南水北調中線總干渠沂水河渠道倒虹吸工程地質問題分析

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的觀音寺鄉前張村附近。沂水河為淮河水系潁河的支流，倒虹吸工程區上游集流面積86.60 km2。

沂水河渠道倒虹吸長度401 m，由進口漸變段、進口閘、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。沂水河河谷兩岸不對稱，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。1995年實測河水位高程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。此次勘察測得河水位高程117.00 m，相應水深4～6 m，水面寬150 m左右。

2.2 地層巖性

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

2.2.1 上第三系中新統洛陽組(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，干時淺紫紅色，泥、鈣質微膠結，可塑～硬塑狀，局部富集灰白色、淺紅色鈣質團塊。共三層，單層厚1.00～5.75 m。

礫巖：灰黃色，干時灰白色，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，泥質膠結。揭露兩層：上層結構較密實，含中細砂40%左右，單層厚2～5 m。

2.2.2 第四系(Q)

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

2.3 地質構造與地震

2.3.1 地質構造

工程區處于華北準地臺(I)黃淮海坳陷(I2)區，新構造分區屬豫皖隆起～拗陷區，構造線走向以北西向為主。工程近場區地震構造圖顯示，主要有七里崗斷裂、大隗鎮斷裂、超化斷裂和新莊斷裂等。

2.3.2 地震

工程場區位于華北平原地震帶，新第三紀以來，差異活動較弱，地震活動強度小，頻率低。最大地震為1820年許昌東北6.00級地震，震中距場區40 km以上。《南水北調中線工程沿線設計地震動參數區劃報告》地震動峰值加速度值為0.10 g，為地震基本烈度VII度區。

2.4 水文地質條件

2.4.1 地下水類型

地下水分為兩類：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、輕粉質壤土中，受地表水位影響較大。測得潛水位116.82～118.17 m。潛水主要接受大氣降水和側向逕流補給，消耗于蒸發和側向逕流排泄。②承壓水：賦存于第④層砂礫石中，實測承壓水水位高程113.87～114.00 m，水頭高達10～11 m。承壓水主要接受側向逕流補給，消耗于人工開采和側向逕流排泄。

2.4.2 土體滲透性

對工程區各粘性土層取原狀土作室內滲透試驗，各土層的滲透系數見表1。

表1 土滲透試驗成果統計表

表1中第②層黃土狀中粉質壤土具弱～中等透水性，第③層黃土狀中粉質壤土具微～中等透水性，第⑤層黃土狀輕粉質壤土具弱～中等透水性，第⑥重粉質壤土及第⑦層粉質粘土具微～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，為強透水層。

3 建筑物工程地質條件及評價

3.1 地質結構

沂水河左、右岸地面高程123.50～126.00 m，河床地面高程113～115 m。場區為土、巖雙層結構，上覆第四系全新統、上更新統及中更新統地層，下伏上第三系中新統洛陽組地層。

3.2 土巖物理力學性質

3.2.1 土、巖物理力學性質

工程區對礫巖、卵石作了野外重探試驗，對土層作了靜力觸探和標準貫入試驗，在鉆孔中取原狀土樣作了室內物理力學試驗，各巖土體物理力學特征如下。

3.2.1.1 黃土狀輕粉質壤土(alQ4)

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

3.2.1.2 黃土狀中粉質壤土(alplQ3)

天然干密度1.34～1.63 g/cm3，平均值1.53 g/cm3；壓縮系數1.10×10-1～4.18×10-1MPa-1，平均值2.16×10-1MPa-1，具中等壓縮性；標貫擊數2～11擊，平均7擊，屬中硬土；濕陷系數范圍值為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1.25×10-1～3.07×10-1MPa-1，平均值1.98×10-1MPa-1，具中等壓縮性；標貫擊數5～13擊，平均9擊，屬中等偏硬土。

3.2.1.4 砂礫石(alplQ3)

標貫擊數14～28擊，平均22擊，個別大于30擊；重探擊數15～17擊，平均16擊，屬中密～密實層。

3.2.1.5 黃土狀輕粉質壤土(alplQ3)

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

3.2.1.6 重粉質壤土(dlplQ2)

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

3.2.1.7 粉質粘土(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；標貫擊數10～18擊，平均15擊，屬硬～很硬土。

3.2.2 土、巖體物理力學性指標建議值

按有關規程規范的規定，求出各土、巖體單元的物理、力學性指標的平均值和標準值，結合工程實際、測試方法以及經驗類比進行修正，提出各土、巖體物理、力學性指標建議值見表2、表3。

表2 各土層的物理性指標建議值表

表3 各土、巖體單元力學性指標建議值表

3.3 主要工程地質問題

依據建筑物型式和場區工程地質條件，主要存在施工邊坡穩定及施工排水等問題。

3.3.1 施工邊坡穩定問題

沂水河兩岸地面高程123.50～126.90 m，河底高程112.00～115.70 m，設計進、出口漸變段渠底高程116.98～ 117.14 m。倒虹吸進、出口漸變段及退水閘段施工開挖深度7～13 m，邊坡地質結構類型為黃土狀均一結構；倒虹吸管身段施工開挖深度15～18 m。邊坡地質結構類型為粘、礫雙層結構；采用復式邊坡，設置馬道，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 施工排水問題

倒虹吸管身段建基面高程97.35 m，場區賦存潛水和承壓水。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，存在施工排水問題。倒虹吸施工開挖前應先在開挖基坑周邊順河方向采取井點降壓排水措施，以免承壓水對基坑邊坡造成破壞。

第⑤層黃土狀輕粉質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，距倒虹吸水平管底板較近，為避免產生基坑突涌，建議在降低第④層砂礫石承壓水時加深降壓排水井的深度至該層。

4 結論與建議

工程場區地貌形態為山前沖洪積傾斜平原，屬土、巖雙層結構，上覆第四系中更新統、上更新統及全新統地層；下伏上第三系中新統洛陽組地層，地層分布穩定。

依據建筑物型式和工程地質條件，場區主要存在施工邊坡穩定和施工排水問題。建議施工邊坡高寬比采用1∶1.00～1∶1.50，采取井點降壓排水措施，并做好施工導流工作。