吳劍疆 邵劍南

（水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計(jì)總院 北京 100120）

南水北調(diào)中線工程是解決我國(guó)北方地區(qū)嚴(yán)重缺水問題的特大型跨流域調(diào)水工程，主要任務(wù)是為北京、天津及河北和河南兩省主要城市提供生活、工業(yè)用水，緩解城市與農(nóng)業(yè)、生態(tài)用水的矛盾。工程多年平均調(diào)水量95億m3，渠首設(shè)計(jì)流量和加大流量分別為350和420m3／s。工程輸水總干渠全長(zhǎng)約1276km，，其中梯形明渠長(zhǎng)約1105km。由于流量大、線路長(zhǎng)，加上沿線地質(zhì)條件復(fù)雜，總干渠渠道的設(shè)計(jì)備受各方關(guān)注。為做好工程設(shè)計(jì)，確保工程運(yùn)行安全，節(jié)省工程投資，設(shè)計(jì)對(duì)工程方案進(jìn)行了大量比選論證，并對(duì)一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入研究。

1 渠道斷面設(shè)計(jì)

1.1 渠道縱坡設(shè)計(jì)

中線總干渠從陶岔渠首閘至惠南莊泵站一直采用自流輸水，輸水總水頭一定，但沿線交叉建筑物多，輸水流量不斷變化，如何合理分配渠道和建筑物水頭，選取合理的渠道縱比降十分重要。為尋求合理的水頭分配方案，設(shè)計(jì)結(jié)合工程布置、工程占地和工程投資等因素的分析，對(duì)渠道和建筑物的水頭分配進(jìn)行了多方案比較。在方案比較時(shí)，設(shè)計(jì)考慮了以下原則：對(duì)填方和半填半挖渠段一般采用較緩比降；對(duì)石方段和深挖方段一般采用較陡比降；根據(jù)地形起伏情況進(jìn)行分段，比降變化不過于頻繁；比降不緩于1／30000。經(jīng)水頭分配方案的優(yōu)化，總干渠渠道縱坡范圍為：1／16000～1／30000。其中陶岔至沙河南段為1／25000～1／25500，沙河南至黃河南段為1／23000～1／28000，黃河北至漳河南段為1／20000～1／29000，漳河北至古運(yùn)河段為1／16000～1／30000，古運(yùn)河至北拒馬河中支段為1／16000～1／30000。

1.2 渠坡坡比設(shè)計(jì)

中線工程總干渠采用梯形實(shí)用經(jīng)濟(jì)斷面，渠道設(shè)計(jì)水深絕大部分超過6m，其中渠首附近達(dá)8m，渠道地質(zhì)條件較為復(fù)雜，沿線分布有大量膨脹土（巖）和軟粘土，因地形及工程布置原因，渠道沿線還存在大量深挖方和高填方段，其中陶岔至沙河南段最大挖深達(dá)47m，最大填高14m。為選擇合理的渠坡坡比，以確保工程安全并節(jié)省工程投資，設(shè)計(jì)根據(jù)沿線地形地質(zhì)條件，按一定距離將渠道分為若干段，分別擬定邊坡系數(shù)，并對(duì)每段進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析，然后根據(jù)邊坡穩(wěn)定分析成果對(duì)坡比進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化，在滿足渠坡穩(wěn)定要求及方便施工的前提下，盡量采用較小的坡比。經(jīng)邊坡穩(wěn)定分析和優(yōu)化，中線工程總干渠一級(jí)馬道以下渠道內(nèi)坡坡比采用以下值：對(duì)一般渠道，坡比采用2.0～2.75，對(duì)深挖方膨脹土和軟粘土段等特殊渠段，坡比采用3.0～3.5，坡比進(jìn)檔采用0.25；對(duì)石質(zhì)渠道，坡比采用0.4～1.5。

1.3 渠岸超高設(shè)計(jì)

