南水北調(diào)中線河南段左岸排水倒虹滲控設(shè)計(jì)

□于 軍(河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司)

□杜 遠(yuǎn)(黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司)

□戴 毓（河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司）

一、引言

南水北調(diào)中線一期工程輸水總干渠（含天津干渠）全長(zhǎng)約1432km，其中河南段境內(nèi)長(zhǎng)730km，河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司承擔(dān)的總干渠沙河南至漳河南段長(zhǎng)481km(不包括穿黃工程段)，段內(nèi)共有交叉河流和排水溝243條，其中交叉斷面集水面積＞20km2的76條，需布置大型河渠交叉工程；集水面積＜20km2的167條，其河穿渠交叉工程以及坡水區(qū)排水工程稱為左岸排水建筑物。

左岸排水工程均采用河穿渠交叉型式，其建筑物的型式根據(jù)河溝底高程、洪水位與總干渠渠底高程、渠水位的關(guān)系,有排水倒虹吸、排水渡槽和排水涵洞3種型式。排水倒虹吸是左岸排水建筑物中數(shù)量最多的一種型式,分布廣,工程規(guī)模差別很大。總干渠沙河南至漳河南段左岸排水建筑物共布設(shè)170座，其中排水倒虹吸126座。除排水渡槽外，排水倒虹吸和排水涵洞均位于總干渠下方，穿堤而過(guò)。穿渠建筑物滲漏或總干渠內(nèi)水外滲均會(huì)影響總干渠的滲透穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)分析研究，加強(qiáng)對(duì)該部位的滲控設(shè)計(jì)，直接關(guān)系到總干渠的安全問(wèn)題。

二、滲控設(shè)施布置原則

（一）一般要求

1.正常運(yùn)行條件下不滿足輸水要求的外水不允許進(jìn)入渠道，確保水質(zhì)安全。

2.在正常運(yùn)行條件下有效截?cái)鄡?nèi)水外滲滲漏通道，防止輸水系統(tǒng)發(fā)生較大滲漏，減少水量損失。

3.防止左排建筑物進(jìn)出口在低于渠道加大水位時(shí)兩岸渠坡發(fā)生滲透破壞。

4.防止左排建筑物管身以上回填土不均勻沉降，總干渠渠坡、渠底造成破壞。

5.在渠道防滲土工膜和建筑物內(nèi)部止水系統(tǒng)失效的情況下，渠道在短期內(nèi)不發(fā)生嚴(yán)重潰決和倒塌。

6.選擇有代表性的穿渠建筑物布置監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)穿渠涵管基坑填筑區(qū)、涵管側(cè)面接觸帶滲壓。

（二）滲控布置

1.當(dāng)總干渠渠道有下穿左岸排水倒虹吸等建筑物時(shí)，若所在部位渠道未設(shè)土工膜防滲，應(yīng)在穿越涵管上方對(duì)應(yīng)的渠段全斷面增加土工膜加強(qiáng)局部渠段防滲，土工膜沿渠線方向敷設(shè)范圍為穿渠涵管基坑開(kāi)口線適當(dāng)外延，且≥50m。

2.若涵管進(jìn)、出口兩端底高程低于渠道加大水位時(shí)，在涵管進(jìn)出口設(shè)置反濾排水，必要時(shí)在涵管適當(dāng)部位設(shè)置截滲齒墻。

3.在涵管進(jìn)出口段、相鄰渠堤坡腳排水體下方對(duì)應(yīng)的涵管兩側(cè)及頂部一定區(qū)域采用砂礫石混合料填筑，并滿足反濾要求。

4.對(duì)于地基存在較嚴(yán)重的不均勻沉降變形區(qū)、穿渠建筑物的結(jié)構(gòu)上方填土區(qū)，在土工膜下方的地層中設(shè)置土工格柵。

5.對(duì)于填方渠道或半挖半填渠道的外坡腳及臨近區(qū)域地基的浸潤(rùn)區(qū)進(jìn)行防護(hù)，采取反濾排水措施：應(yīng)優(yōu)先選用貼坡排水，若滲流出逸點(diǎn)較高時(shí)，可在渠堤外坡腳處設(shè)置排水棱體或排水褥墊；對(duì)于渠堤外坡腳設(shè)置的貼坡排水，其頂高程應(yīng)取堤外設(shè)計(jì)洪水位和堤身內(nèi)水外滲浸潤(rùn)線出逸高度中的較大者，并超高50cm；排水棱體及貼坡排水表面宜采用干砌石保護(hù)，洪水位以下可采用漿砌石保護(hù)，并設(shè)排水孔。

6.渠道滲流監(jiān)測(cè)設(shè)施布置應(yīng)結(jié)合施工標(biāo)段劃分、渠道滲控設(shè)施的設(shè)計(jì)，在高填方渠道、高地下水位挖方渠道適當(dāng)增加滲流監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)土工膜排水墊層下滲壓。選擇有代表性的穿渠建筑物布置監(jiān)測(cè)斷面，監(jiān)測(cè)穿渠涵管基坑填筑區(qū)、涵管側(cè)面接觸帶滲壓。

