南水北调中线渠道工程关键技术研究

谢向荣 郑光俊

摘要：针对南水北调中线渠道工程中膨胀土渠道、大型渡槽设计难题，开展技术攻关，取得了系列创新成果。在强降水区深挖高填膨胀土渠道方面，开展了多裂隙膨胀土边坡综合抗剪强度取值方法、原生裂隙面控制的深层滑动稳定分析方法、坡面保护与坡体加固的新型结构及其控制标准、填方渠堤剩余沉降量预测与控制方法、水泥改性土等关键技术研究，形成了膨胀土边坡设计理论方法和标准体系。在超大型渡槽結构设计方面，开展了低耗水头新型渡槽型式、温度荷载模式、预应力设计方法等研究，发展了超大型渡槽设计理论方法、设计控制标准。南水北调中线工程渠道关键技术的研发，解决了渠道工程设计技术难题，缩短了关键工期，保证了工程顺利建设和按期通水，取得了显著的经济、社会和生态效益。

关键词：膨胀土渠道，超大型渡槽，关键技术，渠道工程，南水北调中线工程

中图法分类号：TV68文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.02.007

1 研究背景

南水北调中线工程是世界上最大的跨流域调水工程，是实现我国水资源优化配置、促进社会经济可持续发展、保障和改善民生的重大战略性基础设施，也是解决华北区域性缺水和实现京津冀一体化协同发展国家战略的基本保障。一期工程输水总干渠总长1432.8km，跨705条河流，全线立交，年调水量95亿m³，最大流量420m³/s。其中，被称为“工程癌症”的膨胀土渠道长387km，单跨荷载达国内外同期水平近4倍的超大型渡槽27座。渠道工程跨越四大流域，自然条件复杂，技术难度大幅度超出我国现有工程经验和规范适用范围，尤以强降水区深挖高填膨胀土渠道边坡稳定、超大型渡槽结构安全问题最为突出。这些难题能否攻克，直接影响南水北调中线一期工程建设和我国水资源配置战略实现的成效。

依托多项国家“十一五”“十二五”科技支撑计划项目，通过专题研究和现场1：1物理模型试验，在设计理论方法、设计控制标准和施工技术等方面取得了技术突破，形成了系统的渠道工程设计与施工技术方法和标准，确保了南水北调中线工程顺利实施。

2 膨胀土渠道设计与施工

在膨胀土渠道设计中提出了“护、截、排、固”系统设计方法。构建膨胀土大气影响分带、裂隙连通性、湿胀软化效应下的抗剪强度取值模型，提出了随机分布长大裂隙渠道边坡稳定、剩余沉降控制标准和动态预测方法，研发了M型支护新结构，攻克了深挖、高填渠道结构安全关键技术难题。

2.1 膨胀土大气影响分带、裂隙连通性下的抗剪强度取值研究

通过大量现场和室内试验研究工作，根据膨胀土分带特性（见图1）、裂隙连通性（见图2）构建了膨胀土的抗剪强度取值模型，考虑分带、裂隙长度、密度及其联通性的膨胀土综合抗剪强度取值公式为

U=4.520N₁+1.252N_a+0.275N_n（3）式中，N₁为每平方米土体中长大裂隙（裂隙长度大于2m，按2-7m考虑）条数统计值;N_s为每平方米土体中大裂隙（裂隙长度0.5-2m）条数统计值;N_n为每平方米土体中小裂隙（裂隙长度0.05-0.5m）条数统计值。

2.2 随机分布长大裂隙渠道边坡稳定计算与评价方法

针对膨胀土地层中长度大于7m的原生裂隙面分布、裂隙面的产状等难以查明的特性，构建了最不利滑动面网格搜索模型（见图3），提出了随机分布原生裂隙控制的渠道边坡稳定计算方法与评价方法，为渠道边坡稳定性评价和加固工程措施设计提供了依据。

具体计算时，根据现场施工地质勘察确认的原生裂隙分组产状划分网格，按网格节点控制的组合滑动面进行最不利组合搜索;在分析组合滑动面控制的坡体稳定时，可以加入部分裂隙因膨胀变形或卸荷作用而张开后在大气降水或渗水时裂隙充水形成的静水压力。当构成滑动面的裂隙为N组时，构成组合滑动面为N-1个。通常膨胀土原生裂隙构成的滑动面控制节点为1-2个。

2.3 膨胀土保护层的厚度和范围研究

依据大气作用对水泥改性土、低膨胀性土影响特征研究成果，基于坡体膨胀土的有荷膨胀率及膨胀土在保护层作用下含水量变化控制要求，首次提出了保护层下方膨胀土压应力与有荷膨胀率关系：

