地质复杂地区农村饮水安全工程施工关键技术探讨

刘学斌，张小平，刘 奇

(1．彭阳县水务局，宁夏 彭阳 756500；2．中国人民武装警察部队水电第八支队，重庆 400000)

彭阳县位于宁夏回族自治区东南部、六盘山东麓，西北黄土高原的东部地带，是一个以农业经济为主的山区县。当地水资源短缺，为解决当地群众饮水困难等问题，近年来已建小型人饮工程46处，其中35处以地表水为水源。受降雨量减少及干旱影响，部分饮水水源水量减少或干涸，群众只能采用井窖积蓄雨水解决饮水问题，导致饮水不安全人口增加。

宁夏固原地区(宁夏中南部)城乡饮水安全水源工程是将宁夏固原地区南部六盘山东麓雨量较多、水量相对较丰沛的泾河流域地表水，经拦截、调蓄，向北输送到固原中北部干旱缺水地区的区域性水资源优化配置工程。宁夏固原地区(宁夏中南部)城乡饮水安全工程包括水源工程、连通工程和受水区配套工程三部分。通过新建连通管网及调蓄工程，解决固原地区4 县(区)131.51 万人的饮水安全问题。彭阳县隶属固原市管辖，是受水区4县之一，连通配套工程由中部茹河、南部红河、北部安家川三部分组成。彭阳县北部安家川连通配套工程主要由预沉池、输水管道、各类阀井、调蓄水池、净水厂和泵站等工程组成，解决彭阳县北部8.2万人的安全饮水问题，并为王洼镇城区1.1万居民生活饮水及公共服务业用水提供用水保障。在工程建设中要途经多条河流、山谷、梁峁和山地，工程地质复杂。该工程在建设过程中采取了许多新工艺，施工工法有新突破，施工技术有创新，对于类似工程建设具有借鉴意义。

1 工程地质条件

工程途径地面高程为1 930～1 520 m，总体地形南高北低，管线途经河谷、黄土梁及第三系红土层等地貌单元。河谷两侧阶地发育，以Ⅰ级、Ⅱ级阶地分布较广，阶地较对称。Ⅰ级阶地一般呈透镜体状分布，面积小。Ⅱ级阶地前缘高于河床2～6 m，由Q1apl4、Q2apl4壤土、砾石层组成，下部由第三系地层及白垩系地层组成。河床中基岩断续出露，为基座阶地。出露的地层有白垩系下统马东山组泥灰岩(K1m)、第三系清水营组(E3q)泥质砂岩、砂岩，第四系上更新统风积(Qeol3)黄土；第四系全新统冲积(Q1al4)壤土、角砾；第四系全新统冲洪积(Q2apl4)壤土、角砾等。

白垩系下统马东山组泥灰岩(K1m)：兰灰色为主，中厚层-厚层状，坚硬，局部夹薄层状泥灰岩及灰黑色泥岩，层状构造。主要矿物成分铁白云石、方解石、方沸石、斜长石，其次为石英等，黏土矿物占10%～20%。单层厚度30～100 cm，抗风化能力较弱，暴晒之后容易崩解。

第三系清水营组(E3q)泥质砂岩、砂岩：土红色-紫红色细砂岩，泥质胶结，产状呈水平，局部夹薄层泥岩或者泥质砂岩。

第四系上更新统马兰黄土(Qm3)：土黄色，坚硬状态，垂直节理发育，可见大孔隙，具湿陷性。

第四系全新统冲积(Q1al4) ：壤土：微红色、土黄色，坚硬状态，具层理，大孔隙发育，具湿陷性。角砾：灰褐色，稍湿，松散-稍密，成分为泥灰岩、砂岩、泥岩等，棱角形及次棱角形，一般颗粒粒径为5～15 mm，最大粒径达100 mm，大于2 mm颗粒占总重的60%～80%，主要由粉细砂充填。

第四系全新统冲洪积(Q2apl4)：壤土：杂色，稍湿，可见大孔隙，主要分布在沟底中。角砾-碎石：灰褐色，稍湿，松散-稍密，成分为泥灰岩、砂岩、泥岩等，颗粒多为棱角形及次棱角形，一般颗粒粒径为3～15 mm，最大粒径达60 mm，大于2 mm颗粒约占总重的65%，主要由粉细砂及砂壤土充填。主要分布在各冲沟中。

加泥层、大孔隙可形成软弱地基，基岩含薄加泥层会造成地基承载力不均匀，湿陷性土基易塌陷、滑坡，布设水工建筑物则必须进行基础处理，加之地下水的存在，加大了施工难度，延长了工期，大幅提高了工程建设费用。

