南水北调中线总干渠主要工程地质问题（高健,阳云华）

摘要: 南水北调中线总干渠线路长，跨越地貌单元多，工程地质条件复杂，存在很多工程地质问题。因此查明沿线的工程地质问题及危害，并采取适宜的防治措施对工程的安全性、经济性、合理性非常重要。通过对南水北调中线工程主要工程地质问题及其危害的处理措施的阐述，处治方法的分析对比，提出了对工程地质问题危害的防治建议。

关 键 词: 工程地质问题;处理措施;分析对比;总干渠;南水北调中线工程

中图分类号: P642 文献标识码: A

1 工程概况

南水北调中线工程从丹江口水库陶岔闸引水，经长江流域与淮河流域的分水岭方城垭口，在河南省郑州市附近通过隧洞穿过黄河，沿京广铁路西侧北上，自流到北京、天津。输水总干渠全长约1432km，其中引水渠首至北京团城湖长约1276km，天津干线长约156km。总干渠以明渠为主，北京段、天津干线采用管涵，明渠段与交叉河流全部立交。全线各类建筑物1796座。

总干渠沿线地形总体上呈西高东低、南高北低之势;沿线经过山地、丘陵、岗地、平原及沙丘沙地等地貌单元。勘测范围内主要揭露的地层有:①太古界各类片岩、片麻岩;②元古界安山玢岩、变质岩、碳酸盐岩、碎屑岩;③古生界碳酸盐岩、碎屑岩;④中生界碎屑岩;⑤新生界N层软岩;⑥第四系堆积层;⑦岩浆岩。总干渠（含天津干渠）处于我国地震发生较为频繁的地带，其中，穿过Ⅵ度区及以下的渠段长约562km，穿过Ⅶ度区的渠段长约700km，穿过Ⅷ度区的渠段长约170km。

2 主要工程地质问题及危害防治

南水北调中线总干渠线路长，跨越地貌单元多，工程地质条件复杂，存在的工程地质问题有:①膨胀岩土问题，②黄土湿陷性问题，③饱和沙土震动液化问题，④渠道经过煤矿采空区变形及渠道压煤问题，⑤渠道边坡稳定问题，⑥渠道渗漏问题，⑦基坑涌沙涌水问题。

因此，查明沿线的工程地质问题及其危害，采用适宜的防治措施对工程的安全性、经济性、合理性具有重要的意义。因而对其主要的工程地质问题（①、②、③、④）及其危害与处理措施作如下浅析。

2.1 膨胀岩土问题

2.1.1 危害及分布

膨胀岩土主要是由强亲水矿物（蒙脱石、伊利石、硫化铁和蛭石等）组成的非饱和、高塑性粘土，具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育及超固结等特性。它常使地基变形过大导致建（构）筑物开裂、倾斜或倒塌;地基强度降低使建筑物沉陷;反复胀缩渗水形成滑面而使坡（渠）体失稳;胀缩产生的膨胀力使支挡结构变形或失稳等。

南水北调中线工程总干渠的建筑型式为渠道、交叉建筑物（倒虹吸、渡槽、涵闸、桥梁等），膨胀岩土对总干渠渠道影响较大，常使渠坡蠕滑失稳;由于交叉建筑物自重较大，对其影响较小，但可使临时边坡失稳、附属支挡结构变形、开裂以致倒塌等。

膨胀岩土在总干渠沿线分布极为广泛，渠坡或渠底分布有膨胀岩土的渠段共有186段，长331.9km，主要分布于陶岔—北汝河、辉县—新乡、淇河—洪河南、邯郸、邢台，北汝河—潮河、南土旺—洪河屯、石家庄、高邑等地也有零星分布。在时代成因上，主要有第四纪冲积、冲洪积、冲湖积、冰水沉积及坡洪积与上第三纪河湖相。

2.1.2 处理措施

膨胀岩土问题对工程影响最大，也是最难以解决的问题，国内外对此作了许多的研究。对膨胀岩土的处理，不但受其自身的工程特性的影响，还受工程类型的影响，不同的工程类型处理的措施也不一样。根据不同的工程类型，目前主要的处理措施有:

（1）渠道工程。用非膨胀土换填表层1～2m（换填法），改变土体整体受力条件:①土工织物加筋体，膨胀土体中分层加入加筋材料形成加筋体;②抗滑桩桩体深入滑动面以下，以抵抗滑体的下滑;③挡土墙加集水井，坡脚或边坡一定高度内设置挡土墙，坡体内一定距离设集水井，提高整体抗滑能力;④减载与挡土墙，坡体削坡，坡脚加挡土墙;⑤砌石联拱，浆砌拱弧相联，把下滑力转移到深部稳定土体内等。防止表水的下渗，控制含水量变化过大:①土工格栅（室）柔性坡墙，从坡角到坡顶一定距离设置格栅（室）分层填筑;②土工膜加砌块，在坡面铺设土工膜，一定距离加土钉，表层加砌块护坡。土性改良方法:①电化学土壤处理剂CONDORSS，从水中离解出H+ 离子中和土粒表面负电荷，以提高土体强度;②坚土酶PZ-22X，通过催化作用，加速土壤颗粒的融合，再经压实，使土体密实、强度高、渗透性变小、含水量减少;③生态改性剂CMA，可与水、少量石灰相伴，离解出H+ 离子与土壤亲水阳离子产生交换作用，可提高土体强度，减小膨胀性;④HEC系列高强高耐水土体固结剂，可胶结被固结材料颗粒，且可激发被固结材料中铝硅酸盐的活性，使之成为牢固的多晶聚集体，从而产生较高强度与水稳定性;⑤掺石灰、水泥、粉煤灰等无机结合料改性，可减小膨胀性，增加强度。

（2）交叉建筑工程。对于边坡，除可采用渠道边坡的处理方法外，还可以在支挡结构段采用锚固的方法。对于地基，主要有以下处理方法:①换填法，用非膨胀土或其它散粒材料换填地基表层0.5～1.5m;②砂石垫层，在基础下填筑0.5～1.0m的砂石料，改善地基受力情况，减少不均匀沉降;③土性改良，掺石灰、水泥、粉煤灰等无机结合料改性，可减小膨胀性，增加强度;④将桩基桩端置于非膨胀岩土层，避开膨胀岩土的膨缩;或将桩端置于膨胀岩土深部，避开膨胀岩土受大气影响剧烈带。

2.1.3 处理措施分析比较

对膨胀岩土的防治方法较多，各有特点。换填法是最环保、最有效的方法之一，但不易确定换填深度，且存在非膨胀土土源及弃土等问题，适用于非膨胀土源丰富且便于弃土的渠段;土工织物加筋体，对提高整体抗滑能力有较好效果，但浅层滑坡的长期效果不甚明显;桩基与挡土墙加集水井比较适于深层滑坡或需要采取桩基的建筑物;减载与挡土墙不适合强膨胀土;砌石联拱适合浅层滑坡;砂石垫层不适合渠道，用于路基的填筑有较好效果;土工格栅（室）柔性坡墙与土工膜加砌块，虽然施工简便，但存在环保问题;各类化学改良剂施工较为方便，国内外也有不少成功的先例，但环保的可靠性还有待进一步研究;掺石灰、水泥、粉煤灰等无机料改性，对提高土体强度具有明显的效果，但不适于大面积使用，受材料的制约。

2.1.4 总干渠处理措施

针对南水北调中线工程总干渠的建筑特征，膨胀土对其危害的防治可分为渠道与交叉建筑物两部分。

（1）为保持开挖渠道渠坡的稳定，应采用控制边坡坡度与适宜的处治措施相结合，可参照对已有运行正常渠道的渠坡调查坡比进行，见表1。

对膨胀岩土的处置，一般采用削坡减载，在底部加挡墙的方法;如不能按以上边坡坡比进行开挖，可能或已出现浅层滑坡渠段，可在下部或坡脚采用支挡结构（抗滑桩、挡土墙或砌石联拱）处理，以改善土体整体受力;在有非膨胀土源的条件下，可采用表层换填的方法，换填厚度由大气影响深度及膨胀土类型决定，一般1.5～2.0m;对浅挖边坡，可采用灰土、水泥土及粉煤灰土等改性土作网格护坡;对于防止表水的下渗，控制含水量过大变化的方法，在满足环保与经济的情况下，可采用土工格栅（室）或土工膜处理。