根据试验分析：a=23.946-68.130Wo;b=14.218Wo-5.288。通过a，b即可求得换填层厚度对应的上覆荷载v。按公式D=v/（v_cCOSα）即可求得换填厚度，其中，D为换填厚度，y_c为换填材料容重，α为边坡正倾角。

2.4 渠道边坡M型支护新结构

针对深挖方渠段长大裂隙控制边坡加固问题，结合渠道断面特征，提出了M型膨胀土边坡加固新型结构（见图5），系统提出了结构计算基本模型、计算公式、安全控制标准等设计理论与方法。

计算假定为：抗滑桩外侧荷载由P_ca确定，其中，P_c为由边坡稳定计算确定的下滑力，a为桩纵向中心间距;坡面梁、抗滑桩滑动面以上桩体内侧和滑动面以下桩体两侧与土体间相互作用力根据位移量按基床系数法确定。

采用结构有限元计算M型支护体系的变形和桩土之间的相互作用力。其中，滑动面以上桩前土抗力为

滑动面以上桩前土抗力还应满足坡面梁下方土体刚体极限平衡条件：

计算步骤如下：①取δ_p初值为0;②由式（6）计算P_k2，假定P_k初始为三角形分布，作用于抗滑桩内侧;③采用结构有限元进行M支护体系结构计算，求得δ_p和δ₁;④分别按式（6）、式（5）求得P_k2和P_k1，若P_k2≈P_k1则按结构内力进行截面和配筋设计，否则回到步骤②。

2.5 填方渠道剩余沉降控制标准和动态预测方法

针对高填方渠道工期紧、沉降期不足的难题，开展了堤身断面附加荷载分布特征研究，提出了填方渠堤预沉降期动态预测方法及步骤（见图6）和剩余沉降控制标准（见图7）。应用该成果可避免高填方渠道工后过大沉降导致衬砌板开裂，复合土工膜脱开以及排水设施错位等问题，保障了渠道运行安全。

2.6 渠道工程設计施工技术标准

依托“十一五”“十二五”国家科技支撑计划项目，采用现场勘察、室内试验、仿真分析以及现场大型原型试验等方法，对膨胀土渠道开挖、防护、水泥改性土拌制、填筑、衬砌施工技术标准等进行研究，系统制定了渠道开挖、填筑、土料改性、衬砌与防护设计施工技术标准，解决了膨胀土渠道设计施工的质量安全控制技术难题。相关控制标准和施工技术规定见表1、图8。

3 超大型渡槽设计与施工

通过国家科技支撑计划课题攻关及设计实践发展了超大型渡槽设计理论方法，发明了异型叠合的“分体式扶壁梯形”新槽型，并研发了超大型渡槽施工成套技术，制定了技术标准。

3.1 U型渡槽温度荷载加载方式研究

在湍河渡槽1：1仿真模型试验槽（见图9）上布设大量温度测点进行多工况多时段测试，结合理论分析，首次提出了适用于U型渡槽的“分区折线形”温度荷载模式，该温度荷载模式下，渡槽内外壁间的温度沿壁厚方向呈折线分布，分区综合反映了渡槽槽顶、向阳面、阴面、水上和水下等不同部位，不同条件下的温度荷载（见图10），使得温度荷载模拟更接近实际情况。

3.2 U型渡槽环向筋预应力损失计算及测试方法

针对U型渡槽环向预应力钢筋提出了“单参数预应力损失”计算理论及其参数测试方法（见图11）。传统的预应力摩擦损失计算及测试公式为式中，σ_con为预应力钢筋张拉控制应力;u为预应力钢筋与孔道壁之间的摩擦系数;θ为从张拉端至计算截面曲线孔道部分切线的夹角;K为孔道每米长度局部偏差的摩擦系数;x为张拉端至计算截面的距离。

对于曲线预应力钢筋影响预应力损失的参数有摩擦系数u和局部偏差的摩擦系数k。在重要的大型工程中应根据现场实测值调整以上两个参数，现场测试一般根据多束预应力钢筋的张拉端及被拉端的钢筋拉力，进行二元线性回归进行反演推算，该方法比较繁琐，受制约因素多，测试结果不精确，甚至失真。为解决以上问题，将传统的曲线预应力钢筋摩擦损失计算公式变形调整如下：

该理论将曲线预应力钢筋的预应力损失计算参数由传统的双参数简化为单参数，简化了预应力损失的计算，便于曲线预应力钢筋的摩阻系数现场原位测试，使得曲线预应力损失的测试和计算更具可操作性。

