南水北调登封配套管线工程地质条件及评价

张连忠，薛寒

(河南省水利勘测设计研究有限公司，河南 郑州 450016)

0 引言

河南省南水北调配套工程主要向11个省直辖市和所属的6座县级市、26座县城以及邓州市、滑县2座直管市县共45座城市的83座水厂和6座水库供水，年分配水量29.94亿m3，敷设供水管道1 000 km左右，其中河南省总干渠共设分水口门40处。

登封南水北调配套管线工程16号口门至白沙水库段全长约28.69 km，途径平原地貌和丘陵地貌，工程沿线地层岩性多样、工程地质条件复杂，所表现的工程的地质问题也较多。本文运用多种勘测手段，查明了工程沿线的地质条件，对主要工程地质问题进行了分析和评价。

1 工程概况

登封南水北调配套管线工程16号口门至白沙水库段管径为DN1000，管材采用给水涂塑复合钢和球墨管，双管布置，管道中心间距为2 m，工作压力1.50Mpa，输水设计流量为1.00 m3/s，年分配水量为2 000万m3。管道埋深为地面下2.50～5.00 m。

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

工程场区分为两个地貌单元：平原地貌和丘陵地貌，其中平原地貌又分为颍河河谷地貌和颍河冲洪积平原地貌。工程场区西高东低，整个地势由西北向东南倾斜。地面高程为：125.00～287.00 m。桩号： 0+000～11+200和16号口门至拟建泵站之间的管线为颍河冲洪积平原地貌，管线附近地面高程为：125.00～145.00 m。桩号：11+200～25+000为颍河河谷地貌，管线附近地面高程为：141.00～189.00 m。桩号：25+000～26+680为丘陵地貌，管线附近地面高程为：190.00～258.00 m。

2.2 地层岩性

该工程沿线揭露的地层岩性有新生界第四系全新统冲洪积(Q4alp)和坡洪积(Q4dlp)的轻粉质壤土、中粉质壤土、粉砂和卵石；第四系上新统冲洪积(Q3alp)和坡洪积(Q3dlp)的轻(中、重)粉质壤土和卵石，黄土状轻(重)粉质壤土；第四系中新统坡洪积(Q2dlp)的重粉质壤土和碎石土。

新生界新近系(N)泥岩、砂岩、泥质砂岩和砂质泥岩。

古生界二叠系(P)砂岩和泥岩。

①层轻粉质壤土(Q4alp)：灰黄、褐黄色，稍密，稍湿。土质不均，局部含较多砂粒，局部为砂壤土。该层厚度一般为1.00～2.00 m。主要分布在管线所经颍河及颍河支流的河床和漫滩上。

①-1层中粉质壤土(Q4dlp)：灰黄、褐黄色，可塑～硬塑，土质不均，含有碎石。层厚一般为3.00～5.00 m，较厚处约7.00 m，一般分布在冲沟底部。

②层砂卵石(Q4alp)：以灰白色为主，稍密～中密，底部为中实状，圆状、次圆状，局部为次棱角状，砂质充填，粒径一般为2～10 cm，含量约60%～70%，成份主要为石英砂岩，个别为灰岩。局部含有漂石，粒径大者可达30 cm。该层厚度一般>3.00 m。主要分布在管线所经颍河及颍河支流的河床和漫滩处。

②-1层粉砂(Q4alp)：灰黄、浅黄色，松散～稍密，稍湿～饱和。主要成份为：石英、长石。级配差。

③层重粉质壤土(Q3alp)：灰黄、褐黄、黄褐等色，可塑～硬塑。见有铁锰质斑点，土质不均，局部为轻粉质壤土和中粉质壤土。

③-1层黄土状轻粉质壤土(Q3alp)：灰黄、褐黄色，稍密，稍湿。见有白色钙质条纹和针状孔隙，局部含有少许钙质结核。土质不均，局部粘粒含量高。该层厚度一般为1.50～3.90 m，平均层厚约2.83 m。主要分布在南水北调总干渠16号口门附近。

