南水北调中线一期工程总干渠不良地质渠段地质风险及处理措施

李 坤，司富安，鞠占斌，张小宝，张 瑄

(水利部水利水电规划设计总院，北京 100120)

南水北调中线干线工程是国家南水北调工程的重要组成部分，是缓解我国黄淮海平原水资源严重短缺、优化配置水资源的重大战略性基础设施，是关系到受水区河南、河北、天津、北京等省市经济社会可持续发展和子孙后代福祉的百年大计[1]。总干渠线路长、南北跨度大，所经地区的地理环境和水文气象条件差异较大，地质环境复杂多变[2- 3]，不良地质问题和风险[4- 5]较为突出。

1 工程概况

南水北调中线输水总干渠全长1432.493km，跨越长江、淮河、黄河、海河4大流域705条河流，沿线经过河南、河北、北京、天津4个省、直辖市。受水区包括河南省的南阳、平顶山、漯河、周口、许昌、郑州、焦作、新乡、鹤壁、安阳、濮阳11个省辖市及7个县级市和25个县城；河北省的邯郸、邢台、石家庄、保定、衡水、廊坊6个省辖市及14个县级市和65个县城；北京市和天津市。

总干渠为I等工程，沿线布置各类建筑物2385座，渠道及其交叉建筑物的主要建筑物为1级建筑物，次要建筑物为3级建筑物。总干渠渠首设计水位147.38m，北京末端的水位为48.57m，天然总水头98.81m。

2 基本地质条件

2.1 地形地貌

沿线地形总体呈西高东低、南高北低之势。总干渠从南向北横贯长江、淮河、黄河、海河4大水系，沿线地形地貌差异较大。按地貌形态划分，总干渠陶岔-北京段主要穿越平原、岗地、丘陵、砂丘砂地4大类，天津干线主要穿越平原和丘陵2类地貌单元，如图1所示，DEM数据可从https://wist.echo.nasa.gov/～wist/api/imswelcome/下载。

平原区主要有唐白河冲湖积平原，淮、黄、海冲洪积平原和山前倾斜平原。丘陵区主要有伏牛山南麓和太行山脉东麓，平面上则呈孤丘状。岗地主要分布于陶岔至古运河段，是由古老或较古老的山前洪积扇与冲洪积倾斜平原被冲沟、河流切割而形成的垄岗地貌。

图1 南水北调中线总干渠地形地貌

2.2 地质构造

工程跨越2个一级大地构造单元：古生代-早中生代形成的秦祁褶皱系和太古代-早元古代形成的华北准地台。根据新构造运动分区，工程主要位于秦岭-大别山隆起区、豫皖隆起-拗陷区和华北断陷-隆起区。区域内的活动断裂主要集中在3个区带：①大同-太原-临汾一带，基本上为山西断陷带，总体呈北北东向，由一系列的北东向活动断层组成，如口泉断裂、五台山北缘断裂、交城断裂、中条山北缘断裂等，历史上地震活跃，属山西地震带；②衡水-邯郸-邢台-新乡一带，由一系列北东向断裂组成，如新河断裂、邯郸断裂、汤西断裂、汤东断裂等，属华北平原地震带；③张家口-北京-唐山一带，由一系列北东向和北西向断裂组成，如蓟运河断裂、南口-孙河断裂、夏垫断裂、黄庄-高丽营断裂等，属华北平原地震带中的张家口-渤海地震带。

2.3 地层岩性

总干渠岩石渠道总长50.7km，其余绝大部分为土质渠道。总干渠沿线不同区域、不同时代的岩性差别较大，广泛出露第四系地层，主要有坡洪积、坡残积、冲洪积、冲积、湖沼相沉积、海相沉积等成因交错形成的松散堆积物，以及黄土状土和软黏土等。岗地一般由新第三系软质碎屑岩及下、中更新统冲洪积含钙质结核(姜石)、铁锰质结核棕黄色粉质黏土、部分红色粉质黏土、黏土、泥砾等组成。此外，太古界、元古界变质岩地层，古生界、中生界、新生界及岩浆岩等均有出露。这些岩土层既是南水北调中线一期渠道工程的主要地基持力层，也是构成膨胀土、湿陷性黄土和砂土液化等不良地质渠段的主要地层。

