南水北調中線一期工程總干渠不良地質渠段地質風險及處理措施

李 坤，司富安，鞠占斌，張小寶，張 瑄

(水利部水利水電規劃設計總院，北京 100120)

南水北調中線干線工程是國家南水北調工程的重要組成部分，是緩解我國黃淮海平原水資源嚴重短缺、優化配置水資源的重大戰略性基礎設施，是關系到受水區河南、河北、天津、北京等省市經濟社會可持續發展和子孫后代福祉的百年大計[1]?？偢汕€路長、南北跨度大，所經地區的地理環境和水文氣象條件差異較大，地質環境復雜多變[2- 3]，不良地質問題和風險[4- 5]較為突出。

1 工程概況

南水北調中線輸水總干渠全長1432.493km，跨越長江、淮河、黃河、海河4大流域705條河流，沿線經過河南、河北、北京、天津4個省、直轄市。受水區包括河南省的南陽、平頂山、漯河、周口、許昌、鄭州、焦作、新鄉、鶴壁、安陽、濮陽11個省轄市及7個縣級市和25個縣城；河北省的邯鄲、邢臺、石家莊、保定、衡水、廊坊6個省轄市及14個縣級市和65個縣城；北京市和天津市。

總干渠為I等工程，沿線布置各類建筑物2385座，渠道及其交叉建筑物的主要建筑物為1級建筑物，次要建筑物為3級建筑物?？偢汕自O計水位147.38m，北京末端的水位為48.57m，天然總水頭98.81m。

2 基本地質條件

2.1 地形地貌

沿線地形總體呈西高東低、南高北低之勢?？偢汕哪舷虮睓M貫長江、淮河、黃河、海河4大水系，沿線地形地貌差異較大。按地貌形態劃分，總干渠陶岔-北京段主要穿越平原、崗地、丘陵、砂丘砂地4大類，天津干線主要穿越平原和丘陵2類地貌單元，如圖1所示，DEM數據可從https://wist.echo.nasa.gov/～wist/api/imswelcome/下載。

平原區主要有唐白河沖湖積平原，淮、黃、海沖洪積平原和山前傾斜平原。丘陵區主要有伏牛山南麓和太行山脈東麓，平面上則呈孤丘狀。崗地主要分布于陶岔至古運河段，是由古老或較古老的山前洪積扇與沖洪積傾斜平原被沖溝、河流切割而形成的壟崗地貌。

圖1 南水北調中線總干渠地形地貌

2.2 地質構造

工程跨越2個一級大地構造單元：古生代-早中生代形成的秦祁褶皺系和太古代-早元古代形成的華北準地臺。根據新構造運動分區，工程主要位于秦嶺-大別山隆起區、豫皖隆起-拗陷區和華北斷陷-隆起區。區域內的活動斷裂主要集中在3個區帶：①大同-太原-臨汾一帶，基本上為山西斷陷帶，總體呈北北東向，由一系列的北東向活動斷層組成，如口泉斷裂、五臺山北緣斷裂、交城斷裂、中條山北緣斷裂等，歷史上地震活躍，屬山西地震帶；②衡水-邯鄲-邢臺-新鄉一帶，由一系列北東向斷裂組成，如新河斷裂、邯鄲斷裂、湯西斷裂、湯東斷裂等，屬華北平原地震帶；③張家口-北京-唐山一帶，由一系列北東向和北西向斷裂組成，如薊運河斷裂、南口-孫河斷裂、夏墊斷裂、黃莊-高麗營斷裂等，屬華北平原地震帶中的張家口-渤海地震帶。

2.3 地層巖性

總干渠巖石渠道總長50.7km，其余絕大部分為土質渠道?？偢汕鼐€不同區域、不同時代的巖性差別較大，廣泛出露第四系地層，主要有坡洪積、坡殘積、沖洪積、沖積、湖沼相沉積、海相沉積等成因交錯形成的松散堆積物，以及黃土狀土和軟黏土等。崗地一般由新第三系軟質碎屑巖及下、中更新統沖洪積含鈣質結核(姜石)、鐵錳質結核棕黃色粉質黏土、部分紅色粉質黏土、黏土、泥礫等組成。此外，太古界、元古界變質巖地層，古生界、中生界、新生界及巖漿巖等均有出露。這些巖土層既是南水北調中線一期渠道工程的主要地基持力層，也是構成膨脹土、濕陷性黃土和砂土液化等不良地質渠段的主要地層。

