南水北调沪津沿海输水通道典型断面设计与水头损失研究

周希圣

(上海申通地铁集团有限公司，上海 201102)

据近期水资源公报资料，仅河南、山东、河北、北京、天津等5区域的年地下水开采量即达到357.28亿m3。目前，南水北调东、中两线总量仅为90亿m3左右，中线工程大宁河三峡补水方案年调水能力仅30多亿m3，西线工程实施的难度极大，如果没有其它特别工程措施，中国北方地区将长期处于缺水状态。为此，笔者创造性提出建设沪津沿海输水通道的构想[1—2]，即沿现状海岸线外侧一定距离，重新构建一防潮大堤，并对原防潮大堤进行适当的加高，这样，新老防潮大堤间便形成了一条超级输水通路。该超级输水通道全长1200～1300km，调水规模可达500亿m3或更多，并实现如下两大目标，一是从根本上解决江苏、山东、河北、辽宁、天津、北京等高程在100m以下的低海拔平原区域的缺水问题；二是为黄河、海河、辽河等流域补充或置换部分生态、生产及生活用水，为三流域海拔100m以上地区节约300亿～400亿m3的淡水资源。文章在前期工程必要性、可行性及系列关键技术研究的基础上，根据整个输水区域地形地势特征、沿线建构筑物分布、长江口水源泥沙特性等，就典型区域的输水断面的结构形式与相应的水头损失等进行了设计与计算研究。

1 设计流量的确定

输水通路的设计流量Q，按受水区最高日平均用水量加上输水通道的漏失水量计算。在输水干渠内，水量损失包括防潮大堤坝体渗漏、河床底土体地下渗流泄漏、水面蒸发等。本工程针对不同地质条件，将综合考虑设置堤坝防渗墙，或采取结构防渗措施，防止海水渗漏而污染淡水资源，因此不考虑渗漏引起的流量损失。水面蒸发的量大致与降雨相抵消。同时，考虑全年最多有68d不能调水，因此，过水断面的总平均流量QT为：

(1)

式中，Q总—年调水总量，为5×1010m3；T—有效调水时间，取297d。计算得平均流量为1948m3/s。

2 输水通道的断面设计

2.1 输水通道的断面划分

从上海崇明岛区域到天津渤海湾范围的整个输水通道，由南至北，按照地理位置的不同，可以分为取水段(约50km)、滤沙段(约50km)、黄海输水段、胶东半岛陆上段及渤海湾输水5个区段，最后进入渤海湾储水湖，并可由此进一步向北向西输送。根据输水方式的不同，以及沿线需要穿越一些风景点、河道、重要的建构筑物等，可以分为盾构隧道段、明渠段及箱涵段等3种断面形式，全线90%以上拟采用明渠输水。

2.2 隧道段断面设计

对于沿线一些大的河流(如黄河)、水闸、泵站、港口、高速公路、铁路等，在特别困难区段，借助明渠输水从经济、社会影响等有可能代价较大，则可通过盾构掘进形成输水通道。鉴于本工程总的输水量非常大，一方面，需要确定输水隧道的直径、数量、流速以及沿程水头损失等参数，同时须验算该参数条件下隧道的结构受力是否满足要求。

2.2.1隧道段水头损失计算

输水隧道满流或在压力流状态下管径与经济流速的关系如下：

(2)

式中，D—隧道直径，m；ve—经济流速，m/s。

沿程水头损失hi为：

hi=il

(3)

式中，i—单位隧道长度的水头损失，m；l—隧道长度，m。

(4)

式中，R—水力半径，对于圆隧道，其在满流状态下，R=D/4；C—流速系数，C=1/n*R(1/6)，n为粗糙系数，对于混凝土管节，取n=0.013。

局部水头损失：

(5)

式中，h2—局部水头损失，m；ξi—局部阻力系数，进出口断面处各取0.1，转角为90°阻力系数计算如下：

ξ90°=0.131+0.163(d/r)3.5

(6)

