南水北调中线一期工程总干渠河南段（沙河南—漳河南）工程地质勘察

（河南省水利勘测有限公司　河南郑州）

摘　要：南水北调中线一期工程总干渠河南段（沙河南—漳河南）全长约472.32km，属特大型引调水工程，大部分采用明渠自流输水，起点设计流量320m3/s，加大流量380m3/s，沿线共布置各类主要建筑物689座，初步设计概算投资合计约4310246万元。河南省水利勘测有限公司采用综合先进的勘察手段，科学地评价了渠道、渠系建筑物等工程地质条件并提出相应工程地质建议。为工程选线、建筑物布置、地基与基础方案、地质缺陷工程处理措施等提供地质支撑。勘察过程中总结形成了一套针对引水渠道的勘察、设计、地基处理、碱活性判别、施工地质工作方法，对水利水电工程勘测有着积极的借鉴作用，取得了巨大的经济效益和社会效益。

关键词：引调水；关键线路比选；膨胀岩土；采空区；地裂缝；碱活性

1　项目概况

南水北调中线工程是从水量丰沛的长江流域向缺水的华北平原输水，输水干线全长1431.945km（其中总干渠1276.414km，天津输水干线155.531km），规划分两期实施，其中一期工程设计年输水量95亿m3。

南水北调中线一期工程总干渠河南段（沙河南—漳河南，不含穿黄工程）南起平顶山市鲁山县沙河南，北至省界漳河南，先后流经平顶山市等7市22县区，依次跨越淮河、黄河、海河三大流域，全长约472.32km。大部分采用明渠型式，自流输水，起点设计流量320m3/s，加大流量380m3/s，属特大型引调水工程。沿线共布置各类主要建筑物689座，初步设计概算投资合计约4310246万元。工程于2006年起陆续开工建设，2014年9月由国务院南水北调办公室组织完成通水验收。工程建设单位为南水北调中线干线工程建设管理局，涉及全国数十家施工单位。

2　工程特点及关键技术

2.1　工程特点

南水北调中线工程是世界引调水史上最具挑战性的工程。河南段位于输水渠道上游，在总投资、线路长度、地质条件复杂程度和渠道建筑物规模上位列总干渠沿线各省首位。本工程主要具备以下特点：

（1）南水北调中线工程是继三峡工程之后中国最大的水利工程，其规模宏大、线路长、投资多、环境条件复杂，是世界上最大的引调水工程之一。南水北调中线工程实现了跨流域大规模长距离大流量调水，多目标供水，线路长，通过地区多，设计单元工程、单位工程数量庞大，且建筑物类型多，技术要求高，面临着诸多技术难题。在工程的勘察过程中必然面临着工程技术、自然环境等诸多方面的不确定因素。从初步设计方案优化，到施工管理规范要求的制定，在技术方案上面临着技术和社会两个方面的决策因素，既要考虑技术上的必要性，又必须考虑在实施当中的可行性。工程实施阶段，很多专业尚无相应的技术规范和标准，需要深入研究和制定，并应用到工程当中。

（2）河南段涵盖中线工程所有渠道、渠系建筑物类型，其中沙河渡槽为世界之最。本段处于中线上游，设计流量大，相应断面大，因此渠道布置有深挖方、高填方、半挖半填、傍山渠道等多种形式。其中深挖方代表地段位于焦作2段，局部最大挖深40m，地表开口宽度超过300m；以焦作城区段为代表的城区高填方地段，最大填方高度13m，是工程质量安全控制的重点部位；傍山渠道以鲁山坡落地槽、焦作九里山渠段、辉县段最为典型，其中鲁山坡落地槽处于剥蚀残丘坡脚，左岸7级边坡高约40余m，存在突出的边坡稳定问题。

