為中軟土，建筑物的場地類別為Ⅲ類。

2.4 水文地質條件

沁河是黃河三門峽—花園口區間北岸最大支流，為一常年性河流，源于山西省沁源縣霍山南麓二郎神溝，于武陟縣南部匯入黃河，全長485 km，流域面積13 532 km2。沁河渠道倒虹吸上游集水面積12 870 km2，百年一遇洪峰流量4 000 m3/s，相應洪水位高程113.27 m。由于沁河呈地上懸河狀，在洪水期易發生決口。

工程場區地下水按其賦存條件，可分為潛水和承壓水兩種類型。潛水：主要賦存于第四系全新統細砂及沁河兩岸壤土層中，右岸潛水位高程106.17～106.67 m，埋深3.0 m左右；左岸潛水位高程104.27～106.11 m，埋深3.20～5.01 m；漫灘潛水位高程106.01～108.50 m，埋深2.0～3.90 m。承壓水：工程區內共揭示三層承壓含水層，分別賦存于第(7)層中砂、第(9)層及第(11)層細砂層中，各承壓含水層隔水頂板均為重粉質壤土。第(7)層承壓含水層厚0.6～8.5 m，隔水頂板厚2.6～9.3 m，承壓水頭高16.9～22.0 m；第(9)層承壓含水層厚3.7～7.0 m，隔水頂板厚3.0～10.1 m，承壓水頭高25.4～29.4 m。第(11)層承壓含水層厚0.9～7.7 m，隔水頂板厚7.4～14.0 m，承壓水頭高度39.8～41.3 m。潛水主要接受河水、大氣降水和上游地下水側向徑流補給，消耗于蒸發和側向徑流；承壓水主要接受上游深部徑流補給，又以徑流方式向下游排泄。場區承壓水與潛水的水力聯系不強。

3 場區地質環境對穿沁河建筑物選址、選型的影響分析

3.1 穿沁河建筑物軸線選擇

(1) 與穿沁河建筑物兩端銜接的總干渠線路比選：現選穿沁河建筑物軸線渠線線路總長6 306.7 m，其中渠道長4 875.7 m；比較線線路總長6 667.8 m，其中渠道總長5 236.8 m。河渠交叉處，渠道設計水位107.567 m，加大水位108.18 m，地面高程109 m左右，渠道設計水位與地面高程接近，現選渠道線路比較合理。

(2) 河道地形、河勢分析：沁河自五龍口以下河段均設有防洪堤，堤防隨河勢彎彎曲曲，交叉斷面上游5 km范圍內堤距850～1 250 m，下游7 km范圍內堤距750～1 250 m，現軸線交叉處堤距約800 m。現選軸線位置堤距較短，河渠基本正交，建筑物軸線沿河道向上、下游擺動并不能有效縮短建筑物長度。因此從河道地形、河勢分析本軸線位置基本合理。

(3) 工程地質條件比選：本軸線河槽上部地層16～18 m范圍內為第(2)層細砂，該層嚴重液化，第(7)層中砂，承壓水頭高16.9～22.0 m，河槽有嚴重液化砂層和高水頭承壓水，地基處理難度比較大；順河道方向在本軸線上游500 m、1 000 m，下游200 m、400 m分別布置地質鉆孔勘察，經與本軸線地質情況比較，地質結構大同小異，依然存在第(2)層細砂嚴重液化和第(7)層中砂高水頭承壓水問題，且本軸線上、下游地層中第(2)層細砂加厚，地質條件較本軸線更差。

3.2 地質條件對穿沁河建筑物型式選擇的影響

南水北調中線工程總干渠穿河建筑物型式主要有渡槽、暗渠、倒虹吸三種，其中倒虹吸又分為河倒虹吸與渠倒虹吸(需考慮總干渠渠道流量和河道流量的關系，遵循交叉建筑物采用“小流量穿大流量”的原則)，穿沁河建筑物型式最終選擇為渠道倒虹吸，其中地質條件對該建筑物型式選擇的影響見表1。

通過地質條件與設計要素的對比分析，工程建設應盡量避免對河道行洪、大堤安全的不利影響，宜采用下臥的渠道倒虹吸方案，管身應盡量避開液化砂層的影響，宜采用深埋方案，管頂置于局部沖刷線以下，滿足局部沖刷要求。

