南水北调中线工程总干渠渠道设计关键技术问题

吴剑疆 邵剑南

（水利部水利水电规划设计总院 北京 100120）

南水北调中线工程是解决我国北方地区严重缺水问题的特大型跨流域调水工程，主要任务是为北京、天津及河北和河南两省主要城市提供生活、工业用水，缓解城市与农业、生态用水的矛盾。工程多年平均调水量95亿m3，渠首设计流量和加大流量分别为350和420m3／s。工程输水总干渠全长约1276km，，其中梯形明渠长约1105km。由于流量大、线路长，加上沿线地质条件复杂，总干渠渠道的设计备受各方关注。为做好工程设计，确保工程运行安全，节省工程投资，设计对工程方案进行了大量比选论证，并对一些关键技术进行了深入研究。

1 渠道断面设计

1.1 渠道纵坡设计

中线总干渠从陶岔渠首闸至惠南庄泵站一直采用自流输水，输水总水头一定，但沿线交叉建筑物多，输水流量不断变化，如何合理分配渠道和建筑物水头，选取合理的渠道纵比降十分重要。为寻求合理的水头分配方案，设计结合工程布置、工程占地和工程投资等因素的分析，对渠道和建筑物的水头分配进行了多方案比较。在方案比较时，设计考虑了以下原则：对填方和半填半挖渠段一般采用较缓比降；对石方段和深挖方段一般采用较陡比降；根据地形起伏情况进行分段，比降变化不过于频繁；比降不缓于1／30000。经水头分配方案的优化，总干渠渠道纵坡范围为：1／16000～1／30000。其中陶岔至沙河南段为1／25000～1／25500，沙河南至黄河南段为1／23000～1／28000，黄河北至漳河南段为1／20000～1／29000，漳河北至古运河段为1／16000～1／30000，古运河至北拒马河中支段为1／16000～1／30000。

1.2 渠坡坡比设计

中线工程总干渠采用梯形实用经济断面，渠道设计水深绝大部分超过6m，其中渠首附近达8m，渠道地质条件较为复杂，沿线分布有大量膨胀土（岩）和软粘土，因地形及工程布置原因，渠道沿线还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达47m，最大填高14m。为选择合理的渠坡坡比，以确保工程安全并节省工程投资，设计根据沿线地形地质条件，按一定距离将渠道分为若干段，分别拟定边坡系数，并对每段进行边坡稳定分析，然后根据边坡稳定分析成果对坡比进行调整优化，在满足渠坡稳定要求及方便施工的前提下，尽量采用较小的坡比。经边坡稳定分析和优化，中线工程总干渠一级马道以下渠道内坡坡比采用以下值：对一般渠道，坡比采用2.0～2.75，对深挖方膨胀土和软粘土段等特殊渠段，坡比采用3.0～3.5，坡比进档采用0.25；对石质渠道，坡比采用0.4～1.5。

1.3 渠岸超高设计

中线工程总干渠为以城市供水为主的特大型输水渠道，流量大、线路长，沿途与数百条大小河流及近千座交通桥梁立体交叉，渠道流量通过沿线大量的分水闸、节制闸及退水闸进行调节，使渠岸超高设计具有其特殊性，我国现行的有关设计规范难以适应其要求，需对影响总干渠渠岸超高的各种因素进行综合分析后经比较论证确定。根据中线工程实际情况，影响中线总干渠渠岸超高的主要因素有渠道糙率的不确定性、调度运行引起的水位波动以及北方寒冷地区冰期输水引起的水位壅高等。根据各段实际情况，并经分析论证，各段渠超高采用了不同数值，超高取值范围为1.0～1.5m，为抵挡渠外洪水，超高取值另考虑了外洪水的影响。