2 水文地质

管线穿越的河道有地表水和地下水。地下水主要位于茹河河道，在河床附近分布；后峡沟、田吾沟和田家井沟沟道有地表长流水。

管线发现地下水的位置多在前段及过沟建筑物附近，含水层一般为角砾及砂土，地下水位埋藏较浅(多在2～4 m)。水质检测成果见表1。

表1 水质成果表 mg/L

在上述不同的工程地质和水文地质条件下修建人畜饮水水工建筑物，都存在不同的工程地质缺陷，会造成基础沉陷、边坡塌方、滑坡、管道安装困难、建筑物腐蚀等，需要从工程选线、管材选用、施工方法、建筑物布设等多方面采取相应的工程措施予以弥补，才能保证人畜饮水工程建成后运行正常。

3 工程定线

通过对各种地质现状的分析，经过多次管线踏勘，确定了以下选线原则：一是尽量避开地下水位高的地段。一方面由于地下水SO2-4含量较高，会对管座、镇墩等造成腐蚀，另一方面由于地下水位高，管沟开挖困难，边坡易塌陷，并且需要对软基进行处理，管道安装施工难度大，管槽需要排水，建设费用会大幅度增加。如茹河地段在布设管道时尽量布在Ⅰ级、Ⅱ级阶地上，尽可能避开地下水位高的地段。二是丘陵地带管线尽量沿平缓山脊布置，水平方向尽可能走直线，以保证管线最短，水头损失最小。三是尽量避开地形突变段，如较高的陡坎、悬崖等，避免大挖方。管道在横穿田吾沟时设计是从河道两侧悬崖大挖方通过，在定线时将管线向下游移了60多m从低洼段通过，避免了大挖方，降低了施工难度，减少了建设费用。四是必须避开地质塌陷区、滑坡区。五是尽可能减少填方段。彭阳县北部安家川连通配套工程地处温带，四季分明，冬季温度可达-25 ℃左右，冻土层厚1 m左右，因此管道埋深必须达到1.5 m以上，填方段管道周围埋深也必须达到上述标准，填方段越多，工程建设费用越大。只在管线途径乃河库区内的一条支沟布置了一处填方段，该沟呈V字形，沟深9.5 m，口宽32 m，正交布置。该沟最高蓄水位距沟顶1.65 m，常年蓄水，若管道埋设于沟床地下，该段管道需要维修时必须放空沟内蓄水，费时且与水库调蓄调度产生矛盾。因此，为了保证该段管道维修时供水的时效性要求，垂直支沟修建了一座长35 m的土坝，管道沿土坝中心线埋深1.5 m通过。六是管线尽量避开坟地、居住区及其他建筑物，以减少拆迁、征地补偿费用，同时必须避开回族清真寺、坟场等宗教场所，避免民族纠纷发生。彭阳县北部安家川连通配套工程很多管线布设在回族集居区，清真寺、坟场是敏感场所；在一座清真寺礼拜的回族群众其死亡的同袍往往埋在一处坟场内，坟场规模大，搬迁难度非常大。

4 管材选用

本着不同的地质条件，不同的水压，采用相应匹配的管材，以达到安全、经济的目的。彭阳县北部安家川连通配套工程选用的管材有球墨铸铁管、钢管和PVC-M 3种。

(1)球墨铸铁管。使用18号以上的铸造铁水经添加球化剂后，经过离心球墨铸铁机高速离心铸造成的管材，称之为“球墨铸铁管”(Ductile Cast Iron Pipes)。球墨铸铁管是铸铁管的一种，具有铁的本质、钢的性能。由于其防腐性能优异、延展性能好，密封效果好，广泛用于市政、工矿企业给水、输气，输油等。在地形复杂的彭阳山区使用该管材，得到的对施工技术和现场安装的经验对类似地区的使用很有借鉴作用。当水压大于等于1.6 MPa，小于3.5 MPa时采用球墨铸铁管，但不同的地形、地质条件，采用的管型是不一样的。对于软基地区、填方地段和坡度大于25°以上地段要采用压块式自锚球墨铸铁管道，这种管材能更好地适应地基沉降要求，当管道出现局部悬空时也不会影响正常供水。其他地段可采用T型接口球墨铸铁管道。压块式自锚球墨铸铁管比T型接口球墨铸铁管较贵，但T型接口球墨铸铁管道对基础要求高。