表1 地質條件與設計要素對比表

4 場區存在的主要工程地質問題

結合建筑物型式及建筑物布置，場區主要存在以下工程地質問題。

4.1 飽和砂土地震液化問題

工程區地震基本烈度為Ⅶ度，河槽第(2)層細砂屬第四系沖積物，洪水時細砂層全部淹沒于水下，屬飽和砂土，分別采用標準貫入試驗判別法、相對密度判別法及靜探判別法進行了液化判別，根據上述不同方法的判別結果，第(2)層細砂均被判別為可液化砂土，經計算，場區第(2)層細砂作為地基土屬嚴重液化等級。

4.2 黃土狀土濕陷問題

4.3 承壓水頂托破壞(基坑突涌)問題

場區共有第(7)、(9)、(11)層三層承壓水含水層。

根據基坑開挖的基坑底面平衡計算結果：第(11)層承壓水基坑突涌臨界高程低于基底，無基坑突涌問題。第(7)層中砂、第(9)層細砂承壓水基坑突涌臨界高程高于基底，均存在基坑突涌問題。另在進口檢修閘處第(7)層承壓水基坑突涌臨界高程約97.5 m，高于檢修閘基約2.5 m，亦存在基坑突涌問題。

4.4 基坑降排水及滲流穩定問題

倒虹吸基坑開挖涉及大量基坑排水的有河槽第(2)層細砂潛水及第(7)層中砂承壓水兩個含水層。

河槽細砂潛水含水層結構松散，強透水，地下水位高程106.01～108.50 m，含水層厚度13～20.6 m，倒虹吸管身建基面高程約為84.5 m，潛水位高于建基面23 m左右，存在基坑降排水問題。細砂允許滲流比降甚小，斜坡允許滲流比降更小，極易發生管涌流土、坡面沖蝕產生滲流破壞問題，直接導致邊坡破壞失穩，存在滲流穩定問題。

第(7)層中砂承壓含水層分布高程82.88～90.85 m，倒虹吸水平管段正位于其中，部分被基坑開挖清除掉，部分留作地基。該層結構松散，屬中—強透水性。存在基坑突涌及基坑疏干排水問題。

4.5 施工邊坡穩定問題

堤內土質邊坡：沁河兩岸渠道倒虹吸進、出口漸變段、檢修閘、節制閘及部分倒虹吸管段基坑開挖深度10～26 m，開挖邊坡巖性主要為第(4)、(5)、(6)層黃土狀中、重粉質壤土，為土質邊坡，第(4)層黃土狀重粉質壤土和第(5)層黃土狀中粉質壤土為中等壓塑性軟—中硬土層，地下水埋藏淺，第(4)層及其以下各層均處于地下水位以下，且第(4)層具中等濕陷性，故存在施工邊坡穩定問題。

河床及漫灘段砂土質邊坡：沁河河床內倒虹吸管身段基坑開挖深度約26 m，水下開挖深度約24 m，邊坡由第(2)層細砂、第(6)層黃土狀重粉質壤土、第(7)層中砂組成，屬粘砂多層結構。第(2)層細砂、第(7)層中砂的滲流穩定坡角遠小于內摩擦角；第(2)層細砂屬松散可液化砂層，且位于地下水以下；緊靠南大堤內側(河床內)第(2)層細砂中夾有灰黑色淤泥質重粉質壤土，呈軟塑—流塑狀，屬軟—極軟土，其中夾薄層粉砂，基坑開挖后，這些軟土因埋深較大會被擠壓流失，造成上部邊坡失穩。上述地質條件均構成基坑開挖施工邊坡穩定的不利因素。

5 主要地質缺陷的工程措施

5.1 飽和砂土地震液化的處理

綜合考慮穿沁河建筑物工程區附近沁河下游險工河段主流游蕩多變、河床細砂抗沖刷能力差、沁河作為地上懸河重要的防洪地位，管身應埋置在局部沖刷線以下[2]。倒虹吸管身采用深埋方案，可液化砂層已被清除。

5.2 施工降排水、防滲和承壓水頂托的處理

施工前、施工期測得場區潛水位均高于水平管身建基面約20 m；第(11)層承壓水基坑突涌臨界高程低于基底，無基坑突涌問題，第(7)層中砂和第(9)層細砂賦存承壓水，承壓水頭高度約17～29 m。施工采取截滲墻(防滲帷幕)、管井降水為主，明排(溝、井、坑等)為輔的綜合降排水方案。綜合防滲和降排水措施使地下水位降至倒虹吸建面以下(0.5～1 m)，避免了地下水對砂質邊坡的滲流破壞和承壓水對基坑底板的頂托破壞。