2.4 氣象水文

從渠首至北京、天津，工程跨越濕潤、半濕潤和半干旱氣候區。氣溫從南向北逐漸遞減，降雨量逐漸減少，而蒸發量逐漸增加。

工程區內水系較發育，流域面積100km2以上的河流68條，分屬長江、淮河、黃河、海河流域。長江、淮河水系的河流一般常年有水，而黃河、海河水系的河流屬季節性河流，枯水期水量很小或斷流干涸。

工程區地下水以第四系孔隙裂隙潛水、基巖裂隙水為主，局部存在巖溶裂隙水，在多層結構的地層中，由于含水性能的差異，存在承壓水。地下水主要受大氣降水補給，在山前平原、丘陵區存在地下水側向補給，地下水位變化主要受季節控制。地下水的排泄方式以蒸發、向下游徑流排泄和人工開采為主。近幾十年來工農業用水的急劇增加，人工超采地下水導致地下水位逐年下降且形成多個降落漏斗，渠線多位于降落漏斗的邊緣地帶。工程沿線大多數地下水對混凝土無腐蝕性，局部渠段具有一般酸性腐蝕、硫酸鹽型腐蝕和碳酸型腐蝕。

3 不良地質渠段地質風險及處理措施

總干渠南北線路長、跨度大、建筑物多，地形地貌和地質條件復雜多變，各種不良地質問題突出。其中，膨脹土(巖)渠段[6- 8]、濕陷性黃土渠段[9]、飽和砂土地震液化渠段[10]、高地下水位渠段[11]、煤礦采空區渠段[12]、深挖方渠段[13]等6類不良地質渠段是工程前期地質勘察和設計的重點地段，也是總干渠運行期間主要的地質風險和隱患渠段。

3.1 膨脹巖(土)渠段

膨脹土(巖)是一種具有遇水膨脹、軟化，失水收縮、崩解的特殊軟巖(土)，具有顯著的強度衰減期，當發生干濕循環時，其性狀常發生巨大變化，將嚴重構筑物安全穩定。

3.1.1分布范圍

總干渠穿越膨脹巖、土地層累計長度約349.351km，約占總干渠輸水渠道1/3，其中總干渠強膨脹土(巖)渠段長約17.930km，中等膨脹土(巖)段139.726km，弱膨脹土(巖)段長度為191.695km。主要分布在石家莊以南，集中分布在陶岔渠首-北汝河段、輝縣-新鄉段、邯鄲-邢臺段，此外潁河及小南河兩岸、淇河-洪河南、石家莊、高邑等地也有零星分布。

3.1.2風險特征

膨脹土(巖)對渠道工程的不良影響主要體現在：①影響渠坡穩定，在大氣影響帶深度范圍內，極易產生淺層疊瓦式滑坡，深度一般2～6m，或形成由層間結構面控制的深層滑坡；②當土體含水量發生變化時，巖(土)體脹縮變形可能導致渠道襯砌膨脹破壞，引起渠道漏水，導致渠坡穩定狀態的惡化；③膨脹土(巖)中發育的裂隙與其它裂隙、層面等組合，會形成規模較大的不穩定塊體，影響渠坡穩定。

3.1.3處理措施

針對膨脹土(巖)的工程特性及其對渠道危害類型，可采用渠道斷面邊坡放緩、設置多級馬道、使用現澆混凝土襯砌、下設覆合土工膜防滲、換填土、加強排水和使用抗滑樁等措施對膨脹土(巖)段進行處理。

3.2 濕陷性黃土渠段

濕陷性黃土是指在上覆土層自重應力作用下，或者在自重應力和附加應力共同作用下，因浸水后土的結構破壞而發生顯著附加變形的黃土狀土，具有遇水后土體結構破壞強度降低的特點。

3.2.1分布特征

沿線主要是黃土狀土，黃土狀土渠段累計長度401.824km(不包括穿黃工程4.629km)。其中，黃河以南渠段濕陷性黃土狀土累計長度151.186km，主要分布于汝河以北的渠段；黃河北-漳河南濕陷性黃土渠段長度172.265km，主要分布在焦作、輝縣、湯陰等地；河北省段黃土狀土分布總長度66.947km，主要集中在高邑縣至元氏縣段渠段和鹿泉市段，在磁縣、永年縣及臨城縣零星分布；北京段黃土狀土主要分布在惠南莊-大寧段，長約0.6km，天津段西黑山進口閘至有壓箱涵段分布有10.826km的黃土狀土。

