南水北調中線焦作2渠段工程地質問題

喬新穎，陳艷朋，吳雪皓，陳平貨

（1.河南省水利勘測有限公司，河南鄭州450003；2.河南永固巖土工程有限公司，河南開封475000）

南水北調中線焦作2渠段工程地質問題

喬新穎*1，陳艷朋2，吳雪皓2，陳平貨1

（1.河南省水利勘測有限公司，河南鄭州450003；2.河南永固巖土工程有限公司，河南開封475000）

結合南水北調中線焦作渠段地形地貌、地層巖性、水文地質條件，對焦作渠段主要存在的黃土狀土濕陷、巖土膨脹性、施工降排水和邊坡穩定等問題進行了論述、評價，并提出了合理化的處理結論或建議，對南水北調中線焦作渠段工程設計、施工具有指導意義。

南水北調；焦作2渠段；地質問題

1 概述

南水北調中線工程焦作2渠段該段總干渠設計流量265～260m3/s，加大流量320～310m3/s，設計水深7m。工程起點設計樁號Ⅳ41+400，終點設計樁號Ⅳ66+960，全長25.56km。多為挖方填，局部為半挖半填。

2 工程地質條件

2.1 地形地貌

南水北調中線一期工程總干渠焦作2渠段位于華北平原西部邊緣與太行山東麓的交接部位，穿行于山前坡洪積裙、山前傾斜平原及硬質巖丘陵等主要地貌單元，地勢總體呈西北高、東南低的特點。

2.2 地層巖性

工程區地層主要由古生界奧陶系、石炭系、二疊系和新生界第四系沖洪積、坡積成因的地層組成。

2.2.1 古生界（Pz）

（1）奧陶系（O）。奧陶系中統上馬家溝組灰巖（O2s），在九里山出露。

（2）石炭系（C）。該系地層廣泛出露于太行山前的山坡上和山區部分山脊上，與奧陶系灰巖呈平行不整合接觸，為海陸交互相含煤建造，分中上2統。渠段僅在山門河和九里山附近見到。

中統本溪組（C2b）：主要為褐黃、褐灰色等雜色粘土巖、頁巖、鋁土質泥巖、鋁土礦，底部常見窩狀山西式鐵礦，偶夾砂巖、泥質灰巖和煤線。厚度15～45m，一般厚20m。

上統太原組（C3t）：可分為上下2段，厚度85～ 105m，一般95m。下段以灰巖為主，各層灰巖間有3～5m厚的碎屑巖相隔，含煤4～5層。

（3）二疊系（P）。該系地層為陸相沉積，與石炭系呈整合接觸。渠段內僅在山門河附近碎屑巖和煤層，厚度70～90m，平均厚85m。

2.2.2 新生界（Kz）

本區新生界為第四系（Q）中更新統、上更新統、全新統地層。

（1）中更新統(Q2)。坡洪積成因，主要分布于第四系地層下部，巖性為卵石與中、重粉質壤土、粉質粘土，卵石與粘性土呈互層狀、卵石夾粘性土透鏡體和粘性土夾卵石透鏡體等形式空間展布，揭露厚度10～45m。

（2）上更新統（Q3）。為上更新統上段沖洪積物，巖性為黃土狀重粉質壤土和黃土狀砂壤土。

（3）全新統(Q4)。全新統沖洪積物，巖性為黃土狀中、重粉質壤土和重粉質壤土（局部相變為中粉質壤土或粉質粘土），局部夾卵石透鏡體，有鈣質膠結現象。

2.3 地質構造

本渠段位于華北準地臺黃淮海坳陷的西部邊緣；新構造分區屬華北斷陷—隆起區的太行山隆起分區東南角和河北斷陷分區交接部位。本渠段沿線地震動峰值加速度為0.15g，相當于地震基本烈度Ⅶ度。

2.4 水文地質條件

2.4.1 地下水賦存條件及含水層組的劃分

第四系松散巖類孔隙潛水含水層組：含水層巖性上部由粉質壤土、黃土狀壤土組成，富水性一般較差。含水層組主要由粘性土和砂卵石互層組成，巖性巖相變化頻繁，厚度變化較大。由于巖性巖相及地形變化，局部地下水具有承壓性。

第四系松散巖類孔隙承壓水含水層組：主要分布于沿線山前坡洪積裙與山前沖洪積傾斜平原交接部位的下部。含水層組主要由粉細砂組成。

奧陶系灰巖裂隙巖溶含水層組：含水層組主要由奧陶系灰巖組成，巖溶較發育，局部受構造影響巖溶十分發育，但不均勻，屬中等透水，多位于渠底板以下。

2.4.2 地下水的補給、徑流與排泄

第四系松散巖類孔隙潛水主要接受大氣降水入滲、側向徑流、灌溉及地表（河、溝、渠等）水入滲補給，排泄方式主要為蒸發（僅限蘇藺一帶）、側向徑流及人工開采；地下水整體西北向東南流動，局部地段受地形控制或補給源影響，流向有所變化。

