南水北调中线工程穿沁河建筑物工程地质勘察与地质问题处理实录

乔新颖, 周 亮, 秦红军

(1.河南省水利勘测有限公司,河南 郑州 450003; 2.郑州工业贸易学校,河南 郑州 450007)

南水北调中线工程穿沁河建筑物工程地质勘察与地质问题处理实录

乔新颖1, 周 亮2, 秦红军1

(1.河南省水利勘测有限公司,河南 郑州 450003; 2.郑州工业贸易学校,河南 郑州 450007)

以南水北调中线工程穿沁河建筑物工程地质勘察与地质问题处理为实例，分析场区地质环境对建筑物选址、选型的影响，论述建筑物场区存在的主要工程地质问题及相应的工程处理措施，其勘察思路和工程措施可作为类似工程研究的借鉴实例。

工程地质;地质环境;地质缺陷

太沙基说过“一个详尽的案例应当受到与十个具有创新性理论一样的重视。”从工程案例中吸取知识和经验，上升为理论，这就是人们“实践—认识—再实践—再认识”走向成功的途径。详尽的案例就是“实录”，而典型的案例则更鲜明、更生动、更有代表性，具有永恒的价值，它既是成功的典范，又是失败的警示，是新概念、新方法、新技术的源泉。

南水北调中线工程总干渠穿沁河建筑物历经多期系统勘察，查明了场区存在承压水顶托、基坑涌水、基坑边坡稳定等主要工程地质问题[1]。朱太山、冯光伟等学者曾就地基液化、倒虹吸埋深问题进行过研究[2-3]。本文针对地质缺陷提出具体工程措施,经过施工期检验，总体上前期地质勘察识别科学，判断客观，提出工程建议合理可行。该项目勘察思路可被类似工程研究借鉴。

1 工程概况

南水北调中线总干渠穿沁河建筑物型式为渠道倒虹吸，工程位于河南省温县徐堡镇、博爱县白马沟之间，焦作—温县公路经沁河大桥通过本区。该工程由进口渐变段与检修闸、倒虹吸管身段和出口渐变段与节制闸组成。建筑物进口总干渠设计桩号Ⅳ9+261.3，出口总干渠设计桩号Ⅳ10+444.3，全长1 183 m，其中进口渐变段60 m，检修闸长15 m，管身段长1 015 m，节制闸长23 m，出口渐变段长70 m；倒虹吸管身段采用钢筋混凝土箱形结构，单联3孔，孔径为6.9 m×6.9 m，两侧斜管段坡率为1∶4。倒虹吸工程设计流量265 m3/s，加大流量320 m3/s。进口设计渠水位高程107.569 m(1985国家高程基准，下同)，渠底高程100.569 m；出口设计渠水位高程106.949 m，渠底高程99.949 m。设计水深7.0 m，加大水深7.618 m。

2 工程场区地质概况

2.1 地形地貌

工程区位于黄、沁冲积平原，沁河自西向东流经本区。场区具平原区河谷地貌形态，河床宽度40～180 m(勘察期间测得，下同)，河底高程106.4～108.7 m，枯水期水深一般1.5～2.0 m；漫滩地形略有起伏，高出河床1.2～2.4 m，右岸漫滩宽175～720 m，地面高程111.0～111.5 m，左漫滩宽150～395 m，地面高程109.3～111.7 m，前缘与河床呈1.0～1.5 m低坎或缓坡连接；沁河两岸堤高5 m左右，堤顶宽8～16 m，堤顶高程114 m左右，右岸堤内地面高程109.1～110.2 m，左岸堤内地面高程108.7～109.6 m。

2.2 地层岩性

工程区在勘察深度范围内揭示地层为第四系冲积、坡洪积物，由中更新统地层(dlplQ2)和全新统地层(alQ4)组成。

第四系全新统地层：第(1)层黄土状轻粉质壤土,(钻孔揭示，下同)层厚0.2～3.0 m，具轻微湿陷性；第(2)层细砂，层厚10.0～20.6 m，分布于河槽，该层严重液化；第(3)层砾质中砂，厚0.3～7.6 m，仅在比较线揭露；第(4)层黄土状重粉质壤土，层厚2.5～6.6 m，具轻微—中等湿陷性，分布于两岸；第(5)层黄土状中粉质壤土，层厚4～10 m，分布于两岸，局部夹细砂；第(6)层黄土状重粉质壤土，层厚6～13 m；第(7)层中砂，层厚0.6～7.3 m。