3.2.2風險特征

總干渠沿線黃土狀土以非自重濕陷為主，局部具有自重濕陷性。大部分為弱-中等濕陷，少部分為強濕陷，濕陷深度一般5m左右，最大不超過10m。對工程的主要危害是可能導致渠道或建筑物地基產生濕陷變形破壞、影響填方渠道和建筑物地基穩定，對挖方渠道邊坡的影響不大。

3.2.3處理措施

針對沿線黃土狀土的工程特性及其對渠道的潛在危害，對總干渠濕陷性黃土渠段可采取強夯、重夯、振沖擠密、坡面防護和排水、襯砌下設防滲等處理措施，對于非自重濕陷性黃土分布的渠段，原則上只對填方渠道和半挖半填渠挖方渠道進行處理，處理深度與范圍通過設計計算確定。

3.3 飽和砂土地震液化渠段

砂土液化是指飽和砂土在地震、動荷載或其它外力作用下，受到強烈振動而喪失抗剪強度，使砂粒處于懸浮狀態，致使地基失效的作用或現象。

3.3.1分布范圍

砂土液化渠段主要位于沿線較大河流如黃河、潮河、黃水河、漳河等的漫灘和一級階地上?？偢汕鼐€存在飽和砂土地震液化問題的渠段總長48.884km，其中沙河北-賈魯河南31.893km，穿黃段為6.128km，黃河北-漳河南5.478km，河北-北京段5.385km。其中，總干渠共處理砂土液化段38.719km，主要集中在新鄭至安陽之間的渠段和磁縣段，其中新鄭段和航空港段(潮河段)分別為8.58、17.875km。

3.3.2風險特征

發生強烈地震時，本段可能發生地震液化，渠道兩側坡腳處容易發生噴砂冒水，從而導致渠堤、渠基邊坡以外地基和地面出現不同程度的沉陷，結果造成渠堤和其他建筑物傾斜、邊坡開裂和滑移破壞。

3.3.3處理措施

根據砂土液化破壞后的涉及范圍、發生震害可能產生的損失大小和修復的難易程度等特點，從技術可行及經濟合理上綜合考慮，對不同液化等級采用不同的處理措施：①對液化等級輕微、液化土層厚度相對較小的，采取強夯處理措施；②對中等液化地基，視液化地層的厚度、埋深、渠道斷面的形式等，采用擠密砂樁、換土、強夯等處理的措施；③對嚴重的液化地基，原則上采用擠密砂樁處理，局部坡腳液化土層處理厚度相對較薄處，經技術經濟比較后確定采用換土法進行處理。

3.4 高地下水位渠段

本文中高地下水位渠段是指地下水位高于渠底高程的渠段。

3.4.1分布范圍

總干渠沿線穿越高地下水位渠段約168.553km。沿線各渠段均有分布，其中陶岔-沙河南高地下水位段長27.952km，沙河南-黃河南高地下水位段長27.189km，黃河南-漳河南高地下水位段長41.635km，漳河北-北拒馬高地下水位段長27.189km。高地下水位渠段大部分與膨脹土(巖)渠段、深挖方渠段、濕陷性黃土渠段和砂土液化渠段互相交叉，單一高地下水位渠段較少。

3.4.2風險特征

高地下水位對渠道工程的影響，主要包括：①在施工過程中產生基坑涌水，給工程施工帶來困難；②運行期地下水位高于渠道內水位時，建筑物存在抗浮問題，尤其檢修期渠道襯砌板穩定問題比較突出；③引起膨脹土、濕陷性黃土等不良地質渠段的破壞；④地下水位以下處于飽和狀態的土體物理力學指標降低、抗剪強度下降，影響渠坡穩定；⑤導致北方地區凍脹、凍融破壞。

3.4.3處理措施

針對過水斷面襯砌結構的地下水問題，根據地下水位、水質、地形條件等，對總干渠地下水位高于渠底板的渠段，采取了多種排水方案，包括自流外排、逆止閥內排、逆止閥內排+自動泵抽排、移動泵抽排等。

