南水北調中線(河南段)地質災害及防治對策

朱洪生 余松輝 李 昕 姚 津

(1.中國地質大學 環境學院，湖北 武漢 430074;2.河南省地質環境監測院，河南 鄭州 450016;3.河南省航空物探遙感中心，河南 鄭州 450053)

1 地質環境條件

工程沿線處于暖溫帶和亞熱帶氣候過渡區，氣候具明顯的過渡特征。信陽、南陽及駐馬店部分地區屬亞熱帶濕潤、半濕潤季風氣候帶，其它地區屬暖溫帶干旱、半干旱季風氣候區。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，山區多于平原和丘陵地區。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，大部分屬季節性河流。

南水北調總干渠中線(河南段)，從南陽市淅川縣丹江水庫開始，向北至漳河結束，長約731km，沿線地貌類型依據地貌形態和成因劃分為: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和揚子地層區。以三門峽—魯山、西官莊—鎮平和龜山—梅山三條北西向區域性斷裂帶為界將河南省劃分為三個基本構造單元，自北向南分別為華北板塊、華北板塊南緣構造帶和楊子板塊北緣構造帶。

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—大河斷裂帶、寨根韌性斷裂帶、西官莊—鎮平—松扒韌性斷裂帶及龜山—梅山韌性斷裂帶、丁河—內鄉韌性剪切帶和桐柏—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—田關韌性剪切帶、淅川—黃風埡韌性剪切帶、焦作—新鄉—商丘斷裂、青羊口斷裂、太行山東麓斷裂。

工程沿線經過各地震帶，歷史上發生的震級≥4.75級對工作區具有破壞作用或有影響的地震24次。根據《中國地震動參數區劃圖》(GB18306-2001)，工程沿線區域穩定性如下:①黃水河支流以東～洪河以北，地震動峰值加速度為0.20g，相當于地震基本烈度Ⅷ度區，屬于較不穩定區域;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，相當于地震基本烈度Ⅶ度區，屬于較穩定區域;③靳崗鎮～潦河鎮、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，相當于地震基本烈度Ⅶ度區，屬于較穩定區域。④其他地段地震動峰值加速度小于或等于0.05g，相當于地震基本烈度Ⅵ度區。

依據地層巖性及巖土工程地質特征，渠道沿線工程地質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構，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;灰巖、白云質灰巖，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，呈層狀結構;大理巖分布在白河右岸豐山一帶。巖體除風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，工程地質性質良好，可形成穩定的高陡邊坡。

較軟巖組:主要為新近系系粘土巖、砂質粘土巖、砂巖、砂礫巖等互層或其中幾種巖性組成，多數為泥質結構，呈微膠結，局部鈣質微膠結。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，裂隙發育，易風化，抗剪強度相對較低。其中粘土巖多具有中等—強膨脹潛勢，工程地質性質較差，不能形成較陡而穩定的邊坡。

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、上更新統和全更新統，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、奧陶系的灰巖、白云質灰巖、泥質灰巖，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①碳酸鹽巖類分布地區:構造斷裂發育并發育有裂隙巖溶，為降水和地表水體的滲入創造了條件。②碎屑巖類分布區:巖石多為砂巖、頁巖，雖然褶皺斷裂較發育，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，在低洼及溝谷兩側以泉的形式排泄地下水。③巖漿巖和變質巖類分布區:構造裂隙及風化裂隙較為發育，但裂隙多被風化物充填，降水滲入量較少，且裂隙延伸不長，雖然泉點分布較多，卻受季節影響;平原地區地形較平坦，地表多分布亞砂土、粉細砂、亞粘土，降水量深入補給淺層水。主要消耗于蒸發和人工開采。

2 地質災害類型及特征

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

地面塌陷是調查區內最為發育的地質災害類型，共計20個，均為開采煤礦及開采建筑用沙引起的。煤礦采空區引起的地面塌陷主要分布在焦作馬村區、修武縣方莊鎮和禹州市梁北鄉，現有大面積采空區，進而形成地面塌陷地質災害，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，規模較小，開挖深度較淺，現已停止開采，穩定性較好。

滑坡地質災害共計9個，主要分布穿黃工程的附近，黃河的南岸，全為土質滑坡，該地區為第四系地層，堆積松軟，巖石風化嚴重，人類工程活動強烈，滑坡地質災害的發生較為頻繁。