中線工程總干渠為以城市供水為主的特大型輸水渠道，流量大、線路長(zhǎng)，沿途與數(shù)百條大小河流及近千座交通橋梁立體交叉，渠道流量通過沿線大量的分水閘、節(jié)制閘及退水閘進(jìn)行調(diào)節(jié)，使渠岸超高設(shè)計(jì)具有其特殊性，我國(guó)現(xiàn)行的有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范難以適應(yīng)其要求，需對(duì)影響總干渠渠岸超高的各種因素進(jìn)行綜合分析后經(jīng)比較論證確定。根據(jù)中線工程實(shí)際情況，影響中線總干渠渠岸超高的主要因素有渠道糙率的不確定性、調(diào)度運(yùn)行引起的水位波動(dòng)以及北方寒冷地區(qū)冰期輸水引起的水位壅高等。根據(jù)各段實(shí)際情況，并經(jīng)分析論證，各段渠超高采用了不同數(shù)值，超高取值范圍為1.0～1.5m，為抵擋渠外洪水，超高取值另考慮了外洪水的影響。

2 襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 襯砌厚度選擇

混凝土襯砌厚度的確定需考慮襯砌板的抗裂能力、抗沖能力、抗?jié)B能力、耐久性及抗浮穩(wěn)定等因素。為節(jié)約工程投資，在滿足抗裂、抗沖、抗?jié)B、耐久性和抗浮穩(wěn)定等要求的前提下，宜采用較小的厚度。總干渠襯砌板的抗浮穩(wěn)定主要通過渠基排水措施解決，而渠道水流流速不大，襯砌板的抗沖能力也不起控制作用，因此襯砌厚度主要取決于襯砌板的抗裂能力、抗?jié)B能力及工程造價(jià)等因素。襯砌板的抗裂能力與襯砌分縫間距、地基條件、荷載和混凝土本身的抗裂性能有關(guān)，需進(jìn)行抗裂計(jì)算，抗?jié)B能力則與水深和混凝土的允許水力梯度有關(guān)。根據(jù)渠內(nèi)水深、分縫間距及渠基地質(zhì)條件等，設(shè)計(jì)對(duì)襯砌板抗裂能力進(jìn)行了計(jì)算。結(jié)果表明，襯砌板厚度采用8～10cm，可基本滿足襯砌板抗裂要求。根據(jù)抗裂計(jì)算成果，并綜合考慮抗?jié)B及工程造價(jià)等因素，總干渠襯砌厚度采用以下值：土質(zhì)渠道渠坡采用10cm，底板采用8cm，石質(zhì)渠道考慮施工因素采用20～25cm。

2 縫間距和縫寬設(shè)計(jì)

混凝土襯砌往往會(huì)因溫度變化、混凝土干縮及地基不均勻沉陷等產(chǎn)生裂縫，進(jìn)而影響渠道正常運(yùn)行。為消除或減少裂縫，確保渠道正常運(yùn)行，通常在襯砌中設(shè)結(jié)構(gòu)縫。但分縫間距不能太大，也不能太小，太大不能適應(yīng)襯砌變形，容易導(dǎo)致襯砌板開裂，太小則襯砌整體性差，且增加糙率。同樣，預(yù)留縫不能太寬，也不能太窄?？p太寬，嵌縫材料造價(jià)大，縫太小，則可能導(dǎo)致施工困難，且不能滿足伸縮變形要求。中線工程總干渠渠道斷面大、線路長(zhǎng)，沿線將設(shè)置大量的縱、橫向結(jié)構(gòu)縫，不僅給混凝土襯砌施工帶來(lái)一定難度，且將大幅增加工程投資，縫間距和縫寬的設(shè)計(jì)十分重要。經(jīng)分析，總干渠襯砌分縫間距主要與渠基地質(zhì)條件、襯砌板承受荷載、襯砌板厚度等因素有關(guān)，而縫寬則與縫間距、溫度變化、混凝土性能、嵌縫材料性能及施工要求等有關(guān)。參考有關(guān)規(guī)范，綜合考慮渠道沿線氣溫、襯砌板荷載、渠基地質(zhì)條件等因素，并經(jīng)抗裂計(jì)算和方案比較等，總干渠橫縫間距采用4米，縱縫間距按4米進(jìn)行控制，縫寬根據(jù)實(shí)際情況采用1cm，或2cm。

