南水北調登封配套管線工程地質條件及評價

張連忠，薛寒

(河南省水利勘測設計研究有限公司，河南 鄭州 450016)

0 引言

河南省南水北調配套工程主要向11個省直轄市和所屬的6座縣級市、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座水庫供水，年分配水量29.94億m3，敷設供水管道1 000 km左右，其中河南省總干渠共設分水口門40處。

登封南水北調配套管線工程16號口門至白沙水庫段全長約28.69 km，途徑平原地貌和丘陵地貌，工程沿線地層巖性多樣、工程地質條件復雜，所表現的工程的地質問題也較多。本文運用多種勘測手段，查明了工程沿線的地質條件，對主要工程地質問題進行了分析和評價。

1 工程概況

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

2 工程地質條件

2.1 地形地貌

工程場區分為兩個地貌單元：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。工程場區西高東低，整個地勢由西北向東南傾斜。地面高程為：125.00～287.00 m。樁號： 0+000～11+200和16號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：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：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沖洪積(Q4alp)和坡洪積(Q4dlp)的輕粉質壤土、中粉質壤土、粉砂和卵石；第四系上新統沖洪積(Q3alp)和坡洪積(Q3dlp)的輕(中、重)粉質壤土和卵石，黃土狀輕(重)粉質壤土；第四系中新統坡洪積(Q2dlp)的重粉質壤土和碎石土。

新生界新近系(N)泥巖、砂巖、泥質砂巖和砂質泥巖。

古生界二疊系(P)砂巖和泥巖。

①層輕粉質壤土(Q4alp)：灰黃、褐黃色，稍密，稍濕。土質不均，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潁河及潁河支流的河床和漫灘上。

①-1層中粉質壤土(Q4dlp)：灰黃、褐黃色，可塑～硬塑，土質不均，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，底部為中實狀，圓狀、次圓狀，局部為次棱角狀，砂質充填，粒徑一般為2～10 cm，含量約60%～70%，成份主要為石英砂巖，個別為灰巖。局部含有漂石，粒徑大者可達30 cm。該層厚度一般>3.00 m。主要分布在管線所經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、長石。級配差。

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

③-1層黃土狀輕粉質壤土(Q3alp)：灰黃、褐黃色，稍密，稍濕。見有白色鈣質條紋和針狀孔隙，局部含有少許鈣質結核。土質不均，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總干渠16號口門附近。

③-2層黃土狀重粉質壤土(Q3alp)：褐黃、黃褐色，可塑～硬塑。見有白色鈣質條紋和針狀孔隙，含有少許鈣質結核。土質不均，局部夾有黃土狀輕粉質壤土和黃土狀中粉質壤土。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總干渠16號口門附近。

③-3層輕粉質壤土(Q3alp)：灰黃、褐黃色，稍密～中密，稍濕。土質不均，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階地和二級階地的上部。

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

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

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

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

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層重粉質壤土(Q2dlp)：黃褐色，硬塑。含有碎石和鈣質結核，見有鐵錳質氧化物，土質不均。

⑦層泥巖(N)：褐紅色、棕紅色雜少量灰綠色，泥質結構，成巖差，呈可塑～硬塑狀，失水易干裂，發育有不規則裂隙。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，以中細粒為主，砂質結構，層狀構造，層理近水平，成份主要為石英、長石，含零星礫石，局部層間夾有云母片。局部膠結，膠結較好，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～弱風化，裂隙發育。以中細粒為主，砂質結構，層狀構造，層理近水平，成份主要為石英、長石。局部夾有泥巖。巖芯呈柱狀。

⑨-1層泥巖(P)：紫紅色，強～弱風化，泥質結構，層狀構造，裂隙面見有鐵錳質侵染。

2.3 水文地質條件

工程區根據含水層的結構和地下水的賦存特點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，接受大氣降水補給，排泄方式方法主要為地下徑流、人工開采和大氣蒸發。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、構造破碎帶、節理裂隙密集帶中，以網狀、脈狀及帶狀形式分布，水量一般不大，且受季節影響較大，接受大氣降水補給。根據工程地質測繪和鉆探資料，勘察期間鉆孔未揭露地下水，地表也未發現出露點。

根據室內滲透試驗成果，結合鄰近工程勘察資料，進行工程類比，對各土體單元的滲透性進行評價。見表1。

表1 各土體單元滲透性評價表

2.4 土壤腐蝕性

對場區管道附近土壤進行腐蝕性檢測、評價，結合管道埋深及工程地質段巖性組合情況，本工程在管線沿線布置了5組測試點。試驗成果見表2。根據測試結果可知：工程場區管線附近土壤土對鋼結構腐蝕等級為中等腐蝕性。