③-2层黄土状重粉质壤土(Q3alp)：褐黄、黄褐色，可塑～硬塑。见有白色钙质条纹和针状孔隙，含有少许钙质结核。土质不均，局部夹有黄土状轻粉质壤土和黄土状中粉质壤土。该层厚度一般为1.50～2.60 m，平均层厚约2.05 m。主要分布在南水北调总干渠16号口门附近。

③-3层轻粉质壤土(Q3alp)：灰黄、褐黄色，稍密～中密，稍湿。土质不均，底部夹有砂壤土，见有铁锈侵染。该层厚度一般为0.50～5.80 m，平均层厚约1.87 m。主要分布在颍河一级阶地和二级阶地的上部。

④层砂卵石(Q3alp)：以灰白色为主，多为中密状，底部为密实状，圆状、次圆状，局部为次棱角状，砂质充填，粒径一般为3～8 cm，含量约60%～70%，成份主要为石英砂岩，个别为灰岩。局部含有漂石，粒径大者可达25 cm。该层厚度一般大于3.00 m。主要分布在颍河的一级阶地和二级阶地下部。

④-1层重粉质壤土(Q3alp)：褐黄、黄褐色，可塑～硬塑。土质不均，见有铁锰质浸染。

⑤层重粉质壤土(Q3dlp): 褐黄、黄褐色，可塑～硬塑。局部含大量钙质结核，直径1-4 cm。土质不均，局部夹有轻粉质壤土薄层。该层厚度一般为2.30 ～6.30 m，平均层厚约4.40 m。

⑤-1轻粉质壤土(Q3dlp): 灰黄、浅黄色，稍密，稍湿。土质不均，局部夹有中粉质壤土薄层。

⑥层碎石(Q2dlp)：以灰白、灰黄色、灰色为主，母岩成分为砂岩，石英砂岩等，次棱角状，一般粒径为3.00～7.00 cm，较大者为10～15 cm，碎石含量为55%～65%，充填物为砾石和重粉质壤土。该层厚度一般为1.00～8.50 m，平均层厚约3.95 m。

⑥-1层重粉质壤土(Q2dlp)：黄褐色，硬塑。含有碎石和钙质结核，见有铁锰质氧化物，土质不均。

⑦层泥岩(N)：褐红色、棕红色杂少量灰绿色，泥质结构，成岩差，呈可塑～硬塑状，失水易干裂，发育有不规则裂隙。揭露厚度中层厚大于2.00 m。主要分布在岗地。

⑦-1层泥质砂岩(N)：褐红色夹灰白色，岩性不均，局部砂岩和泥岩呈互层状。

⑧层砂岩(N)：灰白色、浅褐红色，以中细粒为主，砂质结构，层状构造，层理近水平，成份主要为石英、长石，含零星砾石，局部层间夹有云母片。局部胶结，胶结较好，岩心呈短柱状。揭露层厚>2.00 m。主要分布在岗地下部。

⑧-1层砂质泥岩(N)：褐红色夹灰白色，岩性不均，局部砂岩和泥岩呈互层状。

⑨层砂岩(P)：灰白、灰黄、紫红等色，强～弱风化，裂隙发育。以中细粒为主，砂质结构，层状构造，层理近水平，成份主要为石英、长石。局部夹有泥岩。岩芯呈柱状。

⑨-1层泥岩(P)：紫红色，强～弱风化，泥质结构，层状构造，裂隙面见有铁锰质侵染。

2.3 水文地质条件

工程区根据含水层的结构和地下水的赋存特点将地下水类型划分为第四系松散层孔隙潜水和基岩裂隙水两大类型。

松散层孔隙潜水的埋深受地貌单元的控制，颍河冲洪积平原地貌地下水埋藏较浅，丘陵地貌勘探深度内未见地下水。

第四系孔隙潜水主要赋存于砂卵石层中，接受大气降水补给，排泄方式方法主要为地下径流、人工开采和大气蒸发。管线穿越颍河及颍河支流勇泉河附近察期间地下水埋深0.50～7.50 m，管线其它地段地下水埋深为8.00～15.00 m。地下水多年变幅为：3.00～5.00 m。