由于本工程的断面流量较大，因此需要多条超大直径隧道来进行输水，并适当增加隧道内的水流速度。根据给排水设计规范，混凝土管节的最大水流速度亦不允许超过4m/s。考虑将来有检修维护等工作，故建议最大速度控制在3.0m/s。目前，国内最大直径盾构隧道为15.2m。本工程亦尽可能选用大直径隧道，以提高断面流量，降低水力坡度，文章隧道净外径取15m，内径取13.7m。90°转弯半径r取25m，计算得ξ90°为0.15。总的局部阻力系数ξi为0.5。

若沿线借助盾构隧道的方式，单根隧道的总长度为10km，经计算，内径13.7m满管状态下水力半径3.425m，1、2、3m落差下水流速度分别为1.747、2.471、3.02m/s，单根隧道的年调水能力分别为81、114、140亿m3，须建设4～5条这样的大直径隧道才能满足相应的调水能力。

2.2.2隧道结构受力

对于如此大直径的隧道，需要对其在不同地质条件、不同覆土深度条件下的结构受力是否满足要求。

(1)计算模型

采用比较成熟的η-ξ法进行设计计算，并选用错缝双环弹簧模型进行校核分析，以设计成经济合理的衬砌结构。计算过程中，先将单环以匀质圆环计算，但考虑环向接头存在，圆环整体的弯曲刚度降低，取圆环抗弯刚度为ηEI(η为小于1的弯曲刚度有效率)，再考虑错缝拼装后整体补强效果，进行弯矩的重分配。衬砌环在接头处的内力如下：

接头处内力：

Mji=(1-ξ)Mi，Nji=Ni

(7)

相邻管片内力：

Msi=(1+ξ)Mi，Nsi=Ni

(8)

式中，ξ—弯矩调整系数，取0.3。Mi、Ni—匀质圆环模型的计算弯矩和轴力，Mji、Nji—调整后的接头弯矩和轴力；Msi、Nsi—调整后的相邻管片本体的弯矩和轴力。

(2)工程地质条件

文章参考崇明岛及江苏启东段的软土地质条件，其同深度条件下计算所得的结构内力相对较大。该区域浅层土分布有填土层(或耕土层)其一般厚度为0.6～1.0m，土质松软。次层为粉层黏土，局部地段以粉质黏土夹粉土薄层为主，此层厚度2～4m不等，其下层为粉砂黏土互层，局部夹有粉细砂薄层，较均匀，厚度7.5～10.0m，属滨江临海的冲积平原。

(3)典型断面计算结果

参照上海地区已建多条大直径盾构隧道的设计经验，并根据将来穿越过程中结构所处的工程与水文地质条件、埋置深度、结构特点等，文章模拟计算了直径为15m的隧道在不同覆土深度：21m(浅埋)、27m(中埋)、31m(深埋)、36m(超深埋)等4种特征深度的结构内力。图1—2是2m环宽超深埋(h=36m)的结构内力分布。不同深度的汇总见表1，据此，管片的厚度取值为0.65m，可以满足结构内力的配置要求。对于结构抗震等，经验算符合条件，文章不予详述。

表1 上海长江口直径15m隧道管片不深度内力计算

图1 超深埋弯矩图(kN·m/环)

图2 超深埋轴力图(kN/环)

2.3 明渠段断面设计

现状海防大堤的外侧多为滩涂或沙滩，地势非常平坦，因此，沿线主要区域向外海延伸500～800m，高程的变化在1～2m间，对于新坝体砌筑的高度影响非常有限，且该范围内无居民，地势低洼，整个开挖工作量低，是非常理想的输水通路。新老坝体间的距离越大，输水能力越强。工程主要沿海岸线布设，通过明渠的方式，从工程造价、水头损失及永久运营维护等方面，相对于隧道而言，均有较大优势，因此从长江入海口至天津渤海湾的整个输水通路，拟主要通过明渠的方式进行。本工程的取水段、滤沙段及正常输水段，因其承担的作用不同，其通道的宽度、深度等有所区别，须根据泥沙的输运特性、运行水位控制、水流速度、水力坡度控制等多方面因素，确定最佳断面形式。

