南水北调中线焦作2渠段工程地质问题

乔新颖，陈艳朋，吴雪皓，陈平货

（1.河南省水利勘测有限公司，河南郑州450003；2.河南永固岩土工程有限公司，河南开封475000）

南水北调中线焦作2渠段工程地质问题

乔新颖*1，陈艳朋2，吴雪皓2，陈平货1

（1.河南省水利勘测有限公司，河南郑州450003；2.河南永固岩土工程有限公司，河南开封475000）

结合南水北调中线焦作渠段地形地貌、地层岩性、水文地质条件，对焦作渠段主要存在的黄土状土湿陷、岩土膨胀性、施工降排水和边坡稳定等问题进行了论述、评价，并提出了合理化的处理结论或建议，对南水北调中线焦作渠段工程设计、施工具有指导意义。

南水北调；焦作2渠段；地质问题

1 概述

南水北调中线工程焦作2渠段该段总干渠设计流量265～260m3/s，加大流量320～310m3/s，设计水深7m。工程起点设计桩号Ⅳ41+400，终点设计桩号Ⅳ66+960，全长25.56km。多为挖方填，局部为半挖半填。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

南水北调中线一期工程总干渠焦作2渠段位于华北平原西部边缘与太行山东麓的交接部位，穿行于山前坡洪积裙、山前倾斜平原及硬质岩丘陵等主要地貌单元，地势总体呈西北高、东南低的特点。

2.2 地层岩性

工程区地层主要由古生界奥陶系、石炭系、二叠系和新生界第四系冲洪积、坡积成因的地层组成。

2.2.1 古生界（Pz）

（1）奥陶系（O）。奥陶系中统上马家沟组灰岩（O2s），在九里山出露。

（2）石炭系（C）。该系地层广泛出露于太行山前的山坡上和山区部分山脊上，与奥陶系灰岩呈平行不整合接触，为海陆交互相含煤建造，分中上2统。渠段仅在山门河和九里山附近见到。

中统本溪组（C2b）：主要为褐黄、褐灰色等杂色粘土岩、页岩、铝土质泥岩、铝土矿，底部常见窝状山西式铁矿，偶夹砂岩、泥质灰岩和煤线。厚度15～45m，一般厚20m。

上统太原组（C3t）：可分为上下2段，厚度85～ 105m，一般95m。下段以灰岩为主，各层灰岩间有3～5m厚的碎屑岩相隔，含煤4～5层。

（3）二叠系（P）。该系地层为陆相沉积，与石炭系呈整合接触。渠段内仅在山门河附近碎屑岩和煤层，厚度70～90m，平均厚85m。

2.2.2 新生界（Kz）

本区新生界为第四系（Q）中更新统、上更新统、全新统地层。

（1）中更新统(Q2)。坡洪积成因，主要分布于第四系地层下部，岩性为卵石与中、重粉质壤土、粉质粘土，卵石与粘性土呈互层状、卵石夹粘性土透镜体和粘性土夹卵石透镜体等形式空间展布，揭露厚度10～45m。

（2）上更新统（Q3）。为上更新统上段冲洪积物，岩性为黄土状重粉质壤土和黄土状砂壤土。

（3）全新统(Q4)。全新统冲洪积物，岩性为黄土状中、重粉质壤土和重粉质壤土（局部相变为中粉质壤土或粉质粘土），局部夹卵石透镜体，有钙质胶结现象。

2.3 地质构造

本渠段位于华北准地台黄淮海坳陷的西部边缘；新构造分区属华北断陷—隆起区的太行山隆起分区东南角和河北断陷分区交接部位。本渠段沿线地震动峰值加速度为0.15g，相当于地震基本烈度Ⅶ度。

2.4 水文地质条件

2.4.1 地下水赋存条件及含水层组的划分

第四系松散岩类孔隙潜水含水层组：含水层岩性上部由粉质壤土、黄土状壤土组成，富水性一般较差。含水层组主要由粘性土和砂卵石互层组成，岩性岩相变化频繁，厚度变化较大。由于岩性岩相及地形变化，局部地下水具有承压性。

第四系松散岩类孔隙承压水含水层组：主要分布于沿线山前坡洪积裙与山前冲洪积倾斜平原交接部位的下部。含水层组主要由粉细砂组成。

奥陶系灰岩裂隙岩溶含水层组：含水层组主要由奥陶系灰岩组成，岩溶较发育，局部受构造影响岩溶十分发育，但不均匀，属中等透水，多位于渠底板以下。

2.4.2 地下水的补给、径流与排泄

第四系松散岩类孔隙潜水主要接受大气降水入渗、侧向径流、灌溉及地表（河、沟、渠等）水入渗补给，排泄方式主要为蒸发（仅限苏蔺一带）、侧向径流及人工开采；地下水整体西北向东南流动，局部地段受地形控制或补给源影响，流向有所变化。

