南水北調(diào)中線一期工程總干渠不良地質(zhì)渠段地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)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(guī)劃設(shè)計(jì)總院，北京 100120)

南水北調(diào)中線干線工程是國(guó)家南水北調(diào)工程的重要組成部分，是緩解我國(guó)黃淮海平原水資源嚴(yán)重短缺、優(yōu)化配置水資源的重大戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施，是關(guān)系到受水區(qū)河南、河北、天津、北京等省市經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展和子孫后代福祉的百年大計(jì)[1]?？偢汕€路長(zhǎng)、南北跨度大，所經(jīng)地區(qū)的地理環(huán)境和水文氣象條件差異較大，地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜多變[2- 3]，不良地質(zhì)問題和風(fēng)險(xiǎn)[4- 5]較為突出。

1 工程概況

南水北調(diào)中線輸水總干渠全長(zhǎng)1432.493km，跨越長(zhǎng)江、淮河、黃河、海河4大流域705條河流，沿線經(jīng)過河南、河北、北京、天津4個(gè)省、直轄市。受水區(qū)包括河南省的南陽(yáng)、平頂山、漯河、周口、許昌、鄭州、焦作、新鄉(xiāng)、鶴壁、安陽(yáng)、濮陽(yáng)11個(gè)省轄市及7個(gè)縣級(jí)市和25個(gè)縣城；河北省的邯鄲、邢臺(tái)、石家莊、保定、衡水、廊坊6個(gè)省轄市及14個(gè)縣級(jí)市和65個(gè)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(jí)建筑物，次要建筑物為3級(jí)建筑物?？偢汕自O(shè)計(jì)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(zhì)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(shì)?？偢汕哪舷虮睓M貫長(zhǎng)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(tài)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(shù)據(jù)可從https://wist.echo.nasa.gov/～wist/api/imswelcome/下載。

平原區(qū)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(qū)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(yùn)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(diào)中線總干渠地形地貌

2.2 地質(zhì)構(gòu)造

工程跨越2個(gè)一級(jí)大地構(gòu)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(zhǔn)地臺(tái)。根據(jù)新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)分區(qū)，工程主要位于秦嶺-大別山隆起區(qū)、豫皖隆起-拗陷區(qū)和華北斷陷-隆起區(qū)。區(qū)域內(nèi)的活動(dòng)斷裂主要集中在3個(gè)區(qū)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(dòng)斷層組成，如口泉斷裂、五臺(tái)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(tái)-新鄉(xiāng)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(yùn)河斷裂、南口-孫河斷裂、夏墊斷裂、黃莊-高麗營(yíng)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(zhǎng)50.7km，其余絕大部分為土質(zhì)渠道?？偢汕鼐€不同區(qū)域、不同時(shí)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(cuò)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(zhì)碎屑巖及下、中更新統(tǒng)沖洪積含鈣質(zhì)結(jié)核(姜石)、鐵錳質(zhì)結(jié)核棕黃色粉質(zhì)黏土、部分紅色粉質(zhì)黏土、黏土、泥礫等組成。此外，太古界、元古界變質(zhì)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(diào)中線一期渠道工程的主要地基持力層，也是構(gòu)成膨脹土、濕陷性黃土和砂土液化等不良地質(zhì)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(rùn)、半濕潤(rùn)和半干旱氣候區(qū)。氣溫從南向北逐漸遞減，降雨量逐漸減少，而蒸發(fā)量逐漸增加。

工程區(qū)內(nèi)水系較發(fā)育，流域面積100km2以上的河流68條，分屬長(zhǎng)江、淮河、黃河、海河流域。長(zhǎng)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(jié)性河流，枯水期水量很小或斷流干涸。

工程區(qū)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(jié)構(gòu)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(bǔ)給，在山前平原、丘陵區(qū)存在地下水側(cè)向補(bǔ)給，地下水位變化主要受季節(jié)控制。地下水的排泄方式以蒸發(fā)、向下游徑流排泄和人工開采為主。近幾十年來工農(nóng)業(yè)用水的急劇增加，人工超采地下水導(dǎo)致地下水位逐年下降且形成多個(gè)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(shù)地下水對(duì)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(zhì)渠段地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)及處理措施

總干渠南北線路長(zhǎng)、跨度大、建筑物多，地形地貌和地質(zhì)條件復(fù)雜多變，各種不良地質(zhì)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(qū)渠段[12]、深挖方渠段[13]等6類不良地質(zhì)渠段是工程前期地質(zhì)勘察和設(shè)計(jì)的重點(diǎn)地段，也是總干渠運(yùn)行期間主要的地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)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(qiáng)度衰減期，當(dāng)發(fā)生干濕循環(huán)時(shí)，其性狀常發(fā)生巨大變化，將嚴(yán)重構(gòu)筑物安全穩(wěn)定。

3.1.1分布范圍

總干渠穿越膨脹巖、土地層累計(jì)長(zhǎng)度約349.351km，約占總干渠輸水渠道1/3，其中總干渠強(qiáng)膨脹土(巖)渠段長(zhǎng)約17.930km，中等膨脹土(巖)段139.726km，弱膨脹土(巖)段長(zhǎng)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(xiāng)段、邯鄲-邢臺(tái)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(fēng)險(xiǎn)特征