沿线建筑物分为河渠交叉、渠渠交叉、左岸排水、跨渠公路、铁路桥及其他控制性建筑物，有倒虹吸、暗渠、渡槽、隧洞、节制闸、桥梁等多种形式。

沙河渡槽为三向预应力U形薄壁渡槽，总长9050m，综合规模世界第一；焦作2段山门河暗渠（洞挖暗渠）属第四系土层中的浅埋大断面隧洞，施工沉降控制要求高。北汝河倒虹吸、双洎河渡槽、沁河倒虹吸、石门河倒虹吸、淇河倒虹吸等均穿越大型骨干河道，或建于膨胀岩土上，或置于多层承压水中，或基坑强透水层分布，都具有很高的技术难度。

（3）地形地貌复杂、地质单元多样，包含了中线工程所有工程地质问题。河南段沿线穿越的地貌单元有山前倾斜平原、河流冲积平原、浅丘岗地、剥蚀残山和砂丘砂地等，相应岩土类型、水文地质条件和工程地质问题复杂多样。主要存在膨胀土（岩）、湿陷性黄土、饱和液化砂土、软弱土、采空区、地裂缝、新近系新岩溶、高边坡、高地下水、风沙、泥（水）石流、活动断裂等复杂问题，是工程地质理论与实践的大集合，因而对勘测工作有很高的要求。

2.2　关键技术

河南段的勘察研究工作起始于20世纪90年代，延续至今将近30年，凝聚了几代勘测人的努力和智力成果。其创新性、先进性主要体现在多种方法解决复杂地质问题，对重大线路比选的综合工程地质分析方法，对膨胀岩土、煤矿采空区的研究，对沿线水文地质条件的研究和预测，对混凝土骨料碱活性的研究等各个方面。

2.2.1　综合性勘探手段，多种方法解决复杂地质问题

（1）因地制宜、因事制宜，在掌握场区基本地质条件的基础上，采用最符合现场情况的多种勘察手段、多种试验测试手段对特殊类土及其组合、煤矿采空区、膨胀岩土、地下水、骨料碱活性等复杂问题进行勘察研究，应用了较多先进的勘察技术和试验手段，取得了客观真实的地质资料。

在膨胀岩土勘察过程中，开展了针对性的地质调查、钻探、大口径探槽及竖井开挖、开挖面的节理裂隙统计、室内试验、原位试验和综合物探及井下电视等工作。其中室内试验项目除常规物理力学性试验外，还加强了岩矿鉴定、化学分析、自由膨胀率、各级压力下的膨胀率、膨胀力、线缩率等试验。剪切试验包括各种控制加载速率和剪切速度的快剪试验、残余剪、中型剪、原位剪切试验。

在焦作和禹州采空区勘察研究过程中，勘察手段包括采矿资料的收集分析研判、地表变形调查、深孔钻探验证、“瞬变电磁+CSAMT电磁测深+地震波+高密度电法+地质CT综合物探”、基于无线数据采集和传输的三维变形监测、数值模拟等。

（2）采用新型张拉式现场直剪试验方法，分别针对非膨胀土（岩）和膨胀土（岩）开展现场剪切试验，复核和优化了渠道岩土体的抗剪强度参数。

新型张拉式现场直剪试验方法适用范围广，从大颗粒的堆石材料到极细的黏土材料均适用，具有试验原理简单、操作方便快捷的特点，并可测定低应力条件下的岩土体抗剪强度。该方法采用柔性绳索拉动剪切盒代替刚性顶推剪切盒，使剪切盒的上下细小运动不受限制，从而避免了剪切框内壁摩擦力的影响，剪切面上正应力可以更精确地计算出来，所测得的抗剪强度参数更为准确。勘察期间分别在汤阴段、新乡膨胀土试验段、焦作段、新郑段和宝郏段开展了新型张拉式现场直剪试验。

（3）沙河渡槽的勘察中采用金刚石钻头镶嵌钢丝组合钻进取样、超长连续超重型动力触探、超大口径管钻原装样取芯术、高密度电法+大口径管钻+超长连续超重型动力触探综合判断人工扰动卵石空间分布等新技术。