基岩裂隙水，基岩裂隙水主要分布于基岩裂隙、构造破碎带、节理裂隙密集带中，以网状、脉状及带状形式分布，水量一般不大，且受季节影响较大，接受大气降水补给。根据工程地质测绘和钻探资料，勘察期间钻孔未揭露地下水，地表也未发现出露点。

根据室内渗透试验成果，结合邻近工程勘察资料，进行工程类比，对各土体单元的渗透性进行评价。见表1。

表1 各土体单元渗透性评价表

2.4 土壤腐蚀性

对场区管道附近土壤进行腐蚀性检测、评价，结合管道埋深及工程地质段岩性组合情况，本工程在管线沿线布置了5组测试点。试验成果见表2。根据测试结果可知：工程场区管线附近土壤土对钢结构腐蚀等级为中等腐蚀性。

表2 输水管线土对钢结构的腐蚀性评价表

2.5 湿陷性黄土

工程场区分布有湿陷性黄土，勘察期间在该区挖竖井取方块样进行了室内湿陷性试验。由试验可知：黄土状重粉质壤土在深度3.00 m处，湿陷系数δs为0.17×10-1>0.15×10-1，为轻微湿陷性。场地为非自重湿陷性场地，且Δs=25.50 mm<300 mm湿陷类型为Ⅰ(轻微)。在深度3.00 m处的湿陷起始压力为167 kPa。湿陷深度约为3.50 m。

3 线路工程地质评价

3.1 管线工程地质条件分段

根据土体的时代成因、性质和结构类型不同，将管线沿线分为3种地质结构类型。

Ⅰ类(16号口门至拟建泵站之间管线、桩号A0+000～ A1+407.469、桩号0+000～8+900和9+150～11+000)，该段地质主要结构为壤土单一结构。

Ⅱ类(桩号8+900～9+150和11+000～25+200)，该段地质结构主要为上壤土下砂卵石双层结构，局部为上砂卵石下基岩双层结构。

Ⅲ类(桩号25+200～26+680)，该段地质结构主要为上土下基岩双层结构。

3.2 管线工程地质评价

3.2.1 Ⅰ类工程地质段

该段地质主要结构为壤土单一结构，存在的工程地质问题主要有黄土湿陷问题、地基稳定问题、施工边坡稳定问题和降排水问题。

①黄土湿陷问题,黄土状土主要分布在16号口门至拟建泵站之间管线和桩号A0+000～A1+407.469段，场地为非自重湿陷性场地，且湿陷类型为Ⅰ(轻微)，湿陷深度约为3.50 m。存在黄土湿陷段的管线一般埋深约3.00 m左右，场地为非自重湿陷场地，管道的埋设没有增加附加荷载，故可不考虑黄土湿陷对管线的影响，但施工时应注意黄土受雨水浸泡产生的变形影响。

②地基稳定问题,管线基础位于③层重粉质壤土和③-3层轻粉质壤土上，③层承载力特征值fak=140 kPa，③-3层承载力特征值fak=120 kPa，承载力满足要求。

③施工边坡稳定问题,管线埋深为地面下3.00～4.00 m，施工边坡地层岩性为③层重粉质壤土和③-3轻粉质壤土，建议开挖边坡坡比采用1∶0.75～1∶1.00。开挖过程中应做好监测工作，管线两侧不宜堆载。

