南水北调中线(河南段)地质灾害及防治对策

朱洪生 余松辉 李 昕 姚 津

(1.中国地质大学 环境学院，湖北 武汉 430074;2.河南省地质环境监测院，河南 郑州 450016;3.河南省航空物探遥感中心，河南 郑州 450053)

1 地质环境条件

工程沿线处于暖温带和亚热带气候过渡区，气候具明显的过渡特征。信阳、南阳及驻马店部分地区属亚热带湿润、半湿润季风气候带，其它地区属暖温带干旱、半干旱季风气候区。降水量年际变化较大，且时空分布不均。年降水量自南而北递减，山区多于平原和丘陵地区。多年平均降水量600—1200mm。工程沿线穿越的大型河流有:沙河、汝河、颖河、双洎河、黄河、沁河、安阳河、漳河等。河流流量受降水控制，变化极大，大部分属季节性河流。

南水北调总干渠中线(河南段)，从南阳市淅川县丹江水库开始，向北至漳河结束，长约731km，沿线地貌类型依据地貌形态和成因划分为:丘陵岗地、山前倾斜平原及河流冲洪积平原。

工程沿线地层跨属华北地层区和扬子地层区。以三门峡—鲁山、西官庄—镇平和龟山—梅山三条北西向区域性断裂带为界将河南省划分为三个基本构造单元，自北向南分别为华北板块、华北板块南缘构造带和杨子板块北缘构造带。

工程沿线主要断裂有:三门峡—鲁山断裂、马超营—拐河—确山断裂带、栾川—明港断裂带和景湾韧性断裂带、瓦穴子—小罗沟断裂带和道士湾、王小庄、小董庄韧性剪切带、邵家庄—小寨断裂带、朱阳关—大河断裂带、寨根韧性断裂带、西官庄—镇平—松扒韧性断裂带及龟山—梅山韧性断裂带、丁河—内乡韧性剪切带和桐柏—商城韧性剪切带、定远韧性剪切带、木家垭—固庙—八里畈韧性剪切带、新屋场—田关韧性剪切带、淅川—黄风垭韧性剪切带、焦作—新乡—商丘断裂、青羊口断裂、太行山东麓断裂。

工程沿线经过各地震带，历史上发生的震级≥4.75级对工作区具有破坏作用或有影响的地震24次。根据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2001)，工程沿线区域稳定性如下:①黄水河支流以东～洪河以北，地震动峰值加速度为0.20g，相当于地震基本烈度Ⅷ度区，属于较不稳定区域;②勒马河北～黄水河支流以东、洪河以北～漳河以南、漳河南～漳河北，地震动峰值加速度为0.15g，相当于地震基本烈度Ⅶ度区，属于较稳定区域;③靳岗镇～潦河镇、小南河南～黄河南、黄河南～黄河北、黄河北～勒马河北，地震动峰值加速度为0.10g，相当于地震基本烈度Ⅶ度区，属于较稳定区域。④其他地段地震动峰值加速度小于或等于0.05g，相当于地震基本烈度Ⅵ度区。

依据地层岩性及岩土工程地质特征，渠道沿线工程地质岩组划分为坚硬岩岩组、较软岩组、粘性土、砂性土土体。

坚硬岩岩组:花岗片麻岩呈块状结构，仅分布于鲁山坡;石英砂岩，主要分布在魏岗铺、高庄水库、澧河孤山及鲁山坡一带;灰岩、白云质灰岩，出露于陶岔渠首一带的汤山、禹山及辉县的苏门山—潞王坟一带;石英片岩、云母石英片岩，分布于方城西八里沟村～垭口一带，呈层状结构;大理岩分布在白河右岸丰山一带。岩体除风化带和断层破碎带以外，一般较坚硬，抗剪强度高，具有很高的承载力，工程地质性质良好，可形成稳定的高陡边坡。

较软岩组:主要为新近系系粘土岩、砂质粘土岩、砂岩、砂砾岩等互层或其中几种岩性组成，多数为泥质结构，呈微胶结，局部钙质微胶结。岩性、岩相变化大，厚薄不一。在刁河、潦河、十二里河、东赵河右岸草墩河右岸、彭河左岸(龟山)、马岗(东赵河与潘河分水岭)岗顶部、宝丰南、汝河南、焦作—安阳段都有分布。岩体成岩程度低，裂隙发育，易风化，抗剪强度相对较低。其中粘土岩多具有中等—强膨胀潜势，工程地质性质较差，不能形成较陡而稳定的边坡。

