淮河流域水利工程勘察总结与思考

2020-01-19

治淮 2020年12期

（中水淮河规划设计研究有限公司合肥 230601）

查明工程地质条件，是工程建设成功的先决条件，因此地质勘察工作是水利工程规划设计的重要基础。中水淮河规划设计研究有限公司（原淮河水利委员会规划设计研究院）成立至今，特别是经历第二次治淮高潮，完成了淮河流域内淮河干流及大洪河、沙颍河、涡河、史灌河、淠河、滁河等主要干支流治理，沂沭泗流域沂（河）沭（河）邳（苍分洪道）、韩（庄运河）中（运河）骆（马湖）、南四湖等主要河流、湖泊治理，以及南水北调东线工程、引江济淮工程、淮干中游临淮岗洪水控制工程、入海水道近期工程等数百项各类工程的地质勘察工作，为治淮工程建设提供了可靠的地质勘察资料，初步掌握了淮干及各主要支流的地层结构及性质，取得了丰富而系统的地质资料，为后续治淮工作打下了坚实的基础。通过大量的勘探试验工作，对淮河流域第四系有了更深刻的认识和理解。研究了淮河流域第四系沉积物的种类、分布范围及性质，分析其对水利工程的影响，提出有效的处理措施；在软基勘探、取样、地基处理等方面引进新设备、新工艺，取得了很多成功的经验，地质勘察工作对治淮工程建设的作用得到充分体现。

1 地层特性研究是做好勘察工作的前提

第四系地层一般指2.6Ma 以来形成的松散地层。所谓晚第四纪沉积物，系指第四纪晚更新世和全新世（约13 万年以来）沉积（物）。第四系地层一般具有如下地质特点：

（1）岩性松散。第四系地层一般形成不久或正形成中，成岩作用微弱，绝大部分岩性松散，少数半固结。这一特点容易导致存在工程地质问题。

（2）成因多样。由于第四纪气候、外动力和地貌多种多样，由此而形成多种多样的大陆沉积物和海洋沉积物，具体成因有冲积、冲洪积、冲湖积、洪湖积、冲积海积等。

（3）岩性岩相变化快。即使同一种成因的第四纪沉积物，由于形成时动力和地貌环境变化大，因此沉积物的岩性岩相结构变化大。

（4）厚度差异大。第四系地层厚度从几十厘米到数十米，最厚的部位超过百米甚至达到数百米。

淮河流域大部分河流发育在第四系地层中，所以第四系地层，特别是晚第四系地层（主要包括上更新统及全新统）与治淮工程紧密相关，晚第四系沉积物的结构、性质成为地质勘察的重要目标。

经历二次治淮高潮，淮河流域主要干支流经过治理，并在地质勘察过程中在淮干王家坝、正阳关、蚌埠闸、浮山、二河闸等部位用C14、热释光测年资料，古生物化石、古植物孢粉资料，反演沉积环境、沉积时间，确定标志层，并利用标志层对淮河流域沉积物上更新统、全新统进行了分界。

淮河流域上更新统地层整体上以黄色、棕黄色色调为主的厚层硬塑状粘土、粉质壤土组成，多有钙质结核，其下一般有一至数层密实状中、细砂；全新统一般由灰暗色调为主的薄层状壤土、粘土、粉细砂和淤泥质土互层、淤泥等组成。

上更新统粘性土地层具低～中等压缩性、承载力高，但一般具弱膨胀潜势；砂层一般为承压含水层，具中等～强透水性，易产生渗漏及渗透变形。

全新统地层一般具有固结弱、压缩性大、承载力低等特点，存在的工程地质问题主要有沉降变形、抗滑稳定、渗漏及渗透变形、边坡稳定、饱和砂土震动液化、基坑涌水等一种或几种问题。在充分研究基础地质资料（如地层年代、成因、沉积特性等）的基础上，才能选择合适的勘察方法和手段，查清存在的工程地质问题，并有针对性地提出经济、合理、可行的处理措施。