(2)钢管。彭阳县北部安家川连通配套工程管道横跨后峡沟、甘海子、田吾沟和田家井沟四条主沟道，最大静水压力达到 407.3 m，属于宁夏压力最大的人畜饮水工程。后峡沟、甘海子沟道存地表长流水，基座为白垩系下统马东山组泥灰岩(K1m)，因局部夹薄层状泥灰岩及灰黑色泥岩，强度不一，承载力差别大；田吾沟沟道存地表长流水，基岩埋深厚，上覆8～10 m厚第四系全新统冲积(Q1al4)壤土、角砾-碎石，承载能力较基岩差但均匀；田家井沟为茹河主支沟，存长流水，基岩外露，为第三系清水营组泥质砂岩、砂岩，局部夹薄层泥岩或者泥质砂岩，承载力不均匀。由于上述四处管道水压大，地基承载力不均匀，设计安装为压力钢管，其接头采用凸面法兰刚性连接、钢垫封水。这样就解决了管道承压问题和由于地基承载力不均匀造成管道变形问题。

(3)PVC-M管。PVC-M管又称给水用抗冲改性聚氯乙烯管，具有良好的韧性和刚性(抗冲击性能)，能有效控制“水锤、气锤”破坏，耐腐蚀性能好、卫生性能高、使用寿命长，适应更复杂环境，施工安装方便快捷，相较球墨铸铁管、钢管其价格非常低廉，而压力等级可达1.6 MPa，但安装要求地基承载力均匀。对于压力等级要求低于1.6 MPa的引水、供水和排水管道非常适用。彭阳县北部安家川连通配套工程大部分管道安装在第四系上更新统风积(Qeol3)黄土覆盖普遍较厚的丘陵地区，这种地质条件其地基承载力非常均匀，因此，水压要求低于1.6 MPa的地段采用了PVC-M管。

5 施工方法

农村饮水工程大多涉及点多、面广、战线长，而且地质复杂，沿途有许多城镇、村庄，一旦出现问题就会危及人民生命财产安全，因此工程质量要求非常高，相应的施工技术就显得非常重要。彭阳县北部安家川连通配套工程针对不同的地质、地形条件，采用的许多施工技术方法新颖、实用，对类似工程很有借鉴意义。

(1)3万m3调蓄池引水管外侧的封堵技术。3万m3调蓄池修建于罗家山山顶，梯形断面，口宽68 m,长108 m，深7 m，工程地质为第四系上更新统马兰黄土(Qm3)，四周为山谷，山坳处居住有农户。该调蓄池引水管设计为直径400 mm的球墨铸铁管，长38 m，由蓄水池底部一侧池壁引出，上部采用原土回填。沿引水管外壁渗漏水的封堵技术是该池施工难点。许多人畜饮水工程调蓄池均出现沿引水管渗漏水现象，而且维修处理困难。传统的封堵技术为管子周围用三七灰土(本工程设计)或二八水泥土夯实处理，沿引水管分段焊接钢板(本工程设计)以延长渗径并防止推剪破坏。由于球墨铸铁管不能被机械或其他硬物撞击，所以夯实只能人工用木棒振捣，这种方法填土密实度很难达到设计要求，尤其是管道底部。采用保德第三纪晚期红土当地俗称“红胶泥”替代三七灰土，这种红胶泥在黄土高原普遍存在，一般在黄土下部，多在深切沟道下部两侧出露，罗家山山底冲沟就有出露，属于不透水层。其特点是：胶结好，炮制好后不渗水，可就地取材。炮制的办法是：将拉运到施工现场的松散红胶泥以2 m3左右为一组添加水泡24 h后用人工踩踏或粗木棒击捣至肉眼看不到颗粒为止，状态和硬面团差不多，然后铺设到引水管相应部位，每层厚20 cm，仍然用人工踩踏或粗木棒捣击至完全胶结，再铺设下一层。这样做引水管底部与管子接触部位填土(红胶泥)也能挤压胶结密实，封水效果非常好。在修建水库时在水塔外壁和输水洞外壁也采用过同样的封填技术，效果很好。这种技术适用于30 m以下水头压力工程。

(2)河道段管道施工。彭阳县北部安家川连通配套工程有10 km安装在茹河河道，该段地下水位高，河床白垩系下统马东山组泥灰岩(K1m)断续出露。在管沟开挖和管道安装时为防止管槽侧墙塌陷和沟槽内污水进入管道内，必须采取排水措施：可在沟槽任一侧2 m以外挖一排水坑，引水至坑内，用相应流量水泵抽排。排水坑布置间隔不能过长，以管槽不塌陷、不影响管道安装为宜。若管床为出露的岩石，为防止管基有凸点接触管壁在水压或填土压力下造成管壁出现局部应力集中而损坏管道，必须在岩石出露段管床铺设10 cm厚砂砾石垫层，要求砂砾石最大粒径小于2 cm，且级配良好。