3.3 U型渡槽预应力配筋设计及优化研究

通过精细数值仿真研究和分析比较，提出U型渡槽槽身纵向预应力钢筋以“碗底”布置为主，腰部和顶部布置为辅，“碗底”与腰部逐渐过渡的“纵向分区”布置模式;环向预应力钢筋圆心略低于槽身内壁圆心，形成槽身上部直段环向预应力筋靠近外壁，槽身下部圆弧段预应力钢筋与内壁面距离由腰部向底部渐变加大的“环向非同心”布置模式。在该布置模式下，可通过调整纵向分区锚索数量和环向非同心度，达到槽身结构应力条件最优的目的，U型槽预应力筋典型布置参见图12。

3.4 超大型梁板一体箱型渡槽经济槽跨优化研究

超大型梁板一体箱型渡槽的经济槽跨与断面和下部结构有着密切关系，在多座超大型梁板一体宽浅箱型渡槽原型设计的基础上，基于充分发挥材料性能，并考虑渡槽结构构造要求，引人各组成部分价格参数，建立了主体工程费用与渡槽断面、跨度、材料性能、材料价格等多参数方程：式中，G为渡槽段工程费用;G_u为与跨度无关的费用;A、S分别为渡槽的截面面积和跨度;q为自重及水荷载;R_g为钢绞线的价格参数;f_g为钢绞线的强度。

通过极值求解快速获得渡槽经济跨度，为超大型梁板一体宽浅箱型渡槽经济槽跨优选提供了一种新的便捷设计方法。

3.5 分体式扶壁梯形渡槽结构设计研究

研发分体式扶壁梯形渡槽结构型式（见图13），该类型渡槽考虑工程区既有布置条件，槽身过水断面同输水干渠，无额外水头损失，解决了南水北调中线工程建设期新增青兰高速交叉渡槽工程分配设计水头小的难题。该型式渡槽预应力承重构件（平板支撑结构）和钢筋混凝土挡水构件（扶壁式挡水结构）既相互独立又协同承载，结构受力合理，分别满足预应力结构设计控制标准和普通钢筋混凝土结构设计控制标准，可充分发挥材料性能。

建立了预应力承重构件与钢筋混凝土挡水构件“既相互独立又协同承载”的计算模型，即承重构件（平板支撑结构）主要承担自重、挡水构件重量及水重，按预应力结构要求计算，挡水构件（扶壁式挡水结构）主要承担水平水压力，按钢筋混凝土结构要求计算，承重构件与挡水构件通过接触传力。

在挡水构件上设置渗控体系，降低扬压力，按建在混凝土基面上的挡墙进行稳定应力分析。同时，考虑承重构件和挡水构件的接触关系，建立三维有限元模型进行仿真分析并优化调整，最终确定渡槽结构及其布置。

对于斜交渡槽，通过理论研究求得渡槽在平面上的不平衡力偶大小为

M=（3dLh²ctana+2Lh³ctanβ COS a）/6（13）式中，M为不平衡力偶;d为渡槽底宽;L为渡槽长度;入为渡槽内水深;α为渡槽轴线与水平线夹角;β为扶壁式挡水结构坡面角。

针对平面上存在水平不平衡力偶的斜交渡槽开展技术攻关，提出合理选用支座、设置抗扭转挡块和整体考虑下部结构等综合处理技术。

3.6 超大型渡槽设计施工技术规定

对超大薄壁全预应力渡槽和分体式扶壁梯形渡槽，分别提出了渡槽的设计控制标准。其中，超大薄壁全预应力渡槽主要包括一体式的U型渡槽及矩形渡槽，槽身全部按照抗裂要求进行设计。应力及变形控制标准如下：

（1）正截面抗裂验算按不出现裂缝的构件进行控制，要求任何工况槽身内壁不允许出现拉应力，槽身结构外壁表面拉应力不大于混凝土轴心抗拉强度设计值的0.9倍。

（2）斜截面抗裂验算按不出现裂缝的构件进行控制，混凝土主拉应力和主压应力应符合下列规定：

σ_tp≤0.85f_tk，σ_cp≤0.6f_ck（14）式中，σ_tp，σ_cp分别为荷载标准组合下混凝土主拉应力及主压应力。

（3）槽身挠度要求：f≤L/600，L为槽身跨度。

分体式扶壁梯形渡槽槽身结构设计需满足稳定、承载力（强度）、正常使用（变形，裂缝控制）等要求，渡槽槽身挡水结构为普通钢筋混凝土结构，按照抗裂要求进行设计;槽身平板支撑结构按照全预应力结构设计。另外，槽身挡水结构稳定计算控制标准参考SL 265《水闸设计规范》进行，稳定控制标准参照岩基上的结构取值。