2.4 气象水文

从渠首至北京、天津，工程跨越湿润、半湿润和半干旱气候区。气温从南向北逐渐递减，降雨量逐渐减少，而蒸发量逐渐增加。

工程区内水系较发育，流域面积100km2以上的河流68条，分属长江、淮河、黄河、海河流域。长江、淮河水系的河流一般常年有水，而黄河、海河水系的河流属季节性河流，枯水期水量很小或断流干涸。

工程区地下水以第四系孔隙裂隙潜水、基岩裂隙水为主，局部存在岩溶裂隙水，在多层结构的地层中，由于含水性能的差异，存在承压水。地下水主要受大气降水补给，在山前平原、丘陵区存在地下水侧向补给，地下水位变化主要受季节控制。地下水的排泄方式以蒸发、向下游径流排泄和人工开采为主。近几十年来工农业用水的急剧增加，人工超采地下水导致地下水位逐年下降且形成多个降落漏斗，渠线多位于降落漏斗的边缘地带。工程沿线大多数地下水对混凝土无腐蚀性，局部渠段具有一般酸性腐蚀、硫酸盐型腐蚀和碳酸型腐蚀。

3 不良地质渠段地质风险及处理措施

总干渠南北线路长、跨度大、建筑物多，地形地貌和地质条件复杂多变，各种不良地质问题突出。其中，膨胀土(岩)渠段[6- 8]、湿陷性黄土渠段[9]、饱和砂土地震液化渠段[10]、高地下水位渠段[11]、煤矿采空区渠段[12]、深挖方渠段[13]等6类不良地质渠段是工程前期地质勘察和设计的重点地段，也是总干渠运行期间主要的地质风险和隐患渠段。

3.1 膨胀岩(土)渠段

膨胀土(岩)是一种具有遇水膨胀、软化，失水收缩、崩解的特殊软岩(土)，具有显著的强度衰减期，当发生干湿循环时，其性状常发生巨大变化，将严重构筑物安全稳定。

3.1.1分布范围

总干渠穿越膨胀岩、土地层累计长度约349.351km，约占总干渠输水渠道1/3，其中总干渠强膨胀土(岩)渠段长约17.930km，中等膨胀土(岩)段139.726km，弱膨胀土(岩)段长度为191.695km。主要分布在石家庄以南，集中分布在陶岔渠首-北汝河段、辉县-新乡段、邯郸-邢台段，此外颍河及小南河两岸、淇河-洪河南、石家庄、高邑等地也有零星分布。

3.1.2风险特征

膨胀土(岩)对渠道工程的不良影响主要体现在：①影响渠坡稳定，在大气影响带深度范围内，极易产生浅层叠瓦式滑坡，深度一般2～6m，或形成由层间结构面控制的深层滑坡；②当土体含水量发生变化时，岩(土)体胀缩变形可能导致渠道衬砌膨胀破坏，引起渠道漏水，导致渠坡稳定状态的恶化；③膨胀土(岩)中发育的裂隙与其它裂隙、层面等组合，会形成规模较大的不稳定块体，影响渠坡稳定。

3.1.3处理措施

针对膨胀土(岩)的工程特性及其对渠道危害类型，可采用渠道断面边坡放缓、设置多级马道、使用现浇混凝土衬砌、下设覆合土工膜防渗、换填土、加强排水和使用抗滑桩等措施对膨胀土(岩)段进行处理。

3.2 湿陷性黄土渠段

湿陷性黄土是指在上覆土层自重应力作用下，或者在自重应力和附加应力共同作用下，因浸水后土的结构破坏而发生显著附加变形的黄土状土，具有遇水后土体结构破坏强度降低的特点。

3.2.1分布特征

沿线主要是黄土状土，黄土状土渠段累计长度401.824km(不包括穿黄工程4.629km)。其中，黄河以南渠段湿陷性黄土状土累计长度151.186km，主要分布于汝河以北的渠段；黄河北-漳河南湿陷性黄土渠段长度172.265km，主要分布在焦作、辉县、汤阴等地；河北省段黄土状土分布总长度66.947km，主要集中在高邑县至元氏县段渠段和鹿泉市段，在磁县、永年县及临城县零星分布；北京段黄土状土主要分布在惠南庄-大宁段，长约0.6km，天津段西黑山进口闸至有压箱涵段分布有10.826km的黄土状土。

