南水北调中线总干渠沂水河渠道倒虹吸工程地质问题分析

2021-09-23任宏魁

河南水利与南水北调 2021年6期

关键词：沂水承压水壤土

任宏魁

(河南水投申城四水同治工程管理有限公司，河南郑州 450003)

1 工程概况

南水北调中线一期工程总干渠沂水河渠道倒虹吸工程位于河南省新郑市西南约9 km的观音寺乡前张村附近。沂水河为淮河水系颍河的支流，倒虹吸工程区上游集流面积86.60 km2。

沂水河渠道倒虹吸长度401 m，由进口渐变段、进口闸、倒虹吸管身段、出口闸和出口渐变段等五部分组成。

2 地质概况

2.1 地形地貌

沂水河渠道倒虹吸工程位于箕山东麓山前冲洪积倾斜平原区。沂水河河谷两岸不对称，右岸地面高程126 m左右，为侵蚀岸，岸坡多成陡坎；左岸地面高程123.50 m左右。河谷宽150～200 m，河床靠近右侧。1995年实测河水位高程113.50 m，水深2～3 m，水面宽约30～40 m，工程下游3 km处混凝土坝挡水壅高河水位。此次勘察测得河水位高程117.00 m，相应水深4～6 m，水面宽150 m左右。

2.2 地层岩性

工程区地层为土、岩双层结构，下伏上第三系(N1L)粘土岩与砾岩，上覆第四系(Q)轻、中、重粉质壤土及粉质粘土等。

2.2.1 上第三系中新统洛阳组(N1L)

河湖相沉积，岩性不均，主要为粘土岩及砾岩。揭露厚度最大29.50 m，未揭穿。

粘土岩：棕红色杂灰绿色，干时浅紫红色，泥、钙质微胶结，可塑～硬塑状，局部富集灰白色、浅红色钙质团块。共三层，单层厚1.00～5.75 m。

砾岩：灰黄色，干时灰白色，砾石成份以灰白色石英岩、石英砂岩为主，砾(卵)石含量50%～60%，粒径3～5 cm，泥质胶结。揭露两层：上层结构较密实，含中细砂40%左右，单层厚2～5 m。

2.2.2 第四系(Q)

包括中更新统坡洪积层(dlplQ2)、上更新统冲洪积层(alplQ3)和全新统冲积层(alQ4)等。中更新统(dlplQ2)：坡洪积成因，岩性主要为粉质粘土和重粉质壤土。上更新统(alplQ3)：冲洪积成因，岩性由黄土状轻、中粉质壤土及砂砾石组成。全新统(alQ4)：冲积成因，主要由黄土状轻粉质壤土组成，厚度变化较大，分布于河床及漫滩。

2.3 地质构造与地震

2.3.1 地质构造

工程区处于华北准地台(I)黄淮海坳陷(I2)区，新构造分区属豫皖隆起～拗陷区，构造线走向以北西向为主。工程近场区地震构造图显示，主要有七里岗断裂、大隗镇断裂、超化断裂和新庄断裂等。

2.3.2 地震

工程场区位于华北平原地震带，新第三纪以来，差异活动较弱，地震活动强度小，频率低。最大地震为1820年许昌东北6.00级地震，震中距场区40 km以上。《南水北调中线工程沿线设计地震动参数区划报告》地震动峰值加速度值为0.10 g，为地震基本烈度VII度区。

2.4 水文地质条件

2.4.1 地下水类型

地下水分为两类：第四系孔隙潜水及承压水。①第四系孔隙潜水：赋存于黄土状中、轻粉质壤土中，受地表水位影响较大。测得潜水位116.82～118.17 m。潜水主要接受大气降水和侧向迳流补给，消耗于蒸发和侧向迳流排泄。②承压水：赋存于第④层砂砾石中，实测承压水水位高程113.87～114.00 m，水头高达10～11 m。承压水主要接受侧向迳流补给，消耗于人工开采和侧向迳流排泄。

2.4.2 土体渗透性

对工程区各粘性土层取原状土作室内渗透试验，各土层的渗透系数见表1。

表1 土渗透试验成果统计表

表1中第②层黄土状中粉质壤土具弱～中等透水性，第③层黄土状中粉质壤土具微～中等透水性，第⑤层黄土状轻粉质壤土具弱～中等透水性，第⑥重粉质壤土及第⑦层粉质粘土具微～极微透水性。第④层砂砾石多为中粗砂充填，为承压性含水层，为强透水层。