通过多的勘察设计，总结形成了NSBD-ZGJ-1-25《南水北调中线一期工程总干渠初步设计梁式渡槽技术规定（试行）》，规定内容包括梁式渡槽土建工程设计标准与基本资料、总体布置、水力设计、荷载及其组合、渡槽稳定性计算、渡槽结构设计、河道冲刷计算与防护设计、工程量计算和提交成果等。该技术规定已由南水北调中线干线工程建设管理局在2007年9月29日发布实施，填补了渡槽设计标准空白。

4 渠道工程关键配套装备研究

为解决南水北调中线渠道工程设计和施工中的诸多技术难题，依托于科研和设计，研究开发了一系列配套装备，并形成了专利技术。

4.1 薄壁预应力渡槽预应力锚固体系

南水北调中线超大型薄壁渡槽荷载大，预应力锚索布置量足，受到施工条件和结构自身限制，传统的预应力锚固系统不能适应渡槽建设需要。通过在传统P锚上增加开口套和C型扣环等，对传统固定端P锚进行了改进，研发了槽身纵向预应力固定端新型P锚（见图14），解决了超大U型渡槽单端张拉情况下被拉端挤压锚制作空间小，难度大的问题，同时，加大了有效预应力施加范围，降低施工难度，缩短了工期。通过联接多索无粘结预应力钢筋的锚垫板，布置网格状锚下局部承压钢筋，研发了渡槽环向小间距联排扁形锚具张拉端装置（见图15），解决了预应力薄壁结构在锚索布置密集的情况下，标准锚具预应力损失不易控制和锚下混凝土局部承压能力不足的问题。

4.2 超大型预应力渡槽伸缩缝止水结构

渡槽接缝渗漏一直是困扰水工结构设计的顽疾，在南水北调中线渠道设计中通过1：1仿真模型试验和湍河渡槽、澧河渡槽等工程建设实践，研发了粘压式渡槽止水结构和嵌槽式渡槽止水结构，解决常规渡槽止水易漏水的难题。粘压式渡槽止水结构（见图16）先采用粘的方式将止水带固定于不锈钢止水基座上形成粘合式止水，再采用螺栓和槽钢压板对止水带进行压紧增强止水效果，形成粘压结合式止水结构。该止水预埋螺栓孔位于止水基座上，现场施工时根据止水基座上的孔位对压板和止水开孔，解决了传统止水螺栓预埋精度不易控制的问题，且精度高，紧固力有保障;嵌槽式渡槽结构（参见图17）通过螺栓和压板将异形止水带上的圆管状凸起挤压嵌入不锈钢嵌槽，阻断渗漏通道以止水，并通过“粘”的方式增强止水效果，止水弱化了传统止水对混凝土基面平整度的高要求。该止水预埋螺栓孔位于不锈钢嵌槽上，现场根据该孔位对压板和止水带开孔，解决了传统止水结构螺栓预埋精度不易控制的问题，且精度高，紧固力有保障。

4.3 膨胀土渠道试验及监测装置

針对膨胀土渠道开发了现场大型直剪试验装置（见图18），解决了常规试验装置检测的局限性，即无法检测斜坡面土体抗剪参数、试样易受扰动以及占地面积大、安全性不足等问题。

同时，研发了拉线式观测柜、水平式双向变形监测系统、变位式土体分层沉降变形监测系统和膨胀土边坡自动化综合监测系统等，为膨胀土渠道边坡施工期及运行期提供了便利的观测装置、数据采集及数据分析系统。

5 结语

南水北调中线渠道工程关键技术的研发，解决了渠道工程设计技术难题，缩短了关键工期，保证了工程顺利建设和按期通水，取得了显著的经济、社会和生态效益。

截至2019年9月底，南水北调中线工程已不间断安全供水1700余天，从陶岔渠首调水入渠水量已超过268亿m³，从根本上改变了受水区供水格局，成为受水区的重要水源，直接受益人口超过1亿人。北京城区南水占到自来水供水量的73%，密云水库蓄水量突破25亿m³，增强了北京市的水资源储备，提高了首都供水保障程度。天津14个区居民全部喝上南水，南水北调已成为天津供水的“生命线”。南水北上后，北京、天津等受水区用南水北调水置换当地地下水水源，已压减地下水开采量逾8亿m³。北京市城市河湖水质明显改善，遏制了多年来地下水水位下降趋势。根据2019年6月底的监测数据，北京市平原地区地下水位与2015年同期相比上升3.16m。