崩塌地質災害共計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，沖溝發育，受河流侵蝕影響，常發生小型土質崩塌;二是鄭州段，在鄭州的西南部，該地段處于黃土塬區，沖溝發育，黃土節理裂隙發育，為黃土崩塌的發生創造了條件。

泥石流主共計18條，主要分布在黃河以北的焦作輝縣段，組成物質為風化物及人工棄體。該地區地形復雜，沖溝發育，溝谷形狀多為“V”型，溝谷兩邊山坡坡度在30°—70°之間，風化嚴重，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。為泥石流的發生提供了豐富的物質基礎、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。

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

3 地質災害預測

3.1 干渠建設可能引發的地質災害

工程沿線建設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的粉土和粉質粘土，下部為較厚層的砂礫石層;蘇門山、潞王墳段為灰巖出露段，開挖深度較大。以上地段的深挖方和深填方段引發崩塌、滑坡地質災害的可能性較大。

工程沿線建設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，有引發地面不均勻沉陷地質災害的可能性。

3.2 干渠建設可能加劇的地質災害

渠段建設經過焦作采煤塌陷區，渠段建設過程中或工程完工后，由于地表荷載的增加或渠道滲水，有加劇地面塌陷災害的可能性。

3.3 干渠本身可能遭受的地質災害

焦作礦區煤礦資源豐富，為煤炭工業基地，區內采礦活動強烈，形成大量采空區，地面塌陷發育。Ⅳ段干渠從焦作市東穿過焦作礦區，礦區內采空區及采空塌陷區長度約25km。Ⅳ段干渠本身可能遭受該礦區的地面塌陷災害。在輝縣的蘇門山～新鄉的潞王墳一帶為基巖出露，巖性為灰巖和白云質灰巖，巖溶發育，有發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段有采沙現象，采挖深度為1～12m，有地面塌陷發生，其規模較小，已基本穩定，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?？傊?，干渠本身可能遭受地面塌陷災害。

工程沿線有42.5km長的地段存在膨脹巖土現象，主要分布的地段有17處。粘土巖、泥灰巖存在遇水膨脹、崩解，失水收縮干裂，抗風化能力差，抗剪強度低，工程地質條件差。

根據實驗結果表明，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生。干渠本身有可能遭受活動斷裂引起的地裂縫災害?？傊汕旧碛锌赡茉馐艿亓芽p災害。

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，在渠段建設中和渠段建設完工后，均有可能遭受崩塌、滑坡地質災害。

經過調查，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，為水石流的發生提供了豐富的物質基礎，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，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，有引發地面不均勻沉陷地質災害的可能性。渠段本身有可能遭受地面不均勻沉陷災害。

工程沿線的溫縣段、安陽段經過地下水降落漏斗的邊緣，若長期持續超強度開采地下水，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害。

4 地質災害防治建議

為了保護地質環境，避免或減少地質災害所造成的損失，根據工程沿線沿線地質環境條件、地質災害類型提出如下防治建議:

(1)工程建設過程中，嚴格按照設計要求進行施工，酌情降低坡度或分級削坡增大渠坡的穩定性，嚴禁削坡過陡，加強監測，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生與填土的密實度和不均勻性有關，工程建設過程中，嚴格按照設計要求進行施工，對地基需進行強夯處理，預先沉降、固結、以提高強度。對填土進行碾平、夯實、監測。

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

(4)巖溶塌陷:工程建設前，應對巖溶地段輝縣的蘇門山～新鄉的潞王墳和辛集～小店巖溶地段進行調查，應查明巖溶發育程度和分布規律，尤其要查明淺溶洞的分布、深度和規模，進行基礎處理，加強基礎剛度和上部結構強度，防止巖溶塌陷危害。

(5)對膨脹土渠段失穩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，則采取在設計開挖斷面的基礎上，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，因密切注意區域地下水位的變化。

(6)對基礎采取加固措施，以減輕地裂縫對渠道的破壞作用。對發生的地裂縫應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、監測，并建立針對突發性地裂縫的應急預案。

(7)在采砂區，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;建立監測系統，對溝谷的中上游進行定期監測，雨季加密監測。