南水北调某输水管线倒虹吸工程地质研究

□张治广（河南省水利勘测有限公司）

南水北调某受水区供水配套工程输水管线穿河倒虹建筑物，距京广铁路和107国道约1km，有乡间水泥路与107国道、S101省道相连,交通便利。倒虹进口段起点坐标为X=3951492.131，Y=522227.048，相应设计桩号SLT3+3050，出口段终点坐标为X=3951302.303，Y=522607.301，相应设计桩号 SLT3＋475，倒虹全长425m。设计管径3.0m，进口处管底高程为78.02m，水平段管底高程为68.00m，出口处管底高程为76.56m。

初设阶段工程地质勘察的主要任务是查明建筑物场区的地形地貌、地层岩性特征及水文地质条件；各土体单元的物理力学性质，提出各岩、土体单元的地质设计参数；了解勘察区的区域地质构造稳定性，提出地震动峰值加速度值及相应的地震基本烈度值；对建筑物存在的主要工程地质问题作出评价，并提出建议；查明各类天然建筑材料的质量、储量及开采运输条件，并对其做出评价和提出建议，为设计单位提供可靠的地质勘测资料。

一、地质环境与结构分析

（一）地形地貌

穿河倒虹工程场区位于为山前冲洪积倾斜平原和黄卫冲洪积平原结合部位，场区为不对称河谷地貌形态，两岸地势较为开阔。在枯水期，由于上游的取水和拦水，呈现断流状态。在场区附近，淇河流向由北向南，由于河流的侧向侵蚀，两岸不对称，左岸为侵蚀岸，发育有Ⅰ级阶地，岸坡陡峭，崖最高约4.5m。右岸为堆积岸，发育有漫滩和Ⅰ级阶地，岸坡呈台阶状。

（二）地层岩性

工程场区勘察深度范围内揭露地层为上覆第四系全新统冲洪积成因的砂壤土、轻壤土及卵石，下伏上第三系中新统鹤壁组泥灰岩、砂岩、砾岩及粘土岩。

一是砂壤土：左岸土质呈中密状；右岸土质呈松散～稍密状。左岸含有约10%的砾石，右岸局部变为粉细砂。分布在Ⅰ级阶地上；二是卵石：灰色，以灰岩为主，其次为石英岩、安山岩、少许火山碎屑岩及橄榄岩等。多呈椭圆形，少量次棱角状，粒径一般5～10cm，最大可达到25cm。卵石含量约95%，砂、砾充填，无胶结，松散状。分布在河漫滩及河床；三是轻壤土：可塑～硬塑状，局部夹厚0.3～0.6m厚的黄色中细砂层透镜体。偶见螺壳碎片，土质不均匀。主要分布于两岸，钻孔揭示厚度为1.2～6.3m。四是卵石：多呈椭圆状，少量呈次棱角状，粒径一般5～10cm。卵石含量约85%，砂、砾充填，较密实。在该层顶部钻孔QHKb1处揭示有厚约0.6m的细砂透镜体。该层在河床及河漫滩底部较薄，钻孔揭示厚0.6～2.4m；在两岸较厚，钻孔揭示厚度：左岸2.8～4.0m，右岸7.2～8.3m；五是泥灰岩：灰白色，钙质胶结和泥质胶结。其中泥质胶结的泥灰岩极易风化和破坏，钙质胶结的岩芯较完整。成岩程度差，属膨胀性软岩，呈透镜体状分布在桩号SLT3+176以西，钻孔揭示厚度2.8～3.6m；六是砂岩：灰色，粉细粒结构，泥钙质胶结，局部未胶结，成岩差，岩芯呈短柱状，风化状态呈松散状，见溶蚀小孔及黑色铁锰质条纹，砂粒成分以长石、石英为主。分布不均匀；七是砾岩：成分为石灰岩，粒径一般2～4cm，最大达6cm，多呈次圆形和次棱角状，含量50%～90%，钙质和泥质胶结。成岩较好。分布不均匀，钻孔揭示厚度2.3～7.2m；八是粘土岩:棕黄色、棕红色，夹杂灰绿色，泥质结构，层状构造，主要矿物成分为高岭石、水云母、方解石等。局部钙质含量较高，含有钙质团块，粒径1～5cm，含量5%～10%，见铁锰质薄膜。一般成岩差。呈透镜体状分布在桩号SLT3+335以东（即主河床以东），钻孔揭示厚度3.6～8.0m；九是砂岩：棕黄色，粉细粒结构，钙泥质胶结，局部未胶结，成岩差，岩芯多呈短柱状。该层未钻穿，在钻孔QHKb3底部有揭示，揭示厚度4.0m。

（三）地质构造与地震

1.地质构造。场区新构造分区属华北断陷—隆起区（Ⅱ）的太行山隆起（Ⅱ3）东南与河北断陷（Ⅱ5）西南部交接处图。场区区域新构造断裂主要有汤西、汤中、汤东断裂。场区勘探深度范围内未发现第四系活动断裂迹象。

2.地震。勘察区位于华北地震构造区的河北平原地震带的西部，场区附近地震活动频度高，强度较大，历史地震比较多，区域地质构造稳定性差。其中具有破坏性（M〉4）较大地震有4次，对工程场区地震安全性有重要影响。据国家地震局分析预报中心编制的《南水北调中线工程沿线设计地震动参数区划报告》，本工程区地震动峰值加速度为0.20g；相当于地震基本烈度Ⅷ度。