2.2.2　系统的工程地质线路比选

在前期方案论证阶段，禹州煤矿采空区段、潮河线和焦作煤矿采空区段均经过慎重的线路比选。勘察中从工程地质角度提出线路比选意见，以工程地质条件比选为基础，重点结合工程布置所面临工程地质问题对工程设计的影响和地质条件对施工的影响两大要素，通过半定量的工程地质评价，得出地质专业的线路比选意见。实践证明，这种考虑问题的方法是科学严谨的，所得结论为上述线路最终比选提供了重要的技术支撑。禹州煤矿采空区段、潮河线和焦作煤矿采空区段方案研究历时长，参与讨论的单位和专家学者多，影响较大，成果丰硕。

（1）焦作矿区线路比选。焦作采空区段先后进行了5条线路的研究论证，最终采空区线和绕采空区线进入最后的比选。采空区线先后经过韩王煤矿、演马煤矿、九里山煤矿和白庄煤矿老采空区，采空塌陷区长度13.2km，沿线地表可见房屋开裂、地表塌陷、地裂缝等典型破坏现象，地表仍存在着不同程度的垂直沉降和水平位移变形，存在较大的安全和技术风险；我单位系统研究了煤矿采空区的分布、影响范围和九里山断裂的性质提出了绕采空区线，该线路基本沿稳定的九里山断裂展布，从一个狭长的未开采区或无煤区通过，消除了渠线通过采空区的隐患，确保了工程输水安全，开创了大型线状工程为绕避采空区而沿断裂带布线的先河。

（2）潮河段线路比选。潮河段切岗隧洞方案全长21.838km，最大埋深约60m，拟采用盾构法施工，主要存在进出口洞脸及检修竖井稳定问题、高地下水问题、浅埋洞段问题、黏土岩膨胀与崩解问题以及由于洞室直接穿越阻塞区内主要含水层所引发的环境地质问题；潮河绕岗明渠方案全长47.83km，经过低岗、砂丘砂地、平原三个地貌单元，主要存在饱和砂土地震液化问题、黄土状土湿陷问题、高地下水问题和风沙问题。针对上述两条线路比选，在基础地质条件比选的基础上重点考察了地质条件对施工的影响。分析表明，绕岗线和隧洞线均存在各种工程地质问题，但通过适当的工程措施均可加以处理。绕岗线为明渠方案，工程地质条件简单，易于处理且处理措施明确，效果可靠，工作面大，有利于提前工期；隧洞方案地层岩性差别很大、相变很快，胶结与成岩程度很不均一，加之高承压水压力，将可能引发盾构机选型不适应或施工受阻等问题，存在技术不确定性和工期不确定性，经综合比较，将绕岗线列为推荐方案，最终为上级所接受，工程概算投资节约13.6亿元，现在潮河绕岗线工程已顺利建成并发挥了效益。

（3）禹州采空区绕山线、隧洞线线路比选。禹州采空区隧洞线为上黏性土、下软弱泥岩结构夹硬质岩，围岩以Ⅴ类极不稳定围岩为主（长度3.82km），局部为Ⅳ类不稳定围岩（长度约250m）；绕山线以黄土状土均一结构为主，次为上黏性土、下软弱膨胀岩（长度2.92km）。两条线路存在的工程地质问题类似，均存在黄土状土的湿陷、膨胀岩（土）、施工排水、压煤和煤矿采空区问题，相对程度不同，其中黄土状土的湿陷、膨胀岩（土）、施工排水等一般性工程地质问题经采取工程处理措施，均能满足工程运行的要求。

