談采煤沉陷對泵站引水渠過流能力的影響

孔令武，滿月光，宋 翔

（南水北調東線山東干線有限責任公司，山東 濟南 250109）

南水北調二級壩泵站位于山東省微山縣歡城鎮境內，是南水北調東線工程的第10級抽水泵站，主要任務是將水從南四湖下級湖提至上級湖，實現南水北調東線工程的梯級調水目標。二級壩泵站位于高莊煤礦和崔莊煤礦規劃開采范圍，引水渠主要布置于高莊煤礦北部，大部分已處于深部采空范圍，已造成引水渠南部左岸和右岸出現嚴重損害。

1 泵站引水渠概況

引水渠總長2112.4m，連接下級湖內的東股引河和泵站進水閘，將南水北調的水順利引至泵站進水池，滿足水泵提水運行的需要。引水渠全線橫斷面均采用梯形明渠輸水斷面，引水渠進口底高程27.80m，泵站進水閘前渠底工程27.30m，渠底比降1/4025，左堤頂寬4.5m，右堤頂寬2.0m。

引水渠樁號為設計樁號，0+000樁號設在泵站主廠房中心點，向上級湖為正，向下級湖為負。引水渠起點位于進水閘上游100m處，樁號為-0+183.20，末端位于引水口處，樁號為-2+295.6。引水渠在-0+955.14樁號設彎道，彎道軸線曲率半徑300m，圓心角20°；在-2+094.73樁號設彎道，彎道軸線曲率半徑300m，圓心角22°。

2 引水渠原縱橫斷面設計

2.1 縱斷面及水面線設計

引水渠設計流量125m3/s，冬季最小引水流量80m3/s。引水渠進口底高程設計為27.8m，低于東股引河底高程0.6m。泵站進水閘前渠底工程27.30m，渠底比降1/4025。引水渠梯形斷面，底寬60m，邊坡1∶2.5。引水渠水面線利用引水渠進口水位作為起始水位，按明渠均勻流公式向下游推算，與引水渠段末端進水閘上游水位銜接。

2.2 引水渠橫斷面設計

根據設計流量的大小、工程地質、渠床土壤、施工條件等因素，按照經濟實用斷面的設計原則，力求挖方和筑堤方、填筑站區防洪平臺土方實現基本平衡，以減少占地，據此確定設計水深為5.0m，設計邊坡為1∶2.5。引水渠內邊坡采用預制混凝土板襯砌，渠底碾壓密實、不襯砌，綜合糙率系數為0.022，設計底寬為60m。

3 引水渠過流能力分析

3.1 引水渠測量方式

本次測量采用2000國家大地坐標系統，3°分帶，中央經線為東經117°。地面數據采集是在山東省建立的全球導航衛星系統連續運行參考網系統（SDCORS）下，采用徠卡GS15型GPS衛星接收機，運用GPS實時動態測量RTK技術獲得各點的2000國家大地坐標，室內使用CASS數字成圖軟件繪制地形圖；水下數據采用測量船上架設GNSS接收機掛接中海達HD310型全數字雙頻測深儀的方式，由GNSS接收機獲取平面坐標及正常高，測深儀獲取水深數據，通過計算獲取水下點的高程數據，完成渠道內水下地形測量，最終室內生成水下等高線。利用采集到的數據，使用斷面生成軟件形成渠道縱、橫斷面成果及縱、橫斷面圖。

3.2 工程變形觀測數據分析

受煤礦地下采煤影響，自施工期引水渠不同渠段就開始發生不同程度的沉降變形，部分渠段和引水渠交通橋現已沉入水中。2009年4月30日至2012年11月25日，觀測點最大沉降值在-（1+639）樁號處，沉降值為3.52m。2013年3月通水初步驗收后，對樁號-（0+183.2）至-（1+659）已發生沉陷的部分引水渠進行了測量，樁號-（0+183.2）至-（1+059）段未發生沉降，-（1+059）至-（1+659）段發生沉降，沉降量最大值在-（1+638）斷面上，沉降值為3.748m。2019年12月觀測報告顯示自2013年2月引水渠東岸觀測點（H6）累計沉降量最大，為426.4mm，引水渠西岸觀測點（S5）累計沉降量最大，為600.5mm目前，設計樁號-0+600～-0+850范圍內，引水渠右岸已完全沉入水下，設計樁號-1+300～-2+295.6范圍內引水渠兩岸已完全沉入水下。最南端引水渠交通橋于2017年10月開始發生急劇沉降，至當年12月累計沉降量超過700mm，2018年初已完全沉沒至水面以下。目前該橋整體仍然沉沒于水面以下，橋面高程31.20m，沉降約3.1m。

3.3 引水渠過流能力分析

根據2019年測量資料，因沉降原因，引水渠整體下沉，如圖1，圖2所示。

通過現狀斷面與設計斷面對比，引水渠過水斷面普遍增大，水深加深，在樁號-0+600～-0+850，引水渠右堤已沉降至水位下，樁號-1+300后，引水渠已沉降至水下。

河道按天然河道恒定非均勻流基本方程式計算：

圖1 -0+600橫斷面圖

圖2 -1+304橫斷面圖

式中：z1、z2分別為上、下斷面水位，m；v1、v2分別為上、下斷面流速，m；△hW為水頭損失，m；△hf為沿程水頭損失，m；△hj為局部水頭損失，m。計算結果詳見表1。

表1 過水斷面面積統計表

根據測量結果顯示，過流斷面普遍增加10%以上，部分斷面堤防已沉至水位以下，通過計算，現狀引水渠過流能力滿足泵站提水運行要求，且對原連接東股引河與泵站進水池，將南水北調的水順利引至泵站進水池的功能無不利影響。

3.4 交通橋沉降及斷面過流能力分析

由于橋墩及橋板等的阻礙和束窄作用，在橋前形成一定的水位壅高。采用《橋梁水力學》中公式進行壅水計算：

式中：ΔZm為橋前最大壅水高度，m；η為阻水系數，根據規范，η值根據橋墩阻斷流量與設計流量的比值選取，當比值小于10%時，η=0.05；當比值介于11%～30%時，η=0.07；當比值介于31%～50%時，η=0.10；當比值大于50%時，η=0.15。

Vm為橋下平均流速，按照設計洪水流量除以橋址斷面凈過水面積；V為橋前平均流速，按照設計洪水流量除以橋址前斷面過流面積。經計算，現狀交通橋壅水高度0.05m，原交通橋壅水高度0.06m。

原交通橋處設計過流斷面279.71m2，根據2019年7月測量資料，交通橋樁號處，扣除交通橋橋面、欄桿、橋墩等，過水斷面為462.21m2，增加65%，經計算，交通橋處過流能力滿足泵站調度運行要求。但沉入水中的交通橋橋面結構物對引水渠的水上運行管理存在隱患與威脅。

4 結語

現狀引水渠過流能力滿足設計輸水功能要求，引水渠采煤沉陷對泵站的調度運行無不利影響，符合泵站實際運行情況，現階段可不對引水渠采取處理措施。但為確保泵站工程安全，建議繼續在二級壩泵站樞紐工程范圍內進行安全監測，及時掌握泵站安全運行狀況，若后期引水渠沉陷對工程安全及運行產生影響時，應及時制定方案，對工程采取措施，保證工程安全運行。交通橋已沉入水中，該處過流能力滿足設計輸水功能要求，可不拆除，為防止船只誤入引水渠，建議設置明顯、能顯示構筑物輪廓的安全標識。