南水北调中线（驻马店段）环境岩土工程问题研究.pdf

以南水北调中线驻马店段为研究背景，采用现场调查、工程地质测绘以及钻探手段，查明输水管线沿线地层主要为第四系全新统上段冲湖积层、全新统下段冲湖积层和上更新统冲湖积层。结合设计要求，进一步查明项目施工和运行过程中可能存在地震效应、边坡稳定性、施工排水、水土流失以及泥沙冲刷与淤积等关键技术问题，提出了相应的处理建议。研究可为南水北调中线工程施工和运行过程中可能发生的环境岩土工程问题提供数据支撑。关键词：南水北调；输水线路；地质条件；环境岩土中图分类号：文献标志码：文章编号：（）（），（，；，）：（），：；南水北调中线工程是解决京津华北地区缺水的一个庞大的系统工程，主要由总干渠主体工程、总干渠分水口门至城市自来水厂入口之间的供水配套工程、城市水厂及管网工程 部分组成 。部分工程应同步建设、同步运行，才能实现南水北调工程巨大的社会和经济效益。按照国务院南水北调建委会第 次全体会议确定的目标，南水北调中线一期工程总干渠已于 年 月 日正式通水，河南省南水北调供水配套工程亦基本建成，并于总干渠通水当年向受水区用户供水，目前总干渠和供水配套工程运行良好，受水区群众对南水北调水质给予了高度评价。南水北调供水配套工程上接总干渠、下连城市水厂，担负着承上启下的输水任务，是南水北调工程发挥效益的关键 。河南省南水北调受水区供水配套工程主要向南阳、平顶山、漯河、周口、许昌、郑州、焦作、新乡、鹤壁、濮阳、安阳等 个省辖市和所属的 个县级市、个县城以及 个区（镇）共 个供水目标提供生活和工业用水，驻马店市所辖县（市）区域均不在河南省南水北调受水区供水范围内。驻马店市位于河南省中南部，北接漯河，南临信 年第 期马常泉，等：南水北调中线（驻马店段）环境岩土工程问题研究第 卷阳，地处淮河上游的丘陵平原地区，面积为 万 ，是河南省人口大市、农业大市和新兴的工业城市。全市总人口为 万人，常驻人口为 万人，国民生产总值为 亿元。根据 河南省水资源调查评价，驻马店市水资源总量为 亿，人均水资源占有量为 ，约为全国人均水资源占有量（）的 。由于水资源条件匮乏，其人均水资源占有量和亩均水资源占有量均低于全国平均水平，特别是位于驻马店市西北部的西平县、上蔡县、汝南县、平舆县（以下简称“四县”），人均水资源量只有 ，不足全国人均水资源占有量的 。由于本地缺少大型水利工程，同时又没有外来水源补给，供水水源以地下水为主，过度开采地下水致使地下水水位急剧下降。因此，水资源短缺形势严峻，已成为制约驻马店“四县”国民经济发展的瓶颈问题。为解决驻马店“四县”用水问题，本次驻马店市南水北调中线工程取水量为 万。工程分二期实施：一期工程从 号口门主管线西平分水口取水 万，基本满足驻马店“四县”年用水需求；二期工程从 号口门取水 万，满足驻马店“四县”年用水需求。驻马店市南水北调中线工程输水线路共长 ，其中一期工程输水线路共长约 ，二期工程输水线路长约 。工程概况本次设计为一期工程，输水主管线起点位于西平预留分水口，终点为平舆县水厂，全长 ，管径由 渐变为 ，主管线管径 以上采用球墨铸铁管（），管径 及以下采用外 内 防腐钢管（）。全线共布置三条分支线，分别为西平水厂分支线、上蔡水厂分支线、汝南水厂分支线，分别长 、，管径分别为 、，管 材 全 部 采 用 外 内 防 腐 钢 管（）。全线共布置穿河建筑物 处，穿路建筑物 处，其中布置倒虹吸 处，顶管 处，其余均采用明挖。