两条线路的煤矿采空区问题均较突出，是决定选线的关键性工程地质问题。绕线采空区分布长度3.11km，采空区层数多为一层（可采煤层厚约1m），多为20世纪90年代以后小煤矿开采形成，2002年以后多数已停采，采空区埋深多为100～269m。绕山线采空区地表有移动盆地，断裂带、冒落带漏浆轻微或不漏浆，是连续变形的地段，地表变形已收敛［处于移动衰退期（TS）过后的残余变形期（ΔT）间，变形相对稳定］。采空区上方没有形成移动盆地的地段，采空区及巷道和上部垮落带内留有一定程度空腔（空洞），存在潜在危害；隧洞线沿线采空区长度2.05km，多集中在三峰山一带，采空区层数3～4层（下煤组厚2～3m），开采历史长，有大、小煤矿形成的采空区，又有小煤窑、古窑形成的采空区，开采水平、采空程度、回采率大小各异。新峰四矿近年来仍在开采煤层造成新的采空区。采空区上方的隧洞围岩较破碎，钻探时出现大量异常反应，漏浆严重，出现孔壁坍塌、缩径、掉钻、卡钻、埋钻的现象很多，造孔困难，说明残留的空洞、裂隙较大，剩余变形量较大。隧洞线地表变形受地形、地质、采矿等复杂因素影响，变形具隐蔽性。近年来地表出现有非连续性变形——裂缝和塌陷坑10余处，不经治理的情况下预测以后仍会发生，覆岩变形不稳定。两条线路都存在采空区问题的地质缺陷。

经工程地质比选，隧洞方案的地质复杂程度和地质病害程度明显甚于绕山的明渠方案，因此，从工程地质方面宜推荐绕山明渠方案。经专家会商，工程实施中线路采用绕山明渠方案，对采空区进行了注浆处理，目前地表及深部变形监测无异常。

2.2.3　膨胀岩土现场快速鉴别、膨胀性等级判定研究

南水北调河南段沿线新近系膨胀岩的岩性主要为黏土岩和泥灰岩。关于膨胀岩土的膨胀潜势分级，大量试验资料对比表明，膨胀率与蒙托石矿物含量及黏粒含量具有很好的对应性，因此采用了自由膨胀率主、结合其他宏观特征的判断方法。由于膨胀岩土的不均一性，同一层位的自由膨胀率数据也离散性较大，如何界定其膨胀潜势等级是实际操作中的具体问题，沿线各勘察单位有的采用了平均值，有的从严判别，尺度标准不统一。本着科学的态度，参与制定了“三分法”的标准，即在同一工程地质段，将室内试验获得的自由膨胀率数据从大到小排列，取33％数据对应的自由膨胀率作为该段的膨胀土等级作为划分标准并制定相应处理措施，在实践中具有很强的可操作性、可推广性。

膨胀岩土的快速现场鉴别是建立在大数据对比基础上的一项实用地质技术，实践中对河南段膨胀岩土建立了颜色、岩土体结构及包含物、失水干裂情况、颗粒组成、岩块浸水崩解速度、开挖面裂隙特征与海量自由膨胀率数据的对应关系，以便能在现场快速地判断出岩土的膨胀等级，对于区域内新建工程、施工地质工作具有很强的指导意义。

2.2.4　大型引水工程经采空区工程地质评价

在禹州和焦作煤矿采空区勘察和稳定性研究中，认真吸收煤炭、公路部门等经验，经过多期次的勘察，多次组织国内该领域专家学者进行交流，形成一套完整的勘察评价体系，填补了水利工程采空区勘察的空白，勘察过程中也应用了在当时尖端先进的物探技术，取得了良好的效果：

（1）工程地质测绘、采空区大型野外调查及收集资料。主要内容包括地质测绘、采空区调查走访、煤矿开采资料收集。详细了解开采方式、停采时间、采掘工作面分布图、顶板管理方法及地表变形特征等基础资料。