2.2 嵌縫材料選擇

結(jié)構(gòu)縫是混凝土防滲渠道可能的漏水通道之一，水通過結(jié)構(gòu)縫滲入渠基不僅會(huì)造成水量損失，而且可能使渠基土處于飽和狀態(tài)，引起渠體塌陷、破壞，在北方寒冷地區(qū)，還會(huì)發(fā)生因渠基土凍脹引起的凍脹破壞。嵌縫材料的主要作用是盡量杜絕或減少渠水滲入渠床，并減小渠道糙率，確保工程正常運(yùn)行。老的渠道多采用瀝青砂漿、油氈等材料，這類材料造價(jià)較低，但適應(yīng)溫度變形性能差，與混凝土粘結(jié)不好，氣溫高時(shí)，填料被擠出，氣溫低時(shí)，易裂開形成滲水縫。中線工程為特大型供水渠道，對(duì)嵌縫材料的要求較高，除具有一定的防滲性能外，還必須具有較好的耐熱性和抗凍性，以保證其在高溫時(shí)不流淌或被擠出，低溫時(shí)不開裂，另外還必須與混凝土基面有良好的粘結(jié)，以保證在變形時(shí)粘結(jié)面不被拉開，同時(shí)材料還應(yīng)無(wú)污染?？裳须A段，總干渠嵌縫材料臨水部分采用聚硫密封膠，下部為閉孔塑料泡沫板。聚硫密封膠屬建筑行業(yè)使用的一種高分子防水材料，具有防水性能可靠、便于施工、耐久性好等優(yōu)點(diǎn)，但成本高。經(jīng)估算，總干渠陶岔渠首～北拒馬河中支段渠道需聚硫密封膠超過2萬(wàn)噸，總投資超過10億元。初設(shè)階段，為節(jié)約工程投資，綜合考慮材料性能、工程施工及造價(jià)等因素，經(jīng)方案比選和論證，對(duì)嵌縫材料進(jìn)行了優(yōu)化，嵌縫材料根據(jù)實(shí)際情況在聚硫密封膠和聚氨酯密封膠兩種材料內(nèi)進(jìn)行選擇。

3 特殊渠段渠基處理

3.1 膨脹巖土渠段

膨脹土 （巖）問題是南水北調(diào)中線工程的一個(gè)主要工程地質(zhì)問題，總干渠沿線膨脹土 （巖）分布渠段長(zhǎng)約335km，工程處理不當(dāng)將給渠道運(yùn)行帶來(lái)嚴(yán)重危害。由于膨脹土邊坡破壞主要發(fā)生在雨季，且以淺層滑動(dòng)為主，減少雨水、地表水的入滲，防止膨脹土的初始含水量發(fā)生較大變化是膨脹土處理的關(guān)鍵所在。在可行性研究階段，對(duì)膨脹土渠段渠基研究了3種處理方案：膨脹土拌和石灰置換迎水坡面土方案、迎水面粘土置換方案以及加厚現(xiàn)澆混凝土襯砌方案。經(jīng)方案比較，選用迎水面粘土置換方案。初設(shè)階段，經(jīng)試驗(yàn)研究和分析論證，設(shè)計(jì)對(duì)處理方案進(jìn)行了進(jìn)一步研究。處理方式仍然以換填方式為主，但對(duì)換填材料進(jìn)行了優(yōu)化，換填材料主要采用非膨脹土，對(duì)非膨脹土缺乏地區(qū)，采用弱膨脹土改性土或水泥土，換填厚度則根據(jù)膨脹土強(qiáng)弱采用0.5～2.5m。