各支线水厂附近分别设置 个调蓄池，共 个，总库容 万。主线及各支线起始分别新建现地管理房座，共座，建筑总面积 。全线共布置各类阀井 处，包括流量计阀井、空气阀、排空阀井等各类阀井。工程总体布置汇总见表。表 工程总体布置汇总 管道名称管线长度 穿越工程 处倒虹吸公路顶管渠道顶管 铁路顶管附属工程 个高位水池蓄水池阀门井镇墩现地管理房 座输水干线 西平县水厂支线 上蔡县水厂支线 汝南县水厂支线 合计 地质条件按河南省地层分区，工程区属华北地层区华北平原分区的豫东小区。线路所经区域，除上蔡水厂支线末端有上更新统冲湖积地层出露外，其余线路地表均为第四系全新统地层。工程地质测绘及钻探成果表明，场区勘探深度范围内揭露地层主要为第四系全新统上段冲湖积层、全新统下段冲湖积层和上更新统冲湖积层。地层岩性主要为重粉质壤土。依据其岩性、时代及物理力学特性，划分为 个岩土体单元，自上而下分述如下。（）人工堆积层。层人工填土：褐黄色、灰褐色，可塑状，见针状孔隙及锈黄色条带。该层主要为现状河道堤防填土。在城区及密集居民区、穿越道路附近，表层有厚度 杂填土。（）第四系全新统上段。冲积和冲湖积成因。冲积地层主要在线路穿越沿线河道分布，岩性主要为淤泥；冲湖积地层岩性主要为中粉质壤土、重粉质壤土和粉质黏土。层粉质黏土：浅红褐色、黄褐色，软可塑状，可见针状孔隙和锈黄色条带，含钙质结核，粒径一般 ，黏粒含量不均，局部夹杂轻粉质壤土和灰色淤泥质软土薄层。层重粉质砂壤土：黄色、灰黄色，松散，可见针状孔隙和锈黄色、黑色斑点。黏粒含量不均，夹杂粉细砂、中、重粉质壤土薄层。层中粉质壤土：黄色，可塑状，年第 期能源与环保第 卷可见针状孔隙和少量锈黄色斑点。黏粒含量不均，夹杂少量砂壤土。层重粉质壤土：黄色、褐黄色，多呈可塑硬塑状，可见针状孔隙及锈黄色斑点、条带，黏粒含量不均，局部相变为中、轻粉质壤土、粉质黏土。层粉质黏土：浅褐红色，软可塑状，土质均一，局部夹杂轻粉质壤土、重粉质壤土薄层，见黑色铁锰质斑点及灰绿色泥质条带。层中粉质壤土：黄色、灰黄色，松散，可见针状孔隙和锈黄色、黑色斑点。土质不均，夹杂轻壤土薄层，该层主要分布于桩号 的地表。重粉质壤土：灰黄色，松散，可见针状孔隙和黑色铁锰质斑点。土质不均，夹杂中粉质壤土薄层。（）第四系全新统下段。层重粉质壤土：灰黑色褐灰色，多呈可塑硬塑状，可见褐红色、棕红色条纹；土质不均，局部地段黏粒含量较高，为粉质黏土，偶见铁锰质小结核。勘探范围内，该层分布广泛。层重粉质壤土：灰黄色、黄灰色、黄褐色杂灰白色等，软塑可塑状，可见黑色铁锰质条纹及少量针状孔隙，局部见白色贝壳碎片。该层土质不均一，层顶多为黄褐色杂灰白色，并夹有黄褐色条带，层底多含有钙质结核，粒径一般 。表 管线各土体设计参数建议值 层号名称含水量干密度（）孔隙比塑性指数直剪试验黏聚力 内摩擦角（）压缩系数 压缩模量 轻粉质壤土 粉质黏土 重粉质砂壤土 中粉质壤土 重粉质壤土 粉质黏土 中粉质壤土 重粉质壤土 重粉质壤土 环境岩土问题 环境岩土问题根据国家质量监督检验总局和国家标准化管理委员会发布的 中国地震动峰值加速度区划图（）：驻马店市南水北调中线工程所经区域西平县人和乡、盆尧镇（相应主管线桩号 、西平水厂支线全线）类场地地震动峰值加速度为 ，相当于地震基本烈度度；主管线桩号 末端、上蔡水厂支线、汝南水厂支线类场地地震动峰值加速度为 ，相当于地震基本烈度度。主管线全线及 条支线地震动反应谱特征周期均为 。