第四系中更新统地层：第(8)层重粉质壤土，层厚3.7～12.3 m；第(9)层细砂，层厚2.5～7.0 m；第(10)层重粉质壤土，层厚7.4～16 m，局部夹细砂夹层；第(11)层细砂，层厚0.9～7.7 m；第(12)层重粉质壤土，揭露最大厚度3.7 m，未揭穿。

2.3 地质构造及地震

工程区位于华北准地台(Ⅰ)黄淮海坳陷(Ⅰ2)的西南部，北与山西台背斜(Ⅰ3)相邻。新构造分区为豫皖隆起—拗陷区与华北断陷—隆起区交接部位，场区未发现第四纪全新世活动断裂构造。地震动峰值加速度为0.10g，相应于地震基本烈度Ⅶ度区。场地土的类型为中软土，建筑物的场地类别为Ⅲ类。

2.4 水文地质条件

沁河是黄河三门峡—花园口区间北岸最大支流，为一常年性河流，源于山西省沁源县霍山南麓二郎神沟，于武陟县南部汇入黄河，全长485 km，流域面积13 532 km2。沁河渠道倒虹吸上游集水面积12 870 km2，百年一遇洪峰流量4 000 m3/s，相应洪水位高程113.27 m。由于沁河呈地上悬河状，在洪水期易发生决口。

工程场区地下水按其赋存条件，可分为潜水和承压水两种类型。潜水：主要赋存于第四系全新统细砂及沁河两岸壤土层中，右岸潜水位高程106.17～106.67 m，埋深3.0 m左右；左岸潜水位高程104.27～106.11 m，埋深3.20～5.01 m；漫滩潜水位高程106.01～108.50 m，埋深2.0～3.90 m。承压水：工程区内共揭示三层承压含水层，分别赋存于第(7)层中砂、第(9)层及第(11)层细砂层中，各承压含水层隔水顶板均为重粉质壤土。第(7)层承压含水层厚0.6～8.5 m，隔水顶板厚2.6～9.3 m，承压水头高16.9～22.0 m；第(9)层承压含水层厚3.7～7.0 m，隔水顶板厚3.0～10.1 m，承压水头高25.4～29.4 m。第(11)层承压含水层厚0.9～7.7 m，隔水顶板厚7.4～14.0 m，承压水头高度39.8～41.3 m。潜水主要接受河水、大气降水和上游地下水侧向径流补给，消耗于蒸发和侧向径流；承压水主要接受上游深部径流补给，又以径流方式向下游排泄。场区承压水与潜水的水力联系不强。

3 场区地质环境对穿沁河建筑物选址、选型的影响分析

3.1 穿沁河建筑物轴线选择

(1) 与穿沁河建筑物两端衔接的总干渠线路比选：现选穿沁河建筑物轴线渠线线路总长6 306.7 m，其中渠道长4 875.7 m；比较线线路总长6 667.8 m，其中渠道总长5 236.8 m。河渠交叉处，渠道设计水位107.567 m，加大水位108.18 m，地面高程109 m左右，渠道设计水位与地面高程接近，现选渠道线路比较合理。

(2) 河道地形、河势分析：沁河自五龙口以下河段均设有防洪堤，堤防随河势弯弯曲曲，交叉断面上游5 km范围内堤距850～1 250 m，下游7 km范围内堤距750～1 250 m，现轴线交叉处堤距约800 m。现选轴线位置堤距较短，河渠基本正交，建筑物轴线沿河道向上、下游摆动并不能有效缩短建筑物长度。因此从河道地形、河势分析本轴线位置基本合理。

(3) 工程地质条件比选：本轴线河槽上部地层16～18 m范围内为第(2)层细砂，该层严重液化，第(7)层中砂，承压水头高16.9～22.0 m，河槽有严重液化砂层和高水头承压水，地基处理难度比较大；顺河道方向在本轴线上游500 m、1 000 m，下游200 m、400 m分别布置地质钻孔勘察，经与本轴线地质情况比较，地质结构大同小异，依然存在第(2)层细砂严重液化和第(7)层中砂高水头承压水问题，且本轴线上、下游地层中第(2)层细砂加厚，地质条件较本轴线更差。

3.2 地质条件对穿沁河建筑物型式选择的影响

南水北调中线工程总干渠穿河建筑物型式主要有渡槽、暗渠、倒虹吸三种，其中倒虹吸又分为河倒虹吸与渠倒虹吸(需考虑总干渠渠道流量和河道流量的关系，遵循交叉建筑物采用“小流量穿大流量”的原则)，穿沁河建筑物型式最终选择为渠道倒虹吸，其中地质条件对该建筑物型式选择的影响见表1。