2.3.1水深h0的确定

根据前期研究，考虑调水能耗问题，本工程的取水端的死水位不宜低于-0.5m，北端渤海湾的储水湖区域的最低运行水位不低于-2.5m，即整个输水通路的最大落差为2.0m。坝内不同高度的运行水位深度，其沿程水头损失相差较大，文章计算了7.0、8m、9、10m水深，以及不同宽度条件下沿程水头损失。

2.3.2流速控制

本工程一方面要将总量达500亿m3的淡水资源北送，需要增大输水断面的流速，以降低整体占地和工程造价；另一方面，因沪津之间主要沿海岸线布设，其间几乎没有海拔高差，过大的流速将导致沿程水头损失的增大，意味着需要消耗更大的电力资源，需要控制水流速度。同时，在取水段不应因泥沙淤积而导致取水流量受限。根据前术，长江口淡水的泥沙含量在0.8～1.0kg/m3之间，启动流速为0.5～0.7m/s，综合考虑上述各因素，文章暂按1.0～1.5m/s进行取水段流速控制。实际上，对于粒径在0.0177～0.0063mm的长江口水流中的固体颗粒物，流速大于1m/s时，即便有淤积，也会被冲刷水流带走。但在泥沙过滤沉积段，又希望泥沙在该希望泥沙在该区段充分过滤沉积，该区段的水流速度拟控制在0.3m/s以下。对于正常输水段，水流速度拟控制在0.5～1.0m/s，以降低沿程水头损失。

2.3.3断面尺寸及水头损失计算

按照年调水能力为500亿m3计算，本工程的设计断面流速为1948m3/s，根据公式(4)，假设从上海到天津段明渠总的运行长度为1200km，同样，取粗糙度系数为0.013，在运行水深7～10m变化的条件下，不同宽度的明渠水头损失相差较大，其结果见表2。根据计算，其水深在7～10m变化时，对应于500m宽的干渠，水头损失在1.51～4.87m间变化，对于800m宽的干渠，则水头损失降低至0.58m～1.88m。

因适当增加渠内运行水深对降低水头损失作用显著，综合考虑造价等因素，建议适当增加筑坝的高度，因此若按500m宽10m深设计，1200km长水头损失为1.51m。

表2 1200km长不同断面水头损失计算结果

2.3.4防潮堤设计

整个沪津输水通道的主干路按一级防潮标准且不允许越浪设计，并以此控制相应的泵站、闸、涵等建筑物的设计标准。其超高计算按下式确定：

Y=R+e+A

(9)

式中，e—设计风壅增水高度，m；Y—堤顶超高，m；A—安全超高，I级防潮工程取A=1.0m；R—设计波浪爬高，m。

波浪爬高为：

(10)

式中，RP—累积频率为P的波浪爬高，m；KV—经验系数；KΔ—斜波的糙率及渗透性系数；KP—爬高累积频率换算系数；H—堤前波浪的平均波高，m；L—堤前波浪的平均波长，m；m—斜坡坡率。

若以上海吴淞口段为例，该区域100年一遇的高潮位为6.13m，按此进行加同频率风浪设计，用300年一遇高潮位加同频率风浪校核(6.40m)；计算风区长1.4km，平均最大风速Vmax17.4m/s，堤前水深5.0m，经计算，风壅增水高度0.03m，波浪爬高1.27m，安全超高1.5m，最后坝顶标高为+9.2m，堤顶宽10m。据此，初步确定堤坝顶高程为+8.0m，并设置1.2m高的防浪墙，典型深槽段堤坝结构如图3所示。

