南水北調中線工程總干渠渠道設計關鍵技術問題

吳劍疆 邵劍南

（水利部水利水電規劃設計總院 北京 100120）

南水北調中線工程是解決我國北方地區嚴重缺水問題的特大型跨流域調水工程，主要任務是為北京、天津及河北和河南兩省主要城市提供生活、工業用水，緩解城市與農業、生態用水的矛盾。工程多年平均調水量95億m3，渠首設計流量和加大流量分別為350和420m3／s。工程輸水總干渠全長約1276km，，其中梯形明渠長約1105km。由于流量大、線路長，加上沿線地質條件復雜，總干渠渠道的設計備受各方關注。為做好工程設計，確保工程運行安全，節省工程投資，設計對工程方案進行了大量比選論證，并對一些關鍵技術進行了深入研究。

1 渠道斷面設計

1.1 渠道縱坡設計

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，設計結合工程布置、工程占地和工程投資等因素的分析，對渠道和建筑物的水頭分配進行了多方案比較。在方案比較時，設計考慮了以下原則：對填方和半填半挖渠段一般采用較緩比降；對石方段和深挖方段一般采用較陡比降；根據地形起伏情況進行分段，比降變化不過于頻繁；比降不緩于1／30000。經水頭分配方案的優化，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，漳河北至古運河段為1／16000～1／30000，古運河至北拒馬河中支段為1／16000～1／30000。

1.2 渠坡坡比設計

中線工程總干渠采用梯形實用經濟斷面，渠道設計水深絕大部分超過6m，其中渠首附近達8m，渠道地質條件較為復雜，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省工程投資，設計根據沿線地形地質條件，按一定距離將渠道分為若干段，分別擬定邊坡系數，并對每段進行邊坡穩定分析，然后根據邊坡穩定分析成果對坡比進行調整優化，在滿足渠坡穩定要求及方便施工的前提下，盡量采用較小的坡比。經邊坡穩定分析和優化，中線工程總干渠一級馬道以下渠道內坡坡比采用以下值：對一般渠道，坡比采用2.0～2.75，對深挖方膨脹土和軟粘土段等特殊渠段，坡比采用3.0～3.5，坡比進檔采用0.25；對石質渠道，坡比采用0.4～1.5。

1.3 渠岸超高設計

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，沿途與數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、節制閘及退水閘進行調節，使渠岸超高設計具有其特殊性，我國現行的有關設計規范難以適應其要求，需對影響總干渠渠岸超高的各種因素進行綜合分析后經比較論證確定。根據中線工程實際情況，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、調度運行引起的水位波動以及北方寒冷地區冰期輸水引起的水位壅高等。根據各段實際情況，并經分析論證，各段渠超高采用了不同數值，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 襯砌結構設計

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、抗滲能力、耐久性及抗浮穩定等因素。為節約工程投資，在滿足抗裂、抗沖、抗滲、耐久性和抗浮穩定等要求的前提下，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、抗滲能力及工程造價等因素。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，需進行抗裂計算，抗滲能力則與水深和混凝土的允許水力梯度有關。根據渠內水深、分縫間距及渠基地質條件等，設計對襯砌板抗裂能力進行了計算。結果表明，襯砌板厚度采用8～10cm，可基本滿足襯砌板抗裂要求。根據抗裂計算成果，并綜合考慮抗滲及工程造價等因素，總干渠襯砌厚度采用以下值：土質渠道渠坡采用10cm，底板采用8cm，石質渠道考慮施工因素采用20～25cm。

2 縫間距和縫寬設計

混凝土襯砌往往會因溫度變化、混凝土干縮及地基不均勻沉陷等產生裂縫，進而影響渠道正常運行。為消除或減少裂縫，確保渠道正常運行，通常在襯砌中設結構縫。但分縫間距不能太大，也不能太小，太大不能適應襯砌變形，容易導致襯砌板開裂，太小則襯砌整體性差，且增加糙率。同樣，預留縫不能太寬，也不能太窄。縫太寬，嵌縫材料造價大，縫太小，則可能導致施工困難，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，沿線將設置大量的縱、橫向結構縫，不僅給混凝土襯砌施工帶來一定難度，且將大幅增加工程投資，縫間距和縫寬的設計十分重要。經分析，總干渠襯砌分縫間距主要與渠基地質條件、襯砌板承受荷載、襯砌板厚度等因素有關，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。參考有關規范，綜合考慮渠道沿線氣溫、襯砌板荷載、渠基地質條件等因素，并經抗裂計算和方案比較等，總干渠橫縫間距采用4米，縱縫間距按4米進行控制，縫寬根據實際情況采用1cm，或2cm。

