南水北調中線穿越工程技術方案的重點問題

□郝澤嘉

（南水北調中線干線工程建設管理局）

南水北調中線穿越工程技術方案的重點問題

□郝澤嘉

（南水北調中線干線工程建設管理局）

基于穿越跨越南水北調中線工程項目管理實踐，結合南水北調中線工程特點對穿越跨越工程技術方案的重點問題進行研究，并提出解決措施或思路。規劃方面應加強城市規劃和專項規劃，增強穿越跨越工程的必要性和合理性。架空跨越型式應優化總體布置、確保線路凈空距離、提高設計安全系數和完善展放導線的施工組織設計。橋梁跨越型式應確保橋梁凈空高度、落實35kV線路改建設計、解決路基防洪影響問題、加強橋梁排水和橋墩基礎施工防護、提前考慮橋梁維護方式。定向鉆地下穿越型式應提高管道設計等級、做好管道空隙回填處理、嚴格控制穿越軌跡和泥漿壓力。

南水北調中線工程；架空跨越；橋梁跨越；地下穿越；定向鉆

0 引言

南水北調中線工程南起丹江口水庫，北至北京市團城湖和天津市外環河，線路全長約1 432 km，途徑北京、天津、河北和河南四個省市。除北京、天津段采用地下管涵外，其余均采用渠道輸水，客觀上將渠道左右岸分割隔離為相互獨立的兩個區域。南水北調中線工程沿線共布置河渠交叉、渠渠交叉、路渠交叉、控制性建筑物和其他建筑物2 300余座，并對工程占壓或受工程影響的電力線路、電信線路、燃氣管道、輸水管道等項目進行恢復。隨著社會經濟不斷發展，已建設施的規模和功能不能滿足工程沿線群眾生產生活日益增長的需求，新建公路、鐵路、輸水管道、石油天然氣管道、污水管道、輸電線路等工程項目需以下穿或上跨的方式穿越跨越南水北調中線工程，對工程安全和正常輸水構成新挑戰。文章基于穿越跨越南水北調中線工程項目管理實踐，結合南水北調中線工程特點，對不同類型穿越跨越工程規劃、設計和施工技術方案的重點問題進行研究，并針對性地提出解決思路或措施。

1 架空跨越型式的重點問題

1.1 跨越線路總體布置

架空跨越應結合整體路由走向和南水北調渠道周邊情況采用獨立耐張段，2基耐張塔之間的直線塔數量不超過3基，緊鄰渠道的2基桿塔原則上應布置在一級水源保護區之外。耐張塔設計應復核斷線張力和不平衡張力工況下的穩定計算。

1.2 跨越線路凈空距離

南水北調中線工程渠道右岸布置有專用35kV輸電線路，兩岸綠化帶規劃左岸種植喬木，右岸種植灌木。架空跨越的線路弧垂計算，應確保架空線路距南水北調運行管理道路、專用35kV線路、考慮種植作物自然生長高度綠化帶的凈空距離滿足輸電線路設計規范要求。受渠道開口寬度和線路桿塔布置的限制，一般情況下跨越檔距超過200 m，最大弧垂的計算工況應選擇導線允許溫度。

1.3 跨越線路提高設計安全系數

跨越段線路較常規段線路提高設計安全系數能夠有效降低跨越段線路發生故障幾率，除導線設計應提高安全系數等級外，鐵塔、金具和絕緣子也應相應提高設計安全系數。

1.4 跨越線路施工組織設計

南水北調專用35kV輸電線路為全線自動化系統和節制閘、退水閘等一級負荷供電，是南水北調中線工程正常運行的能源基礎。一般而言，滿足要求正常運行的架空跨越輸電線路對南水北調中線工程的影響有限，但架空跨越展放導線施工可能干擾南水北調35kV輸電線路的正常運行，導致線路斷電、調度系統失靈的重大事故，需引起高度重視。封頂網保護可有效解決該問題：即在跨越檔設置承力索，利用承力索在南水北調35kV輸電線路上方布設絕緣封頂網，以防展放導線期間影響正常輸電。承力索架設一般需在跨越檔兩端桿塔處設置輔助橫擔，橫擔寬度應滿足導線風偏和安全裕度的要求，橫擔安裝高度需保證承力索距南水北調35kV線路的距離不小于安全距離，一般≥4 m。橫擔安裝前應對桿塔進行結構校核，必要時采用設置獨立抱桿的方式展放承力索。