（2）综合性物探。多种方法的综合性物探，物探工作主要应用了可控源音频大地电磁法（CSAMT）、瞬变电磁（TEM）、地震反射法、综合测井及波速测试。

（3）采空区钻探。深孔探查取样、室内土工和岩石试验工作。重点查明采空区覆岩不同深度范围内的岩体特征、变形破坏模式、剩余空腔发育情况，结合物探、调查资料来圈定采空区分布范围、赋存条件、覆岩力学特性，进行冒落带、断裂带、弯曲带三带划分。

（4）高精度长序列变形监测。为了准确评价总干渠沿线下伏采空区的稳定性并分析预测其未来发展趋势，进行了采空区渠道场地三维变形监测方案，布设高精度变形观测网（包括地表水准观测、水平形变观测、岩体内部变形监测），使用了多点位移计、测斜仪、高精度水准仪、GPS等先进设备，分年度编制年度监测报告。

（5）采空区稳定性分析研究。在勘察过程中形成的宏观分析和定性评价基础上，结合监测成果，从采空区地质条件，开采历史、现状，以及塌陷区的形成和发展演化规律等方面，对煤矿采空区的稳定状况及变化趋势进行分析和评价。在前述工作的基础上，分析边界特征、物质组成、岩土介质构成及结构特征，建立地质模型；分析已建类似渠道工程的工程地质参数选取方法，提出本次数值计算参数；根据地质条件、已有监测成果、岩土物理力学参数等，运用有限差分法（FLAC3D）和二维显示差分分析程序（UDEC）等计算程序，最终分析采空区的变形演化机理、稳定性特征和各种工况条件下的长期稳定性。并最终在上述各项工作的基础上，按沉降变形的定性和定量指标对渠道经过的采空区进行分区，对采空区的沉降变形对渠道工程的影响进行综合研究与评价，并提出工程施工及运行期间的工作建议与措施。

研究提出了煤矿采空区钻孔中的“三带”鉴定方法，优化了采空区注浆处理范围。根据大量的勘探孔、先导孔和注浆孔的实践，结合数值模拟研究、三带划分的定义，提出了钻孔中的“三带”鉴定方法。评价因子包括岩芯特征、地层结构、构造、取芯率、钻进循环液的变化、漏浆程度、卡钻、掉钻、吸风、瓦斯气体等，见表1。

（6）禹州采空区在采空区处理中进行了注浆材料、注浆方案数值模拟和计算，并对注浆方案进行了优化研究，提出了质量验收的检验检测标准，提高了施工效率并节约了工程投资。

2.2.5　长线路复杂边界条件下地下水的预测

南水北调工程河南段跨越不同的地貌单元，沿线水文地质情况复杂，地下水赋存和变化具有复杂性和多样性。工作过程中首先对总干渠沿线的不同水文地质单元进行分类，然后基于总干渠沿线的钻孔水位资料、长观井水位资料和水文局数十年的长观井系列水位资料对不同水文地质单元的水位曲线进行拟合求解，以对不同的水文地质单元建立对应的水文地质模型。通过预测在不同的降水量情况下的地下水位可以对总干渠沿线的地下水位进行实时的预测，并研究在不同地下水位情况下、不同的地质环境条件下，地下水位在长期时间效应下、短时效应下对设计施工的不良影响。勘察过程中利用长系列的地下水观测资料和勘察取得的水文地质资料，遵循水文地质条件相似、地下水类型相同、动态变化特征基本一致的原则，在各个水文地质小单元中进行整理、分析、耦合、类比，预测给出了平均地下水位、最高水位、最低水位，揭示了地下水与渠道、建筑物的关系，为工程设计提供了重要的技术支撑。

2.2.6　焦作白庄地裂缝稳定性评价研究

焦作白庄地裂缝是中线工程遇到的唯一一处地裂缝地质灾害。焦作2段线路避开了煤矿采空塌陷区，在马村区段、北孟村南段渠线沿矿区间九里山断裂带通过，处于两侧均毗邻煤矿采空移动盆地的卡口地带。

