南沙河渠道倒虹吸主要地质问题分析与评价

孟锁兰，李 鹏

（河北省水利水电第二勘测设计研究院，石家庄 050021）

南沙河渠道倒虹吸主要地质问题分析与评价

孟锁兰，李 鹏

（河北省水利水电第二勘测设计研究院，石家庄 050021）

南沙河渠道倒虹吸是南水北调中线工程总干渠穿越南沙河的河渠交叉建筑物。从地质条件、岩性分布特征、地下水赋存条件等方面，对本工程存在的主要地质问题进行分析与评价，以便更好地指导施工，同时也为类似工程提供了参考。

南水北调工程；倒虹吸；边坡稳定；基坑排水；不均匀沉降

1 工程概况

南沙河渠道倒虹吸拟建于沙河市西北10km的高店村西至邢台县前留村南的南沙河上，是南水北调中线工程河北省邯邢段规模最大的河渠交叉建筑物。

南沙河属于季节性河流，工程位置处主河槽分为南北两汊，中间有河心滩，河道宽5.6km。建筑物上游控制流域面积1640km2，建筑物位置100a一遇洪峰流量8840m3/s，相应洪水位91.41m；300a一遇洪峰流量11390m3/s， 相应洪水位90.56m。

倒虹吸工程分南、北汊两段水平埋管布置，中间高漫滩段以明渠相联接，全长4335m，其中南段倒虹吸段长1255m、北段倒虹吸段长1055m、中间明渠段长2025m。倒虹吸设计流量230m3/s，加大设计流量250m3/s［1］。

2 场地地质条件

2.1 地形地貌

工程区地处太行山东麓与河北平原过渡地带，总体地势西高东低，南岸为低丘垅岗区，北岸为倾斜平原地带。河谷呈宽浅式，高、低漫滩及两岸一级阶地发育，属侵蚀堆积河谷地貌。河床高程86～92m，低于一级阶地10m。河床南部的高漫滩和中部高漫滩之间为南河槽，宽400m；中间有较为广阔的高漫滩分布，地面高程89.5～92.0m，台面较为平坦；靠近河床北岸为主河槽，宽600m，河底高程87.4～88.0m。 在高漫滩边缘零星分布东西延伸狭长形低漫滩，台面高程大多为88.5～89.0m。一级阶地在南岸零星分布，前缘临河床，后缘靠低丘垅岗；在北岸分布广阔，台面高程100m，其间垂直河岸冲沟分布较普遍，使沙河北岸呈锯齿状。

2.2 地层岩性

场区发育的地层岩性均为第四系松散堆积物［2－3］，主要有：

2.2.1 下更新统冰水积湖积（fgl＋lQ1）

组成岩性以中砂和杂色壤土为主，夹粉砂、砂壤土、粘土及粗砂透镜体，顶板埋深69.08～81.65m，在勘探深度内揭露最大厚度为50.4m。这套地层的突出特点是杂色，以灰绿色、棕红色、棕黄色和灰白色为主，成分较为复杂，粘性土中多含砂粒，砂性土含有粘粒，且砂粒中斜长石颗粒已风化，用手可捻碎。粘性土具弱～中等膨胀潜势［4］，砂性土具塑性。

2.2.2 上更新统冲洪积（al＋plQ3）

黄土状壤土、卵石：①卵石，主要成分为长石石英砂岩，最大直径30cm以上，含量60%～70%，充填中粗砂含泥质，厚度9.0～17.0m，埋藏于Q4卵石层之下。 ②黄土状壤土，分布在北岸一级阶地表层，可见垂直节理，含钙质结核，夹砂壤土薄层和粉细砂透镜体，厚度12.0m。

2.2.3 全新统冲洪积（al＋plQ4）

卵石、砂土分布于高漫滩、低漫滩、河床不同微地貌单元上，分为Q14、Q24、Q34不同时期。卵石在岩性上和级配组合上与Q3卵石近似，最大厚度8m，局部覆盖薄层细砂。