2 橋梁跨越型式的重點問題

2.1 橋梁凈空高度

為避免對南水北調中線工程的干擾，新建橋梁需一跨跨越南水北調管理范圍，橋梁主跨跨徑普遍超過150 m。南水北調中線工程在渠道兩側設置運行管理道路，橋梁梁底高程（含橋梁施工設施和施工空間）距運行管理道路路面高程的距離應≥4.5m，以滿足車輛的正常通行需要。挖方特別是深挖方渠段運行管理道路設置于一級馬道處，橋梁跨越的影響不大。對于半挖半填和全填方渠段，運行管理道路設置于渠堤頂部，橋梁設計需確保運行管理道路的凈空要求。此外，部分挖方渠段左岸外側設置有防洪堤以防止洪水沖刷破壞渠坡，不同于構造防護堤，防洪堤頂寬3m以上，對填筑土體壓實度有較高要求，需采用大型機械施工。橋梁設計還應考慮渠道左岸防洪堤施工機械的高度要求和合理的施工空間。

2.2 南水北調35kV輸電線路改建

新建橋梁與南水北調右岸35kV輸電線路在空間上存在位置沖突，輸電線路至橋面的距離不能滿足輸電線路安全距離要求，需對南水北調35kV輸電線路進行局部改建，改建方式包括架空抬高和局部地埋兩種。由于局部地埋改建需增加一段地埋電纜，導致南水北調輸配電系統容性負荷增大，線路末端電壓升高，惡化電能質量，影響系統內設備安全穩定運行，因此原則上推薦采用架空抬高的改建方式。改建施工期間勢必造成南水北調35kV輸電線路停電，需在改建設計中對南水北調受影響的負荷點和負荷容量進行分析，并相應采取配置移動式發電機、優化供電線路調度等臨時保電措施。

2.3 橋梁兩側路基防洪影響

南水北調中線工程橫貫南北，改變了工程沿線的水文形勢。在工程規劃設計階段，根據工程左岸匯水區域和分水嶺位置劃分了洪水分區，并逐區進行洪水計算，通過設置河渠交叉建筑物和左岸排水建筑物將工程左岸洪水排放至右岸下游地區。橋梁跨越工程建設后，橋梁兩側延伸的路基可能改變原狀地形條件和南水北調左岸洪水分區，致使局部區域匯水無法進入河渠交叉和左岸排水建筑物，形成工程安全隱患。為不惡化局部防洪條件，橋梁跨越項目應避免工程在南水北調渠道附近橫跨洪水分區或阻塞南水北調導流溝，以致堵塞渠道附近區域的排水處理。同時橋梁設計中可盡量加長引橋長度，確保南水北調保護范圍內的排水通暢。

2.4 橋梁排水設計

南水北調中線工程以城市供水為主，兼顧農業和生態用水，工程全線被劃定為水源保護區，嚴禁排放污水。橋梁跨越項目必須解決橋面排水問題，以確保南水北調水質安全。橋梁設計中通常采用的外掛管道排水方式受限于管道材料的耐久性問題，易出現滲漏問題。可將外掛式排水管道設置在橋梁箱梁結構內部，減少外部環境對管道的影響，延長管道使用壽命。對于有縱坡的橋梁型式，可在橋面設置縱向集排水槽作為排水通道，利用橋面排水替代掛管排水。對于沒有人行道的快速交通路，排水槽應布置在道路防撞墩以外，以滿足安全通行要求。

2.5 橋梁基礎施工防護

橋梁跨越項目普遍跨徑較大，主跨橋墩距南水北調中線工程保護圍欄距離較近，橋墩基礎承臺開挖可能對南水北調工程產生影響，在膨脹巖土渠段尤其需要特別注意。承臺開挖可采用鋼板樁防護，并應設置擋、導、排水設施，對開挖出露的透水層進行封閉。

2.6 橋梁后期運行維護方式

橋梁跨越項目的后期維護工作受南水北調工程限制較多，需在設計中提前予以考慮。鋼結構桁架橋和混凝土鋼腹板橋梁均需定期進行鋼結構防腐和涂裝處理，有污染南水北調水質的風險。相比之下混凝土連續梁橋更為穩定可靠，后期維護工作量較小。

越來越多的橋梁同時布置體內和體外預應力，后期可通過調整體外預應力度來保證橋梁結構耐久性，有效減小橋梁維護工程量，降低維護工作的影響程度。

3 地下穿越型式的重點問題

3.1 管道提高設計等級

采用定向鉆穿越的管道一般輸送原水、污水、天然氣和石油等介質，對南水北調中線工程的工程安全和水質安全構成威脅，穿越段管道需提高一個設計等級。管道壁厚計算中，強度設計系數F的取值應由大中型水域穿越的0.50提高至0.40。回托力計算的摩擦系數f取值建議偏于保守取上限0.30。同時應加強管道防腐設計，采用3PE加強防腐并輔以強制電流陰極保護。對于施工期較長的施工項目，還應考慮設置犧牲陽極的臨時陰極保護措施。