粘性土、砂性土土体:除上述地段外，工程沿线主要为第四系中更新统、上更新统和全更新统，广泛分布，岩性为亚粘土、黄土状土和砂，地基承载力中等，工程地质条件一般。

工程沿线地下水类型按地下水的赋存条件和含水层组的特征划分为(1)松散岩类孔隙含水岩组:主要分布在黄淮海冲积平原、山前倾斜平原和南阳等盆地中，地下水主要赋存在第四系、新第三系砂、砂砾、卵砾石层孔隙中。(2)碳酸盐岩类裂隙岩溶含水岩组:碳酸盐岩类含水岩组是基岩山区最有供水意义的含水岩组，岩性主要为震旦系、中上寒武系、奥陶系的灰岩、白云质灰岩、泥质灰岩，分布在淅川县陶岔、鲁山县鲁山坡、辉县的百泉、汤阴、安阳段。(3)碎屑岩类孔隙裂隙含水岩组:主要是第三系，分布于工程沿线的淇县段，含水层主要为砂砾岩和砂岩。(4)基岩裂隙含水岩组:系指变质岩和岩浆岩类裂隙含水岩组，分布在工程沿线的方城段、鲁山县鲁山坡段和郏县以北，由花岗岩、片麻岩、片岩、千枚岩、石英岩、白云岩、大理岩组成。

工程沿线地下水的补给、径流和排泄条件:基岩山区①碳酸盐岩类分布地区:构造断裂发育并发育有裂隙岩溶，为降水和地表水体的渗入创造了条件。②碎屑岩类分布区:岩石多为砂岩、页岩，虽然褶皱断裂较发育，但降水补给较少，富水程度较差，地下水多分布在相对隔水层之上，在低洼及沟谷两侧以泉的形式排泄地下水。③岩浆岩和变质岩类分布区:构造裂隙及风化裂隙较为发育，但裂隙多被风化物充填，降水渗入量较少，且裂隙延伸不长，虽然泉点分布较多，却受季节影响;平原地区地形较平坦，地表多分布亚砂土、粉细砂、亚粘土，降水量深入补给浅层水。主要消耗于蒸发和人工开采。

2 地质灾害类型及特征

南水北调中线(河南段)沿线地质灾害类型主要为地面塌陷、滑坡、崩塌、泥石流、地裂缝为主。

地面塌陷是调查区内最为发育的地质灾害类型，共计20个，均为开采煤矿及开采建筑用沙引起的。煤矿采空区引起的地面塌陷主要分布在焦作马村区、修武县方庄镇和禹州市梁北乡，现有大面积采空区，进而形成地面塌陷地质灾害，已造成村庄搬迁和部分村庄的居民房屋开裂，此外，还造成大量的耕地毁坏。开采建筑用沙引起的地面塌陷主要分布在淇县北阳镇，规模较小，开挖深度较浅，现已停止开采，稳定性较好。

滑坡地质灾害共计9个，主要分布穿黄工程的附近，黄河的南岸，全为土质滑坡，该地区为第四系地层，堆积松软，岩石风化严重，人类工程活动强烈，滑坡地质灾害的发生较为频繁。

崩塌地质灾害共计13个，主要分布在两个地段;一是沙河南陶叉段，该地段地势较平缓，冲沟发育，受河流侵蚀影响，常发生小型土质崩塌;二是郑州段，在郑州的西南部，该地段处于黄土塬区，冲沟发育，黄土节理裂隙发育，为黄土崩塌的发生创造了条件。

泥石流主共计18条，主要分布在黄河以北的焦作辉县段，组成物质为风化物及人工弃体。该地区地形复杂，冲沟发育，沟谷形状多为“V”型，沟谷两边山坡坡度在30°—70°之间，风化严重，降雨量较为集中，流域面积在2.2—25km2之间，松散物源量在3.234万m3左右，危害性较大。为泥石流的发生提供了丰富的物质基础、地形条件和水动力条件。另外，在鲁山县沙河辛集段，也存在泥石流沟。

依据访问调查，工程沿线附近有地裂缝3条，分别位于修武县方庄镇古汉山的北侧、孟庄村东北部和荥阳王村镇。

3 地质灾害预测

3.1 干渠建设可能引发的地质灾害

工程沿线建设存在较多的填方和挖方渠段以及深挖方和深填方的渠段，地层岩性上部为少量的耕地土层或上更新统的粉土和粉质粘土，下部为较厚层的砂砾石层;苏门山、潞王坟段为灰岩出露段，开挖深度较大。以上地段的深挖方和深填方段引发崩塌、滑坡地质灾害的可能性较大。

工程沿线建设存在较多的填方及半挖半填地段，填方最大深度达15m，填土的密实度和不均匀性，有引发地面不均匀沉陷地质灾害的可能性。

3.2 干渠建设可能加剧的地质灾害

渠段建设经过焦作采煤塌陷区，渠段建设过程中或工程完工后，由于地表荷载的增加或渠道渗水，有加剧地面塌陷灾害的可能性。

3.3 干渠本身可能遭受的地质灾害

焦作矿区煤矿资源丰富，为煤炭工业基地，区内采矿活动强烈，形成大量采空区，地面塌陷发育。Ⅳ段干渠从焦作市东穿过焦作矿区，矿区内采空区及采空塌陷区长度约25km。Ⅳ段干渠本身可能遭受该矿区的地面塌陷灾害。在辉县的苏门山～新乡的潞王坟一带为基岩出露，岩性为灰岩和白云质灰岩，岩溶发育，有发生岩溶地面塌陷的可能。干渠本身可能遭受岩溶地面塌陷危害。在鹤壁市的淇县北阳镇段有采沙现象，采挖深度为1～12m，有地面塌陷发生，其规模较小，已基本稳定，对干渠本身危害较小，但干渠本身仍有可能遭受采沙引起的地面塌陷危害。总之，干渠本身可能遭受地面塌陷灾害。

