南水北調(diào)中線(河南段)地質(zhì)災(zāi)害及防治對策

朱洪生 余松輝 李 昕 姚 津

(1.中國地質(zhì)大學(xué) 環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430074;2.河南省地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，河南 鄭州 450016;3.河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450053)

1 地質(zhì)環(huán)境條件

工程沿線處于暖溫帶和亞熱帶氣候過渡區(qū)，氣候具明顯的過渡特征。信陽、南陽及駐馬店部分地區(qū)屬亞熱帶濕潤、半濕潤季風(fēng)氣候帶，其它地區(qū)屬暖溫帶干旱、半干旱季風(fēng)氣候區(qū)。降水量年際變化較大，且時空分布不均。年降水量自南而北遞減，山區(qū)多于平原和丘陵地區(qū)。多年平均降水量600—1200mm。工程沿線穿越的大型河流有:沙河、汝河、穎河、雙洎河、黃河、沁河、安陽河、漳河等。河流流量受降水控制，變化極大，大部分屬季節(jié)性河流。

南水北調(diào)總干渠中線(河南段)，從南陽市淅川縣丹江水庫開始，向北至漳河結(jié)束，長約731km，沿線地貌類型依據(jù)地貌形態(tài)和成因劃分為:丘陵崗地、山前傾斜平原及河流沖洪積平原。

工程沿線地層跨屬華北地層區(qū)和揚子地層區(qū)。以三門峽—魯山、西官莊—鎮(zhèn)平和龜山—梅山三條北西向區(qū)域性斷裂帶為界將河南省劃分為三個基本構(gòu)造單元，自北向南分別為華北板塊、華北板塊南緣構(gòu)造帶和楊子板塊北緣構(gòu)造帶。

工程沿線主要斷裂有:三門峽—魯山斷裂、馬超營—拐河—確山斷裂帶、欒川—明港斷裂帶和景灣韌性斷裂帶、瓦穴子—小羅溝斷裂帶和道士灣、王小莊、小董莊韌性剪切帶、邵家莊—小寨斷裂帶、朱陽關(guān)—大河斷裂帶、寨根韌性斷裂帶、西官莊—鎮(zhèn)平—松扒韌性斷裂帶及龜山—梅山韌性斷裂帶、丁河—內(nèi)鄉(xiāng)韌性剪切帶和桐柏—商城韌性剪切帶、定遠韌性剪切帶、木家埡—固廟—八里畈韌性剪切帶、新屋場—田關(guān)韌性剪切帶、淅川—黃風(fēng)埡韌性剪切帶、焦作—新鄉(xiāng)—商丘斷裂、青羊口斷裂、太行山東麓斷裂。

工程沿線經(jīng)過各地震帶，歷史上發(fā)生的震級≥4.75級對工作區(qū)具有破壞作用或有影響的地震24次。根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2001)，工程沿線區(qū)域穩(wěn)定性如下:①黃水河支流以東～洪河以北，地震動峰值加速度為0.20g，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅷ度區(qū)，屬于較不穩(wěn)定區(qū)域;②勒馬河北～黃水河支流以東、洪河以北～漳河以南、漳河南～漳河北，地震動峰值加速度為0.15g，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅶ度區(qū)，屬于較穩(wěn)定區(qū)域;③靳崗鎮(zhèn)～潦河鎮(zhèn)、小南河南～黃河南、黃河南～黃河北、黃河北～勒馬河北，地震動峰值加速度為0.10g，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅶ度區(qū)，屬于較穩(wěn)定區(qū)域。④其他地段地震動峰值加速度小于或等于0.05g，相當(dāng)于地震基本烈度Ⅵ度區(qū)。

依據(jù)地層巖性及巖土工程地質(zhì)特征，渠道沿線工程地質(zhì)巖組劃分為堅硬巖巖組、較軟巖組、粘性土、砂性土土體。

堅硬巖巖組:花崗片麻巖呈塊狀結(jié)構(gòu)，僅分布于魯山坡;石英砂巖，主要分布在魏崗鋪、高莊水庫、澧河孤山及魯山坡一帶;灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r，出露于陶岔渠首一帶的湯山、禹山及輝縣的蘇門山—潞王墳一帶;石英片巖、云母石英片巖，分布于方城西八里溝村～埡口一帶，呈層狀結(jié)構(gòu);大理巖分布在白河右岸豐山一帶。巖體除風(fēng)化帶和斷層破碎帶以外，一般較堅硬，抗剪強度高，具有很高的承載力，工程地質(zhì)性質(zhì)良好，可形成穩(wěn)定的高陡邊坡。