项目研究过程中，详细研究了地质构造背景、地形、地貌、地层岩性、地质结构、地下水、人为活动等地质条件。在场区选择不同位置，垂直地裂缝走向，开挖超大型地质断面，用解剖法观察和测量裂缝空间分布情况、形态特征、三维的变形量、充填物等情况，进行原型地质断面剖析；地裂缝场区两侧均毗邻煤矿采空移动盆地，煤矿采空会引起局部应力释放，对地裂缝场区进行了局部应力场解析和环境地质影响因素分析；最后采用断裂机理对地裂缝的成因进行了论证，得出前第四纪断裂在第四纪以来某个地质时期局部有过活动的结论。关于地裂缝的变形稳定性研究，采用地表布置高精度变形监测网、深孔埋设多点位移计+测斜仪的综合方法进行变形监测，定量测定变形数据，建立三维变形数据图模。研究表明，白庄地裂缝不属于采空区沉陷裂缝，其发育受九里山断裂控制，是其他环境地质作用诱发和激化作用的综合体现，目前已趋于稳定。

2.2.7　特大型渡槽——沙河渡槽

在世界上最大的渡槽——沙河渡槽的勘察中，创新运用了金刚石钻头镶嵌钢丝组合钻进取样技术、超长连续超重型动力触探技术、超大口径管钻原装样取芯技术、高密度电法+大口径管钻+超长连续超重型动力触探综合判断人工扰动卵石空间分布技术。

（1）创新性采用金刚石钻头镶嵌钢丝组合钻进取样技术，解决了砂、泥卵石地层中常规钻探进、取样存在的技术难题，有效解决了砂、泥卵石地层岩芯采取率低、岩芯代表性差问题，可以更好地查明砂、泥卵石的空间分布特征、卵石的颗粒级配、组分，为选取可靠的地质参数（如渗透系数）提供了实物见证，从而更加有效地保证了勘察精度。

（2）勘察中选取一定数量的钻孔，进行“超长连续超重型动力触探”原位测试，采用超重型动力触探可以保持动力触探具有穿透高强度地层的能力，有效进行超长、连续的原位测试。通过“超长连续超重型动力触探”原位测试可绘制出连续动探击数曲线，可以按曲线状态分层统计修正击数标准值，然后按规范选取更加可靠的承载力、压缩模量等地质参数。

（3）超大口径管钻原装样取芯技术，沙河河床、左岸阶段地层多为人工扰动卵石、砂卵石、泥卵石、砂、砾砂及新近系的泥质砂砾岩、砾质泥岩等，如果采用常规的钻探工艺，岩芯采取率低下，岩芯的相似度高，不便于分层。勘察中选取有代表性的部位，进行超大口径管钻原装样取芯钻探施工，并分段做了原装样岩芯现场筛分试验，根据筛分试验成果对地层进行分层，提高了分层精度，进而为选取准确、可靠的地质参数提供了依据。

（4）人工扰动卵石综合判断，沙河河床内存在大量人工抽砂现象，堆积杂乱，人工扰动卵石厚度分布不均且无规律性，抽砂后卵石的堆积密度明显降低、级配大幅度劣化，并有架空现象，透水性大大增强。勘察中采用了高密度电法、大口径管钻、超长连续超重型动力触探相互结合、相互验证的手段，查明了人工扰动卵石的厚度、分布特征，揭示了采用墩基面临的困难和技术风险。