边坡稳定性该管线工程属地下埋管工程，依据设计资料，管底埋深一般为 。根据本阶段勘察成果，管道沿线共 个工程地质段，开挖边坡岩性主要为重粉质壤土。开挖边坡主要为第四系中、重粉质壤土组成，加以地下水多埋深在 ，存在基槽开挖后形成临时边坡稳定性问题。临河段土质以重粉质壤土为主，呈饱和或接近饱和状态，边坡稳定性较差。建议地下水位以下临时开挖边坡坡比 ，水位以上的土质边坡稳定性较好，建议开挖边坡坡比 。施工排水管线施工开挖，在地下水位高于管线底板的地段含水层被切割，地下水向基坑排泄，存在施工排水问题 。排水量与地下水位的高低、含水层岩性、厚度、分布、富水性、渗透性及补排源有关，一般黏性土的透水性较弱，易于降排水，少黏性土、砂性土含水层排水量较大。管线施工基槽开挖深度一般 ，地下水位埋深较浅，多在 ，一般均高于管底线，存在施工排水问题。建议施工前复测地下水位，并采取相应的排水措施。管线穿越多条常年性河流，流量受降水等因素影响，变化较大。在降水相对集中的 月份遇到暴雨，洪水凶猛甚至泛滥，因此施工应避开汛期，并对河水做好疏导工作。水土流失水土流失预测范围为工程扰动地表范围，共计 。根据水土流失防治分区情况，将本工程水土流失预测范围划分为 个预测单元：管道工程防治区、附属工程防治区、临时施工道路防治区、临时堆土防治区和施工生产生活防治区。年第 期马常泉，等：南水北调中线（驻马店段）环境岩土工程问题研究第 卷根据工程实际情况和类似工程经验，水土流失预测采用实地调查、数学模型与类比法相结合的方法，分时段（施工期和自然恢复期）、分区域进行预测 。水土流失量计算公式如下：（）式中，为土壤流失量；为新增土壤流失量；为某时段某单元的预测面积；为某时段某单元的土壤侵蚀模数；为某时段某单元的新增土壤侵蚀模数；为某时段某单元的预测时段；为预测单元，、；为预测时段，、，指施工期（含施工准备期）和自然恢复期。根据水土流失量预测方法，结合预测单元、预测时段划分结果及相关预测参数取值。经计算，工程建设可能造成的水土流失总量为 万 ，新增水土流失量 万 ，具体结果见表 。本工程建设过程中，由于对原地貌的扰动将破坏原地貌、损坏土地植被，对周围的生态环境造成不同程度的破坏。尤其是施工准备期和施工期，若不采取相应的措施进行防护，将会对项目区的水土资源造成破坏，产生一定的水土流失危害，主要表现在以下几个方面。（）对土壤肥力及地表植物的影响。项目建设过程中，严重扰动地表，致使大量地表土体被剥离，植被被破坏，导致土壤抗蚀能力下降，土壤涵养水分能力减弱，耕作层肥力下降，植物赖以生长的土壤条件恶化，对地表植物及农作物生长极为不利。（）加重项目区水土流失影响。项目区建设期间，由于施工行为对原地貌的开挖和扰动，破坏了原地表土壤和植被，增加了土地裸露面积，减弱了土体的抗蚀能力，使区域内的水土流失量增大，加重了项目区水土流失影响，水土保持设置的植物防护措施发挥效益也需要一定的时间。（）对周围生态环境的影响。该工程建设实施，占用大量的农田，破坏地表植被，打破了原有的生态平衡，同时表土剥离及堆放、回填土临时堆放等工程行为严重加剧了土壤侵蚀强度。如不采取防尘措施，遭遇大风和降雨，极易发生水土流失，将直接影响到项目区域及周围居民的正常的生产工作和生活环境，给附近居民身体健康及生活环境带来不利影响。表 水土流失总量预测 预测单元水土流失总量 施工期自然恢复期小计新增水土流失量 施工期自然恢复期小计管道工程区 附属工程区 临时施工道路区 临时堆土区 施工生产生活区 合计 泥沙分析驻马店市南水北调中线工程管线沿途穿越断面以上流域面积大于 的河流有唐江河、淤泥河、小洪河、韩坡干沟、荆河、天水湖（柳港）处交叉断面。