南水北調中線總干渠高地下水位對渠道運行管理的影響

孫超 劉淼森 申粵

摘 要：為確保南水北調中線總干渠運行安全，正確認識高地下水位帶來的危害，結合鄭州高地下水位渠段運行情況，采取工程和調度相結合措施，減小地下水位抬升產生頂托力對襯砌面板的破壞。

關鍵詞：南水北調中線;高地下水位;危害;措施

中圖分類號：TV68;TV221.2 ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-5168（2022）7-0079-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.07.018

Abstract：In order to ensure the operation safety of the main canal in the middle route of the South-to-North Water Transfer Project and correctly understand the harm caused by the high groundwater level， combined with the operation of the high groundwater level canal section in Zhengzhou， the combination of engineering and dispatching measures are taken to reduce the damage of the jacking force caused by the rise of the groundwater level to the lining panel.

Keywords：the middle route of the South-to-North Water Transfer Project; high groundwater level; harm; measures

0 引言

南水北調中線總干渠全長1 432 km，其中明渠總長1 087 km，高地下水渠段（地下水位高于渠底高程）約470 km，其中地下水位高于區內設計水位的渠段約160 km。在高地下水位運行渠段，尤其在汛期發生暴雨后，地下水位升高極易造成襯砌面板隆起、斷裂破壞等失穩情況。為避免上述問題的出現，應嚴格控制渠道運行水位與渠坡面板下地下水位的相對平衡。為有效解決襯砌面板的失穩問題，在汛期暴雨后，根據南水北調中線總干渠運行管理的技術要求，通過調度和工程措施控制渠道運行水位和渠道襯砌板下地下水位，避免襯砌板面板下地下水位上升產生的揚壓力導致襯砌板脹裂現象的發生，影響渠道運行安全。

正確認識高地下水位帶來的危害并采取合理措施，確保南水北調中線總干渠運行安全具有重要意義，已有多位學者對其開展了研究。如李景剛、張學寰等[1]研究臨時采取調度措施，通過一定限度內抬升渠道運行水位實施蓄水平壓，以盡可能避免襯砌面板頂托被破壞。吳劍疆、邵劍南[2]等以總干渠陶岔至沙河南段、黃河北至羑河北段的部分渠段為例，對高地下水位渠道存在的主要問題、處理方法及原則進行了分析。崔巍、陳文學、姚雄等[3]以南水北調中線干渠為背景，研究了大型輸水明渠閘前常水位運行控制模式。黃煒、肖萬格、姚雄等[4]結合南水北調中線總干渠高水位渠道滲控設計實例，分析了高地下水位內排滲控設計方案的影響因素，對高地下水位內排滲控措施布置原則。

本研究以南水北調中線鄭州高地下水位段為研究對象，為有效解決高地下水位段襯砌面板的抗浮穩定問題，采取調度和工程兩種措施控制渠道運行水位與渠道襯砌板下地下水位的相對平衡，減小高地下水位對渠道襯砌面板帶來的頂托失穩破壞，確保南水北調中線總干渠運行安全。

1 鄭州高地下水位段基本概況

南水北調中線總干渠鄭州段起點位于中牟縣和鄭州市交界處安莊，終點位于鄭州市中原區董崗附近（總干渠樁號SH（3）179+227.8∽SH210+772.97）。渠線總長31.743 km，其中渠道長度29.956 km，建筑物長度1.787 km。采用明渠輸水，與沿途河流、灌渠、公路的交叉工程全部采用立交布置。渠道為全斷面襯砌，均采用現澆混凝土，混凝土強度等級C20，抗滲標號W6，抗凍標號F150，一般土渠段渠坡襯砌板厚10 cm，渠底襯砌板厚8 cm;襯砌底部兩側坡腳設置齒墻，齒墻寬0.4～0.6 m，高0.6～1.1 m，渠道頂部設0.3 m寬的封頂板。渠道防滲大部分采用規格為600 g/m2兩布一膜，膜厚為0.3 mm。

鄭州段高地下水位渠道全長約6.0 km，采用逆止閥內排，在渠坡土工膜下設5～20 cm厚砂礫。考慮渠段地下水位較高，為了保證渠道襯砌在運行和檢修期的穩定和安全，在渠坡內腳一側處設置集水井，在集水井相應位置處渠底設置橫向集水暗管向井內集水。共設集水井6處，其中2處（27～28#泵站）為運行和檢修工況運行，4處（29～32#泵站）僅在檢修工況運行。地下水滲漏水在井內水位超過渠道水位0.05 m時起動水泵排水，當井內水位降至渠道水位以下4 m時水泵自動停止運行。