第四系松散岩类孔隙承压水主要接受上游地下水侧向径流补给、潜水和下部承压水越流补给，消耗于侧向径流和人工开采。

奥陶系可溶岩岩溶裂隙含水层组主要接受大气降水入渗和侧向径流补给，以侧向径流方式排泄。

2.4.3 土、岩体渗透性分级

根据勘察试验成果，场区粘性土一般具极微—弱透水性，砂壤土、粉细砂具中等—强透水性，砂卵石具强透水性，灰岩具弱—中等透水性。

2.4.4 地下水位及动态变化

（1）本渠段地下水动态变化主要为入渗—径流—开采型。

（2）根据预测结果，本渠段最高水位高于渠底板的渠段长度7.85km；最高水位在渠底板附近，且接近地面的渠段长度1.50km。

3 主要工程地质问题

焦作段主要存在的工程地质问题为：黄土状土湿陷问题、岩土膨胀性问题、施工降排水问题、施工边坡稳定问题和地裂缝问题等。

3.1 黄土状土湿陷问题

本渠段黄土状土主要指第四系全新统和上更新统形成的次生黄土，沿渠线累计分布长度约12.172km，约占渠线总长度的50.63%。主要分布于山前坡洪积裙。

根据湿陷性的强弱，沿线黄土状土共分为3个段，其中具中等湿陷性的有1段，分布长度8.501km，具中等—强烈湿陷性的有2段，累计分布长度3.671km。

据各场点的试验成果分析，黄土状土的湿陷深度多在7m以内；均为非自重湿陷场地，地基湿陷等级为轻微。黄土状土的湿陷性对挖方渠段影响不大，不必考虑渠道的湿陷变形问题，半挖半填及填方渠段因在原地层上增加了荷载，则要考虑黄土状土（特别是具中等和中等—强湿陷性的黄土状土）的湿陷变形对渠坡和渠基稳定的不利影响

施工过程中根据黄土状土的湿陷等级和填方高度分别采用了重夯和强夯对黄土状土地基进行了处理，在村庄附近为了消除震动对村民的影响，采用了换填法对地基进行了处理。

3.2 膨胀岩土问题

本渠段内分布的膨胀岩土均为第四系中更新统重粉质壤土（Qd2lpl），局部夹粉质粘土，多呈棕红色。从渠底板以下5m至一级马道之间膨胀土累计分布长度5km，多呈条带状或透镜体壮分布，均具弱膨胀潜势。

施工过程中，对一级马道以下根据边坡地层岩性的组成及膨胀土的分布等特征，采取了粘性土换填、浆砌石封堵等不同的处理措施。一般为：一级边坡地层为粘性土（或夹松散卵石透镜体），膨胀土呈条带状分布，采用渠坡换填厚1.4m粘性土，渠底换填厚1.0m粘性土的粘性土换填处理方案；一级边坡为粘性土、卵石（多钙质胶结）互层结构，膨胀土呈透镜体状分布，对膨胀土垂直边坡挖深0.5m，采用M7.5浆砌石封堵处理方案。

3.3 施工降排水问题

根据地下水预测结果，本渠段最高水位高于渠底板的渠段分布在桩号Ⅳ42+900～Ⅳ50+400，长度7.85km，存在施工降排水问题。

该段地下水主要属于第四系松散岩类孔隙潜水，含水层组由粘性土和砂卵石互层组成，岩性岩相变化频繁，厚度变化较大。由于岩性岩相及地形变化，局部地下水具有承压性。粘性土一般具微—弱透水性，砂卵石具强透水性。

采用渠底打管井降水并结合排水沟明排的降排水施工措施。在渠道左岸均设有左岸截流沟，汇集总干渠左侧的坡流和面流，导流于左岸排水建筑物和较大河流处穿越总干渠，保护了总干渠的渠坡安全。

3.4 施工边坡稳定问题

渠道边坡稳定性是影响渠道成渠条件的重要因素。影响渠道边坡稳定的主要因素有：地层结构、地质构造岩性组合特征、土岩的工程特性（岩层的产状、成岩及风化程度）、边坡高度、地下水及地表水对土岩体的影响以及施工和排水方式等。