較軟巖組:主要為新近系系粘土巖、砂質(zhì)粘土巖、砂巖、砂礫巖等互層或其中幾種巖性組成，多數(shù)為泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，呈微膠結(jié)，局部鈣質(zhì)微膠結(jié)。巖性、巖相變化大，厚薄不一。在刁河、潦河、十二里河、東趙河右岸草墩河右岸、彭河左岸(龜山)、馬崗(東趙河與潘河分水嶺)崗頂部、寶豐南、汝河南、焦作—安陽段都有分布。巖體成巖程度低，裂隙發(fā)育，易風(fēng)化，抗剪強度相對較低。其中粘土巖多具有中等—強膨脹潛勢，工程地質(zhì)性質(zhì)較差，不能形成較陡而穩(wěn)定的邊坡。

粘性土、砂性土土體:除上述地段外，工程沿線主要為第四系中更新統(tǒng)、上更新統(tǒng)和全更新統(tǒng)，廣泛分布，巖性為亞粘土、黃土狀土和砂，地基承載力中等，工程地質(zhì)條件一般。

工程沿線地下水類型按地下水的賦存條件和含水層組的特征劃分為(1)松散巖類孔隙含水巖組:主要分布在黃淮海沖積平原、山前傾斜平原和南陽等盆地中，地下水主要賦存在第四系、新第三系砂、砂礫、卵礫石層孔隙中。(2)碳酸鹽巖類裂隙巖溶含水巖組:碳酸鹽巖類含水巖組是基巖山區(qū)最有供水意義的含水巖組，巖性主要為震旦系、中上寒武系、奧陶系的灰?guī)r、白云質(zhì)灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，分布在淅川縣陶岔、魯山縣魯山坡、輝縣的百泉、湯陰、安陽段。(3)碎屑巖類孔隙裂隙含水巖組:主要是第三系，分布于工程沿線的淇縣段，含水層主要為砂礫巖和砂巖。(4)基巖裂隙含水巖組:系指變質(zhì)巖和巖漿巖類裂隙含水巖組，分布在工程沿線的方城段、魯山縣魯山坡段和郟縣以北，由花崗巖、片麻巖、片巖、千枚巖、石英巖、白云巖、大理巖組成。

工程沿線地下水的補給、徑流和排泄條件:基巖山區(qū)①碳酸鹽巖類分布地區(qū):構(gòu)造斷裂發(fā)育并發(fā)育有裂隙巖溶，為降水和地表水體的滲入創(chuàng)造了條件。②碎屑巖類分布區(qū):巖石多為砂巖、頁巖，雖然褶皺斷裂較發(fā)育，但降水補給較少，富水程度較差，地下水多分布在相對隔水層之上，在低洼及溝谷兩側(cè)以泉的形式排泄地下水。③巖漿巖和變質(zhì)巖類分布區(qū):構(gòu)造裂隙及風(fēng)化裂隙較為發(fā)育，但裂隙多被風(fēng)化物充填，降水滲入量較少，且裂隙延伸不長，雖然泉點分布較多，卻受季節(jié)影響;平原地區(qū)地形較平坦，地表多分布亞砂土、粉細砂、亞粘土，降水量深入補給淺層水。主要消耗于蒸發(fā)和人工開采。

2 地質(zhì)災(zāi)害類型及特征

南水北調(diào)中線(河南段)沿線地質(zhì)災(zāi)害類型主要為地面塌陷、滑坡、崩塌、泥石流、地裂縫為主。

地面塌陷是調(diào)查區(qū)內(nèi)最為發(fā)育的地質(zhì)災(zāi)害類型，共計20個，均為開采煤礦及開采建筑用沙引起的。煤礦采空區(qū)引起的地面塌陷主要分布在焦作馬村區(qū)、修武縣方莊鎮(zhèn)和禹州市梁北鄉(xiāng)，現(xiàn)有大面積采空區(qū)，進而形成地面塌陷地質(zhì)災(zāi)害，已造成村莊搬遷和部分村莊的居民房屋開裂，此外，還造成大量的耕地毀壞。開采建筑用沙引起的地面塌陷主要分布在淇縣北陽鎮(zhèn)，規(guī)模較小，開挖深度較淺，現(xiàn)已停止開采，穩(wěn)定性較好。

滑坡地質(zhì)災(zāi)害共計9個，主要分布穿黃工程的附近，黃河的南岸，全為土質(zhì)滑坡，該地區(qū)為第四系地層，堆積松軟，巖石風(fēng)化嚴重，人類工程活動強烈，滑坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生較為頻繁。