表2 輸水管線土對鋼結構的腐蝕性評價表

2.5 濕陷性黃土

工程場區分布有濕陷性黃土，勘察期間在該區挖豎井取方塊樣進行了室內濕陷性試驗。由試驗可知：黃土狀重粉質壤土在深度3.00 m處，濕陷系數δs為0.17×10-1>0.15×10-1，為輕微濕陷性。場地為非自重濕陷性場地，且Δs=25.50 mm<300 mm濕陷類型為Ⅰ(輕微)。在深度3.00 m處的濕陷起始壓力為167 kPa。濕陷深度約為3.50 m。

3 線路工程地質評價

3.1 管線工程地質條件分段

根據土體的時代成因、性質和結構類型不同，將管線沿線分為3種地質結構類型。

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

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

Ⅲ類(樁號25+200～26+680)，該段地質結構主要為上土下基巖雙層結構。

3.2 管線工程地質評價

3.2.1 Ⅰ類工程地質段

該段地質主要結構為壤土單一結構，存在的工程地質問題主要有黃土濕陷問題、地基穩定問題、施工邊坡穩定問題和降排水問題。

①黃土濕陷問題,黃土狀土主要分布在16號口門至擬建泵站之間管線和樁號A0+000～A1+407.469段，場地為非自重濕陷性場地，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，場地為非自重濕陷場地，管道的埋設沒有增加附加荷載，故可不考慮黃土濕陷對管線的影響，但施工時應注意黃土受雨水浸泡產生的變形影響。

②地基穩定問題,管線基礎位于③層重粉質壤土和③-3層輕粉質壤土上，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施工邊坡穩定問題,管線埋深為地面下3.00～4.00 m，施工邊坡地層巖性為③層重粉質壤土和③-3輕粉質壤土，建議開挖邊坡坡比采用1∶0.75～1∶1.00。開挖過程中應做好監測工作，管線兩側不宜堆載。

④降排水問題,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，建議施工前復核地下水位。

3.2.2 Ⅱ類工程地質段

該段地質結構主要為上壤土下砂卵石雙層結構(局部為上砂卵石下基巖)，存在的工程地質問題主要有地基變形問題、邊坡穩定問題和降排水問題。

3.2.2.1 地基變形問題

管線基礎位于②層砂卵石、③層重粉質壤土、③-3層輕粉質壤土和④層砂卵石上，②層砂卵石承載力特征值fak=160 kPa，③重粉質壤土層承載力特征值fak=140 kPa，③-3層輕粉質壤土承載力特征值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 邊坡穩定問題

管線埋深為地面下3.00～5.00 m，施工臨時邊坡地層巖性為①層輕粉質壤土、②層砂卵石、③層重粉質壤土、③-3層輕粉質壤土、④層砂卵石、⑦層泥巖、⑦-1層泥質砂巖、⑧層砂巖和⑧-1層砂質泥巖，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層砂質泥巖建議開挖邊坡坡比采用1∶0.75～1∶1.00；⑦-1層泥質砂巖和⑧層砂巖建議開挖邊坡坡比采用1∶0.50～1∶0.75。開挖過程中應做好監測工作，管線兩側不宜堆載。

3.2.2.3 降排水問題

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。存在施工降排水問題，建議施工前復核地下水位。

3.2.3 Ⅲ類工程地質段

該段地質結構主要為上土下基巖雙層結構，存在的工程地質問題主要有地基變形問題和邊坡穩定問題。

3.2.3.1 地基變形問題

管線基礎位于⑤層重粉質壤土、⑤-1層輕粉質壤土、⑥層碎石土、⑥-1層重粉質壤土、⑨層砂巖和⑨-1層泥巖上，⑤層重粉質壤土承載力特征值fak=160kPa，⑤-1層輕粉質壤土承載力特征值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 邊坡穩定問題

管線埋深為地面下2.50～4.50 m，施工臨時邊坡地層巖性為⑤層重粉質壤土、⑤-1層輕粉質壤土、⑥層碎石土、⑥-1層重粉質壤土、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。開挖過程中應做好監測工作，管線兩側不宜堆載。

4 結論

①通過多種勘察手段查明了工程的地質條件，提出了合理的物理力學性參數；②管線工程線路長，勘察難度大，多種勘探方法的運用為類似工程提供了參考；③經過驗槽，管線沿線揭露的地層巖性基本與勘察報告相符。但局部由于排水效果差，造成新近系泥巖的軟化，存在換填問題。