谈采煤沉陷对泵站引水渠过流能力的影响

孔令武，满月光，宋 翔

（南水北调东线山东干线有限责任公司，山东 济南 250109）

南水北调二级坝泵站位于山东省微山县欢城镇境内，是南水北调东线工程的第10级抽水泵站，主要任务是将水从南四湖下级湖提至上级湖，实现南水北调东线工程的梯级调水目标。二级坝泵站位于高庄煤矿和崔庄煤矿规划开采范围，引水渠主要布置于高庄煤矿北部，大部分已处于深部采空范围，已造成引水渠南部左岸和右岸出现严重损害。

1 泵站引水渠概况

引水渠总长2112.4m，连接下级湖内的东股引河和泵站进水闸，将南水北调的水顺利引至泵站进水池，满足水泵提水运行的需要。引水渠全线横断面均采用梯形明渠输水断面，引水渠进口底高程27.80m，泵站进水闸前渠底工程27.30m，渠底比降1/4025，左堤顶宽4.5m，右堤顶宽2.0m。

引水渠桩号为设计桩号，0+000桩号设在泵站主厂房中心点，向上级湖为正，向下级湖为负。引水渠起点位于进水闸上游100m处，桩号为-0+183.20，末端位于引水口处，桩号为-2+295.6。引水渠在-0+955.14桩号设弯道，弯道轴线曲率半径300m，圆心角20°；在-2+094.73桩号设弯道，弯道轴线曲率半径300m，圆心角22°。

2 引水渠原纵横断面设计

2.1 纵断面及水面线设计

引水渠设计流量125m3/s，冬季最小引水流量80m3/s。引水渠进口底高程设计为27.8m，低于东股引河底高程0.6m。泵站进水闸前渠底工程27.30m，渠底比降1/4025。引水渠梯形断面，底宽60m，边坡1∶2.5。引水渠水面线利用引水渠进口水位作为起始水位，按明渠均匀流公式向下游推算，与引水渠段末端进水闸上游水位衔接。

2.2 引水渠横断面设计

根据设计流量的大小、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，力求挖方和筑堤方、填筑站区防洪平台土方实现基本平衡，以减少占地，据此确定设计水深为5.0m，设计边坡为1∶2.5。引水渠内边坡采用预制混凝土板衬砌，渠底碾压密实、不衬砌，综合糙率系数为0.022，设计底宽为60m。

3 引水渠过流能力分析

3.1 引水渠测量方式

本次测量采用2000国家大地坐标系统，3°分带，中央经线为东经117°。地面数据采集是在山东省建立的全球导航卫星系统连续运行参考网系统（SDCORS）下，采用徕卡GS15型GPS卫星接收机，运用GPS实时动态测量RTK技术获得各点的2000国家大地坐标，室内使用CASS数字成图软件绘制地形图；水下数据采用测量船上架设GNSS接收机挂接中海达HD310型全数字双频测深仪的方式，由GNSS接收机获取平面坐标及正常高，测深仪获取水深数据，通过计算获取水下点的高程数据，完成渠道内水下地形测量，最终室内生成水下等高线。利用采集到的数据，使用断面生成软件形成渠道纵、横断面成果及纵、横断面图。

3.2 工程变形观测数据分析

受煤矿地下采煤影响，自施工期引水渠不同渠段就开始发生不同程度的沉降变形，部分渠段和引水渠交通桥现已沉入水中。2009年4月30日至2012年11月25日，观测点最大沉降值在-（1+639）桩号处，沉降值为3.52m。2013年3月通水初步验收后，对桩号-（0+183.2）至-（1+659）已发生沉陷的部分引水渠进行了测量，桩号-（0+183.2）至-（1+059）段未发生沉降，-（1+059）至-（1+659）段发生沉降，沉降量最大值在-（1+638）断面上，沉降值为3.748m。2019年12月观测报告显示自2013年2月引水渠东岸观测点（H6）累计沉降量最大，为426.4mm，引水渠西岸观测点（S5）累计沉降量最大，为600.5mm目前，设计桩号-0+600～-0+850范围内，引水渠右岸已完全沉入水下，设计桩号-1+300～-2+295.6范围内引水渠两岸已完全沉入水下。最南端引水渠交通桥于2017年10月开始发生急剧沉降，至当年12月累计沉降量超过700mm，2018年初已完全沉没至水面以下。目前该桥整体仍然沉没于水面以下，桥面高程31.20m，沉降约3.1m。

3.3 引水渠过流能力分析

根据2019年测量资料，因沉降原因，引水渠整体下沉，如图1，图2所示。

通过现状断面与设计断面对比，引水渠过水断面普遍增大，水深加深，在桩号-0+600～-0+850，引水渠右堤已沉降至水位下，桩号-1+300后，引水渠已沉降至水下。

河道按天然河道恒定非均匀流基本方程式计算：

图1 -0+600横断面图

图2 -1+304横断面图

式中：z1、z2分别为上、下断面水位，m；v1、v2分别为上、下断面流速，m；△hW为水头损失，m；△hf为沿程水头损失，m；△hj为局部水头损失，m。计算结果详见表1。

表1 过水断面面积统计表

根据测量结果显示，过流断面普遍增加10%以上，部分断面堤防已沉至水位以下，通过计算，现状引水渠过流能力满足泵站提水运行要求，且对原连接东股引河与泵站进水池，将南水北调的水顺利引至泵站进水池的功能无不利影响。

3.4 交通桥沉降及断面过流能力分析

由于桥墩及桥板等的阻碍和束窄作用，在桥前形成一定的水位壅高。采用《桥梁水力学》中公式进行壅水计算：

式中：ΔZm为桥前最大壅水高度，m；η为阻水系数，根据规范，η值根据桥墩阻断流量与设计流量的比值选取，当比值小于10%时，η=0.05；当比值介于11%～30%时，η=0.07；当比值介于31%～50%时，η=0.10；当比值大于50%时，η=0.15。

Vm为桥下平均流速，按照设计洪水流量除以桥址断面净过水面积；V为桥前平均流速，按照设计洪水流量除以桥址前断面过流面积。经计算，现状交通桥壅水高度0.05m，原交通桥壅水高度0.06m。

原交通桥处设计过流断面279.71m2，根据2019年7月测量资料，交通桥桩号处，扣除交通桥桥面、栏杆、桥墩等，过水断面为462.21m2，增加65%，经计算，交通桥处过流能力满足泵站调度运行要求。但沉入水中的交通桥桥面结构物对引水渠的水上运行管理存在隐患与威胁。

4 结语

现状引水渠过流能力满足设计输水功能要求，引水渠采煤沉陷对泵站的调度运行无不利影响，符合泵站实际运行情况，现阶段可不对引水渠采取处理措施。但为确保泵站工程安全，建议继续在二级坝泵站枢纽工程范围内进行安全监测，及时掌握泵站安全运行状况，若后期引水渠沉陷对工程安全及运行产生影响时，应及时制定方案，对工程采取措施，保证工程安全运行。交通桥已沉入水中，该处过流能力满足设计输水功能要求，可不拆除，为防止船只误入引水渠，建议设置明显、能显示构筑物轮廓的安全标识。