3.2.2风险特征

总干渠沿线黄土状土以非自重湿陷为主，局部具有自重湿陷性。大部分为弱-中等湿陷，少部分为强湿陷，湿陷深度一般5m左右，最大不超过10m。对工程的主要危害是可能导致渠道或建筑物地基产生湿陷变形破坏、影响填方渠道和建筑物地基稳定，对挖方渠道边坡的影响不大。

3.2.3处理措施

针对沿线黄土状土的工程特性及其对渠道的潜在危害，对总干渠湿陷性黄土渠段可采取强夯、重夯、振冲挤密、坡面防护和排水、衬砌下设防渗等处理措施，对于非自重湿陷性黄土分布的渠段，原则上只对填方渠道和半挖半填渠挖方渠道进行处理，处理深度与范围通过设计计算确定。

3.3 饱和砂土地震液化渠段

砂土液化是指饱和砂土在地震、动荷载或其它外力作用下，受到强烈振动而丧失抗剪强度，使砂粒处于悬浮状态，致使地基失效的作用或现象。

3.3.1分布范围

砂土液化渠段主要位于沿线较大河流如黄河、潮河、黄水河、漳河等的漫滩和一级阶地上。总干渠沿线存在饱和砂土地震液化问题的渠段总长48.884km，其中沙河北-贾鲁河南31.893km，穿黄段为6.128km，黄河北-漳河南5.478km，河北-北京段5.385km。其中，总干渠共处理砂土液化段38.719km，主要集中在新郑至安阳之间的渠段和磁县段，其中新郑段和航空港段(潮河段)分别为8.58、17.875km。

3.3.2风险特征

发生强烈地震时，本段可能发生地震液化，渠道两侧坡脚处容易发生喷砂冒水，从而导致渠堤、渠基边坡以外地基和地面出现不同程度的沉陷，结果造成渠堤和其他建筑物倾斜、边坡开裂和滑移破坏。

3.3.3处理措施

根据砂土液化破坏后的涉及范围、发生震害可能产生的损失大小和修复的难易程度等特点，从技术可行及经济合理上综合考虑，对不同液化等级采用不同的处理措施：①对液化等级轻微、液化土层厚度相对较小的，采取强夯处理措施；②对中等液化地基，视液化地层的厚度、埋深、渠道断面的形式等，采用挤密砂桩、换土、强夯等处理的措施；③对严重的液化地基，原则上采用挤密砂桩处理，局部坡脚液化土层处理厚度相对较薄处，经技术经济比较后确定采用换土法进行处理。

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分布范围

总干渠沿线穿越高地下水位渠段约168.553km。沿线各渠段均有分布，其中陶岔-沙河南高地下水位段长27.952km，沙河南-黄河南高地下水位段长27.189km，黄河南-漳河南高地下水位段长41.635km，漳河北-北拒马高地下水位段长27.189km。高地下水位渠段大部分与膨胀土(岩)渠段、深挖方渠段、湿陷性黄土渠段和砂土液化渠段互相交叉，单一高地下水位渠段较少。

3.4.2风险特征

高地下水位对渠道工程的影响，主要包括：①在施工过程中产生基坑涌水，给工程施工带来困难；②运行期地下水位高于渠道内水位时，建筑物存在抗浮问题，尤其检修期渠道衬砌板稳定问题比较突出；③引起膨胀土、湿陷性黄土等不良地质渠段的破坏；④地下水位以下处于饱和状态的土体物理力学指标降低、抗剪强度下降，影响渠坡稳定；⑤导致北方地区冻胀、冻融破坏。

3.4.3处理措施

针对过水断面衬砌结构的地下水问题，根据地下水位、水质、地形条件等，对总干渠地下水位高于渠底板的渠段，采取了多种排水方案，包括自流外排、逆止阀内排、逆止阀内排+自动泵抽排、移动泵抽排等。