膨脹土(巖)對(duì)渠道工程的不良影響主要體現(xiàn)在：①影響渠坡穩(wěn)定，在大氣影響帶深度范圍內(nèi)，極易產(chǎn)生淺層疊瓦式滑坡，深度一般2～6m，或形成由層間結(jié)構(gòu)面控制的深層滑坡；②當(dāng)土體含水量發(fā)生變化時(shí)，巖(土)體脹縮變形可能導(dǎo)致渠道襯砌膨脹破壞，引起渠道漏水，導(dǎo)致渠坡穩(wěn)定狀態(tài)的惡化；③膨脹土(巖)中發(fā)育的裂隙與其它裂隙、層面等組合，會(huì)形成規(guī)模較大的不穩(wěn)定塊體，影響渠坡穩(wěn)定。

3.1.3處理措施

針對(duì)膨脹土(巖)的工程特性及其對(duì)渠道危害類型，可采用渠道斷面邊坡放緩、設(shè)置多級(jí)馬道、使用現(xiàn)澆混凝土襯砌、下設(shè)覆合土工膜防滲、換填土、加強(qiáng)排水和使用抗滑樁等措施對(duì)膨脹土(巖)段進(jìn)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(yīng)力作用下，或者在自重應(yīng)力和附加應(yīng)力共同作用下，因浸水后土的結(jié)構(gòu)破壞而發(fā)生顯著附加變形的黃土狀土，具有遇水后土體結(jié)構(gòu)破壞強(qiáng)度降低的特點(diǎn)。

3.2.1分布特征

沿線主要是黃土狀土，黃土狀土渠段累計(jì)長(zhǎng)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(jì)長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)約0.6km，天津段西黑山進(jìn)口閘至有壓箱涵段分布有10.826km的黃土狀土。

3.2.2風(fēng)險(xiǎn)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(qiáng)濕陷，濕陷深度一般5m左右，最大不超過10m。對(duì)工程的主要危害是可能導(dǎo)致渠道或建筑物地基產(chǎn)生濕陷變形破壞、影響填方渠道和建筑物地基穩(wěn)定，對(duì)挖方渠道邊坡的影響不大。

3.2.3處理措施

針對(duì)沿線黃土狀土的工程特性及其對(duì)渠道的潛在危害，對(duì)總干渠濕陷性黃土渠段可采取強(qiáng)夯、重夯、振沖擠密、坡面防護(hù)和排水、襯砌下設(shè)防滲等處理措施，對(duì)于非自重濕陷性黃土分布的渠段，原則上只對(duì)填方渠道和半挖半填渠挖方渠道進(jìn)行處理，處理深度與范圍通過設(shè)計(jì)計(jì)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(dòng)荷載或其它外力作用下，受到強(qiáng)烈振動(dòng)而喪失抗剪強(qiáng)度，使砂粒處于懸浮狀態(tài)，致使地基失效的作用或現(xiàn)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(jí)階地上?？偢汕鼐€存在飽和砂土地震液化問題的渠段總長(zhǎng)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(yáng)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(fēng)險(xiǎn)特征

發(fā)生強(qiáng)烈地震時(shí)，本段可能發(fā)生地震液化，渠道兩側(cè)坡腳處容易發(fā)生噴砂冒水，從而導(dǎo)致渠堤、渠基邊坡以外地基和地面出現(xiàn)不同程度的沉陷，結(jié)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(jù)砂土液化破壞后的涉及范圍、發(fā)生震害可能產(chǎn)生的損失大小和修復(fù)的難易程度等特點(diǎn)，從技術(shù)可行及經(jīng)濟(jì)合理上綜合考慮，對(duì)不同液化等級(jí)采用不同的處理措施：①對(duì)液化等級(jí)輕微、液化土層厚度相對(duì)較小的，采取強(qiáng)夯處理措施；②對(duì)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(qiáng)夯等處理的措施；③對(duì)嚴(yán)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(duì)較薄處，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定采用換土法進(jìn)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(zhǎng)27.952km，沙河南-黃河南高地下水位段長(zhǎng)27.189km，黃河南-漳河南高地下水位段長(zhǎng)41.635km，漳河北-北拒馬高地下水位段長(zhǎng)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(fēng)險(xiǎn)特征

高地下水位對(duì)渠道工程的影響，主要包括：①在施工過程中產(chǎn)生基坑涌水，給工程施工帶來困難；②運(yùn)行期地下水位高于渠道內(nèi)水位時(shí)，建筑物存在抗浮問題，尤其檢修期渠道襯砌板穩(wěn)定問題比較突出；③引起膨脹土、濕陷性黃土等不良地質(zhì)渠段的破壞；④地下水位以下處于飽和狀態(tài)的土體物理力學(xué)指標(biāo)降低、抗剪強(qiáng)度下降，影響渠坡穩(wěn)定；⑤導(dǎo)致北方地區(qū)凍脹、凍融破壞。