第四系松散巖類孔隙承壓水主要接受上游地下水側向徑流補給、潛水和下部承壓水越流補給，消耗于側向徑流和人工開采。

奧陶系可溶巖巖溶裂隙含水層組主要接受大氣降水入滲和側向徑流補給，以側向徑流方式排泄。

2.4.3 土、巖體滲透性分級

根據勘察試驗成果，場區粘性土一般具極微—弱透水性，砂壤土、粉細砂具中等—強透水性，砂卵石具強透水性，灰巖具弱—中等透水性。

2.4.4 地下水位及動態變化

（1）本渠段地下水動態變化主要為入滲—徑流—開采型。

（2）根據預測結果，本渠段最高水位高于渠底板的渠段長度7.85km；最高水位在渠底板附近，且接近地面的渠段長度1.50km。

3 主要工程地質問題

焦作段主要存在的工程地質問題為：黃土狀土濕陷問題、巖土膨脹性問題、施工降排水問題、施工邊坡穩定問題和地裂縫問題等。

3.1 黃土狀土濕陷問題

本渠段黃土狀土主要指第四系全新統和上更新統形成的次生黃土，沿渠線累計分布長度約12.172km，約占渠線總長度的50.63%。主要分布于山前坡洪積裙。

根據濕陷性的強弱，沿線黃土狀土共分為3個段，其中具中等濕陷性的有1段，分布長度8.501km，具中等—強烈濕陷性的有2段，累計分布長度3.671km。

據各場點的試驗成果分析，黃土狀土的濕陷深度多在7m以內；均為非自重濕陷場地，地基濕陷等級為輕微。黃土狀土的濕陷性對挖方渠段影響不大，不必考慮渠道的濕陷變形問題，半挖半填及填方渠段因在原地層上增加了荷載，則要考慮黃土狀土（特別是具中等和中等—強濕陷性的黃土狀土）的濕陷變形對渠坡和渠基穩定的不利影響

施工過程中根據黃土狀土的濕陷等級和填方高度分別采用了重夯和強夯對黃土狀土地基進行了處理，在村莊附近為了消除震動對村民的影響，采用了換填法對地基進行了處理。

3.2 膨脹巖土問題

本渠段內分布的膨脹巖土均為第四系中更新統重粉質壤土（Qd2lpl），局部夾粉質粘土，多呈棕紅色。從渠底板以下5m至一級馬道之間膨脹土累計分布長度5km，多呈條帶狀或透鏡體壯分布，均具弱膨脹潛勢。

施工過程中，對一級馬道以下根據邊坡地層巖性的組成及膨脹土的分布等特征，采取了粘性土換填、漿砌石封堵等不同的處理措施。一般為：一級邊坡地層為粘性土（或夾松散卵石透鏡體），膨脹土呈條帶狀分布，采用渠坡換填厚1.4m粘性土，渠底換填厚1.0m粘性土的粘性土換填處理方案；一級邊坡為粘性土、卵石（多鈣質膠結）互層結構，膨脹土呈透鏡體狀分布，對膨脹土垂直邊坡挖深0.5m，采用M7.5漿砌石封堵處理方案。

3.3 施工降排水問題

根據地下水預測結果，本渠段最高水位高于渠底板的渠段分布在樁號Ⅳ42+900～Ⅳ50+400，長度7.85km，存在施工降排水問題。

該段地下水主要屬于第四系松散巖類孔隙潛水，含水層組由粘性土和砂卵石互層組成，巖性巖相變化頻繁，厚度變化較大。由于巖性巖相及地形變化，局部地下水具有承壓性。粘性土一般具微—弱透水性，砂卵石具強透水性。

采用渠底打管井降水并結合排水溝明排的降排水施工措施。在渠道左岸均設有左岸截流溝，匯集總干渠左側的坡流和面流，導流于左岸排水建筑物和較大河流處穿越總干渠，保護了總干渠的渠坡安全。

3.4 施工邊坡穩定問題

渠道邊坡穩定性是影響渠道成渠條件的重要因素。影響渠道邊坡穩定的主要因素有：地層結構、地質構造巖性組合特征、土巖的工程特性（巖層的產狀、成巖及風化程度）、邊坡高度、地下水及地表水對土巖體的影響以及施工和排水方式等。