对渠道的表层护坡，一般内坡采用片石，外坡采用草皮（国内多处工程已成功运行几十年）;另外，石渣或碎石料也常用内坡护坡，一般石渣或碎石作表层，砂砾石作垫层，无纺布或土工布作反滤层;对含水量控制要求较高的渠段，在环保与经济允许的情况下，内坡也可采用土工格栅（室）或土工膜护坡。

对料源较丰富的渠段，可采用局部换填，材料有如满足质量的非膨胀土，经石灰、水泥、煤渣改良的灰土等;对受土源限制，需缩小渠道断面的渠段，在环保与经济允许下，可采用加筋土填筑。

（2）对于膨胀土区的交叉建筑物，应针对不同情况采用不同的防治方法。交叉建筑物的类型有倒虹吸、渡槽、涵闸、桥梁等，其基础类型有墩、台、桩等。当地基为弱膨胀土，建筑物自重较大，基础为墩、台，建筑物对基础要求不高时，可采用控制基础埋深的方法，要求基础的埋深满足《建筑地基基础设计规范》，一般还要求大于大气影响剧烈带（一般为1.5～2.0m）的深度;当地基为强膨胀土，基础为墩、台等，建筑物对基础要求较高时，可采用换填或砂石、灰土垫层处理;对于渠道工程联接建筑物或倒虹吸基础，一般采用墩基或柱基，墩基或柱基可加大基础单位面积压力，减小膨胀变形量;对重要建筑物和渡槽、桥梁基础，当沉降要求很严时，可采用穿过膨胀土层支承在非膨胀性硬土层上，以此消除胀缩变形，当膨胀土层很深时可采用短桩支承在膨胀土层内，但短桩埋深必须大于大气影响剧烈带深度，且大于设计地面下5m，桩基锚固深度的摩阻力必须大于膨胀土膨胀时的上拔力，同时桩承台梁下应留有空隙，其值大于土层浸水后的最大膨胀量，且不小于10cm;对于支挡结构，应注意地表水下渗引起膨胀土胀缩对结构的推力，可在稳定计算时考虑膨胀力或采用锚固方法，同时加强排水措施。对于临时边坡，可参照渠道的处理措施进行。

综上所述，在总干渠的设计施工时，要针对不同的工程地质条件、工程特点及就近资源综合分析，采用合理的防治措施。

2.2 黄土湿陷性问题

2.2.1 危害及分布

黄土是一种特殊粘性土，粉粒含量高、多孔隙、孔隙比大、呈黄色，土中含有易溶盐类，遇水易冲蚀、崩解与湿陷。黄土状土主要指第四系全新统下段冲洪积壤土和上更新统冲洪积、坡洪积黄土状壤土、部分风积黄土、次生黄土，因其仅具有黄土的部分特征，故称其为黄土状（类）土。黄土及黄土状土湿陷性对工程影响主要是对边坡及地基产生湿陷变形破坏。

总干渠沿线分布的黄土类土一般仅具弱湿陷性，部分具中等湿陷性，且均为非自重湿陷性。非自重湿陷性黄土类土一般只分布在地表下4～8m深度范围内，此深度以下的黄土不具湿陷性。黄土分布于郑州到邙山渠段，黄土状土分布于汝河至郑州、黄河至北京的山前丘陵、黄河及其支流的二级阶地上部。黄土类土渠坡累计长度约245km。渠坡坡高一般10～15m，最高可达25～40m。

2.2.2 处理措施

对湿陷性黄土或黄土类土的处理，常用的处理措施有3类，即地基处理措施、防水措施及结构措施。

（1）地基处理措施主要有:①换土垫层法，用符合工程设计要求的非湿陷土进行替换;②重锤夯实法，用重锤夯实土体，提高密实度，减小湿陷性;③预浸或泡水处理法，通过工程措施，针对湿陷土层本身进行处理，改善其土壤结构和基本特性，以达到消除其湿陷性的目的;④砂（灰土、碎石等）桩挤密法，利用桩体的挤压，减小孔隙比，提高地基强度;⑤桩体穿透法，采用静压桩、震冲桩及灌注桩等，既可挤密土体，又可将上部荷载传到深部。

（2）防水措施主要有:①排水沟，浆砌石或混凝土排水沟，减少表水下渗;②隔水层，在地表铺设隔水材料，使基础湿陷性黄土地基无法浸水，以达到避免地基湿陷的目的，常用的隔水材料有灰土、油毡以及各种PVC和PE膜。