3.5 煤矿采空区渠段

3.5.1分布范围

南水北调中线一期工程总干渠在禹州段通过原新峰矿务局二矿、禹州市梁北镇郭村煤矿、梁北镇工贸公司煤矿和梁北镇福利煤矿等4处采空区，累计长度为3.11km。

3.5.2风险特征

开采后的覆岩形成采空区“上三带”(即：冒落带、裂隙带、弯曲下沉带)，据调查，渠道通过的采空区地表局部存在变形现象(移动盆地)，个别采空区存在残余变形。总干渠通水后，采空区存在活化可能，甚至导致产生更大的地面沉降、渠坡变形甚至滑动、渠底裂缝、渗水等风险。

3.5.3处理措施

通过对采空区变形特征和不同方案的比较，选用注浆加固法对采空区处理，处理范围根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规范》中垂线法圈定保护煤柱边界与采空区的实际区域取交集确定。

3.6 深挖方渠段

本文中深挖方渠段是指挖深超过15m的渠段。

3.6.1分布范围

总干渠深挖方渠段共107个，总长233.816 km，最大挖方深度47.5m。深挖方渠段主要分布在过岗段和丘陵段，以土质渠道为主，主要是膨胀土和黄土状土，部分为土与上第三系软岩组成的渠道，局部为硬岩渠道。

3.6.2风险特征

与岩石边坡相比，土体自身的工程性质导致土质高陡边坡更容易发生沉降、开裂、变形、失稳和滑坡。且深挖方渠段绝大部分与膨胀土(64段)、湿陷性黄土(24段)、高地下水位(28段)等互相交织、相互依存，深挖方渠段还存在和膨胀岩土渠段、湿陷性黄土渠段以及高地下水位渠段相同的灾害风险。

3.6.3处理措施

根据深挖方渠段的岩(土)体特征及其可能存在的风险类型，有关深挖方渠段的工程处理措施主要有：①放缓边坡，减轻荷载；②增加支撑，加固边坡；③加强排水，降低地下水位。④以上三者有机结合，统筹安排，体现技术可行、经济、安全可靠的原则。

4 运行现状

通过现场调研和对相关资料的分析、研究，并结合近几年的运行情况，总体认为总干渠包括不良地质渠段运行情况良好，工程自通水运行以来，多年平均调出水量95亿m3，水质稳定达标。从目前运行情况看，主要有以下几点认识：

(1)膨胀土(岩)具有胀缩性，对水极为敏感，且裂隙发育，甚至发育有长大裂隙，且层面或裂隙密集带有地下水，渠坡稳定条件极其复杂，是需要长期关注的重点。

(2)湿陷性黄土渠段，近几年运行期间未发现问题，表明处理措施得当，渠道基本稳定。

(3)砂土液化渠段，无论填方渠道还是挖方渠道，均未发现渠道出现变形和渠道渗漏问题，总体安全性较好。

(4)个别高地下水位地段出现衬砌板的隆起、开裂、滑坡等问题，认为控制地下水位在设计变幅之内及采取合理有效的排水措施是保证渠坡稳定的制约因素。

(5)根据对煤矿采空区渠段变形监测，虽然有一定的变形量，但变形值在设计容许范围内，且地表观察没有变形、开裂现象，说明渠道是安全的。

(6)深挖方与膨胀土(岩)或高地下水位交叉出现时，出现过渠道边坡变形和衬砌板局部隆起、开裂，也是运行期间需要关注的重点之一。

5 结论

南水北调中线总干渠绝大部分为土质渠道，渠段地层岩性以膨胀土、湿陷性黄土和饱和液化砂土为主，部分渠段穿越煤矿采空区、存在高地下水位、过岗和丘陵时开挖深度较大，因此，总干渠面临渠基沉降、渠底鼓起甚至开裂、渠坡变形失稳等多种类型地质风险的考验。

膨胀土(岩)渠段、湿陷性黄土渠段、饱和砂土地震液化渠段、高地下水位渠段、煤矿采空区渠段、深挖方渠段等不良地质渠段施工和运行中存在基坑涌水、渠坡变形失稳、渠底渗透破坏、饱和沙土地震液化等地质风险。结合各渠段分布和风险特征，提出了针对各不良地质渠段的处理措施。工程运行现状表明不良地质渠段的针对性处理措施合理、有效。可为工程后期的运行维护及类似工程的规划、设计和施工提供借鉴。尽管如此，对南水北调中线一期总干渠运行风险进行系统的评估，是进一步保障工程长期安全运行和水质稳定的重要保障。