2 先进设备引进与研发是解决勘察难题的基础

淮河流域第四系地层地质勘察具有很多自身的特点及特殊性，为了保证地质勘察工作在各种特殊的地层或场地情况下能够顺利实施，引进先进的勘察设备并根据实际情况进行改良研发成为必然的选择。

2.1 引进便携式声波钻机并研发形成了基于该设备的软弱松散地层勘察技术

为了解决流域内软弱松散地层和夹层、薄层取样难、易扰动的技术难题，提高水利工程地质勘察工作效率，降低成本，通过水利部“948”项目管理办公室批复，引进了便携式声波钻机，通过改造创新研发了半合管取样系统装置，形成了便携式声波钻机成套系统，获得四项实用新型专利。通过取样试验成果对比分析研究，提出了设备标准化操作使用程序和工法，形成了基于便携式声波钻机成套设备的软弱松散地层勘察技术。该技术获得2017年淮河水利委员会科学技术奖一等奖。

2.2 引进RI 型贯入式勘测设备，创新性提出了不同土类水分修正系数

为了快速获得堤防工程地质参数，判断堤防工程安全性，为防汛抢险决策提供依据，引进了RI 型贯入式勘测设备，选择不同水利工程勘察、施工现场进行研究，形成了系统多参数堤防勘察技术，创新性提出了不同土类的水分修正系数。形成的RI 型贯入式系统多参数堤防勘察技术应用研究成果获得淮河水利委员会科技进步三等奖。

2.3 引进一系列物探设备，开展了物探工作

为了丰富勘察手段和方法，引进了高密度电法仪、地震仪、钻孔电视等物探设备，开展了引江济淮工程埋管段土壤腐蚀性测试、亳州水库场地含水层分布范围探测、南水北调东线二期工程泵站钻孔波速测试等物探工作。

3 软件开发、引进是提高勘察资料整理效率及质量的保证

自20世纪90年代以来，计算机技术得到了长足的发展，如何采用计算机进行水利工程地质勘察资料整理、储存、查阅、共享使用等，是亟待解决的问题，针对这个问题，主要进行了以下几方面的工作：

3.1 编制开发了“地质勘察数据管理与成图系统”软件

自20世纪80年代开展临淮岗洪水控制工程、南水北调东线工程、湖西大堤加固等工程勘察工作以来，积累了丰富的流域勘察试验资料；随着计算机技术的发展，为提高勘察试验资料整理效率和地质图件质量，90年代开始引进应用了华岩地质制图软件。华岩地质制图软件主要应用于工民建行业，与水利工程地质勘察行业存在较大差距，使用过程发现很多问题。为了满足水利工程地质勘察行业要求，提高各类地质图成图效率及精度，结合水利行业特殊要求（如土的定名、图例等特点），组织勘察技术人员编制开发了“地质勘察数据管理与成图系统”软件，并获得了软件著作权。经过多年的实践检验，充分验证所开发的软件能够满足水利行业要求，且操作简便，易学易懂，尤其适用于第四系地层地质勘察工作。

3.2 建立了淮河流域主要堤防地质资料数据库

自大规模治淮工作以来，淮委和流域内四省水利水电工程地质勘察单位在不同时期、不同阶段对各类堤防工程进行过多次勘察工作，积累了丰富的工程地质勘察资料，但由于不同时期勘察工作依据标准、工作目标不同，各单位形成地质参数的方法、种类和形式各异，存在资料保存分散、数据存储方式和格式不统一、资料缺乏系统管理等问题。为了解决这一系列问题，对淮河流域主要堤防工程地质资料进行整编并建设了数据库系统，大大提高了已有堤防工程地质资料的可用性及利用率，为防汛决策指挥提供及时的地质资料支撑。