地基土主要物理力学指标建议值见表1。

表1 地基土主要物理力学指标建议值表

2.3 地质构造

近场区发育的主要断裂分布在东部和南部，有邯郸—邢台断裂、紫山东断裂、紫山西断裂、曲陌断裂及会宁东断裂等，均为隐伏断裂。第四系以来均有活动，但晚更新世以来活动性较弱，对场区的稳定性影响不大。工程区地震动峰值加速度为0.10g，相应地震基本烈度为7度［5］。

2.4 水文地质条件

南沙河地表水本属多年径流型，在上游兴建东仕岭、野沟门、朱庄等大中型水库拦蓄水后，除雨季外地表水常常断流。近10多年，因沙河上游建有不少铁选矿厂，废水排入河道，现状有少量水流通过，但流量较小。地表水（选矿场弃水）经取样2组分析，水化学类型为SO4－HCO3－Ca－Mg型水，SO2－4含量381.2～525.5mg/L， 对普通水泥具结晶类硫酸盐型弱～强腐蚀 性［6］。

场区地下水主要为第四系浅层孔隙潜水，主要赋存于卵石层中，含水层厚度10～12m，南河槽段和中间明渠段地下水位高程85.0～86.8m，北河槽地下水位高程82.0～84.7m。 多孔抽水试验成果， 卵石层渗透系数5.64×10－2～6.84×10－2cm/s， 平均6.4×10－2cm/s，影响半径145.39m，属强透水性。含水层底板为下更新统粘性土和砂土，均属弱～微透水性，为相对隔水层。水化学类型为SO4－HCO3－Ca型水，SO2－4含量70.6～130.1mg/L，对普通水泥无腐蚀［6］。

3 主要工程地质问题

根据建筑物型式结合场区工程与水文地质条件，场区存在的主要工程地质问题有基坑临时边坡稳定、基坑排水、Q1粘性土胀缩性、地基不均匀沉降及明渠段衬砌抗浮等问题［7］。

3.1 基坑临时边坡稳定问题

倒虹吸基础开挖深度14～16m，基坑边坡地质结构主要为卵石、中砂或壤土，地下水位以下边坡高度9～12m，受地下水影响，尤其是下部Q1砂层对边坡稳定不利，总体边坡稳定性差。建议采用井点降水排水方式，可以避免卵石与其下部砂土接触冲刷，预先疏干地下水，施工场地必须保持干场作业，有利于边坡稳定。根据卵石休止角及坡高，并考虑其结构特征，采用多级边坡开挖，留足分级马道宽度，并做好必要的防护措施。上部卵石可用防渗土工膜遮盖并做好坡面排水，下部Q1地层局部必要时增加护坡桩。建议坡比值为：卵石1∶1.5，粘性土1∶1.5～1∶1.75，中砂1∶2.0。

3.2 基坑排水问题

南沙河卵石含水层分布广且厚度大，渗透性强，多裸露于地表，其补给条件优越，是当地地下水开采的主要含水层，属孔隙潜水，平均渗透系数为55.4m/d（相当于6.4×10－2cm/s），具强透水性，地下水水量丰富。

倒虹吸管建基面高程75.5～76.5m， 地下水位高程83.4～88.8m，地下水位高于建基面8～12m，存在基坑排水问题，对施工影响较大。建议在做好河道地表水导流基础上，采取有效的排水、截渗措施，保持干场作业为好。

根据建筑物区地下水赋存条件和基坑排水降深大、涌水量大的特点，结合边坡岩性结构特征，以采用井点排水方式为好。

3.3 Q1粘性土胀缩性问题

倒虹吸管建基面局部揭露Q1粘土和壤土，具弱～中等膨胀潜势，其胀缩性将对建筑物施工有一定影响。在施工中宜采用分段快速作业法，也可预留适当保护层，施工过程中不得使基坑长时期曝晒或泡水，以避免失水后干裂或饱水后膨胀变形，使天然地基失效。