本渠段分布的特殊岩土的膨胀收缩、湿陷变形对渠道边坡稳定产生不利影响；灰岩的构造（岩层走向与渠线小角度相交，造成开挖渠道边坡一侧呈顺层）、发育的陡倾角裂隙，对边坡稳定不利；地下水位高于渠底板的渠段在渠道成渠后至运行前期间，地下水对渠坡的渗透压力将影响渠道边坡的稳定。本渠段边坡多为高边坡，坡高15～30m的边坡长13.826km，占渠道长度的57.54%，坡高大于30m的边坡长2.332 km，占渠道长度的9.71%。

焦作2段对于小于15m的中低边坡，渠坡在一般粘性土组成的渠段边坡坡比一般采用1∶2；对于大于15m高边坡渠段，考虑地下水位情况、岩性组合特征、土岩的工程特性、边坡的高度等因素综合确定，渠道分级开挖，中间设置马道，边坡坡比为（1∶1.5）～（1∶3.5）；对于（灰岩）岩质边坡，一级边坡坡比为1∶0.7，打锚杆挂钢筋网衬砌，一级马道以上边坡坡比为1∶0.7，并采用打锚杆挂钢筋网喷护。在地下水位高于渠底板渠段，在渠坡设计时均加有逆止阀等排水设施，降低地下水对渠坡的渗透压力和顶托破坏作用。

3.5 渠道内地裂缝问题

地裂缝位于焦作段白庄村与沿山村之间的耕地中、总干渠设计桩号Ⅳ61+490～Ⅳ62+560之间，长度约1360m，近似呈直线型，走向基本与总干渠中心线一致，南段距离总干渠中心线3～15m，向北逐渐偏离中心线，北端最远处偏离中心线约180m。

该渠段场地西北有方庄煤矿深部采空区，东南有白庄煤矿采空区，下伏九里山断裂形成的埋藏基岩陡崖，土体结构存在差异，环境地质条件复杂，形成有地裂缝发育的地质缺陷。经初步的综合分析，裂缝成因：受九里山断裂构造的控制，在其它环境工程地质条件的变化因素（采矿活动引起的应力释放、地下水下降、地表水下渗）诱发和激化的叠加作用的结果。综合地质成因分析和初步监测结果，分析地裂缝基本稳定，可能诱发地裂缝的环境地质因素（采矿、地下水）趋于缓和，综合评估白庄地裂缝的危害正在逐渐减小。目前地裂缝的监测工作正在进行。

对地裂缝渠段的处理，设计采用一级马道以下：沿过水断面，全断面换填土工格栅。一级马道以上：（1）对渠坡采用换填土，下铺土工膜对裂缝进行封堵防护；（2）对两头的地裂缝采用沿垂直地裂缝方向各设置2排高压旋喷桩进行封堵处理。

4 结论

南水北调中线工程焦作2渠段工程全长25.56km，渠线穿行于山前坡洪积裙与硬质岩丘陵等主要地貌单元，地势总体呈西北高、东南低的特点。

黄土状土沿渠线累计分布长度约12.172km，多属非自重湿陷性黄土状土，中根据黄土状土的湿陷等级和填方高度主要采用了重夯法对黄土状土地基进行了处理；渠段内分布的膨胀岩土均具弱膨胀潜势，对一级马道以下根据边坡地层岩性的组成及膨胀土的分布等特征，采取了粘性土换填、浆砌石封堵等不同的处理措施；地下水高于渠底板的渠段分布在桩号Ⅳ42+900～Ⅳ50+750段，存在施工降排水问题，均采用管井降水结合明沟排水的降排水措施；对渠道边坡稳定性问题采用分级放坡开挖，中间设置马道，对边坡还采取了衬砌、防护（或支护）并设置排水措施处理；渠段桩号Ⅳ61+490～Ⅳ62+560段存在地裂缝问题，对设计对一级马道以下，沿过水断面，全断面换填土工格栅；对一级马道以上采用换土方式进行封堵，并对两头的（Ⅳ61+ 300和Ⅳ62+387）地裂缝采用旋喷桩进行封堵。

[1]GB50487－2008水利水电工程地质勘察规范[S].北京：中国计划出版社，2008.

[2]GB20025－2004湿陷性黄土地区建筑规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2004.

[3]SL386－2007水利水电工程边坡设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2007.

P642

A

1004-5716(2016)12-0163-03

2015-12-30

2016-01-01

乔新颖（1977-），男（汉族），河南巩义人，高级工程师，现从事水利水电、岩土工程地质勘察、基础处理施工及研究工作。