南水北调东线济平干渠工程渠道优化设计

韩凤来，张灵真，张贵民

（山东省水利勘测设计院，山东 济南 250013）

南水北调东线济平干渠工程渠道优化设计

韩凤来，张灵真，张贵民

（山东省水利勘测设计院，山东 济南 250013）

根据南水北调东线济平干渠工程设计优化的经验，针对调水工程普遍存在的土石方开挖（填筑）造成的弃土（借土）占压问题，探讨在输水明渠设计中优化减少土石方量、节省工程占地的思路和方法。

南水北调；济平干渠；土石方；占地；优化设计

1 概述

济平干渠作为我国南水北调工程最早开工建设的单项工程，其输水线路自东平湖渠首闸引水后，沿黄河长平滩区边沿布置，途经泰安市的东平县、济南市的平阴县、长清区和槐荫区，至济南市西郊的小清河睦里庄跌水，输水线路全长90 km。渠道全线与黄河为邻，沿线地形复杂，多处穿越山口、高地和洼地；大部分渠段地处济经济发达、人口密集、土地紧缺的区域。为此，通过进行渠线、水面线和纵横断面的动态优化与土石方挖填全程系统平衡演算，最终实现全线挖填平衡，在避免借土占地的同时，亦使弃土方量趋于最小。优化设计后济平干渠最终设计阶段的土石方量减少460万m3，工程占地减少198.4 hm2，效果显著。

2 渠线优化设计

项目前期设计中，就调水工程总体布局方案、引水方式、输水建筑物型式等已进行了初选。但受设计阶段基础资料深度的制约，局部渠线位置仍存在着安全隐患和不尽合理的地方，有待合理调整。

2.1 避开局部不良地质段

当已初选渠线开挖影响深度内遇到短则上百米长则数公里的淤泥、泥炭土等局部的不良地质段，这类土具有高压缩性，易产生流塑变形，将对渠道安全构成威胁。同时，不论是放缓渠道边坡增加稳定还是换基处理都存在工程占地、投资和施工难度增加等一系列问题。此时应分析不良地层在该区域的分布规律，并通过进一步的地质勘探查明在渠道左右方向的变化，若分布范围较小，应首先考虑将渠线避开不良地基范围，彻底消除渠道安全隐患，避免因对不良地层的处理带来的占地、工程费用的增加。

2.2 沿等高线微调渠线

济平干渠穿长清城区段输水线路，为保证输水线路顺直、输水安全和减少对黄河滩区滞洪的影响，初选输水线路沿长清城区西部地势相对较高的位置穿过，局部最大挖深达8.0 m，开挖工程量、弃土占压及拆迁量均较大，通过详勘，将该段输水线路沿等高线向西偏移至长清规划城区边沿，地面高程较原线路降低2.0～3.0 m。调整后输水线路虽较原线路长617 m，但土方开挖量减少约80万m3，减少永久占地20余hm2，并避开了大范围的房屋拆迁，使输水线路的平面布置更加合理。

2.3 合理利用旧河洼地输水渠线

济平干渠上游东平、平阴境内输水线路沿废旧河道布置，出现较长渠段的补坡现象，经优化渠线同时配合水面线的调整，尽量避免了因补坡带来的渠坡回填施工难度大、渠基不稳和回填借土占地等问题，并使平阴段渠道开挖占地减少11.2 hm2。

3 水面线优化设计

济平干渠工程在渠首、渠末水位已定，渠段间水头有限的情况下，配合土石方平衡、调配，从以下方面进行水面线优化，从而最大限度地减少了工程占地。

3.1 优化控制性建筑物水头损失

通过对渠道上控制性建筑物水头损失的优化调整，满足渠段间挖填平衡，减少弃（借）土占压。

济平干渠东风干渠倒虹出口—顾道口公路桥段（46+518～56+410），以孝里河倒虹（51+442）为界，以上渠段地面起伏较大，填筑土料严重不足；以下渠段地面平缓，弃土量较大。为最大限度地减少土方调运、减少缺土段借土占地和深挖方段弃土占压，在设计水深不变的情况下，首先优化东风干渠倒虹水头损失，即通过减少东风干渠倒虹水头损失，抬高倒虹后渠道水面线和渠底高程，同时将东风干渠倒虹出口至孝里河倒虹进口段（46+598～51+442）渠底设计比降放缓为1/20 000，以加大渠道设计断面，增加渠内取土量，减少借土方量；孝里河倒虹以后，继续减少该倒虹水头损失，抬高倒虹后水面线和渠底高程，同时将渠底设计比降调陡至1/11 200，以减小渠道设计断面，减少开挖方量，达到减少弃土占压的目的。

总之，在优化控制性建筑物水头损失时，应根据渠段间土方挖填平衡情况，并考虑上下游相邻渠段土方平衡以及与下游渠段的水面线衔接，综合分析确定。

3.2 优化渠底比降和水深

对于通过渠线的优化仍无法避开在低洼地带穿过的渠段，由于筑堤土料严重不足，又无法通过上下游的土方调配满足填筑要求，则通过放缓渠底比降、加大设计水深增加地面以下渠道过水断面，从而增加渠内取土填筑方量，减少渠外借土占地。