通过地质条件与设计要素的对比分析，工程建设应尽量避免对河道行洪、大堤安全的不利影响，宜采用下卧的渠道倒虹吸方案，管身应尽量避开液化砂层的影响，宜采用深埋方案，管顶置于局部冲刷线以下，满足局部冲刷要求。

表1 地质条件与设计要素对比表

4 场区存在的主要工程地质问题

结合建筑物型式及建筑物布置，场区主要存在以下工程地质问题。

4.1 饱和砂土地震液化问题

工程区地震基本烈度为Ⅶ度，河槽第(2)层细砂属第四系冲积物，洪水时细砂层全部淹没于水下，属饱和砂土，分别采用标准贯入试验判别法、相对密度判别法及静探判别法进行了液化判别，根据上述不同方法的判别结果，第(2)层细砂均被判别为可液化砂土，经计算，场区第(2)层细砂作为地基土属严重液化等级。

4.2 黄土状土湿陷问题

4.3 承压水顶托破坏(基坑突涌)问题

场区共有第(7)、(9)、(11)层三层承压水含水层。

根据基坑开挖的基坑底面平衡计算结果：第(11)层承压水基坑突涌临界高程低于基底，无基坑突涌问题。第(7)层中砂、第(9)层细砂承压水基坑突涌临界高程高于基底，均存在基坑突涌问题。另在进口检修闸处第(7)层承压水基坑突涌临界高程约97.5 m，高于检修闸基约2.5 m，亦存在基坑突涌问题。

4.4 基坑降排水及渗流稳定问题

倒虹吸基坑开挖涉及大量基坑排水的有河槽第(2)层细砂潜水及第(7)层中砂承压水两个含水层。

河槽细砂潜水含水层结构松散，强透水，地下水位高程106.01～108.50 m，含水层厚度13～20.6 m，倒虹吸管身建基面高程约为84.5 m，潜水位高于建基面23 m左右，存在基坑降排水问题。细砂允许渗流比降甚小，斜坡允许渗流比降更小，极易发生管涌流土、坡面冲蚀产生渗流破坏问题，直接导致边坡破坏失稳，存在渗流稳定问题。

第(7)层中砂承压含水层分布高程82.88～90.85 m，倒虹吸水平管段正位于其中，部分被基坑开挖清除掉，部分留作地基。该层结构松散，属中—强透水性。存在基坑突涌及基坑疏干排水问题。

4.5 施工边坡稳定问题

堤内土质边坡：沁河两岸渠道倒虹吸进、出口渐变段、检修闸、节制闸及部分倒虹吸管段基坑开挖深度10～26 m，开挖边坡岩性主要为第(4)、(5)、(6)层黄土状中、重粉质壤土，为土质边坡，第(4)层黄土状重粉质壤土和第(5)层黄土状中粉质壤土为中等压塑性软—中硬土层，地下水埋藏浅，第(4)层及其以下各层均处于地下水位以下，且第(4)层具中等湿陷性，故存在施工边坡稳定问题。

河床及漫滩段砂土质边坡：沁河河床内倒虹吸管身段基坑开挖深度约26 m，水下开挖深度约24 m，边坡由第(2)层细砂、第(6)层黄土状重粉质壤土、第(7)层中砂组成，属粘砂多层结构。第(2)层细砂、第(7)层中砂的渗流稳定坡角远小于内摩擦角；第(2)层细砂属松散可液化砂层，且位于地下水以下；紧靠南大堤内侧(河床内)第(2)层细砂中夹有灰黑色淤泥质重粉质壤土，呈软塑—流塑状，属软—极软土，其中夹薄层粉砂，基坑开挖后，这些软土因埋深较大会被挤压流失，造成上部边坡失稳。上述地质条件均构成基坑开挖施工边坡稳定的不利因素。

5 主要地质缺陷的工程措施

5.1 饱和砂土地震液化的处理

综合考虑穿沁河建筑物工程区附近沁河下游险工河段主流游荡多变、河床细砂抗冲刷能力差、沁河作为地上悬河重要的防洪地位，管身应埋置在局部冲刷线以下[2]。倒虹吸管身采用深埋方案，可液化砂层已被清除。

5.2 施工降排水、防渗和承压水顶托的处理

施工前、施工期测得场区潜水位均高于水平管身建基面约20 m；第(11)层承压水基坑突涌临界高程低于基底，无基坑突涌问题，第(7)层中砂和第(9)层细砂赋存承压水，承压水头高度约17～29 m。施工采取截渗墙(防渗帷幕)、管井降水为主，明排(沟、井、坑等)为辅的综合降排水方案。综合防渗和降排水措施使地下水位降至倒虹吸建面以下(0.5～1 m)，避免了地下水对砂质边坡的渗流破坏和承压水对基坑底板的顶托破坏。