2.4 箱涵段断面设计

沿线有20多条大大小小的河流，这些河流的宽度在10～50m变化不等，同时，可能尚有一些风景区或其它敏感区域，须保持原有风貌。对于河流穿越，有两种方式，一是平面交叉，并且双向设置两道水闸，平常南北通水主方向开通调水，横向河流闸门关闭；在防洪排水时，横向河流闸门开通，南北向闸门关闭暂停调水。另一种是立体交叉，可通过箱涵形式，涵内进行淡水输运，箱涵上方供现有河道与海面发生水力联系，或者保持上方原有风貌。假设箱涵高度在10～15m，并适当提高箱涵内的水流速度至1～3m/s，以适当降低箱涵的断面。则要满足1948m3/s，断面的宽度在50～200m。具体要根据沿线需要进行箱涵布设的总长度及引起的相应水头损失、需要的坝体高度等确定。文章假设以总长度50km进行相应的箱涵布设。如果水深按15m计，该矩形断面的水力半径6.97m，宽度为50m的水头损失为5.51m，100m宽的水头损失为1.17m，200m宽的水头损失则迅速降低至0.27m。实际施工中，可先对河道进行改道，再通过SMW工法桩、地墙或其它围护方式，明挖完成箱涵制作，实现河道等的穿越。

图3 输水干渠断面示意图

图4 取水口平面布置示意图

3 取水段线路优化

鉴于盾构隧道、明渠及箱涵断面调水的造价差异大，同时，采用圆隧道断面的水头损失相对明渠要大，因此，我们就取水线路进行了优化。前期研究中，建议取水口位于青草沙水库上游2～3km的长江入海口南支，通过盾构隧道的方式穿越崇明岛、长江北支、如东路陆上段并进入黄海海岸线，线路全长40～50km。另一方案是将取水口向长江口上游移动，至崇明岛上游长江入海口的北侧，由海门三星镇进入启东东余镇选择合适的地点进入黄海输水段，区段采用明渠穿越的方式，长度在40～50km(如图4所示)。

(1)工程造价。现有大直径盾构隧道的建设经验，一般直径15m的隧道造价约为人民币25万～30万元/m，如果建设5条以满足相应调水能力，则造价125万～150万元/m对于崇启段，如果全部修隧道，则50km的总费用680亿～750亿元。对于宽度为300m，深度为7～10m的明渠工程，其造价40万～50万元/m。因此，从海门长江分叉段上游北岸至启东东余镇50km长明渠总造价200亿～250亿元，未考虑道路桥梁等的特殊穿越措施费用。从土建角度，取水段纯隧道方案或部分隧道方案与明渠方案相比，造价高较多。

(2)工程动迁。取水段50km若全部以明渠穿越，选线上应避开城镇居民集中地，假设以400m宽作为控制线，占用总面积约20km2，大约是一个乡镇的面积。因工程开挖会多余大量土方，适度回填至外海，可以增加滩涂和陆域面积，即土地面积不会有缺失。工程土地与房屋征收应在数亿元内。如果全部隧道方案，则没有土地征收问题。

(3)运营水头损失。该区段须采用相对高的流速进行调水，若为明渠方案，日常及最高运行水位分别仅为1.385m与2.68m，而全部隧道方案则达到14.8m，差不多为前者的10倍。

因此，取水段采用明渠调水，一是水头损失可有较大的减少，二是工程造价降低较多，故建议采用长江分叉段上游北侧明渠取水的方案。假设整条线最大运行水深按10m计，主要线路采用明渠调水，沿程水头损失可控制在2～3m，长江口位置水位变化一般在+2.0～+4.0m之间，南端取水口位置提升6～8m即可将水资源输送至天津，运行成本仅为0.016～0.02元/t，运行费用极低。

4 结论与展望

水力计算和结构受力分析表明，采用沿海岸线布设的超级输水通道，并以明渠为主的方式，具有水头损失小，运行费用低等特点；同时，通过流速控制，可以将北调长江水的泥沙控制设定区域内，一方面可以防止淤塞关键部位，另一方面，可以使得北调江水沉淀净化。对取水口适当上移，至长江南北分支位置北侧，并以明渠方式穿越南通海门市，有助于进一步降低工程造价。工程若结合景观、交通等同步建设，将创造极大的社会、生态、经济与环境效益，具有极其重要的战略意义。