南水北調(diào)東線濟平干渠工程渠道優(yōu)化設(shè)計

韓鳳來，張靈真，張貴民

（山東省水利勘測設(shè)計院，山東 濟南 250013）

南水北調(diào)東線濟平干渠工程渠道優(yōu)化設(shè)計

韓鳳來，張靈真，張貴民

（山東省水利勘測設(shè)計院，山東 濟南 250013）

根據(jù)南水北調(diào)東線濟平干渠工程設(shè)計優(yōu)化的經(jīng)驗，針對調(diào)水工程普遍存在的土石方開挖（填筑）造成的棄土（借土）占壓問題，探討在輸水明渠設(shè)計中優(yōu)化減少土石方量、節(jié)省工程占地的思路和方法。

南水北調(diào)；濟平干渠；土石方；占地；優(yōu)化設(shè)計

1 概述

濟平干渠作為我國南水北調(diào)工程最早開工建設(shè)的單項工程，其輸水線路自東平湖渠首閘引水后，沿黃河長平灘區(qū)邊沿布置，途經(jīng)泰安市的東平縣、濟南市的平陰縣、長清區(qū)和槐蔭區(qū)，至濟南市西郊的小清河睦里莊跌水，輸水線路全長90 km。渠道全線與黃河為鄰，沿線地形復(fù)雜，多處穿越山口、高地和洼地；大部分渠段地處濟經(jīng)濟發(fā)達、人口密集、土地緊缺的區(qū)域。為此，通過進行渠線、水面線和縱橫斷面的動態(tài)優(yōu)化與土石方挖填全程系統(tǒng)平衡演算，最終實現(xiàn)全線挖填平衡，在避免借土占地的同時，亦使棄土方量趨于最小。優(yōu)化設(shè)計后濟平干渠最終設(shè)計階段的土石方量減少460萬m3，工程占地減少198.4 hm2，效果顯著。

2 渠線優(yōu)化設(shè)計

項目前期設(shè)計中，就調(diào)水工程總體布局方案、引水方式、輸水建筑物型式等已進行了初選。但受設(shè)計階段基礎(chǔ)資料深度的制約，局部渠線位置仍存在著安全隱患和不盡合理的地方，有待合理調(diào)整。

2.1 避開局部不良地質(zhì)段

當(dāng)已初選渠線開挖影響深度內(nèi)遇到短則上百米長則數(shù)公里的淤泥、泥炭土等局部的不良地質(zhì)段，這類土具有高壓縮性，易產(chǎn)生流塑變形，將對渠道安全構(gòu)成威脅。同時，不論是放緩渠道邊坡增加穩(wěn)定還是換基處理都存在工程占地、投資和施工難度增加等一系列問題。此時應(yīng)分析不良地層在該區(qū)域的分布規(guī)律，并通過進一步的地質(zhì)勘探查明在渠道左右方向的變化，若分布范圍較小，應(yīng)首先考慮將渠線避開不良地基范圍，徹底消除渠道安全隱患，避免因?qū)Σ涣嫉貙拥奶幚韼淼恼嫉?、工程費用的增加。

2.2 沿等高線微調(diào)渠線

濟平干渠穿長清城區(qū)段輸水線路，為保證輸水線路順直、輸水安全和減少對黃河灘區(qū)滯洪的影響，初選輸水線路沿長清城區(qū)西部地勢相對較高的位置穿過，局部最大挖深達8.0 m，開挖工程量、棄土占壓及拆遷量均較大，通過詳勘，將該段輸水線路沿等高線向西偏移至長清規(guī)劃城區(qū)邊沿，地面高程較原線路降低2.0～3.0 m。調(diào)整后輸水線路雖較原線路長617 m，但土方開挖量減少約80萬m3，減少永久占地20余hm2，并避開了大范圍的房屋拆遷，使輸水線路的平面布置更加合理。

2.3 合理利用舊河洼地輸水渠線

濟平干渠上游東平、平陰境內(nèi)輸水線路沿廢舊河道布置，出現(xiàn)較長渠段的補坡現(xiàn)象，經(jīng)優(yōu)化渠線同時配合水面線的調(diào)整，盡量避免了因補坡帶來的渠坡回填施工難度大、渠基不穩(wěn)和回填借土占地等問題，并使平陰段渠道開挖占地減少11.2 hm2。