2 衬砌结构设计

2.1 衬砌厚度选择

混凝土衬砌厚度的确定需考虑衬砌板的抗裂能力、抗冲能力、抗渗能力、耐久性及抗浮稳定等因素。为节约工程投资，在满足抗裂、抗冲、抗渗、耐久性和抗浮稳定等要求的前提下，宜采用较小的厚度。总干渠衬砌板的抗浮稳定主要通过渠基排水措施解决，而渠道水流流速不大，衬砌板的抗冲能力也不起控制作用，因此衬砌厚度主要取决于衬砌板的抗裂能力、抗渗能力及工程造价等因素。衬砌板的抗裂能力与衬砌分缝间距、地基条件、荷载和混凝土本身的抗裂性能有关，需进行抗裂计算，抗渗能力则与水深和混凝土的允许水力梯度有关。根据渠内水深、分缝间距及渠基地质条件等，设计对衬砌板抗裂能力进行了计算。结果表明，衬砌板厚度采用8～10cm，可基本满足衬砌板抗裂要求。根据抗裂计算成果，并综合考虑抗渗及工程造价等因素，总干渠衬砌厚度采用以下值：土质渠道渠坡采用10cm，底板采用8cm，石质渠道考虑施工因素采用20～25cm。

2 缝间距和缝宽设计

混凝土衬砌往往会因温度变化、混凝土干缩及地基不均匀沉陷等产生裂缝，进而影响渠道正常运行。为消除或减少裂缝，确保渠道正常运行，通常在衬砌中设结构缝。但分缝间距不能太大，也不能太小，太大不能适应衬砌变形，容易导致衬砌板开裂，太小则衬砌整体性差，且增加糙率。同样，预留缝不能太宽，也不能太窄。缝太宽，嵌缝材料造价大，缝太小，则可能导致施工困难，且不能满足伸缩变形要求。中线工程总干渠渠道断面大、线路长，沿线将设置大量的纵、横向结构缝，不仅给混凝土衬砌施工带来一定难度，且将大幅增加工程投资，缝间距和缝宽的设计十分重要。经分析，总干渠衬砌分缝间距主要与渠基地质条件、衬砌板承受荷载、衬砌板厚度等因素有关，而缝宽则与缝间距、温度变化、混凝土性能、嵌缝材料性能及施工要求等有关。参考有关规范，综合考虑渠道沿线气温、衬砌板荷载、渠基地质条件等因素，并经抗裂计算和方案比较等，总干渠横缝间距采用4米，纵缝间距按4米进行控制，缝宽根据实际情况采用1cm，或2cm。

2.2 嵌缝材料选择

结构缝是混凝土防渗渠道可能的漏水通道之一，水通过结构缝渗入渠基不仅会造成水量损失，而且可能使渠基土处于饱和状态，引起渠体塌陷、破坏，在北方寒冷地区，还会发生因渠基土冻胀引起的冻胀破坏。嵌缝材料的主要作用是尽量杜绝或减少渠水渗入渠床，并减小渠道糙率，确保工程正常运行。老的渠道多采用沥青砂浆、油毡等材料，这类材料造价较低，但适应温度变形性能差，与混凝土粘结不好，气温高时，填料被挤出，气温低时，易裂开形成渗水缝。中线工程为特大型供水渠道，对嵌缝材料的要求较高，除具有一定的防渗性能外，还必须具有较好的耐热性和抗冻性，以保证其在高温时不流淌或被挤出，低温时不开裂，另外还必须与混凝土基面有良好的粘结，以保证在变形时粘结面不被拉开，同时材料还应无污染。可研阶段，总干渠嵌缝材料临水部分采用聚硫密封胶，下部为闭孔塑料泡沫板。聚硫密封胶属建筑行业使用的一种高分子防水材料，具有防水性能可靠、便于施工、耐久性好等优点，但成本高。经估算，总干渠陶岔渠首～北拒马河中支段渠道需聚硫密封胶超过2万吨，总投资超过10亿元。初设阶段，为节约工程投资，综合考虑材料性能、工程施工及造价等因素，经方案比选和论证，对嵌缝材料进行了优化，嵌缝材料根据实际情况在聚硫密封胶和聚氨酯密封胶两种材料内进行选择。