崩塌地質(zhì)災(zāi)害共計13個，主要分布在兩個地段;一是沙河南陶叉段，該地段地勢較平緩，沖溝發(fā)育，受河流侵蝕影響，常發(fā)生小型土質(zhì)崩塌;二是鄭州段，在鄭州的西南部，該地段處于黃土塬區(qū)，沖溝發(fā)育，黃土節(jié)理裂隙發(fā)育，為黃土崩塌的發(fā)生創(chuàng)造了條件。

泥石流主共計18條，主要分布在黃河以北的焦作輝縣段，組成物質(zhì)為風(fēng)化物及人工棄體。該地區(qū)地形復(fù)雜，沖溝發(fā)育，溝谷形狀多為“V”型，溝谷兩邊山坡坡度在30°—70°之間，風(fēng)化嚴重，降雨量較為集中，流域面積在2.2—25km2之間，松散物源量在3.234萬m3左右，危害性較大。為泥石流的發(fā)生提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)、地形條件和水動力條件。另外，在魯山縣沙河辛集段，也存在泥石流溝。

依據(jù)訪問調(diào)查，工程沿線附近有地裂縫3條，分別位于修武縣方莊鎮(zhèn)古漢山的北側(cè)、孟莊村東北部和滎陽王村鎮(zhèn)。

3 地質(zhì)災(zāi)害預(yù)測

3.1 干渠建設(shè)可能引發(fā)的地質(zhì)災(zāi)害

工程沿線建設(shè)存在較多的填方和挖方渠段以及深挖方和深填方的渠段，地層巖性上部為少量的耕地土層或上更新統(tǒng)的粉土和粉質(zhì)粘土，下部為較厚層的砂礫石層;蘇門山、潞王墳段為灰?guī)r出露段，開挖深度較大。以上地段的深挖方和深填方段引發(fā)崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害的可能性較大。

工程沿線建設(shè)存在較多的填方及半挖半填地段，填方最大深度達15m，填土的密實度和不均勻性，有引發(fā)地面不均勻沉陷地質(zhì)災(zāi)害的可能性。

3.2 干渠建設(shè)可能加劇的地質(zhì)災(zāi)害

渠段建設(shè)經(jīng)過焦作采煤塌陷區(qū)，渠段建設(shè)過程中或工程完工后，由于地表荷載的增加或渠道滲水，有加劇地面塌陷災(zāi)害的可能性。

3.3 干渠本身可能遭受的地質(zhì)災(zāi)害

焦作礦區(qū)煤礦資源豐富，為煤炭工業(yè)基地，區(qū)內(nèi)采礦活動強烈，形成大量采空區(qū)，地面塌陷發(fā)育。Ⅳ段干渠從焦作市東穿過焦作礦區(qū)，礦區(qū)內(nèi)采空區(qū)及采空塌陷區(qū)長度約25km。Ⅳ段干渠本身可能遭受該礦區(qū)的地面塌陷災(zāi)害。在輝縣的蘇門山～新鄉(xiāng)的潞王墳一帶為基巖出露，巖性為灰?guī)r和白云質(zhì)灰?guī)r，巖溶發(fā)育，有發(fā)生巖溶地面塌陷的可能。干渠本身可能遭受巖溶地面塌陷危害。在鶴壁市的淇縣北陽鎮(zhèn)段有采沙現(xiàn)象，采挖深度為1～12m，有地面塌陷發(fā)生，其規(guī)模較小，已基本穩(wěn)定，對干渠本身危害較小，但干渠本身仍有可能遭受采沙引起的地面塌陷危害。總之，干渠本身可能遭受地面塌陷災(zāi)害。

工程沿線有42.5km長的地段存在膨脹巖土現(xiàn)象，主要分布的地段有17處。粘土巖、泥灰?guī)r存在遇水膨脹、崩解，失水收縮干裂，抗風(fēng)化能力差，抗剪強度低，工程地質(zhì)條件差。

根據(jù)實驗結(jié)果表明，大多地段膨脹巖土為弱膨脹性，只有極少部分為中強膨脹性。干渠本身有可能遭受膨脹巖土引起的地裂縫災(zāi)害。干渠沿線活動斷裂有多條，其中湯東斷裂和磁縣斷裂為晚第四紀活動斷裂，活動性明顯?；顒訑嗔鸦顒訒r，常伴隨有地裂縫的產(chǎn)生。干渠本身有可能遭受活動斷裂引起的地裂縫災(zāi)害?？傊?，干渠本身有可能遭受地裂縫災(zāi)害。

工程沿線有山前丘陵，地層巖性含較厚松散砂卵石堆積層，該地段有3個渠段為深挖方段，開挖最深處達30m。若對邊坡處理不當(dāng)，在渠段建設(shè)中和渠段建設(shè)完工后，均有可能遭受崩塌、滑坡地質(zhì)災(zāi)害。