（四）水文地质条件

1.气象水文。工程区属暖温带大陆性季风气候区，冬春干冷多风，夏季炎热多雨，年均气温13.7℃，降水量多年平均648mm，降水多集中在 7、8、9 月份，无霜期 221d。

2.地下水类型。工程场区地下水类型为潜水，第四系全新统卵石和上第三系砂岩、砾岩构成统一含水层组。水位动态属入渗～迳流型，即通过大气降水和地表水渗入补给，消耗于侧向迳流排泄。汛期河水补给地下水，枯水期地下水补给河水。

3.各岩土体单元渗透性。根据室内渗透试验和南水北调总干渠附近工程地质资料，场区轻壤土具微～弱透水性，粘土岩具弱透水性，卵石、砂岩、砾岩具中等～强透水性。

4.地下水化学特征。勘察期间，在附近民井水(潜水)、地表水（河水）中取水样各1组，进行水质简分析和侵蚀性CO2分析。

分析成果表明：地表水（河水）：水化学类型为HCO3-Na-Ca型。矿化度0.343g/L，为淡水；总硬度8.21德国度，为软水；pH值7.68，为弱碱性水；侵蚀性CO2为0.00mg/L；潜水（民井水）：HCO3-Ca-Mg型水；地下水矿化度为0.427g/L，属淡水；总硬度为23.17德国度，属硬水；地下水pH为7.61，属弱碱性水，侵蚀性CO2含量为0.00mg/L。

根据《水利水电工程地质勘察规范》（GB50487-2008）附录L判别，场区地下水和地表水对混凝土均无腐蚀性。

（五）物理地质现象

场区不良物理地质现象主要为冲沟和人工取石（卵石）坑及岸坡塌落现象。在倒虹吸进口至淇河右岸河口处，发育有一处大致由西向东的冲沟，冲沟宽一般约30～40m，长约240m，沟深一般3.5～4.0m，沟壁较陡直。冲沟距倒虹最近处约50m，对倒虹吸管的埋设无影响。在倒虹吸附近河漫滩上有几处人工取石坑，主要是采砂形成的，坑体形态大小不一，最大坑深约2.1m，距倒虹吸顶板约3.5m，对倒虹埋设影响不大。在地表片流冲刷作用下，右岸较松散的轻壤土和砂壤土有较小的滑塌现象，但滑塌体很小，影响深度有限，对倒虹埋设影响不大。

二、建筑物工程地质条件及评价

（一）地质结构

根据建筑物场区地形地貌及土、岩体空间分布特征，工程区倒虹为土、岩双层结构。右岸及Ⅰ级阶地上部地层为砂壤土、轻壤土和卵石，下部地层为泥灰岩及砂岩；左岸及Ⅰ级阶地上部地层为轻壤土、砂壤土和卵石，下部地层为砾岩及粘土岩；河床及河漫滩上部地层主要为卵石，下部地层主要为砂岩和砾岩。

（二）主要工程地质问题

根据建筑物型式和工程地质条件，工程区存在的主要工程地质问题为施工排水及施工导流和施工边坡稳定问题。

1.施工排水、施工导流问题。淇河汛期洪水流量较大，勘察期间（枯水期）测得河水位高程73.8m。潜水水位高程73.3～70.5m。

基坑排水问题：勘察期间，潜水水位高程73.3～75.2m，在河漫滩、河床和左岸近河床侧地下水位高于管底设计高程，地下水位最大高于管底7m左右。潜水主要赋存于第四系卵石和上第三系砂岩和砾岩中，卵石属强透水层，砂岩和砾岩属中等～强透水层。地下水主要接受大气降水和河水入渗补给，水量较为丰富。因此存在倒虹吸施工基坑排水问题。设计施工时，应根据当时地下水位及各土、岩体透水性能和不同边界条件，采取相应的降水、排水措施。

地表水（河水）施工导流问题：淇河一年中大部季节有流水，汛期洪水流量较大，存在河水施工导流问题。设计时应采取适当的工程措施（如上下游设防渗围堰、导流、截流槽等），确保施工安全。

2.施工边坡稳定问题。穿淇河倒虹工程施工开挖边坡一般5.2～11.8m，为中低边坡，组成边坡岩性：两岸及Ⅰ级阶地上部地层为轻壤土、砂壤土和卵石，其中左岸近河床侧下部为砾岩；河床及河漫滩上部为卵石，下部地层为砂岩。建议临时边坡坡比采用：上部土层及卵石1:1.25～1:1.75，下部砂、砾岩1:0.75～1:1.25。同时应采取适当的边坡防护处理措施。

（三）建筑物工程地质评价

工程区地质结构为土（砾）岩双层结构：淇河第四系地层具粘砾双层结构特征，岩性以轻壤土和卵石为主；下伏地层为上第三系中新统鹤壁组软岩。依据倒虹底板设计高程，管底板主要位于第③～⑦层中，第③层轻壤土、第④层卵石、第⑥层砂岩、第⑦层砾岩地基承载力标准值fk分别为140、300、340、450kPa。各层岩土强度均较高。建议采用复式边坡，临时边坡高宽比采用：上部土层及卵石1:1.25～1:1.75，下部砂、砾岩1:0.75～1:1.25，并应采取适当的边坡防护处理措施。