为确定穿越河流的管道埋深，需分析工程建成后河床的最大冲刷深度和淤积情况。根据工程需要，泥沙分析的主要内容包括悬移质和推移质年输沙量、汛期月最大平均含沙量。交叉河流的泥沙主要来源于流域上游的土壤侵蚀。河川径流所挟带泥沙数量是反映流域水土流失程度的重要指标，对各种水利工程的管理运用、工程寿命等均有较大影响。本治理区域位于平原区，流域内雨强小、坡度缓、流速较慢、水流挟沙能力差，加上土壤的黏结力较强，大部分为人工植被，所以河流含沙量较小。本工程 处交叉断面附近无实测泥沙资料，根据其流域特性，通过与有实测资料河流的流域特性对比，采用条件类似流域的输沙模数估算。本工程选取洪河上的班台站，系列长度 年，该测站泥沙特征值成果为：年均含沙量 ，年均输沙模数 。年均推移质输沙量采用推移质与悬移质输沙量的经验比值关系估算，根据本段交叉河道均为平原河道的特点，本次不考虑推移质输沙量。由于小洪河交叉断面上游有白龟山、田岗、谭山 座大、中型水库，考虑水库拦截，将水库控制流域面积扣除。驻马店段交叉河流泥沙分析成果见表 。年第 期能源与环保第 卷表 交叉河流泥沙分析成果 穿越河流面积 交叉断面水库控制计算区悬移质输沙模数（）年输沙量万 唐江河 淤泥河 小洪河 韩坡干沟 荆河 天水湖 结论采用搜集资料、地质调查、地质测绘、勘探和试验等手段，基本查明输水线路沿线的地形地貌、地层岩性、地质构造，分析评价岩土工程特性和可能造成的不利影响；查明沿线可能存在的环境岩土工程问题，得出以下结论。（）场区勘探深度范围内揭露地层主要为第四系全新统上段冲湖积层、全新统下段冲湖积层和上更新统冲湖积层。地层岩性主要为重粉质壤土和粉质黏土。根据勘察成果，场区地质结构属黏性土均一结构，根据岩性组合及工程特性，将管线分为 个工程地质段。（）场区存在的主要工程地质问题有：地震作用、边坡稳定性、施工降水、水土流失与泥沙问题。均可以通过有效工程措施加以解决。参考文献（）：许继军 新时期南水北调工程战略功能定位与发展思路研究 中国水利，（）：，（）：李庆中 南水北调工程保障国家水安全的作用探析 水利发展研究，（）：，（）：孙运锋 强化源头保护扎实推进南水北调后续工程高质量发展 水利发展研究，（）：，（）：葛锦浩 南水北调中线工程河南段社会经济效益研究 价值工程，（）：，（）：葛爽 南水北调中线工程河南段社会经济效益分析 河南水利与南水北调，（）：，（）：中国地震标准化技术委员会 中国地震动峰值加速度区划图：北京：中国标准出版社，工程地质手册 编委会 工程地质手册 北京：中国建筑工业出版社，关炜 南水北调工程关键技术研究进展 人民长江，（）：，（）：，罗林 调查分析法在开发建设项目水土流失预测中的应用 中国水土保持，（）：，（）：魏思怡，蔡玉如，王爱爱，等 南水北调保沧段工程的水土流失问题研究 新型工业化，（）：，（）：，檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶檶 （上接第 页）田立安，谢芳 浅谈 技术在露天矿山中的应用 数字化用户，（）：，（）：，建林青，张赞萍，李华坤 地球物理测井技术在豫西铝土矿勘查中的应用 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