（3）结构措施，减小或调整建筑物不均匀沉降，或使结构适应地基变形。

2.2.3 处理措施分析比较

基本可消除基础已有土层的湿陷性的方法有强夯、换土、挤密桩等。它们仅适用于较薄（10m以内）的土层，同时换土还受土源的影响。当土层深厚时，常用预浸（饱）水处理，这种方法施工方便，费用较低，但耗时太长，往往影响工期;常用的桩基，尤以灌注桩为主，可避过湿陷性土层，使基础传力于湿陷土层以下的持力土层上，相对比较安全可靠，所以被广泛应用于比较重要的独立建筑物的基础处理，但投资费用较大;防水法适用于对基础承载力要求不高的设施，如渠道。对变形较敏感的建筑、且地基的湿陷性较大，可采用结构措施，减小或调整不均匀沉降。

2.2.4 总干渠处理措施

由于总干渠沿线主要为黄土类土，且大多为弱湿陷性。因此，对于总干渠渠道填方段，可采取控制填筑质量（一般要求密实度达到95%）的方法;对挖方段，可采用表层换填的方法，换填材料可采用非湿陷粘性土、灰土、水泥土等，防止表水下渗;对采用墩基的交叉建筑物，可采用换填法或重锤夯实法，在工期允许的条件下，可采用预浸（或泡）法处理;对采用桩基的交叉建筑物（如桥梁、渡槽等），应注意控制好桩长，对较薄湿陷土层，桩基可穿过湿陷性黄土层，如湿陷土层较厚时，桩长可支承于黄土内，但桩基锚固长度摩阻力要大于湿陷性黄土湿陷时的上拔力。

当总干渠经过的渠段为中等湿陷性黄土或黄土类土时，对渠道填方段，在保证压实质量、工期允许的情况下，还可进行分层预浸处理，同时还须增加防水措施，如排水沟，灰土、PE膜等隔水层;对交叉建筑物还可采用结构措施，以减少不均匀沉降;对不均匀沉降要求较高的大型基础（如倒虹吸），还可采用灰土、碎石桩挤密法，以提高地基承载力。

2.3 饱和砂土震动液化问题

2.3.1 危害及分布

饱和砂土震动液化是指在震动效应下，孔隙水压增加及有效应力降低而引起粒状材料（砂土、粉土）由固态转变成液态的过程。它往往可造成喷水涌砂、地面隆起或沉降、坡体滑移、轻型建筑浮起、地基沉载力严重下降等。

饱和砂土液化对总干渠的危害主要有:渠道渠坡失稳、滑移，隧洞失稳、垮塌，交叉建筑物地基承载力下降，基础下沉等。

总干渠沿线黄河及其以北的潮河、沁河、纸坊河—沧河、漳河等的河漫滩、阶地和古河道等地，广泛分布着粉细砂、亚砂土，且地下水埋藏浅，砂土处于饱和状态，加之地震基本烈度不小于Ⅶ度（地震动峰值加速度不小于0.10g），有饱和砂土液化问题。存在饱和砂土振动液化问题的渠段累计长约37km。

2.3.2 处理措施

对饱和砂土震动液化的防治主要有两类方法。

（1）改良砂土性质，包括以下几种措施:①土层置换，可使土粒改良或硬化;②搅拌处理，亦可使土粒改良或硬化;③压实或挤密，可加密土体，降低饱和度，提高有效应力。

（2）改善应力应变条件，包括以下几种措施:①填土或降低地下水位，可提高有效应力;②排渗法及其它，消散孔隙水压力，阻止孔压力的发展;③地下连续墙，阻止孔压的发展，抑制剪切变形。

2.3.3 处理措施分析比较

土层置换与搅拌处理，效果较好，但施工较麻烦，受土源限制，且一般适合厚度不大的饱和砂土的处理;强夯压实可大面积使用，但对施工要求较高;桩基挤密，对地基强度要求较高的适用，因成本较高，只适用于大型建筑;填土或降低地下水、排渗法及其它等对水文、地质条件要求较高，可结合其它方法使用;地下连续墙一般适用于建筑工程或对地基要求非常高的建筑。