三、滲流分析

（一）分析目的與內(nèi)容

左岸排水倒虹吸為河穿渠交叉型式，進(jìn)行滲控設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)結(jié)合交叉部分渠道滲流分析，論證該渠段在施工、運(yùn)行、檢修等工況下防滲排水體系的滲控效果，為滲控設(shè)計(jì)提供依據(jù)。滲流狀態(tài)的分析與評(píng)價(jià)主要包括：渠道浸潤(rùn)線高程分布、出逸比降以及襯砌底板揚(yáng)壓力分布、渠道滲漏量等。

（二）滲透系數(shù)

滲流分析所采用的滲透系數(shù)，應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)勘探成果進(jìn)行取值，確定滲透系數(shù)取值范圍，必要時(shí)，在給定的滲透系數(shù)范圍內(nèi)進(jìn)行計(jì)算參數(shù)敏感性分析，確定合理的計(jì)算參數(shù)。滲控設(shè)計(jì)應(yīng)采用不利組合下的滲透系數(shù)。

（三）滲流計(jì)算方法

總干渠堤防滲流計(jì)算分析采用河海大學(xué)《水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)Atobank5》進(jìn)行計(jì)算。程序采用有限元分析法求解滲流場(chǎng)。穩(wěn)定滲流方程為：

式中：k 為土的滲透系數(shù)；Ф 為勢(shì)函數(shù)，Ф=（P/γW）+γ；γw為水的容重；P為水壓力。

選擇倒虹吸和總干渠交叉處的典型斷面進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算土層土質(zhì)及力學(xué)性指標(biāo)采用地質(zhì)報(bào)告中相應(yīng)指標(biāo)，計(jì)算工況采用運(yùn)行期最不利工況：土工膜完全失效條件下，渠道內(nèi)為設(shè)計(jì)水位，渠道外不考慮地表補(bǔ)給條件下的堤外預(yù)測(cè)低水位。

四、滲控設(shè)計(jì)

（一）土工膜及其敷設(shè)

1.用于渠道防滲的土工膜宜選用抗老化復(fù)合土工膜。規(guī)格為兩布一膜，單位面積質(zhì)量≥576g/m2，其中，膜厚≥0.3mm，布為長(zhǎng)纖土工布，單位面積質(zhì)量≥150g/m2，抗?jié)B強(qiáng)度應(yīng)在1.05MPa水壓下48h不滲水、滲透系數(shù)應(yīng)＜10～11cm/s，主要物理力學(xué)性能指標(biāo)應(yīng)滿足下表的要求。

土工膜主要物理力學(xué)性能指標(biāo)表

2.當(dāng)渠道地基不均勻沉降變形導(dǎo)致土工膜局部受拉時(shí)，應(yīng)在沉降變形區(qū)設(shè)置褶皺，總褶皺量應(yīng)適應(yīng)變形要求。

3.渠道地基下埋設(shè)有混凝土結(jié)構(gòu)物時(shí)，應(yīng)在混凝土結(jié)構(gòu)外輪廓附近設(shè)置褶皺，折疊范圍根據(jù)建筑物上方最小覆土厚度確定，總褶皺量應(yīng)適應(yīng)變形要求。

4.在土工膜與建筑物結(jié)構(gòu)聯(lián)接部位應(yīng)進(jìn)行折疊，折疊量≥30cm。

5.土工膜敷設(shè)時(shí)的褶皺或折疊方向應(yīng)沿土工膜主受拉方向。

6.對(duì)渠道過(guò)水?dāng)嗝婢植繀^(qū)域采用土工膜防滲時(shí)，土工膜應(yīng)覆蓋局部透水區(qū)域，且外延寬度≥200cm，并在透水區(qū)域周邊設(shè)梯形截水槽，土工膜嵌入截水槽中。

7.敷設(shè)的土工膜應(yīng)避免長(zhǎng)時(shí)間暴露，盡量減少接頭。設(shè)計(jì)應(yīng)對(duì)土工膜保護(hù)、減少縱向接頭的施工措施、接頭焊接提出明確技術(shù)要求。

（二）涵管截滲齒墻

為了保證在正常運(yùn)行條件下有效截?cái)鄡?nèi)水外滲滲漏通道，防止輸水系統(tǒng)發(fā)生較大滲漏，減少水量損失，左岸排水倒虹吸管身設(shè)置截滲齒墻：在渠道左右岸一級(jí)馬道堤頂中心線下方對(duì)應(yīng)部位的涵管兩側(cè)設(shè)置截滲齒墻。斜坡段寬度B根據(jù)水頭差及截滲齒墻周邊包裹粘土與混凝土接觸面之間的接觸滲流允許比降確定，但≥4m，計(jì)算公式為：

式中：B為斜坡段寬度；h為渠道加大水位；Δ為截滲齒墻處涵管外輪廓底高程；［J］為截滲齒墻周邊包裹粘土與混凝土接觸面之間的接觸滲流允許出逸坡度，應(yīng)依據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2001）取值。