(3)T型接口球墨铸铁管安装。球墨铸铁管在运输、装卸、堆放等方面严格按规范要求施工外，关键技术是接口的安装。在安装前用钢丝刷、25 mm油灰平铲、毛刷、抹布清扫插口外表面、承口内表密封面及橡胶圈，不得沾有任何沙土等杂物，仔细检查插口倒角是否满足安装要求，插口和胶圈要保持干净。安装时将橡胶圈弯曲成“心”或“十”字形(DN800以下把橡胶圈捏成“8”字形)放入承口密封槽内，施加径向力使橡胶圈完全放入密封槽内，不得反装或扭曲。用毛刷将润滑油(食用油)均匀涂在承口处的橡胶圈内表面和插口端接触面上；插口端涂油位置是从倒角处开始涂，涂油要点是润滑油不得涂在承口密封槽内。然后保持两根管子的中心线在一条直线上，将管子一次性插入管材上的两条安装标志线的中间。

彭阳县北部安家川连通配套工程用球墨铸铁管最大管径为400 mm，采用葫芦、倒链辅助人工安装，这样对于安装技术熟练程度高的技术工人可凭经验就能判断出接口安装是否到位、正确。严禁用挖掘机等大型机械顶入，而现场用机械顶入的管道接头大多都渗、漏水。对于安装完成的每一个接头都要检测安装质量，方法是：沿插口圆周用小锯条或薄窄钢尺900四点检测插入承口内直到顶到橡胶圈，看看深度是否一致，若不一致则拔出管子，换掉橡胶圈重新安装；对于DN400管道要求派专人拿手电进入管内，检查管子是否安装到位，胶圈是否顶破或变形，管内是否遗留杂物等，确保安装质量。为了保证管道的正常运行，管口轴线坡度大于等于8°时，承口必须朝上指向山顶方向，才能保证球墨铸铁管达到设计水压时其接口不渗水漏水。山脊、山谷两侧管道可用双承弯头调换管材承口方向，以保证承口始终指向山顶。

(4)镇墩的布设。镇墩作为农村饮水工程管道的附属必建项目在技术上并没有特殊的要求，只是在修建过程中往往引不起施工单位的重视，甚至有裁剪镇墩数量的现象发生，这对农村饮水工程运行安全造成危害，尤其是工程地质复杂的丘陵地区的农村饮水工程危害更甚。在工程地质突变点和地形明显变化的转弯处按照不同的地质条件和水压必须布设不同规格的镇墩。有许多镇墩布设在半山腰或山顶，施工极其不便，需要靠人力背、担材料才能送到，这些点的镇墩往往被施工队伍偷裁剪掉，而这些点的镇墩又极其重要，一旦管道出现问题，会对附近的群众生命财产安全构成危害，所以各参建单位必须加强监管。

彭阳县北部安家川连通配套工程管道布设的镇墩许多在地下水位线以下，根据检测，地下水SO2-4含量较高，会对镇墩等建筑物造成腐蚀，因此必须使用抗硫水泥。对于小于11.25°的管道转角，没有国标管件安装，一般采取利用不同管材的允许安装偏转角多根管子平顺过度的办法安装。球墨铸铁管的允许安装偏转角为3°，PVC-M管的允许安装偏转角为4°，钢管采用刚性连接，没有允许安装偏转角，必须制作相应角度的弯头安装。无论哪类管材，平顺过渡段必须布设镇墩。

6 结 语

(1)管道选线应尽可能避开地质条件较差的地段，尽可能减少填方段，以降低工程费用和施工难度。

(2)在确保管道运行安全的情况下，本着经济、实用的原则，按照不同的水压、不同的地质条件选择不同的管材和管材不同的压力等级，以降低工程投资。水压小于1.6 MPa且地基承载力均匀时选用PVC-M管；水压在1.6～3.5 MPa之间选用球墨铸铁管且软基地区、填方地段和坡度大于25°以上地段采用压块式自锚球墨铸铁管道；水压大于3.5 MPa或不宜采用上述管材的地质复杂地段选用压力钢管。

(3)采用保德第三纪晚期红土(红胶泥)替代三七灰土或二八水泥土防渗漏水效果更好，工程更安全且施工难度减小。

(4)在基岩上安装管道必须铺设10 cm厚、最大粒径小于2 cm且级配良好的砂砾石垫层，以防止产生应力集中而破坏管道。

(5)T型接口球墨铸铁管安装不可使用大型机械顶入。管口轴线坡度大于等于8°时，承口必须朝上指向山顶方向，才能保证球墨铸铁管达到设计水压时其接口不渗水漏水。

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[1] 固原市水利勘测设计院.宁夏中南部城乡饮水安全工程彭阳县北部安家川片区连通工程初步设计报告[R].宁夏固原，2013.

[2] GB/T13295-2013，水及燃气管道用球墨铸铁管、管件和附件[S].

[3] GB50268-2008，给水排水管道工程施工及验收规范[S].