2.2.8　天然建材的勘察研究

（1）混凝土骨料碱活性的快速判别。渠道及沿线建筑物混凝土需求量巨大，对混凝土骨料要求高。勘察过程中对沿线众多的骨料料场做了详细研究，2004—2016年，对沿线的81个料场、424组样品的碱活性进行了千余次试验，在长期的工作中，总结了对混凝土骨料“三级三步”的判别模型：该判别模型对骨料的碱活性判别从不同的尺度上，工作的不同深度上分成了三个层级。第一层级是骨料碱活性综合评价系统。综合评价系统是建立在对骨料碱活性长期研究工作的基础上，通过大量研究试验，从工程地质学、岩石地层学的角度，以统计学的数据作为骨料碱活性的判别标准。该系统是我们大量基础工作的高度凝结。第二层级是骨料碱活性查询系统。查询系统是以大数据处理技术，建立全省的碱活性试验数据库，此数据库是一个开放的、共享的平台，经过授权的工程人员可自行对数据库进行完善、整理。项目研究用Python编写了碱活性查询软件。通过大数据处理技术可削弱数理统计过程中产生的误差，为工程人员对骨料碱活性的快速比对分析提供支持。第三层级是试验标准判别流程。标准试验流程分为三步：第一步是对骨料的碱活性试验先采用岩相法，若岩相法判定骨料无碱活性，可直接作为最终的判断。若岩相法判定骨料具有潜在碱活性，则进行第二步试验，根据对骨料岩相法的判定结果选择不同的试验方法，若骨料具潜在的碱硅活性，则需采用快速砂浆棒法或压蒸法；若骨料具有潜在的碱碳酸盐活性，则需采用岩石柱法或者碱碳酸盐骨料快速初选法（AAR-5）；若骨料同时具有碱硅活性和碱碳酸盐活性，需采用两种不同的方法对骨料的碱活性类型进行试验判定。快速砂浆棒法、压蒸法、碱碳酸盐骨料快速初选法、岩石柱法都属于快速判别方法，当快速判别方法无法对骨料的碱活性做出明确判别时，进行标准试验的第三步，采用混凝土棱柱法对骨料的碱活性进行判别，所需时间最长，最接近真实的工况。

（2）土料匮乏区的新近系散体状泥砾岩作为填筑替代料的勘察研究。河南段宝丰和郏县渠段大部地处山前丘陵、岗地与平原的过渡地带，地质结构为土、岩双层结构。上覆第四系土层厚1～2m，分布不均匀且部分缺失，且含1～2层黑色黏土，底部与新近系接触带含大量钙质结核，黏粒含量高，压实性能差，开采性价比低，集中可靠、成规模的均质土料场距离渠线甚至超过了30km。因此开展替代填筑料的勘察研究有着很大的紧迫性和必要性。

总干渠宝丰和郏县段一部分开挖料为新近系黏土岩和散体状泥砾岩。黏土岩黏粒含量高，具有膨胀性，不能用于填筑；散体状泥砾岩室内定名含泥砾石或砾砂，细粒含量21.5％～39.6％，平均28.8％，砾石单独形成骨架，细粒仅充填物作用。细粒主要为灰黄色—灰绿色黏土，自由膨胀率36％～51％，具弱膨胀潜势。取该层样品进行了十余组重型击实试验以了解其压实性，结果表明，其最大干密度达到1.97～2.08t/m3，渗透系数3.26×10-7～7.36×10-6cm/s，三轴试验有效内摩擦角26.2°～33.4°，重塑土压实性良好，渗透性微弱，是良好的填筑材料，碾压试验形成的试验土堤经历一年多仍能保持其形状，表层仅有细小裂纹，说明细粒土虽然是有弱膨胀性的黏土，但其含量少，仅为粗颗粒间充填物，其膨胀力不足以破坏由砾石形成的骨架。考虑该层砾岩的不均一性，建议外层再包裹一层均质无膨胀性的均质土，形成类似面板与堆石的“金包银”的效果。

根据这一研究成果，提出了利用渠道开挖的砾岩作内芯+外部包裹黏性土的“金包银”组合作为筑堤料，获得了业主及专家的支持，在宝丰和郏县段实际施工中获得了成功应用，工程实体使用后进行检测，渠堤的各项指标均满足设计要求。该研究提高了开挖料的利用率，减少了因开辟新的土料场而占用更多的良田，并节约了投资，取得了良好的社会经济效益。