3.4.3處理措施

針對(duì)過水?dāng)嗝嬉r砌結(jié)構(gòu)的地下水問題，根據(jù)地下水位、水質(zhì)、地形條件等，對(duì)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(nèi)排、逆止閥內(nèi)排+自動(dòng)泵抽排、移動(dòng)泵抽排等。

3.5 煤礦采空區(qū)渠段

3.5.1分布范圍

南水北調(diào)中線一期工程總干渠在禹州段通過原新峰礦務(wù)局二礦、禹州市梁北鎮(zhèn)郭村煤礦、梁北鎮(zhèn)工貿(mào)公司煤礦和梁北鎮(zhèn)福利煤礦等4處采空區(qū)，累計(jì)長(zhǎng)度為3.11km。

3.5.2風(fēng)險(xiǎn)特征

開采后的覆巖形成采空區(qū)“上三帶”(即：冒落帶、裂隙帶、彎曲下沉帶)，據(jù)調(diào)查，渠道通過的采空區(qū)地表局部存在變形現(xiàn)象(移動(dòng)盆地)，個(gè)別采空區(qū)存在殘余變形?？偢汕ㄋ?，采空區(qū)存在活化可能，甚至導(dǎo)致產(chǎn)生更大的地面沉降、渠坡變形甚至滑動(dòng)、渠底裂縫、滲水等風(fēng)險(xiǎn)。

3.5.3處理措施

通過對(duì)采空區(qū)變形特征和不同方案的比較，選用注漿加固法對(duì)采空區(qū)處理，處理范圍根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》中垂線法圈定保護(hù)煤柱邊界與采空區(qū)的實(shí)際區(qū)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(gè)，總長(zhǎng)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(zhì)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(fēng)險(xiǎn)特征

與巖石邊坡相比，土體自身的工程性質(zhì)導(dǎo)致土質(zhì)高陡邊坡更容易發(fā)生沉降、開裂、變形、失穩(wěn)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(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

3.6.3處理措施

根據(jù)深挖方渠段的巖(土)體特征及其可能存在的風(fēng)險(xiǎn)類型，有關(guān)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(qiáng)排水，降低地下水位。④以上三者有機(jī)結(jié)合，統(tǒng)籌安排，體現(xiàn)技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)、安全可靠的原則。

4 運(yùn)行現(xiàn)狀

通過現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研和對(duì)相關(guān)資料的分析、研究，并結(jié)合近幾年的運(yùn)行情況，總體認(rèn)為總干渠包括不良地質(zhì)渠段運(yùn)行情況良好，工程自通水運(yùn)行以來，多年平均調(diào)出水量95億m3，水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。從目前運(yùn)行情況看，主要有以下幾點(diǎn)認(rèn)識(shí)：

(1)膨脹土(巖)具有脹縮性，對(duì)水極為敏感，且裂隙發(fā)育，甚至發(fā)育有長(zhǎng)大裂隙，且層面或裂隙密集帶有地下水，渠坡穩(wěn)定條件極其復(fù)雜，是需要長(zhǎng)期關(guān)注的重點(diǎn)。

(2)濕陷性黃土渠段，近幾年運(yùn)行期間未發(fā)現(xiàn)問題，表明處理措施得當(dāng)，渠道基本穩(wěn)定。

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

(4)個(gè)別高地下水位地段出現(xiàn)襯砌板的隆起、開裂、滑坡等問題，認(rèn)為控制地下水位在設(shè)計(jì)變幅之內(nèi)及采取合理有效的排水措施是保證渠坡穩(wěn)定的制約因素。

(5)根據(jù)對(duì)煤礦采空區(qū)渠段變形監(jiān)測(cè)，雖然有一定的變形量，但變形值在設(shè)計(jì)容許范圍內(nèi)，且地表觀察沒有變形、開裂現(xiàn)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(xiàn)時(shí)，出現(xiàn)過渠道邊坡變形和襯砌板局部隆起、開裂，也是運(yùn)行期間需要關(guān)注的重點(diǎn)之一。

5 結(jié)論

南水北調(diào)中線總干渠絕大部分為土質(zhì)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(qū)、存在高地下水位、過崗和丘陵時(shí)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(wěn)等多種類型地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的考驗(yàn)。

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(qū)渠段、深挖方渠段等不良地質(zhì)渠段施工和運(yùn)行中存在基坑涌水、渠坡變形失穩(wěn)、渠底滲透破壞、飽和沙土地震液化等地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合各渠段分布和風(fēng)險(xiǎn)特征，提出了針對(duì)各不良地質(zhì)渠段的處理措施。工程運(yùn)行現(xiàn)狀表明不良地質(zhì)渠段的針對(duì)性處理措施合理、有效?？蔀楣こ毯笃诘倪\(yùn)行維護(hù)及類似工程的規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。盡管如此，對(duì)南水北調(diào)中線一期總干渠運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行系統(tǒng)的評(píng)估，是進(jìn)一步保障工程長(zhǎng)期安全運(yùn)行和水質(zhì)穩(wěn)定的重要保障。