防滲工程分二期布置施工，分別采用鋸槽機、高壓旋噴和深層攪拌法施工，形成截滲墻防滲帷幕，截滲墻(防滲帷幕)頂部高程106 m，底部以進入第(8)層重粉質壤土層≥1 m控制，形成封閉式防滲體。

降排水工程分三期布置施工，降水井陸續設置，間歇抽排。一期共布置降水井84眼，水位降深約22 m；二期共布置降水井84眼，水位降深約20 m；三期共布置降水井28眼，水位降深約20 m。另根據開挖后的局部邊坡有滲水情況，在建基面四周設置明溝進行排水，在開挖至建基面附近時，采用明溝排水疏干建基面的局部積水。

5.3 施工邊坡處理措施

倒虹吸進、出口段和閘室段施工邊坡高10～15 m。施工期采取了有效的降排水措施(管井降水為主，明排為輔)，使地下水位降至開挖面以下；基坑開挖設置了2級邊坡，坡比皆采用1∶1.5，中間設置馬道，寬約1.5 m。通過以上措施保證了施工過程中基坑邊坡的整體穩定性。

管身段基坑開挖深度16～26 m。施工期采取了截滲結合管井降水為主、明排為輔的綜合降排水方案，使地下水位有效地降至開挖面以下。基坑開挖設置了4級邊坡，降低單級邊坡的高度，坡比由上至下分別為1∶1.75、1∶2.0、1∶2.25和1∶2.5，中間設置馬道(寬1 m/1 m/5 m)。局部砂質邊坡坡角出現的坍塌現象，及時采取了坡角堆置砂袋、抗滑樁等措施。通過以上措施保證了施工過程中基坑邊坡的整體穩定性。

5.4 黃土狀土濕陷及地基加固處理措施

場區第(1)層黃土狀輕粉質壤土具輕微濕陷性、第(4)層黃土狀重粉質壤土具中等濕陷性。施工時對地層上部分布的第(1)層黃土狀輕粉質壤土已挖除，對作為漸變段及閘室基礎的第(4)層黃土狀重粉質壤土進行了開挖換填處理。

倒虹吸進口翼墻段(1#-4#)、出口翼墻段(1#-5#)、進口檢修閘、出口節制閘段、部分管身段(1#-2#、66#-67#)建基面分別位于第(5)層黃土狀中粉質壤土和第(6)層黃土狀重粉質壤土中，承載力標準值分別為125 kPa和150 kPa；其下第(7)層中砂和第(8)層重粉質壤土承載力標準值分別為230 kPa和220 kPa。以上地段天然地基承載力不能滿足上部荷載要求，施工時對以上地段分別進行了水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁)加固處理。

6 結語

水利工程建設按照基本建設程序，分階段進行系統工程地質勘察對工程建設的選址、選型至關重要。建設場地的地質條件是工程設計杠桿的重要支點，查明場區工程地質條件和存在的主要工程地質問題，能夠使工程施工時，充分利用有利地質條件，避開或改造不利地質條件,達到事半功倍的目的。

[1] 張建國.秦紅軍.南水北調中線一期工程總干渠沁河渠道倒虹吸初步設計階段工程地質勘察報告[R].鄭州:河南省水利勘測有限公司,2006.

[2] 朱太山.南水北調中線穿沁建筑物地基液化問題研究[J].人民黃河,2006,8(1):67-72.

[3] 馮光偉.南水北調中線沁河倒虹吸埋深分析[J].南水北調與水利科技,2009,6(3):24-26.

(責任編輯：陳姣霞)

Engineering Geological Investigation and Geological Problem of Building Passingthrough Qin River in Middle Line Project of South-to-north Water Diversion

QIAO Xinying1, ZHOU Liang2, QIN Hongjun1

(1.HenanHydraulicEngineeringInvestigationandSurveyingCo.,Ltd,Zhengzhou,Henan450003; 2.ZhengzhouTradeandIndustrySchool,Zhengzhou,Henan450007)

In this paper,taking the building of pass through the Qin river as an example,the authors analyses the effect of the geological environment of the field on the location and type selection of buildings.The main engineering geological problems and the corresponding engineering treatment measures are discussed in this paper.The exploration ideas and engineering measures can be used as reference examples for similar projects.

engineering geology; geological environment; geological defects

2016-04-22;改回日期:2016-05-03

喬新穎(1977-),男,高級工程師,建筑工程專業,從事工程地質勘察工作。E-mail:7964612@qq.com

TV68

A

1671-1211(2016)03-0515-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.061

數字出版網址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160504.0924.018.html 數字出版日期:2016-05-04 09:24