南水北调配套输水管道地质问题及处理措施

贾占军，李荣伟，2，刘伟，2

（1.保定市水利水电勘测设计院，河北保定 071051；2.保定市江河水利咨询监理有限公司，河北保定 071051）

南水北调配套输水管道地质问题及处理措施

贾占军1，李荣伟1，2，刘伟1，2

（1.保定市水利水电勘测设计院，河北保定 071051；2.保定市江河水利咨询监理有限公司，河北保定 071051）

保定市南水北调配套工程地处太行山东麓的低山丘陵区、山前倾斜平原区及冲洪积平原区，地貌及地层岩性变化大，涉及地震液化、地下水、黄土湿陷性等多种工程地质问题，本文对主要工程地质问题进行了分析，并提出了相应的处理措施。

南水北调；输水管道；地质问题；处理措施

南水北调工程是一项宏伟的跨流域调水工程，工程实施后将极大地缓解北方地区水资源紧缺状况。中线总干渠工程将于2013年竣工，2014年通水。保定市配套工程是南水北调工程体系的重要组成部分，承担着连接中线总干渠和受水区地表水厂的纽带作用，承担向保定市27个供水目标输送长江水的任务。

本工程涉及保定地区23个县、市（区），30条输水管道，全长192km，采用单管输水方式，合计输水量5.5115亿m3/a。输水线路穿越7条河流、4条铁路、4条高速或国道。工程区地貌及地层岩性变化大，地质条件相对复杂，涉及地震液化、地下水、黄土湿陷性等多种工程地质问题［1］。

1 自然地理概况

保定市东部平原区位于华北平原北部，西靠太行山。工程区位于多个大小不等的山前冲洪积扇构成的倾斜平原区，总体地势西高东低，根据地表形态及成因类型可划分为3种地貌单元：①山前冲洪积倾斜平原区，主要由拒马河、唐河、界河、沙河冲洪积扇组成，自西北向东南倾斜，西部山前地面高程50～80m，坡降1‰～5‰；②冲积、洪积交错沉积微倾斜平原区，主要分布于京广铁路以东区域，地势平缓，地面高程10～30m，坡降小于1‰；③扇间淤积洼地沉积区，分布于白洋淀为中心的周边地区，形成以粘土为主夹粉、细砂层堆积，地面高程一般在10m以下。本区河流均属大清河水系，主要包括北拒马河、南拒马河、北易水河、漕河、界河、唐河、沙河等，东部汇入白洋淀。本区属温带半干旱季风气候，季节冻土深度0.55～0.70m。

2 工程地质条件

2.1 地层岩性

工程区地表出露与钻探揭露的地层有：人工堆积物（rQ）、第四系全新统冲洪积层（al+plQ4）、第四系全新统冲积层（alQ4）、第四系上更新统坡洪积层（dl+ plQ3）、太古界阜平群漫山组岩石地层（Arm）。平管段底板埋深2.5～4.5m，管底以下持力层包括如下6类。

（1）壤土。冲洪积成因，棕黄色，稍湿，可塑，局部硬塑，分布广泛，层位比较稳定。一般具中等压缩性，属弱透水层，局部具高压缩性，微透水性，承载力建议值135～140kPa。

（2）黄土状壤土。主要分布于涞水、保定市区、顺平县、白洋淀补水等线路上游山前地基段，土质均匀，厚度一般大于5m，粉粒含量较高，弱透水性，中等压缩性。取样试验结果多具湿陷性，湿陷程度轻微～中等，湿水后地基稳定性变差，承载力建议值130～135kPa。

（3）砂壤土。主要分布于涞高干管、涿州、徐水、定州、定州电厂等线路，厚度一般小于4m，层位变化较大，粉粒及砂粒含量较高，中密，中等压缩性，弱透水性，局部为中等透水，承载力建议值140～145kPa。

（4）粉质粘土。主要分布于曲阳、雄县、安新等线路，灰黄色或深灰色，冲洪积或湖沼相成因，粘粒含量高，稍湿～湿，可塑～软塑，多具高压缩性，弱～微透水性，地基稳定性较差，承载力建议值115～130kPa。

（5）砂土。分布广泛，多见于定州、安国、徐水、望都、涞高干管、涿州等线路，冲积成因，揭露厚度1.0～7.0m。岩性包括粗砂、中砂、细砂、粉砂，由西向东颗粒逐渐变细。具中等～强透水性，地基稳定性好，地基承载力建议值135～180kPa。

（6）卵石。主要分布于涞高干管、易县、涿州、白洋淀补水等线路，一般位于钻孔中下部，具强透水性，地基稳定性好，承载力建议值300～400kPa。

2.2 水文地质

保定平原区第四系地层厚度变化较大，一般300～500m，其厚度由西向东逐渐增大。区内地下水主要接受大气降水补给。在山前一带，则以山区侧向径流补给为主，灌溉回归水及河流入渗对地下水的补给也有明显的作用。地下水径流方向与各河流水系流向一致，即由西向东。地下水埋深具有显著的分带性，山前一带以卵砾石、砂土为主要含水层，潜水埋深10～20m，往东过渡到径流补给带，地下水位埋深15～25m，东部至白洋淀附近，径流变缓，潜水埋深8～15m。