3 特殊渠段渠基处理

3.1 膨胀岩土渠段

膨胀土 （岩）问题是南水北调中线工程的一个主要工程地质问题，总干渠沿线膨胀土 （岩）分布渠段长约335km，工程处理不当将给渠道运行带来严重危害。由于膨胀土边坡破坏主要发生在雨季，且以浅层滑动为主，减少雨水、地表水的入渗，防止膨胀土的初始含水量发生较大变化是膨胀土处理的关键所在。在可行性研究阶段，对膨胀土渠段渠基研究了3种处理方案：膨胀土拌和石灰置换迎水坡面土方案、迎水面粘土置换方案以及加厚现浇混凝土衬砌方案。经方案比较，选用迎水面粘土置换方案。初设阶段，经试验研究和分析论证，设计对处理方案进行了进一步研究。处理方式仍然以换填方式为主，但对换填材料进行了优化，换填材料主要采用非膨胀土，对非膨胀土缺乏地区，采用弱膨胀土改性土或水泥土，换填厚度则根据膨胀土强弱采用0.5～2.5m。

3.2 高地下水位渠段

南水北调中线工程总干渠沿线地下水位高于渠底高程渠段约有470km，其中地下水位高于设计水位的渠段约161km。为解决衬砌板抗浮稳定问题，主要有两类措施，一类是衬砌采用透水式，使内外水交换，以基本消除衬砌板内外水压力差。另一类是采用渗控方法，减小衬砌板下水压力，以减小衬砌板内外水压力差，达到抗浮稳定目的。南水北调中线工程为供水渠道，为减小输水渗漏损失，确保供水水质，渠道内外水不允许交换，解决衬砌板抗浮稳定问题只能采用渗控方法。经方案比较和分析论证，设计采取了以渠基排水为主的处理措施，并根据沿线地形条件、水质情况、衬砌型式及地下水位情况选用了4种方式，分别为暗管集水地下水自流外排，暗管集水逆止阀自流内排，集水井集水地下水强排和移动泵抽排等四种措施。除采用上述措施外，对局部地下水位很高、地质条件较差渠段，当采用渠基排水措施不能满足要求时，还采取了增加衬砌混凝土板厚度和对渠基采用水泥土换填等处理措施，以满足衬砌板抗浮稳定要求。

2.3 煤矿采空区段

南水北调中线一期工程总干渠在禹州市西南约7km处需通过2～3km的煤矿采空区，且无法避免，其中部分采空区仍存在一定的变形，需对采空区进行处理，以确保渠道安全运行。目前对采空区处理主要有两种方式，即井下充填和地面充填。井下充填是井下利用充填设备将水砂等充填材料充填至采空区，地面充填是从地面对采空区冒落带及断裂带进行大口径灌浆并辅以其他措施的方法。禹州矿区段煤层顶板覆岩已经破坏，地面沉陷盆地已经或正在形成，井下工作面巷道受到破坏，难以采用井下充填措施。结合禹州矿区实际情况，设计采用了以地面注浆为主的综合措施对采空区进行加固处理。注浆孔采用梅花状布孔均匀布设，设计排距15m，孔距20m，注浆材料采用水泥和粉煤灰混合料。为适应注浆处理的不确定性带来的渠基变形需求，设计同时对衬砌结构设计进行了加强。衬砌板厚度渠坡增加至12cm，渠底增加至10cm，纵横缝间距减小为2m，复合土工膜规格增加至900g／cm2，膜厚加强为0.5mm。

4 结语

南水北调中线工程总干渠京石段目前已经建成通水，其他渠段也正在陆续开工建设。工程建设和运行表明，中线总干渠渠道设计是合理的。对于大型渠道工程，为做好工程设计，应结合多因素综合分析做好方案比较和论证。在进行方案比较和论证前，应做好工程沿线地形地质条件的勘察工作及工程建设占地和移民等实物指标的调查工作，还应做好有关分析计算工作。

1 江河水利水电咨询中心 .南水北调中线工程渠道设计关键技术研究报告，2006年12月

2 长江勘测规划设计研究院 .南水北调中线一期工程可行性研究总报告，2007年9月

3 长江勘测规划设计研究院等单位 .南水北调中线一期工程各设计单元初步设计报告