对于在原河道上布置的渠线且原河道断面较宽，配合渠线的微调，分别采取放缓渠底比降或减小设计水深的方法，以加宽设计断面，避免借土补坡。

对于沿线穿过的刁山坡、贵平山口等深挖方石方渠段，通过放陡渠底比降减小过水断面，减少石方开挖量和弃碴占地。

3.3 合理调整交叉建筑物的关系

按照建筑物立交原则，济平干渠平阴县境内的望口山河P＝5%的设计最大洪峰流量稍大于输水渠设计流量，曾在渠道与望口山河交叉处布置输水渠穿越望口山河倒虹。鉴于下游长清、槐荫段多为挖方渠道，弃土量及弃土占地较大，经多方案分析比较，将该座建筑物调整为望口山河穿越输水渠倒虹，从而减少了输水渠水头损失0.42 m，使下游长清、槐荫段50 km渠段渠底相应抬高，减少了输水渠土方开挖和工程占地。因此，当调水工程和天然河沟流量基本相当，且交叉建筑物水头损失对下游长距离渠道的挖填土石方量和工程占地影响较大时，应在对交叉断面以上天然河道长系列资料进行水文分析计算的基础上，在不影响交叉河道行洪、排涝的情况下，合理调整交叉建筑物的相对关系是必要的。

4 渠道断面优化设计

4.1 渠道内边坡系数的选择

济平干渠工程中渠坡现浇混凝土板下铺塑膜防渗衬砌渠段，其渠基稳定的边坡坡比为1∶2.0，在复核膜料上浇筑混凝土的安全稳定性时，同时考虑混凝土板下采取的排水减压和保温措施使得地下水和冬季基土冻胀对混凝土板水平推力的抵消作用，其衬砌边坡稳定的坡比应采用1∶2.25。渠道内边坡系数应在稳定分析计算的基础上，综合考虑特殊渠基加固处理措施、渠道衬砌体稳定、运行安全、经济合理等因素确定。

4.2 设计断面优化

总结济平干渠工程和南水北调东线胶东输水干线西段其他明渠输水段设计经验，认为在输水流量、渠道水面线、边坡坡比、输水糙率等参数均已确定的情况下，如何在水力最佳断面的基础上确定最优的设计断面，是渠道断面优化设计的主要任务，其断面优化应根据工程地质、渠床土壤、施工条件等因素，按照经济实用断面的设计原则，在实用经济断面宽深比范围内结合上下游长距离渠段内的土方挖填情况优化确定。

对于半填半挖渠道，当设计水面线以上的堤顶超高一定，则在实用经济断面宽深比范围内，断面挖填方量、占地宽度，同水面线与地面的相对位置有关。即水面线与地面高程在某一相对关系时，实用经济断面宽深比范围内某一水深对应的断面达到挖填平衡，平衡点以下实用经济断面宽深比范围内的挖方量均大于筑堤方量，且随着宽深比的加大即水深减小，挖方量、弃土量和占地宽度呈加大的趋势；平衡点以上随着宽深比的减小即水深加大，挖方量小于填方量，缺土量亦呈加大趋势，需借土筑堤。因此，半填半挖断面应根据渠道沿线水面线与地面的关系，分析不同宽深比经济实用断面挖方、筑方、弃土、借土的平衡情况，并通过长距离渠段的土方优化调配，实现挖填基本平衡，以减少占地，宜按宽浅式断面确定设计水深及设计断面。

对于挖方渠道，渠道水面线一般均在地面以下，填筑方量较小，故实用经济断面宽深比范围内的挖方量均大于筑堤方量，且随着宽深比的减小即水深加大，挖方量、弃土量和占地宽度呈逐渐减少的趋势，宜按窄深式断面确定设计水深及设计断面，以尽量减少弃土占地。

5 渠道土石方计算及优化调配

无论是渠线优化还是水面线优化，其最终目的是通过土石方调配优化减少借土与弃土，从而达到减少工程量与土地占压。济平干渠全长90 km，与枢纽工程相比，主要特点体现在“长距离”上，由于其具有线性大跨度的特点，施工场地多，沿线施工的自然、社会条件多变。在优化设计的同时，统筹考虑全线土石方平衡后的动态变化、施工条件、调土运距的经济性，对土石方进行多方案优化调配，在满足各渠段填筑土料的情况下，相应减少弃土占压133.33余hm2。

在渠道优化设计与土石方优化调配的过程中，需要先进的计算方法配合。而目前渠道常规设计基本方法是截面法，即根据拟定的渠道中心线测量横断面，通常截面垂直于渠道中心线，在横断面上进行挖填计算。这种方法的弊端是：1）截面是根据不同设计阶段要求等距离测量好的，如果调整了渠线，那么这种数学关系将不复存在，重新测量横断又会造成时间与资金的大量浪费，使得渠线微调在实际操作中几乎不可能完成；2）渠道设计中纵横断面数据，水力要素、附属水工建筑物、土方开挖与弃土等是孤立的数据，某一要素的改变，相关因素都要通过手工逐一修改。虽然通过辅助软件提高了设计效率，但不能满足优化的需要，每变更一次渠道中心线，就需要把纵横断面设计的流程重新计算一遍，一个方案的确定往往需要多次的设计—反馈—重新设计过程，由此可见渠道优化设计的工作量是惊人的，特别是在设计周期很短的情况下，这在很大程度上限制了项目的进一步优化设计。

鉴于此，在济平干渠渠道优化设计的过程中，探索采用并逐步完善了 “基于渠道信息模型的动态三维可视化设计”。该设计方法利用现有测量资料创建三维曲面，其三维地形模型又能自动生成2D/3D的等高线、三角网、三维彩图、坡度分析、模拟地表径流、纵横断面等详细信息。通过创建的三维地形模型可以在虚拟现实的地形上进行线路优选、渠线微调，不受测量横断面限制而可任意分割的横断面使渠道土石方挖填平衡计算结果更为精确，计算效率较常规的渠道设计辅助软件提高数十倍，为渠道优化设计和长距离土石方平衡调配提供了充分的依据。

TV68

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1009-6159（2012）-09-0008-03

韩凤来（1961—），女，研究员

（责任编辑黄晞淳）