3 建筑物工程地质条件及评价

3.1 地质结构

沂水河左、右岸地面高程123.50～126.00 m，河床地面高程113～115 m。场区为土、岩双层结构，上覆第四系全新统、上更新统及中更新统地层，下伏上第三系中新统洛阳组地层。

3.2 土岩物理力学性质

3.2.1 土、岩物理力学性质

工程区对砾岩、卵石作了野外重探试验，对土层作了静力触探和标准贯入试验，在钻孔中取原状土样作了室内物理力学试验，各岩土体物理力学特征如下。

3.2.1.1 黄土状轻粉质壤土(alQ4)

天然干密度平均值1.58 g/cm3；标贯击数1～6击，平均3击，属软土；湿陷系数1.20×10-3～2.00×10-2，具轻微湿陷性。

3.2.1.2 黄土状中粉质壤土(alplQ3)

天然干密度1.34～1.63 g/cm3，平均值1.53 g/cm3；压缩系数1.10×10-1～4.18×10-1MPa-1，平均值2.16×10-1MPa-1，具中等压缩性；标贯击数2～11击，平均7击，属中硬土；湿陷系数范围值为2.80×10-2～5.40×10-2，具弱～中等湿陷性。

3.2.1.3 黄土状中粉质壤土(alplQ3)

天然干密度1.56～1.64 g/cm3，平均值1.61 g/cm3；压缩系数1.25×10-1～3.07×10-1MPa-1，平均值1.98×10-1MPa-1，具中等压缩性；标贯击数5～13击，平均9击，属中等偏硬土。

3.2.1.4 砂砾石(alplQ3)

标贯击数14～28击，平均22击，个别大于30击；重探击数15～17击，平均16击，属中密～密实层。

3.2.1.5 黄土状轻粉质壤土(alplQ3)

天然干密度1.56～1.67 g/cm3，平均值1.62 g/cm3；压缩系数1.22×10-1～1.80×10-1MPa-1，平均值1.43×10-1MPa-1，具中等压缩性；标贯击数6～14击，平均11击，属中等偏硬土。

3.2.1.6 重粉质壤土(dlplQ2)

天然干密度1.44～1.66 g/cm3，平均值1.53 g/cm3；压缩系数1.20×10-1～2.13×10-1MPa-1，平均值1.69×10-1MPa-1，具中等压缩性；标贯击数7～14击，平均10击，属中等偏硬土。

3.2.1.7 粉质粘土(dlplQ2)

天然干密度1.53～1.71 g/cm3，平均值1.67 g/cm3；压缩系数7.00×10-2～1.20×10-1MPa-1，平均值9.30×10-2MPa-1，具低～中等压缩性；标贯击数10～18击，平均15击，属硬～很硬土。

3.2.2 土、岩体物理力学性指标建议值

按有关规程规范的规定，求出各土、岩体单元的物理、力学性指标的平均值和标准值，结合工程实际、测试方法以及经验类比进行修正，提出各土、岩体物理、力学性指标建议值见表2、表3。

表2 各土层的物理性指标建议值表

表3 各土、岩体单元力学性指标建议值表

3.3 主要工程地质问题

依据建筑物型式和场区工程地质条件，主要存在施工边坡稳定及施工排水等问题。

3.3.1 施工边坡稳定问题

沂水河两岸地面高程123.50～126.90 m，河底高程112.00～115.70 m，设计进、出口渐变段渠底高程116.98～ 117.14 m。倒虹吸进、出口渐变段及退水闸段施工开挖深度7～13 m，边坡地质结构类型为黄土状均一结构；倒虹吸管身段施工开挖深度15～18 m。边坡地质结构类型为粘、砾双层结构；采用复式边坡，设置马道，边坡高宽比采用：粘性土1∶1.50～1∶1.75，砂砾石1∶1.75～1∶2.00。

3.3.2 施工排水问题

倒虹吸管身段建基面高程97.35 m，场区赋存潜水和承压水。承压水位高程113.87～114.00 m，高出倒虹吸水平管段建基面16.50 m左右，存在施工排水问题。倒虹吸施工开挖前应先在开挖基坑周边顺河方向采取井点降压排水措施，以免承压水对基坑边坡造成破坏。

第⑤层黄土状轻粉质壤土底部亦存在与第④层砂砾石相似的卵、砾石夹层，分布不连续，距倒虹吸水平管底板较近，为避免产生基坑突涌，建议在降低第④层砂砾石承压水时加深降压排水井的深度至该层。