2 高地下水位渠段的主要危害

2.1 渠道邊坡穩定問題

渠道穿越高地下水位地區，地下水位以下的土體由于處于飽和狀態，土體物理力學指標降低，抗剪強度下降，對渠道邊坡穩定將產生一定的影響。另外，地下水沿渠道邊坡產生一定水力梯度，在滲透力作用下，邊坡土體的下滑力增加，使渠道邊坡抗滑穩定安全系數降低，極易造成渠道邊坡失穩。

2.2 襯砌板抗浮穩定問題

南水北調中線總干渠為減少水量損失，提高輸水效率，確保運行過程水質安全，采取全斷面混凝土襯砌等防滲措施，渠道邊坡混凝土厚度10 cm，底板混凝土厚度8 cm，襯砌板下鋪設復合土工膜進行防滲，混凝土襯砌板橫縫間距和縱縫間距均按4 m進行控制。渠道內外水不能交換。當地下水位高于渠道內水位時，襯砌板下的地下水產生的浮托力有可能大于襯砌板自身重力和渠道內水壓力，從而導致襯砌板浮起造成破壞。

3 高地下水位渠段運行過程采取的措施

3.1 工程措施

對穿越高地下水位的渠道段，最有效的措施是通過排水降低地下水位，以確保渠道邊坡和襯砌板的抗浮穩定。在設計時已經充分考慮地下水對渠道的影響，在渠道施工過程設置了相應排水措施，按排水出路不同，可分為內排和外排。內排是將地下水排入渠道內部;外排則是當地下水不適宜排入渠道內部，而渠道附近有天然溝渠時，將地下水排入該溝渠，以降低地下水位。根據排水方式不同，排水措施還可分為自排和抽排。自排即在地形條件適宜的渠段，通過導截流措施將水自流排走。抽排則是通過水泵等設施將水強排至附近高程較高的溝渠內。

鄭州段高地下水位渠段均采用內排和外排相結合的方式，內排是通過設置在渠道襯砌板上的逆止閥將襯砌板下地下水單向排入渠道內部，以平衡襯砌板地下水位和渠道水位，確保襯砌板抗浮穩定。抽排措施是設置27、28號兩個強排泵站，根據地下水位情況自動抽水，減小渠道內外水位差，確保襯砌板抗浮穩定。

鄭州段高地下水位渠段2016年8月監測地下水位變化情況見表1、圖1。在地下水位達到泵啟動水位時，泵自動啟動，經過約7個小時的抽水，渠道地下水位下降約0.79 m，達到設計規定水位，減小渠道內外水位差，確保渠道運行安全。

3.2 調度措施

南水北調中線總干渠設計采用閘前常水位運行方式，主要以節制閘調節渠道的水位和流量來進行輸水調度。全線共由63個節制閘分為64個渠池，同時在渠道倒虹吸出口另設置61個控制閘，以保障倒虹吸管的輸水運行安全。在調度過程中，渠道水位通常會被控制在設計水位或加大水位以下的一定范圍內，距離渠道超高甚至還有很大空間。

在工程措施實施過程中，為有效應對汛期降雨帶來的地下水位抬升影響，避免渠道襯砌面板失穩情況的進一步發生，臨時啟用調度措施，即抬高鄭州段渠道運行水位，盡可能減小渠道內外水位差。

為了驗證工程措施和臨時調度措施聯合調控渠道運行水位與渠道襯砌板下地下水位相對平衡的實施效果，南水北調中線建管局調度中心采用蓄水平壓方式調整渠道水位，使渠道內外水壓差達到平衡。在南水北調中線溫博段高地下水位渠段進行試驗，通過調整閘門開度調整渠道水位，取得良好的效果，達到快速平衡渠道內外水壓差，確保工程運行安全，溫博高地下水渠段采用蓄水平壓方式水位變化詳見表2、圖2。

4 結語

高地下水位渠段是南水北調中線總干渠運行管理中關鍵的一環，管理不當將會給渠道安全帶來嚴重隱患。為確保渠道運行安全，采取工程和調度相結合措施，控制渠道運行水位與渠道襯砌板下地下水位的相對平衡，減小高地下水位對渠道襯砌板帶來的頂托失穩破壞。

參考文獻：

[1] 李景剛，張學寰，陳曉楠，等.南水北調中線控制閘在渠道蓄水平壓中的運用與研究[J].中國水利，2019（16）：27-29.

[2] 吳劍疆，邵劍南.南水北調中線工程總干渠渠道設計關鍵技術問題[J].水利規劃與設計，2011（5）：54-55.

[3] 崔巍，陳文學，姚雄，等.大型輸水明渠運行控制模式研究[J].南水北調與水利科技，2009（10）：6-10.

[4] 黃煒，肖萬格，姚雄，等.南水北調中線總干渠高地下水位內排滲控研究[J].人民長江，2010（8）：55-58.