3.3 引进了三维地质建模系统

为了抢占市场制高点，赶上时代步伐，适时引进了全国领先的“GEO Station”三维地质建模系统，开展了大别山革命老区息县枢纽、南水北调二期东线二期工程二级坝二站等重要建筑物的三维地质建模工作。

4 技术创新是解决工程地质难题的关键

4.1 三洋港挡潮闸枢纽工程

三洋港挡潮闸是目前淮河流域工程规模最大，技术难度最复杂的海口闸，被誉为淮河流域沿海“第一闸”，需要解决海淤土建闸筑堤、河道冲刷、泥沙淤积、混凝土及金结电气设备防腐等多项技术难题。工程勘测施工过程中，开展了厚层海相沉积淤泥和淤泥质土强度及固结特性研究、高潮差大流量潮汐河道钻探取样试验、淤泥质土地基水泥土复合地基灌注桩水平承载特性研究与应用等多项技术研究与攻关，解决了深厚海淤土建闸地基处理、复杂环境水土条件腐蚀性评价、高潮差、大流量潮汐河道水上钻探质量控制等多项关键技术难题。

4.2 南水北调东线第一期工程蔺家坝泵站工程

泵站出水池和防洪闸上游两侧翼墙高9.20～13.50m，底板基础座落在湖积及冲洪积形成的中、重粉质壤土夹轻粉质壤土粉土层上，地基承载力和抗滑稳定不能满足设计要求。经搅拌桩加固和换填水泥土方案比选后，拟采用换填水泥土方案，但国内尚无换填水泥土后摩擦系数如何取值的相关文献；施工期间，结合基坑开挖，就地取材，采用基坑开挖湖积土掺入少量水泥形成复合土换土处理，提高了地基强度和抗变形能力；对原状土和建筑物建基面下掺水泥混合壤土换填层进行模拟设计条件下的原位载荷和抗滑试验研究，试验结果表明，处理后地基承载力、摩擦系数有显著提高，研究结果应用于工程设计和施工建设，解决了地基强度不足和岸翼墙抗滑稳定的技术难题。

4.3 蚌埠闸扩建工程

蚌埠闸扩建工程施工过程基坑降水为关键工序，若降水幅度大，会对老闸基础产生不均匀沉降，影响老闸的运行使用；若降水幅度小，在承压水头的作用下，基坑开挖到建基面前就会产生基坑突涌，破坏持力层整体性，降低持力层强度，影响工程施工。

通过水文地质分析计算工作，研究了上下游两侧直线补给边界的基坑井点降水和越流补给的双层地基直线补给边界井点降水的计算方法。在保证新建闸址基坑渗透稳定状态下确定所需降水井运行数量，降低承压水头的降低幅度和降水井的运行数量。通过基坑降水运行，加强流量与承压水位关系的分析，经与设计、施工、建设单位共同研究确定降水方案，最后确定新老闸间不采取截渗措施，水位降至12.5m，承压水降深4.0m，运行14 眼深井即可满足施工和基坑渗透稳定要求，降水效果良好，达到预期降水效果，老闸沉降最大值为17mm，一般不超过10mm；保证了老闸安全运行和新闸的顺利施工，使蚌埠闸扩建工程按期建成投入运行。蚌埠闸扩建工程地质勘察获得安徽省城乡建设优秀勘察设计（工程勘察）三等奖。

技术创新解决了各种工程地质难题，为规划设计专业提供了准确可靠的地质资料，也获得了一系列奖励：三洋港挡潮闸枢纽工程勘察获得全国优秀水利水电工程勘测设计奖银质奖；淮河入海水道近期淮安枢纽工程勘察、南水北调东线第一期工程蔺家坝泵站工程勘察获得安徽省城乡建设优秀勘察设计（工程勘察）一等奖；蚌埠闸扩建工程地质勘察分别获得安徽省城乡建设优秀勘察设计（工程勘察）三等奖；南水北调东线第一期工程台儿庄泵站工程地质勘察获得全国优秀水利水电工程勘测设计奖铜质奖等。