3.5 煤礦采空區渠段

3.5.1分布范圍

南水北調中線一期工程總干渠在禹州段通過原新峰礦務局二礦、禹州市梁北鎮郭村煤礦、梁北鎮工貿公司煤礦和梁北鎮福利煤礦等4處采空區，累計長度為3.11km。

3.5.2風險特征

開采后的覆巖形成采空區“上三帶”(即：冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶)，據調查，渠道通過的采空區地表局部存在變形現象(移動盆地)，個別采空區存在殘余變形?？偢汕ㄋ?，采空區存在活化可能，甚至導致產生更大的地面沉降、渠坡變形甚至滑動、渠底裂縫、滲水等風險。

3.5.3處理措施

通過對采空區變形特征和不同方案的比較，選用注漿加固法對采空區處理，處理范圍根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》中垂線法圈定保護煤柱邊界與采空區的實際區域取交集確定。

3.6 深挖方渠段

本文中深挖方渠段是指挖深超過15m的渠段。

3.6.1分布范圍

總干渠深挖方渠段共107個，總長233.816 km，最大挖方深度47.5m。深挖方渠段主要分布在過崗段和丘陵段，以土質渠道為主，主要是膨脹土和黃土狀土，部分為土與上第三系軟巖組成的渠道，局部為硬巖渠道。

3.6.2風險特征

與巖石邊坡相比，土體自身的工程性質導致土質高陡邊坡更容易發生沉降、開裂、變形、失穩和滑坡。且深挖方渠段絕大部分與膨脹土(64段)、濕陷性黃土(24段)、高地下水位(28段)等互相交織、相互依存，深挖方渠段還存在和膨脹巖土渠段、濕陷性黃土渠段以及高地下水位渠段相同的災害風險。

3.6.3處理措施

根據深挖方渠段的巖(土)體特征及其可能存在的風險類型，有關深挖方渠段的工程處理措施主要有：①放緩邊坡，減輕荷載；②增加支撐，加固邊坡；③加強排水，降低地下水位。④以上三者有機結合，統籌安排，體現技術可行、經濟、安全可靠的原則。

4 運行現狀

通過現場調研和對相關資料的分析、研究，并結合近幾年的運行情況，總體認為總干渠包括不良地質渠段運行情況良好，工程自通水運行以來，多年平均調出水量95億m3，水質穩定達標。從目前運行情況看，主要有以下幾點認識：

(1)膨脹土(巖)具有脹縮性，對水極為敏感，且裂隙發育，甚至發育有長大裂隙，且層面或裂隙密集帶有地下水，渠坡穩定條件極其復雜，是需要長期關注的重點。

(2)濕陷性黃土渠段，近幾年運行期間未發現問題，表明處理措施得當，渠道基本穩定。

(3)砂土液化渠段，無論填方渠道還是挖方渠道，均未發現渠道出現變形和渠道滲漏問題，總體安全性較好。

(4)個別高地下水位地段出現襯砌板的隆起、開裂、滑坡等問題，認為控制地下水位在設計變幅之內及采取合理有效的排水措施是保證渠坡穩定的制約因素。

(5)根據對煤礦采空區渠段變形監測，雖然有一定的變形量，但變形值在設計容許范圍內，且地表觀察沒有變形、開裂現象，說明渠道是安全的。

(6)深挖方與膨脹土(巖)或高地下水位交叉出現時，出現過渠道邊坡變形和襯砌板局部隆起、開裂，也是運行期間需要關注的重點之一。

5 結論

南水北調中線總干渠絕大部分為土質渠道，渠段地層巖性以膨脹土、濕陷性黃土和飽和液化砂土為主，部分渠段穿越煤礦采空區、存在高地下水位、過崗和丘陵時開挖深度較大，因此，總干渠面臨渠基沉降、渠底鼓起甚至開裂、渠坡變形失穩等多種類型地質風險的考驗。

膨脹土(巖)渠段、濕陷性黃土渠段、飽和砂土地震液化渠段、高地下水位渠段、煤礦采空區渠段、深挖方渠段等不良地質渠段施工和運行中存在基坑涌水、渠坡變形失穩、渠底滲透破壞、飽和沙土地震液化等地質風險。結合各渠段分布和風險特征，提出了針對各不良地質渠段的處理措施。工程運行現狀表明不良地質渠段的針對性處理措施合理、有效?？蔀楣こ毯笃诘倪\行維護及類似工程的規劃、設計和施工提供借鑒。盡管如此，對南水北調中線一期總干渠運行風險進行系統的評估，是進一步保障工程長期安全運行和水質穩定的重要保障。