工程沿线有42.5km长的地段存在膨胀岩土现象，主要分布的地段有17处。粘土岩、泥灰岩存在遇水膨胀、崩解，失水收缩干裂，抗风化能力差，抗剪强度低，工程地质条件差。

根据实验结果表明，大多地段膨胀岩土为弱膨胀性，只有极少部分为中强膨胀性。干渠本身有可能遭受膨胀岩土引起的地裂缝灾害。干渠沿线活动断裂有多条，其中汤东断裂和磁县断裂为晚第四纪活动断裂，活动性明显。活动断裂活动时，常伴随有地裂缝的产生。干渠本身有可能遭受活动断裂引起的地裂缝灾害。总之，干渠本身有可能遭受地裂缝灾害。

工程沿线有山前丘陵，地层岩性含较厚松散砂卵石堆积层，该地段有3个渠段为深挖方段，开挖最深处达30m。若对边坡处理不当，在渠段建设中和渠段建设完工后，均有可能遭受崩塌、滑坡地质灾害。

经过调查，工程沿线有18条泥石流沟，多分布在辉县西部西北部、淇县西部和鲁山县，主要发育在峪河、石门河、黄水河、沧河、沙河等河谷及薄壁东北方向的山区沟谷中。这些河谷或沟谷中堆积了大量的漂卵砾石，为水石流的发生提供了丰富的物质基础，如遇暴雨有可能将过去水石流的堆积物携带至下游重新堆积，形成新的水石流，影响渠道和建筑物的安全。此外，中州铝厂的尾矿库位于纸坊河上游北侧，距干渠约3km。尾矿库一旦溃坝，将对干渠形成较大威胁。因此，干渠本身有可能遭受泥(水)石流灾害。

工程沿线高填方地段较多，共有9段，填方最大深度达15m，填土的密实度和不均匀性，有引发地面不均匀沉陷地质灾害的可能性。渠段本身有可能遭受地面不均匀沉陷灾害。

工程沿线的温县段、安阳段经过地下水降落漏斗的边缘，若长期持续超强度开采地下水，有引起地面沉降的可能性，干渠本身有可能遭受地面沉降灾害。

4 地质灾害防治建议

为了保护地质环境，避免或减少地质灾害所造成的损失，根据工程沿线沿线地质环境条件、地质灾害类型提出如下防治建议:

(1)工程建设过程中，严格按照设计要求进行施工，酌情降低坡度或分级削坡增大渠坡的稳定性，严禁削坡过陡，加强监测，对边坡及时进行防护处理，在涌水段采取排水措施。

(2)地面不均匀沉陷的发生与填土的密实度和不均匀性有关，工程建设过程中，严格按照设计要求进行施工，对地基需进行强夯处理，预先沉降、固结、以提高强度。对填土进行碾平、夯实、监测。

(3)采空区地面塌陷、地裂缝:工程建设在贺庄—董村店段和和墙北村—土高村段的煤矿采空区段施工时，要对采空区进行处理措施，以免受采空塌陷、地裂缝影响区，造成危害;工程通过未采矿区{观音寺—梨园段和曹庄—古城，应促使相应矿区预留足够的安全煤柱，预防地面塌陷的发生。

(4)岩溶塌陷:工程建设前，应对岩溶地段辉县的苏门山～新乡的潞王坟和辛集～小店岩溶地段进行调查，应查明岩溶发育程度和分布规律，尤其要查明浅溶洞的分布、深度和规模，进行基础处理，加强基础刚度和上部结构强度，防止岩溶塌陷危害。

(5)对膨胀土渠段失稳边坡采取抗滑桩或挖除渠顶部土体减载处理方案。对于浅层失稳，则采取在设计开挖断面的基础上，分别向渠坡外超挖，还填粘性土料。中、强膨胀土全开挖断面换土。弱膨胀土胀缩性较弱，对一级马道一下断面换土处理。此外，因密切注意区域地下水位的变化。

(6)对基础采取加固措施，以减轻地裂缝对渠道的破坏作用。对发生的地裂缝应采用及时填埋等有效措施，防止对渠道造成大的危害。加强对工程周围地面变形的巡查、监测，并建立针对突发性地裂缝的应急预案。

(7)在采砂区，禁止乱采乱挖，对已有的采砂陷坑进行填埋夯实。

(8)泥石流主要防治措施如下:可在泥石流沟的上游设立拦石坝，或者进行小流域的治理;疏通河道，保持河道顺畅，排水顺利;建立监测系统，对沟谷的中上游进行定期监测，雨季加密监测。