3.2 高地下水位渠段

南水北調(diào)中線工程總干渠沿線地下水位高于渠底高程渠段約有470km，其中地下水位高于設(shè)計(jì)水位的渠段約161km。為解決襯砌板抗浮穩(wěn)定問題，主要有兩類措施，一類是襯砌采用透水式，使內(nèi)外水交換，以基本消除襯砌板內(nèi)外水壓力差。另一類是采用滲控方法，減小襯砌板下水壓力，以減小襯砌板內(nèi)外水壓力差，達(dá)到抗浮穩(wěn)定目的。南水北調(diào)中線工程為供水渠道，為減小輸水滲漏損失，確保供水水質(zhì)，渠道內(nèi)外水不允許交換，解決襯砌板抗浮穩(wěn)定問題只能采用滲控方法。經(jīng)方案比較和分析論證，設(shè)計(jì)采取了以渠基排水為主的處理措施，并根據(jù)沿線地形條件、水質(zhì)情況、襯砌型式及地下水位情況選用了4種方式，分別為暗管集水地下水自流外排，暗管集水逆止閥自流內(nèi)排，集水井集水地下水強(qiáng)排和移動(dòng)泵抽排等四種措施。除采用上述措施外，對(duì)局部地下水位很高、地質(zhì)條件較差渠段，當(dāng)采用渠基排水措施不能滿足要求時(shí)，還采取了增加襯砌混凝土板厚度和對(duì)渠基采用水泥土換填等處理措施，以滿足襯砌板抗浮穩(wěn)定要求。

2.3 煤礦采空區(qū)段

南水北調(diào)中線一期工程總干渠在禹州市西南約7km處需通過2～3km的煤礦采空區(qū)，且無(wú)法避免，其中部分采空區(qū)仍存在一定的變形，需對(duì)采空區(qū)進(jìn)行處理，以確保渠道安全運(yùn)行。目前對(duì)采空區(qū)處理主要有兩種方式，即井下充填和地面充填。井下充填是井下利用充填設(shè)備將水砂等充填材料充填至采空區(qū)，地面充填是從地面對(duì)采空區(qū)冒落帶及斷裂帶進(jìn)行大口徑灌漿并輔以其他措施的方法。禹州礦區(qū)段煤層頂板覆巖已經(jīng)破壞，地面沉陷盆地已經(jīng)或正在形成，井下工作面巷道受到破壞，難以采用井下充填措施。結(jié)合禹州礦區(qū)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)采用了以地面注漿為主的綜合措施對(duì)采空區(qū)進(jìn)行加固處理。注漿孔采用梅花狀布孔均勻布設(shè)，設(shè)計(jì)排距15m，孔距20m，注漿材料采用水泥和粉煤灰混合料。為適應(yīng)注漿處理的不確定性帶來(lái)的渠基變形需求，設(shè)計(jì)同時(shí)對(duì)襯砌結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了加強(qiáng)。襯砌板厚度渠坡增加至12cm，渠底增加至10cm，縱橫縫間距減小為2m，復(fù)合土工膜規(guī)格增加至900g／cm2，膜厚加強(qiáng)為0.5mm。

4 結(jié)語(yǔ)

南水北調(diào)中線工程總干渠京石段目前已經(jīng)建成通水，其他渠段也正在陸續(xù)開工建設(shè)。工程建設(shè)和運(yùn)行表明，中線總干渠渠道設(shè)計(jì)是合理的。對(duì)于大型渠道工程，為做好工程設(shè)計(jì)，應(yīng)結(jié)合多因素綜合分析做好方案比較和論證。在進(jìn)行方案比較和論證前，應(yīng)做好工程沿線地形地質(zhì)條件的勘察工作及工程建設(shè)占地和移民等實(shí)物指標(biāo)的調(diào)查工作，還應(yīng)做好有關(guān)分析計(jì)算工作。

1 江河水利水電咨詢中心 .南水北調(diào)中線工程渠道設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)研究報(bào)告，2006年12月

2 長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 .南水北調(diào)中線一期工程可行性研究總報(bào)告，2007年9月

3 長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院等單位 .南水北調(diào)中線一期工程各設(shè)計(jì)單元初步設(shè)計(jì)報(bào)告