2.2 嵌縫材料選擇

結構縫是混凝土防滲渠道可能的漏水通道之一，水通過結構縫滲入渠基不僅會造成水量損失，而且可能使渠基土處于飽和狀態，引起渠體塌陷、破壞，在北方寒冷地區，還會發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，確保工程正常運行。老的渠道多采用瀝青砂漿、油氈等材料，這類材料造價較低，但適應溫度變形性能差，與混凝土粘結不好，氣溫高時，填料被擠出，氣溫低時，易裂開形成滲水縫。中線工程為特大型供水渠道，對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，以保證其在高溫時不流淌或被擠出，低溫時不開裂，另外還必須與混凝土基面有良好的粘結，以保證在變形時粘結面不被拉開，同時材料還應無污染。可研階段，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、耐久性好等優點，但成本高。經估算，總干渠陶岔渠首～北拒馬河中支段渠道需聚硫密封膠超過2萬噸，總投資超過10億元。初設階段，為節約工程投資，綜合考慮材料性能、工程施工及造價等因素，經方案比選和論證，對嵌縫材料進行了優化，嵌縫材料根據實際情況在聚硫密封膠和聚氨酯密封膠兩種材料內進行選擇。

3 特殊渠段渠基處理

3.1 膨脹巖土渠段

膨脹土 （巖）問題是南水北調中線工程的一個主要工程地質問題，總干渠沿線膨脹土 （巖）分布渠段長約335km，工程處理不當將給渠道運行帶來嚴重危害。由于膨脹土邊坡破壞主要發生在雨季，且以淺層滑動為主，減少雨水、地表水的入滲，防止膨脹土的初始含水量發生較大變化是膨脹土處理的關鍵所在。在可行性研究階段，對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澆混凝土襯砌方案。經方案比較，選用迎水面粘土置換方案。初設階段，經試驗研究和分析論證，設計對處理方案進行了進一步研究。處理方式仍然以換填方式為主，但對換填材料進行了優化，換填材料主要采用非膨脹土，對非膨脹土缺乏地區，采用弱膨脹土改性土或水泥土，換填厚度則根據膨脹土強弱采用0.5～2.5m。

3.2 高地下水位渠段

南水北調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計水位的渠段約161km。為解決襯砌板抗浮穩定問題，主要有兩類措施，一類是襯砌采用透水式，使內外水交換，以基本消除襯砌板內外水壓力差。另一類是采用滲控方法，減小襯砌板下水壓力，以減小襯砌板內外水壓力差，達到抗浮穩定目的。南水北調中線工程為供水渠道，為減小輸水滲漏損失，確保供水水質，渠道內外水不允許交換，解決襯砌板抗浮穩定問題只能采用滲控方法。經方案比較和分析論證，設計采取了以渠基排水為主的處理措施，并根據沿線地形條件、水質情況、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排，集水井集水地下水強排和移動泵抽排等四種措施。除采用上述措施外，對局部地下水位很高、地質條件較差渠段，當采用渠基排水措施不能滿足要求時，還采取了增加襯砌混凝土板厚度和對渠基采用水泥土換填等處理措施，以滿足襯砌板抗浮穩定要求。

2.3 煤礦采空區段

南水北調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，且無法避免，其中部分采空區仍存在一定的變形，需對采空區進行處理，以確保渠道安全運行。目前對采空區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備將水砂等充填材料充填至采空區，地面充填是從地面對采空區冒落帶及斷裂帶進行大口徑灌漿并輔以其他措施的方法。禹州礦區段煤層頂板覆巖已經破壞，地面沉陷盆地已經或正在形成，井下工作面巷道受到破壞，難以采用井下充填措施。結合禹州礦區實際情況，設計采用了以地面注漿為主的綜合措施對采空區進行加固處理。注漿孔采用梅花狀布孔均勻布設，設計排距15m，孔距20m，注漿材料采用水泥和粉煤灰混合料。為適應注漿處理的不確定性帶來的渠基變形需求，設計同時對襯砌結構設計進行了加強。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，復合土工膜規格增加至900g／cm2，膜厚加強為0.5mm。

4 結語

南水北調中線工程總干渠京石段目前已經建成通水，其他渠段也正在陸續開工建設。工程建設和運行表明，中線總干渠渠道設計是合理的。對于大型渠道工程，為做好工程設計，應結合多因素綜合分析做好方案比較和論證。在進行方案比較和論證前，應做好工程沿線地形地質條件的勘察工作及工程建設占地和移民等實物指標的調查工作，還應做好有關分析計算工作。

1 江河水利水電咨詢中心 .南水北調中線工程渠道設計關鍵技術研究報告，2006年12月

2 長江勘測規劃設計研究院 .南水北調中線一期工程可行性研究總報告，2007年9月

3 長江勘測規劃設計研究院等單位 .南水北調中線一期工程各設計單元初步設計報告