3.4 不均匀沉降问题

根据设计成果，倒虹吸管选定为双向预应力结构，对地基的均匀变形要求较高。倒虹吸管建基面高程75.5～76.5m，平管段和斜坡段基础位于上更新统（Q3）卵石底部和下更新统（Q1）壤土、粉砂及中砂层中。 卵石底面高程72.11～81.65m，起伏较大，具有低压缩性；而Q1地层一般具有中等偏高压缩性，建基面以下分布Q3卵石层与Q1地层，易产生不均匀沉降变形，可能对建筑物正常运行产生不利影响。Q1地层各岩性层位不稳定，大小不同岩性的透镜体相互穿插或包容，粘性土与砂土之间压缩性变化较大，也可形成不均匀沉降变形。

为避免虹吸管局部产生不均匀沉降变形，特别对建基面上Q3卵石和Q1砂土、粘性土水平变化较大部位，建议采用局部换填垫层法进行处理。

3.5 明渠衬砌抗浮问题

中间明渠段长2030m，地处河心高漫滩部位。地表高程91.5m，地下水位83.2～86.3m。 渠底高程80.1m，最大挖深11m，渠底在地下水位3～6m以下，大部置于卵石层，局部置于壤土、粘土层，地下水位高于渠底3～6m。

倒虹吸中间明渠段设计过水断面全部采用混凝土板防渗衬砌，衬砌后渠道无水时地下水的顶托将对渠道安全运行产生不利影响。建议做好渠道渠坡排水减压措施，考虑丰水年地下水变幅的影响，并对建基面采取增加混凝土压重措施，以确保渠道运行安全。

4 结语

综合分析，建筑物场区工程与水文地质条件是影响工程设计与施工的重要因素。通过钻探、原位测试、室内外试验等方法，结合建筑物型式、结构、埋深及尺寸等，场区存在基坑临时边坡稳定、基坑排水、Q1粘性土胀缩性、地基不均匀沉降及明渠段衬砌抗浮等主要工程地质问题，对于这些地质问题可以采取分级边坡开挖、排水截渗、预留保护层、地基土换填、渠坡排水结合压重等有效措施加以解决，确保建筑物施工和安全运行。

［1］河北省水利水电第二勘测设计研究院.南水北调中线工程南沙河渠道倒虹吸初步设计阶段工程地质勘察报告［R］.2008.

［2］本书编委会.河北省北京市天津市区域地质志［M］.北京：地质出版社，1989.

［3］河北省地质矿产局水文地质研究室.河北第四系［R］.北京：中国计划出版社，2001.

［4］GBJ112—87，膨胀土地区建筑技术规程［S］.

［5］GB18306—2001，中国地震动参数区划图［S］.

［6］GB50487—2008，水利水电工程地质勘察规程［S］.

［7］常士骠，张苏民，等.工程地质手册（第四版）［K］.北京：中国建筑出版社，2007.

Main Geological Problems of the Inverted Siphon in Nansha River Channel

MENG Suo－lan， LI Peng
（The second design and research institute of water conservancy and hydropower of Hebei，Shijiazhuang 050021，China）

The inverted siphon in Nansha River channel is a channel cross－building which the main channel of South－to－North water diversion central line project passes through.In order to guide a better construction， the main engineering geological problems have been discussed and evaluated from the following aspects： the geological conditions， lithologic distribution and conditions of groundwater occurrence.This study can also provide reference for similar projects.

South－to－North water diversion project； inverted siphon； slope stability； dewatering； subside asymmetrical

P64；TV672＋.5

A

1672-9900（2011）01-0073-03

2010－11－24

孟锁兰（1963－），男（汉族），河北晋州人，高级工程师，主要从事工程地质与水文地质工作，（Tel）13398610683。