本渠段分布的特殊巖土的膨脹收縮、濕陷變形對渠道邊坡穩定產生不利影響；灰巖的構造（巖層走向與渠線小角度相交，造成開挖渠道邊坡一側呈順層）、發育的陡傾角裂隙，對邊坡穩定不利；地下水位高于渠底板的渠段在渠道成渠后至運行前期間，地下水對渠坡的滲透壓力將影響渠道邊坡的穩定。本渠段邊坡多為高邊坡，坡高15～30m的邊坡長13.826km，占渠道長度的57.54%，坡高大于30m的邊坡長2.332 km，占渠道長度的9.71%。

焦作2段對于小于15m的中低邊坡，渠坡在一般粘性土組成的渠段邊坡坡比一般采用1∶2；對于大于15m高邊坡渠段，考慮地下水位情況、巖性組合特征、土巖的工程特性、邊坡的高度等因素綜合確定，渠道分級開挖，中間設置馬道，邊坡坡比為（1∶1.5）～（1∶3.5）；對于（灰巖）巖質邊坡，一級邊坡坡比為1∶0.7，打錨桿掛鋼筋網襯砌，一級馬道以上邊坡坡比為1∶0.7，并采用打錨桿掛鋼筋網噴護。在地下水位高于渠底板渠段，在渠坡設計時均加有逆止閥等排水設施，降低地下水對渠坡的滲透壓力和頂托破壞作用。

3.5 渠道內地裂縫問題

地裂縫位于焦作段白莊村與沿山村之間的耕地中、總干渠設計樁號Ⅳ61+490～Ⅳ62+560之間，長度約1360m，近似呈直線型，走向基本與總干渠中心線一致，南段距離總干渠中心線3～15m，向北逐漸偏離中心線，北端最遠處偏離中心線約180m。

該渠段場地西北有方莊煤礦深部采空區，東南有白莊煤礦采空區，下伏九里山斷裂形成的埋藏基巖陡崖，土體結構存在差異，環境地質條件復雜，形成有地裂縫發育的地質缺陷。經初步的綜合分析，裂縫成因：受九里山斷裂構造的控制，在其它環境工程地質條件的變化因素（采礦活動引起的應力釋放、地下水下降、地表水下滲）誘發和激化的疊加作用的結果。綜合地質成因分析和初步監測結果，分析地裂縫基本穩定，可能誘發地裂縫的環境地質因素（采礦、地下水）趨于緩和，綜合評估白莊地裂縫的危害正在逐漸減小。目前地裂縫的監測工作正在進行。

對地裂縫渠段的處理，設計采用一級馬道以下：沿過水斷面，全斷面換填土工格柵。一級馬道以上：（1）對渠坡采用換填土，下鋪土工膜對裂縫進行封堵防護；（2）對兩頭的地裂縫采用沿垂直地裂縫方向各設置2排高壓旋噴樁進行封堵處理。

4 結論

南水北調中線工程焦作2渠段工程全長25.56km，渠線穿行于山前坡洪積裙與硬質巖丘陵等主要地貌單元，地勢總體呈西北高、東南低的特點。

黃土狀土沿渠線累計分布長度約12.172km，多屬非自重濕陷性黃土狀土，中根據黃土狀土的濕陷等級和填方高度主要采用了重夯法對黃土狀土地基進行了處理；渠段內分布的膨脹巖土均具弱膨脹潛勢，對一級馬道以下根據邊坡地層巖性的組成及膨脹土的分布等特征，采取了粘性土換填、漿砌石封堵等不同的處理措施；地下水高于渠底板的渠段分布在樁號Ⅳ42+900～Ⅳ50+750段，存在施工降排水問題，均采用管井降水結合明溝排水的降排水措施；對渠道邊坡穩定性問題采用分級放坡開挖，中間設置馬道，對邊坡還采取了襯砌、防護（或支護）并設置排水措施處理；渠段樁號Ⅳ61+490～Ⅳ62+560段存在地裂縫問題，對設計對一級馬道以下，沿過水斷面，全斷面換填土工格柵；對一級馬道以上采用換土方式進行封堵，并對兩頭的（Ⅳ61+ 300和Ⅳ62+387）地裂縫采用旋噴樁進行封堵。

[1]GB50487－2008水利水電工程地質勘察規范[S].北京：中國計劃出版社，2008.

[2]GB20025－2004濕陷性黃土地區建筑規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2004.

[3]SL386－2007水利水電工程邊坡設計規范[S].北京：中國水利水電出版社，2007.

P642

A

1004-5716(2016)12-0163-03

2015-12-30

2016-01-01

喬新穎（1977-），男（漢族），河南鞏義人，高級工程師，現從事水利水電、巖土工程地質勘察、基礎處理施工及研究工作。