3　获得的科技成果、专利、奖项

南水北调中线工程作为世界上最大的引调水工程，地质问题多样，是工程地质理论与实践的大集合。通过几代勘测人不懈的努力，在水利部水利水电规划设计总院、长江水利委员会、中国地质大学（武汉）、华北水利水电大学、三峡大学等有关科研院所的协助下，获得了一批优秀的科研成果。

河南省水利勘测有限公司参与和主持了“南水北调中线一期工程禹州段渠道工程采空区注浆方案优化及现场施工关键技术研究”“南水北调中线一期工程总干渠禹州采空区稳定性研究”2个课题，均通过了上级组织的专家验收。2项科技成果在禹州采空区的设计、施工处理中获得了成功的应用，优化了设计方案，节约了工程投资。

作为课题牵头单位主持国家科技支撑计划科研课题“南水北调煤矿采空区渠道运行安全标准与应急处理关键技术研究”，该项成果已通过初步验收。

先后主持或参与了“十一五”科技支撑课题“膨胀土（岩）地段渠道破坏机理及处理技术研究”、“十二五”科技支撑计划“施工期膨胀土开挖边坡稳定性预报技术”等科技攻关项目，参与制定了“南水北调中线一期工程膨胀土（岩）渠段工程施工地质技术规定（试行）”等标准。上述成果在沿线膨胀岩土段的施工地质、渠道设计、渠基处理等获得了大范围的应用，按照不同情况对膨胀岩分别采取了改性换填、放缓边坡、桩基阻滑等处理措施。

总结提出了对混凝土骨料“三级三步”的判别模型，具有很强的科学性、高效性和经济性，可以为不同阶段混凝土骨料碱活性判别提供强有力的支撑，该成果国内无相同相似研究；大型引水工程穿越地裂缝工程特性的研究、跨越多种水文地质单元的长大线状工程地下水预测研究均为相关领域的前沿，经查询国内无相关研究。

在南水北调中线研发方面，获得发明专利2项，实用新型专利11项，拥有软件著作权22项；南水北调中线工程在2016年国际咨询工程师联合会（FIDIC）年会上荣获2016年度菲迪克工程项目优秀奖。“膨胀土边坡破坏机理与关键技术研究及在大型输水工程中应用”获大禹水利科技进步一等奖。“沙河渡槽段工程地质勘察”获2017年度全国优秀工程勘察一等奖。“混凝土骨料碱活性研究”获河南省水利科技进步一等奖。另外获得省部级科技进步二等奖2项、三等奖1项，省级勘察奖3项。在专业期刊上发表论文151篇，其中中文核心期刊31篇。

4　工程运行情况

在历时多年的工作过程中，对南水北调中线工程河南段重大工程地质问题进行了深入细致的勘察研究，先后克服了膨胀岩土、采空区、线状工程地下水预测等工程界难题，圆满完成了勘测研究任务，为工程设计和施工提供了充分、科学、有力的支撑，勘察研究的主要成果结论及建议经受住了工程实践的检验，为我国在长距离复杂地质条件下建设大型引调水工程增添了十分宝贵和成功的经验，丰富和发展了水利水电工程地质勘察理论与实践。

南水北调河南段工程自2006年安阳段率先开工，经过无数建设者辛勤的付出于2014年全线通水。3年来各主要建筑物均已经受了较高水位、较长时段的运用考验，运行正常。至2016年11月25日累计输水60.9亿m3，直接输水效益65.15亿元，惠及京津冀豫沿线地区4200万人，提高了城市供水保障率，有效补给了受水城市生活水源，遏制了地下水位持续下降的趋势，改善了水源区及受水区域水质、生态，经济效益明显，社会效益显著，生态效益突出。

5　典型工程照片

赵健仓　孙　刚　执笔