3.2 定向鉆穿越軌跡設計及控制

合理的定向鉆穿越軌跡設計可以有效減小穿越工程對南水北調中線工程的影響。由于定向鉆施工中需使用大量泥漿進行孔道護壁、排屑和潤滑，需在定向鉆進出口設置泥漿池。泥漿本身成分較為復雜，含多種對水質有害的添加劑，因此定向鉆進出口需布置在南水北調一級水源保護區以外。定向鉆水平段的埋置深度除與穿越地層選擇有關外，還應考慮上覆土厚度，防止冒漿破壞南水北調工程結構，污染輸水水質。原則上全挖方渠段管道頂至渠底距離≥10 m，填方和半挖半填渠段管道頂至地面的距離≥10 m。施工期間需嚴格按照設計給定的控制點坐標控制導向孔軌跡。建議定向鉆導向系統采用有纜式導向系統，防止外界電磁場干擾致使鉆進軌跡發生偏離，威脅工程安全。

3.3 管道空隙處理

定向鉆施工最終成孔孔徑大于穿越管道外徑，需對管道與圍土間的環形空間進行回填處理，以防上部南水北調中線工程發生不均勻沉降。為保證回填質量，應在穿越管道回拖的同時同孔回拖注漿袖閥管，利用袖閥管對環形空間進行二次注漿。漿液配比應增加水泥摻量，提高漿液粘度，以減小漿液凝固產生的收縮空隙。

3.4 泥漿壓力控制

泥漿壓力是定向鉆穿越的關鍵技術參數，泥漿壓力過小鉆進、擴孔和回拖施工困難，而泥漿壓力過大可能引起上覆土體破壞，造成冒漿事故，損壞南水北調中線工程襯砌結構，污染水質。因此，需結合管道埋深和上覆土體物理力學性質進行泥漿控制壓力計算。目前缺乏泥漿控制壓力定量計算方法，實際工作中常采用0.60倍的管道豎向壓力值作為泥漿壓力控制值，該控制值偏于保守，有利于工程安全。也有學者基于Mohr-Coulomb(M-C)強度準則[18]、空間滑動面（SMP）強度準則和Coulomb土壓力理論對最大允許泥漿壓力進行定量分析，但結果差異較大。目前穿越南水北調中線工程的定向鉆管道上部覆土厚度要求≥10 m，根據工程經驗，該上覆土厚度基本可以滿足定向鉆施工的安全要求。對于上覆地層物理力學參數較低、埋置深度較大的定向鉆穿越項目，應嚴格控制泥漿壓力。

4 結論

一是穿越跨越南水北調中線工程項目的技術方案，除需滿足相應行業設計和施工規程規范外，還應結合南水北調中線工程特點，采取必要措施減小對南水北調中線工程的影響，確保工程安全和正常運行。二是穿越跨越南水北調中線工程項目規劃選線階段應注重與南水北調工程的結合，優化整體布局，減少低級別和不必要的項目數量，充分發揮新建穿越跨越工程效益。三是架空跨越、橋梁跨越和定向鉆地下穿越設計和施工技術方案均已形成相對完備的體系，但應充分論證并消除對南水北調中線工程渠道邊坡、襯砌結構、防洪堤、綠化帶、運行維護道路、35kV輸電線路、檢修維護和輸水水質的影響，不惡化南水北調中線工程現狀安全狀態。基于管理實踐研究提出的穿越跨越南水北調中線工程技術方案重點問題，可供其他穿越跨越工程參考。四是南水北調中線工程專用35kV輸電線路地埋改建方案操作簡單、施工方便，但增加了供電系統的容性負荷，目前原則上不予采用。可進一步研究針對局部35kV輸電線路地埋改建的無功補償措施，減小地埋改建的不利影響，提高方案可行性。五是泥漿壓力是定向鉆施工的關鍵技術參數，目前大多根據已有工程經驗確定，缺乏泥漿壓力對上部南水北調工程渠道襯砌結構的穩定計算分析方法，需進一步研究，以保證工程安全。

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1673-8853（2017）10-0030-03

郝澤嘉（1985-），男，主要從事水利工程的建設與管理工作。

2017-7-6

編輯：劉長垠