結(jié)合類似工程經(jīng)驗(yàn)，經(jīng)綜合考慮，在工程結(jié)構(gòu)布置中，涵管兩側(cè)外壁面設(shè)置斜坡坡比i=1:0.3的截滲齒墻，斜坡齒墻在管身齒槽處沿管身高度滿貼角。且該箱涵基礎(chǔ)墊層采用深500mm的15%水泥土換填。

截滲齒墻段箱涵基坑兩側(cè)不陡于1∶3的邊坡進(jìn)行開(kāi)挖，該處箱涵兩側(cè)1m、頂部2m臨近區(qū)域采用液限WL＞35%，塑性指數(shù)IP=15-20，壓實(shí)度≥1的高塑性土回填。箱涵基坑采用滲透系數(shù)k≤1×10－5cm/s低壓縮性土進(jìn)行回填，低壓縮性土為土夾石，土類為中、重粉質(zhì)壤土，碎石占總重量的30%～35%，碎石粒徑控制在20～100mm，壓縮系數(shù)≤0.1MPa-1，壓實(shí)度≥1.0。

（三）反濾排水設(shè)計(jì)

在涵管進(jìn)出口段、渠堤坡腳排水體下方對(duì)應(yīng)的涵管兩側(cè)及頂部采用混合砂礫料填筑，該砂礫混合料與上下游翼墻后的排水砂帶中的軟式排水管相銜接，以便管身砂礫混合料收集的滲水一并通過(guò)墻內(nèi)排水孔排向下游，以便達(dá)到降低浸潤(rùn)線，減少接觸沖刷的目的?；旌仙暗[料的最大粒徑要求≤15mm，且級(jí)配應(yīng)滿足 Cu＜5，Cc=1～3 及 D15/d85≤5。

為滿足反濾要求，同時(shí)要求在砂礫混合料及截滲齒墻處基坑的回填土間設(shè)置級(jí)配粗砂過(guò)渡帶，縱向厚度為500mm。

混合砂礫料和級(jí)配粗砂均應(yīng)滿足濾土和排水要求，施工指標(biāo)應(yīng)根據(jù)回填土顆分曲線進(jìn)行確定。

（四）土工格柵設(shè)計(jì)

為減少總干渠回填土的不均勻沉降，在管身上部設(shè)置兩道土工格柵，兩層格柵相距300mm，超出管身兩側(cè)各4m。

（五）貼坡式排水設(shè)計(jì)

為了保證在渠道防滲土工膜和建筑物內(nèi)部止水系統(tǒng)失效的情況下，渠道在短期內(nèi)不發(fā)生嚴(yán)重潰決和倒塌，需在總干渠左右岸外邊坡采用貼坡式排水護(hù)坡，以便有效疏導(dǎo)高處滲流。護(hù)坡頂高程根據(jù)滲流計(jì)算結(jié)果取堤外設(shè)計(jì)洪水位工況下和堤身內(nèi)水外滲浸潤(rùn)線出逸高度的較大者，并考慮相應(yīng)的超高要求。

貼坡式排水護(hù)坡按照反濾要求，設(shè)置為4層，分別為土工布一層（400g/m2）、碎石墊層（d＝2～40mm）厚 200mm、碎石墊層（d＝40～80mm）厚200mm、干砌塊石厚300mm。沿總干渠方向，在總干渠的外邊坡腳處設(shè)排水溝。貼坡式護(hù)坡長(zhǎng)度沿總干渠方向?yàn)榈购缥_(kāi)挖開(kāi)口寬度向兩側(cè)各延伸10m。為滿足排水需要，沿倒虹吸方向在建筑物兩側(cè)設(shè)置小型排水溝，將滲水排到溝道中。

（六）滲流監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

為了加強(qiáng)截滲齒墻處的滲流觀測(cè)，在倒虹吸上下游選擇典型斷面布置滲壓計(jì)，以有效監(jiān)測(cè)截滲齒墻處兩側(cè)填筑區(qū)及接觸帶處的滲壓。

五、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)南水北調(diào)中線河南段左岸排水倒虹吸工程滲控設(shè)計(jì)方案分析，結(jié)合長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司編制的《南水北調(diào)中線一期工程總干渠渠道設(shè)計(jì)補(bǔ)充技術(shù)規(guī)定》，并參考部分已實(shí)施工程項(xiàng)目的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，合理確定左排建筑物滲控措施，對(duì)總干渠及左排建筑物的安全運(yùn)行具有積極作用。本次滲控設(shè)計(jì)基本滿足左岸排水倒虹吸工程滲控要求，為總干渠穿堤建筑物滲控設(shè)計(jì)提供了參考。

[1]趙廷華.南水北調(diào)中線河南段左岸排水倒虹吸工程設(shè)計(jì)[R].鄭州:河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司,2008.

[2]陳輝.南水北調(diào)中線總干渠(河南段)交叉河流設(shè)計(jì)洪水分析[M].鄭州:河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限公司,2003.