④降排水问题,勘察期间，地下水位埋深8.00～10.00 m，地下水多年变幅为3.00～5.00 m，建议施工前复核地下水位。

3.2.2 Ⅱ类工程地质段

该段地质结构主要为上壤土下砂卵石双层结构(局部为上砂卵石下基岩)，存在的工程地质问题主要有地基变形问题、边坡稳定问题和降排水问题。

3.2.2.1 地基变形问题

管线基础位于②层砂卵石、③层重粉质壤土、③-3层轻粉质壤土和④层砂卵石上，②层砂卵石承载力特征值fak=160 kPa，③重粉质壤土层承载力特征值fak=140 kPa，③-3层轻粉质壤土承载力特征值fak=120 kPa，④层砂卵石承载力特征值fak=200 kPa，⑦层泥岩承载力特征值fak=200 kPa，⑦-1层泥质砂岩承载力特征值fak=250 kPa，⑧层砂岩承载力特征值fak=300 kPa，⑧-1层砂质泥岩承载力特征值fak=280 kPa，承载力满足要求。

3.2.2.2 边坡稳定问题

管线埋深为地面下3.00～5.00 m，施工临时边坡地层岩性为①层轻粉质壤土、②层砂卵石、③层重粉质壤土、③-3层轻粉质壤土、④层砂卵石、⑦层泥岩、⑦-1层泥质砂岩、⑧层砂岩和⑧-1层砂质泥岩，壤土建议开挖边坡坡比采用1∶0.75～1∶1.00；②层砂卵石建议开挖边坡坡比采用1∶1.25～1∶1.50；④层砂卵石建议开挖边坡坡比采用1∶1.00～1∶1.25；⑦层泥岩和⑧-1层砂质泥岩建议开挖边坡坡比采用1∶0.75～1∶1.00；⑦-1层泥质砂岩和⑧层砂岩建议开挖边坡坡比采用1∶0.50～1∶0.75。开挖过程中应做好监测工作，管线两侧不宜堆载。

3.2.2.3 降排水问题

勘察期间，颍河及颍河支流勇泉河附近地下水埋深0.50～7.50 m，地下水多年变幅为：3.00～5.00 m。存在施工降排水问题，建议施工前复核地下水位。

3.2.3 Ⅲ类工程地质段

该段地质结构主要为上土下基岩双层结构，存在的工程地质问题主要有地基变形问题和边坡稳定问题。

3.2.3.1 地基变形问题

管线基础位于⑤层重粉质壤土、⑤-1层轻粉质壤土、⑥层碎石土、⑥-1层重粉质壤土、⑨层砂岩和⑨-1层泥岩上，⑤层重粉质壤土承载力特征值fak=160kPa，⑤-1层轻粉质壤土承载力特征值fak=130 kPa，⑥层碎石土承载力特征值fak=180 kPa，⑥-1层重粉质壤土承载力特征值fak=160 kPa，⑨层砂岩承载力特征值fak=800 kPa，⑨-1层泥岩承载力特征值fak=300 kPa，承载力满足要求。

3.2.3.2 边坡稳定问题

管线埋深为地面下2.50～4.50 m，施工临时边坡地层岩性为⑤层重粉质壤土、⑤-1层轻粉质壤土、⑥层碎石土、⑥-1层重粉质壤土、⑨-1层泥岩和⑨层砂岩，壤土建议开挖边坡坡比采用1∶0.75～1∶1.00；⑥层碎石土建议开挖边坡坡比采用1∶1.00～1∶1.25；⑨层砂岩建议开挖边坡坡比采用1∶0.50～1∶0.70；⑨-1层泥岩建议开挖边坡坡比采用1∶0.75～1∶1.00。开挖过程中应做好监测工作，管线两侧不宜堆载。

4 结论

①通过多种勘察手段查明了工程的地质条件，提出了合理的物理力学性参数；②管线工程线路长，勘察难度大，多种勘探方法的运用为类似工程提供了参考；③经过验槽，管线沿线揭露的地层岩性基本与勘察报告相符。但局部由于排水效果差，造成新近系泥岩的软化，存在换填问题。