防渗工程分二期布置施工，分别采用锯槽机、高压旋喷和深层搅拌法施工，形成截渗墙防渗帷幕，截渗墙(防渗帷幕)顶部高程106 m，底部以进入第(8)层重粉质壤土层≥1 m控制，形成封闭式防渗体。

降排水工程分三期布置施工，降水井陆续设置，间歇抽排。一期共布置降水井84眼，水位降深约22 m；二期共布置降水井84眼，水位降深约20 m；三期共布置降水井28眼，水位降深约20 m。另根据开挖后的局部边坡有渗水情况，在建基面四周设置明沟进行排水，在开挖至建基面附近时，采用明沟排水疏干建基面的局部积水。

5.3 施工边坡处理措施

倒虹吸进、出口段和闸室段施工边坡高10～15 m。施工期采取了有效的降排水措施(管井降水为主，明排为辅)，使地下水位降至开挖面以下；基坑开挖设置了2级边坡，坡比皆采用1∶1.5，中间设置马道，宽约1.5 m。通过以上措施保证了施工过程中基坑边坡的整体稳定性。

管身段基坑开挖深度16～26 m。施工期采取了截渗结合管井降水为主、明排为辅的综合降排水方案，使地下水位有效地降至开挖面以下。基坑开挖设置了4级边坡，降低单级边坡的高度，坡比由上至下分别为1∶1.75、1∶2.0、1∶2.25和1∶2.5，中间设置马道(宽1 m/1 m/5 m)。局部砂质边坡坡角出现的坍塌现象，及时采取了坡角堆置砂袋、抗滑桩等措施。通过以上措施保证了施工过程中基坑边坡的整体稳定性。

5.4 黄土状土湿陷及地基加固处理措施

场区第(1)层黄土状轻粉质壤土具轻微湿陷性、第(4)层黄土状重粉质壤土具中等湿陷性。施工时对地层上部分布的第(1)层黄土状轻粉质壤土已挖除，对作为渐变段及闸室基础的第(4)层黄土状重粉质壤土进行了开挖换填处理。

倒虹吸进口翼墙段(1#-4#)、出口翼墙段(1#-5#)、进口检修闸、出口节制闸段、部分管身段(1#-2#、66#-67#)建基面分别位于第(5)层黄土状中粉质壤土和第(6)层黄土状重粉质壤土中，承载力标准值分别为125 kPa和150 kPa；其下第(7)层中砂和第(8)层重粉质壤土承载力标准值分别为230 kPa和220 kPa。以上地段天然地基承载力不能满足上部荷载要求，施工时对以上地段分别进行了水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩)加固处理。

6 结语

水利工程建设按照基本建设程序，分阶段进行系统工程地质勘察对工程建设的选址、选型至关重要。建设场地的地质条件是工程设计杠杆的重要支点，查明场区工程地质条件和存在的主要工程地质问题，能够使工程施工时，充分利用有利地质条件，避开或改造不利地质条件,达到事半功倍的目的。

[1] 张建国.秦红军.南水北调中线一期工程总干渠沁河渠道倒虹吸初步设计阶段工程地质勘察报告[R].郑州:河南省水利勘测有限公司,2006.

[2] 朱太山.南水北调中线穿沁建筑物地基液化问题研究[J].人民黄河,2006,8(1):67-72.

[3] 冯光伟.南水北调中线沁河倒虹吸埋深分析[J].南水北调与水利科技,2009,6(3):24-26.

(责任编辑：陈姣霞)

Engineering Geological Investigation and Geological Problem of Building Passingthrough Qin River in Middle Line Project of South-to-north Water Diversion

QIAO Xinying1, ZHOU Liang2, QIN Hongjun1

(1.HenanHydraulicEngineeringInvestigationandSurveyingCo.,Ltd,Zhengzhou,Henan450003; 2.ZhengzhouTradeandIndustrySchool,Zhengzhou,Henan450007)

In this paper,taking the building of pass through the Qin river as an example,the authors analyses the effect of the geological environment of the field on the location and type selection of buildings.The main engineering geological problems and the corresponding engineering treatment measures are discussed in this paper.The exploration ideas and engineering measures can be used as reference examples for similar projects.

engineering geology; geological environment; geological defects

2016-04-22;改回日期:2016-05-03

乔新颖(1977-),男,高级工程师,建筑工程专业,从事工程地质勘察工作。E-mail:7964612@qq.com

TV68

A

1671-1211(2016)03-0515-04

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2016.03.061

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20160504.0924.018.html 数字出版日期:2016-05-04 09:24