2.3.4 总干渠处理措施

对于总干渠的填方渠段，可采用压实的方法，在施工时严格控制压实度，同时在有条件的情况下降低地下水位;对于挖方渠段，有条件的情况下可采用部分换填的方法，同时可降低地下水位，采用排渗法等处理;对于交叉建筑物，可采用置换法、填土法、压实或挤密等方法，对较软的土层，还可采用搅拌处理;对于隧洞，一般采用排渗法，同时还应采取结构措施。

总之，在总干渠设计施工中，应结合饱和砂土层的厚度、基础的埋深及建筑物的类型，采用适宜的防治方法。

2.4 渠道经过煤矿采空区变形及渠道压煤问题

2.4.1 危害及分布

煤矿采空区变形过大，往往会造成地面开裂、塌陷，边坡滑坡，建筑物不均匀沉陷甚至倒塌，影响地基的稳定。

对总干渠的危害，主要有使渠道开裂、渠坡滑移、基础沉陷，使交叉建筑物不均匀沉陷甚至倒塌，地基失稳。

总干渠由南至北通过河南省禹州煤矿、郑州矿区和焦作煤矿区，河北省凰家煤矿、邢台煤矿、伍仲煤矿、邢台劳武联办煤矿、亿东煤矿、鑫丰煤矿、兴安煤矿、磨窝煤矿，邵明煤田区贾村乡第三煤矿、华懋煤矿、垒子煤矿等11座煤矿。总干渠通过采空区5km，其中4km采空区地面变形基本稳定或趋向稳定，约1km段存在变形稳定问题。渠道压煤50.69km。

2.4.2 处理措施

对煤矿采空区，一般采用避开的方法;如不能避开段，可进行稳定性评价，对可能存在不稳定的地基进行灌注水泥浆处理，提高地基承载力。

对压煤区，一般采用避开煤区，如不能避开煤区，可控制煤区的开采，预留保安煤柱。

2.4.3 处理措施分析

对还未变形的采空区，应对其稳定性作出评价，控制煤区的开采;对已变形的采空区，应加强变形、应力应变的监测，对作为渠基的适宜性作出评价;对变形过大的要采用注浆固结处理，并对处理效果进行验证。

对于压煤区，由于煤矿开采是个动态的过程，采空区和压煤的长度在不断地变化。应根据矿区的情况、地形和地质条件等优化渠道线路，合理安排煤矿的开采，做到既保证渠道的安全又尽可能少占压煤炭资源。

2.4.4 总干渠处理措施

对南水北调中线工程采空区与压煤问题，一直在不断进行研究。为避开煤区或尽量少经过采空区与煤区，选择了多条线路进行比较分析，但到目前为止，最优线路仍无法避开采空区与煤区，还有以上所述渠段经过采空区与压煤区。

因此一方面可在最优线路上，尽量作进一步的线路优化，经过最短线路的采空区，占压最少的煤炭资源；同时对已确定必须经过的采空区加强变形、应力的监测，对不满足要求的地基进行固结注浆处理；必经的压煤区，应控制煤炭的开采，同时进行适当的应力应变监测。

3 结语

本文简述了南水北调中线工程的主要工程地质问题及其危害的处治，并对防治措施进行分析比较，得到以下几点认识：

（1）膨胀岩土，在南水北调中线工程中分布广泛，对工程影响大，工程处理措施较多，在总干渠设计施工中应结合岩土体膨胀潜势、厚度及工程特点及当地资源条件选用。

（2）对黄土及黄土类土的湿陷等级作出准确的评价，结合工程对湿陷的敏感度，对需作处理的渠坡或地基，选用适宜的防治方法。

（3）对饱和砂土液化渠段，应结合饱和砂土层的厚度、基础埋深及建筑物形式，采用适宜的防治方法。建议总干渠采用压实方法，结合降排水处理；交叉建筑物建议结合工程特点，采用土层置换、桩基挤密等方法处理。

（4）对采空区稳定性应作出评价；对已出现变形的采空区，应加强变形、应力应变监测；对可能存在不稳定性的地基进行注浆固结处理；对压煤区，可进一步优化渠道线路，合理安排煤矿的开采，做到既保证渠道的安全又尽可能少占压煤炭资源。

参考文献：

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作者简介: 高 健，男，长江水利委员会长江岩土总公司，工程师。