3 主要工程地质问题

区内引水管道涉及的主要工程地质为地基土层地震液化问题、地基湿陷性问题、高压缩性地基土及不均匀沉降问题、地下水问题、部分顶管穿越砂和卵石地层施工难度大等问题。

3.1 地震液化

保定以北大部分位于7°烈度区，初判砂土地基具有地震液化的可能性，考虑正常运用时地下水位抬升的因素，应用标准贯入锤击数法进行复判［2］。

（1）雄县输水管线（0+000～3+500）段管底以下砂层具有地震液化的可能性，液化等级为轻微～中等液化。

（2）易县输水管线在河床高水位期，左岸浅层粗砂具有地震液化的可能性，液化程度中等。

（3）涞高定输水管线（13+762～15+000）段附近少粘性土、砂土存在液化现象，液化等级为中等～严重。

（4）涿州输水管线存在可能液化的砂土或少粘性土，砂壤土、砂土大部分地段具有地震液化的可能性，液化程度多为轻微，少量为中等液化。

3.2 地基湿陷性

区内山前地带广泛分布黄土状壤土地层，根据取样试验结果多具湿陷性，均属非自重湿陷性壤土［3-5］：

（1）顺平管线（0+342～0+725）段黄土状壤土湿陷系数0.018～0.044，平均值0.035，湿陷起始压力11～63kPa，湿陷程度中等，按基底以下10m计，总湿陷量一般18～44cm。

（2）保定市管线（0+000～4+000）分布黄土状壤土，湿陷系数δs=0.0350～0.0463，平均值0.0401，湿陷起始压力11～36kPa，湿陷程度中等，计算总湿陷量一般35～46cm。

（3）涞高干管线黄土状壤土湿陷性变化较大，无湿陷性（0+000～3+930），黄土状壤土（3+930～7+620）湿陷系数0.017～0.083，湿陷等级轻微～强烈，考虑试验值离散性较大，个别强湿陷性试验值不具有代表性，故该段地基土按中等湿陷性考虑。

考虑管道工程附加荷载应力较小，黄土状壤土实际湿陷量应小于上述计算值。

3.3 高压缩性地基土及不均匀沉降

区内引水管道以下部分线路所在地层具高压缩性。

（1）高阳管线（1+700～5+600）段、（5+600～7+040）段部分管底位于粘土或壤土层中，具中等～高压缩性。

（2）安新管线（16+500～18+000）段管底附近分布厚层粘土，为湖沼相淤积成因，深灰色，含较多有机质成分，孔隙比0.872～1.061，压缩系数0.57MPa-1，压缩模量3.30.57MPa，属高压缩性软土，容易产生较大压缩变形。

（3）雄县管线（7+500～8+000）段底板大部分坐落在沼湖相壤土层中，局部具高压缩性。

另外，由于区内地层岩性变化较大，存在差异沉降问题，设计时尤其应注意砂土与壤土过渡段的不均匀沉降问题。

3.4 地表水及地下水问题

包括易县管线穿北易水河、涿州管线穿拒马河南支、高阳管线穿孝义河、清苑管线穿南环堤河等地段长年流水，地下水位接近或略低于地表水位，该地段需考虑基坑排水措施。北易水河到虹吸设计基坑降水深度7.1m，卵石层渗透系数120m/d，采用岸边降水计算公式，基坑排水量7800m3/d；拒马河南支基坑降水深度6.2m，细砂渗透系数9.0×10-3cm/s，计算基坑排水量690m3/d。

曲阳管线（0+000～9+200）沿沙河灌渠北侧布置，间距仅15～50m，干渠输水时致使两侧地基形成上层滞水，实测水位埋深1～3m；安新管线（13+500～18+ 500）段穿越大张庄排干，两侧上层滞水水位埋深1～ 5m，远离渠道地段埋深逐渐增大，预计上层滞水对管道施工有影响较大。

3.5 砂卵砾石地层顶管稳定问题

保定市管线燕赵街顶管穿越卵砾石层，管底以上卵砾石厚2m左右。卵砾石地层稳定性差，管壁摩阻力大，不宜进行顶管施工。安国市管线朔黄铁路顶管穿越中细砂层；涿州市涿涞公路顶管、107国道顶管穿越中细砂层，管底以上砂层厚度2～3m，顶管施工容易出现塌方问题，顶管施工难度较大。

4 地基处理措施

4.1 砂土液化处理

地震液化易造成建筑物基础较大沉陷，消除地基液化沉陷措施主要有：重锤夯实，使管基一定厚度内消除液化，满足液化指数不大于4的要求，或不液化土层厚度达到6～8m。初步拟定采用10～20t·m的击实能、夯击6遍，有效影响深度2～3m。施工前根据设备情况进行夯实试验。