經(jīng)過調(diào)查，工程沿線有18條泥石流溝，多分布在輝縣西部西北部、淇縣西部和魯山縣，主要發(fā)育在峪河、石門河、黃水河、滄河、沙河等河谷及薄壁東北方向的山區(qū)溝谷中。這些河谷或溝谷中堆積了大量的漂卵礫石，為水石流的發(fā)生提供了豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)，如遇暴雨有可能將過去水石流的堆積物攜帶至下游重新堆積，形成新的水石流，影響渠道和建筑物的安全。此外，中州鋁廠的尾礦庫位于紙坊河上游北側(cè)，距干渠約3km。尾礦庫一旦潰壩，將對干渠形成較大威脅。因此，干渠本身有可能遭受泥(水)石流災(zāi)害。

工程沿線高填方地段較多，共有9段，填方最大深度達15m，填土的密實度和不均勻性，有引發(fā)地面不均勻沉陷地質(zhì)災(zāi)害的可能性。渠段本身有可能遭受地面不均勻沉陷災(zāi)害。

工程沿線的溫縣段、安陽段經(jīng)過地下水降落漏斗的邊緣，若長期持續(xù)超強度開采地下水，有引起地面沉降的可能性，干渠本身有可能遭受地面沉降災(zāi)害。

4 地質(zhì)災(zāi)害防治建議

為了保護地質(zhì)環(huán)境，避免或減少地質(zhì)災(zāi)害所造成的損失，根據(jù)工程沿線沿線地質(zhì)環(huán)境條件、地質(zhì)災(zāi)害類型提出如下防治建議:

(1)工程建設(shè)過程中，嚴格按照設(shè)計要求進行施工，酌情降低坡度或分級削坡增大渠坡的穩(wěn)定性，嚴禁削坡過陡，加強監(jiān)測，對邊坡及時進行防護處理，在涌水段采取排水措施。

(2)地面不均勻沉陷的發(fā)生與填土的密實度和不均勻性有關(guān)，工程建設(shè)過程中，嚴格按照設(shè)計要求進行施工，對地基需進行強夯處理，預(yù)先沉降、固結(jié)、以提高強度。對填土進行碾平、夯實、監(jiān)測。

(3)采空區(qū)地面塌陷、地裂縫:工程建設(shè)在賀莊—董村店段和和墻北村—土高村段的煤礦采空區(qū)段施工時，要對采空區(qū)進行處理措施，以免受采空塌陷、地裂縫影響區(qū)，造成危害;工程通過未采礦區(qū){觀音寺—梨園段和曹莊—古城，應(yīng)促使相應(yīng)礦區(qū)預(yù)留足夠的安全煤柱，預(yù)防地面塌陷的發(fā)生。

(4)巖溶塌陷:工程建設(shè)前，應(yīng)對巖溶地段輝縣的蘇門山～新鄉(xiāng)的潞王墳和辛集～小店巖溶地段進行調(diào)查，應(yīng)查明巖溶發(fā)育程度和分布規(guī)律，尤其要查明淺溶洞的分布、深度和規(guī)模，進行基礎(chǔ)處理，加強基礎(chǔ)剛度和上部結(jié)構(gòu)強度，防止巖溶塌陷危害。

(5)對膨脹土渠段失穩(wěn)邊坡采取抗滑樁或挖除渠頂部土體減載處理方案。對于淺層失穩(wěn)，則采取在設(shè)計開挖斷面的基礎(chǔ)上，分別向渠坡外超挖，還填粘性土料。中、強膨脹土全開挖斷面換土。弱膨脹土脹縮性較弱，對一級馬道一下斷面換土處理。此外，因密切注意區(qū)域地下水位的變化。

(6)對基礎(chǔ)采取加固措施，以減輕地裂縫對渠道的破壞作用。對發(fā)生的地裂縫應(yīng)采用及時填埋等有效措施，防止對渠道造成大的危害。加強對工程周圍地面變形的巡查、監(jiān)測，并建立針對突發(fā)性地裂縫的應(yīng)急預(yù)案。

(7)在采砂區(qū)，禁止亂采亂挖，對已有的采砂陷坑進行填埋夯實。

(8)泥石流主要防治措施如下:可在泥石流溝的上游設(shè)立攔石壩，或者進行小流域的治理;疏通河道，保持河道順暢，排水順利;建立監(jiān)測系統(tǒng)，對溝谷的中上游進行定期監(jiān)測，雨季加密監(jiān)測。