4.2 湿陷性黄土地基处理

顺平县、保定市区、涞高干管线黄土状壤土多具中等湿陷性，设计采用部分消除湿陷性的方法，对地基土层进行挖填并分层夯实，或直接采用中夯夯实，消除湿陷深度大于3m。另外，管道连接采取严格防渗漏措施，如预应力钢筒混凝土管道、球墨铸铁管采用双密封胶圈接口，钢管采用焊接接口等。

4.3 软土地基处理

安新、曲阳县管线管底以下大部分为高压缩性粘土，地基易产生较大变形，软土地基施工比较困难；设计采取土层置换，处理深度30cm，铺设砂砾石垫层20cm，其表面再铺10cm粗砂垫层，为了保证管底土体不被扰动，在沟底预留30cm左右保护层，留待管道铺设时人工二次挖除。

4.4 不均匀沉降地基处理

粘性土与砂土地基，或粘性土与卵砾石过渡段容易产生不均匀沉降，本工程中不均匀沉降少，对管道基础影响小，设计对过渡段粘性土地基仅做夯实处理。

4.5 地表水及地下水处理

易县穿北易水、高阳穿孝义、清苑穿环堤河等地段，施工排水采用围堰导流地表水，基坑采用排水沟和集水坑降低地下水位等措施。易县穿北易水河段季节性洪水较大，施工安排在枯水期，采用围堰导流地表水；砂卵石地层渗透系数0.12～0.15cm/s，地下水位基本与地表水持平，按分段开挖长度30m考虑，水位降深6m时，估算基坑排水量1.2万m3/d，用10～12台水泵排水可满足设计水位降深。

其他平管高地下水位地段，在基坑槽底部两侧设0.5m×0.5m排水沟，并设1.0m×1.0m深1.5m集水井，排出基坑渗水，降低地下水位至设计基准面0.5m以下；对高地下水位地段的高含水粘性土地基，增设300～500mm厚中粗或砂砾石垫层。

4.6 砂卵石地基顶管问题处理

保定市管线燕赵街顶管穿越卵砾石层，不宜进行顶管施工［6］，设计采取明挖方式，即破路分段施工方法；安国和涿州管线顶管穿不稳定砂层，地下水均位于管底线以下，采取人工挖掘和挤压式相结合的方法，在保证土体稳定的前提下缩短进尺增加顶管频次。上述地段地质条件较差，设计采用顶管（钢筋混凝土管）内套钢管的穿越方案，管顶覆土厚度在规范要求的基础上适当增大，即不小于管道外径的2倍，设计厚度3.5～5.0m。

5 结语

保定市南水北调配套工程采用管道输水方式，地质勘察范围跨越山前至内陆平原3种地貌单元，地层成因复杂，岩性变化多样，地质勘察根据管道工程的特点，重点查明地表至管底以下5～8m影响范围内的工程地质及水文地质条件，提出存在的主要工程地质问题，工程设计遵循技术可行、经济合理的原则，针对不同的地质问题采取了相应的地基处理措施及工程措施，为初步设计阶段勘察和设计打下了良好的基础。

［1］保定市水利水电勘测设计院．保定市南水北调配套工程水厂以上输水管道工程可行性研究工程地质勘察报告［R］. 2012.

［2］GB50487—2008，水利水电工程地质勘察规范［S］.

［3］GB50025—2004，湿陷性黄土地区建筑规范［S］.

［4］贾淑敏，曹竹良.土挤密桩法消除黄土湿陷性的试验分析［J］.水科学与工程技术，2012（3）.

［5］王建权.南水北调中线工程石家庄段黄土状土湿陷性研究［J］.水科学与工程技术，2011（1）.

［6］CECS246—2008，给水排水工程顶管技术规程［S］.

Geological Problems and Treatment Measures of Water Conveyance Pipeline in South-to-North Water Diversion

JIA Zhan-jun1，LI Rong-wei1，2，LIU Wei1，2
（1Baoding Institute of Investigation&Design of Water Conservancy&Hydropower，Baoding 071051，China；2.Baoding River Water Conservancy Consultation and Supervision Co.，LTD，Baoding 071051，China）

Baoding matching engineering of South-to-North water transfer project is located in the east foothill hilly region，piedmont sloping plain and alluvial plain area of Taihang Mountain，landform and stratum change is big，and there are many kinds of engineering geological problems，such as earthquake liquefaction，groundwater and loess collapsibility and so on.The main engineering geological problems are analyzed and the relevant treatment measures are forward.

South-to-North Water Diversion；water conveyance pipeline；geological problems；treatment measures

P642

A

1672-9900（2013）01-0079-04

2012-11-28

贾占军（1964-），男（汉族），河北定州人，高级工程师，主要从事水利水电工程地质和施工技术等工作，（Tel）18931261630。