3 水面線優(yōu)化設(shè)計

濟平干渠工程在渠首、渠末水位已定，渠段間水頭有限的情況下，配合土石方平衡、調(diào)配，從以下方面進行水面線優(yōu)化，從而最大限度地減少了工程占地。

3.1 優(yōu)化控制性建筑物水頭損失

通過對渠道上控制性建筑物水頭損失的優(yōu)化調(diào)整，滿足渠段間挖填平衡，減少棄（借）土占壓。

濟平干渠東風(fēng)干渠倒虹出口—顧道口公路橋段（46+518～56+410），以孝里河倒虹（51+442）為界，以上渠段地面起伏較大，填筑土料嚴(yán)重不足；以下渠段地面平緩，棄土量較大。為最大限度地減少土方調(diào)運、減少缺土段借土占地和深挖方段棄土占壓，在設(shè)計水深不變的情況下，首先優(yōu)化東風(fēng)干渠倒虹水頭損失，即通過減少東風(fēng)干渠倒虹水頭損失，抬高倒虹后渠道水面線和渠底高程，同時將東風(fēng)干渠倒虹出口至孝里河倒虹進口段（46+598～51+442）渠底設(shè)計比降放緩為1/20 000，以加大渠道設(shè)計斷面，增加渠內(nèi)取土量，減少借土方量；孝里河倒虹以后，繼續(xù)減少該倒虹水頭損失，抬高倒虹后水面線和渠底高程，同時將渠底設(shè)計比降調(diào)陡至1/11 200，以減小渠道設(shè)計斷面，減少開挖方量，達到減少棄土占壓的目的。

總之，在優(yōu)化控制性建筑物水頭損失時，應(yīng)根據(jù)渠段間土方挖填平衡情況，并考慮上下游相鄰渠段土方平衡以及與下游渠段的水面線銜接，綜合分析確定。

3.2 優(yōu)化渠底比降和水深

對于通過渠線的優(yōu)化仍無法避開在低洼地帶穿過的渠段，由于筑堤土料嚴(yán)重不足，又無法通過上下游的土方調(diào)配滿足填筑要求，則通過放緩渠底比降、加大設(shè)計水深增加地面以下渠道過水?dāng)嗝?，從而增加渠?nèi)取土填筑方量，減少渠外借土占地。

對于在原河道上布置的渠線且原河道斷面較寬，配合渠線的微調(diào)，分別采取放緩渠底比降或減小設(shè)計水深的方法，以加寬設(shè)計斷面，避免借土補坡。

對于沿線穿過的刁山坡、貴平山口等深挖方石方渠段，通過放陡渠底比降減小過水?dāng)嗝?，減少石方開挖量和棄碴占地。

3.3 合理調(diào)整交叉建筑物的關(guān)系

按照建筑物立交原則，濟平干渠平陰縣境內(nèi)的望口山河P＝5%的設(shè)計最大洪峰流量稍大于輸水渠設(shè)計流量，曾在渠道與望口山河交叉處布置輸水渠穿越望口山河倒虹。鑒于下游長清、槐蔭段多為挖方渠道，棄土量及棄土占地較大，經(jīng)多方案分析比較，將該座建筑物調(diào)整為望口山河穿越輸水渠倒虹，從而減少了輸水渠水頭損失0.42 m，使下游長清、槐蔭段50 km渠段渠底相應(yīng)抬高，減少了輸水渠土方開挖和工程占地。因此，當(dāng)調(diào)水工程和天然河溝流量基本相當(dāng)，且交叉建筑物水頭損失對下游長距離渠道的挖填土石方量和工程占地影響較大時，應(yīng)在對交叉斷面以上天然河道長系列資料進行水文分析計算的基礎(chǔ)上，在不影響交叉河道行洪、排澇的情況下，合理調(diào)整交叉建筑物的相對關(guān)系是必要的。

4 渠道斷面優(yōu)化設(shè)計

4.1 渠道內(nèi)邊坡系數(shù)的選擇

濟平干渠工程中渠坡現(xiàn)澆混凝土板下鋪塑膜防滲襯砌渠段，其渠基穩(wěn)定的邊坡坡比為1∶2.0，在復(fù)核膜料上澆筑混凝土的安全穩(wěn)定性時，同時考慮混凝土板下采取的排水減壓和保溫措施使得地下水和冬季基土凍脹對混凝土板水平推力的抵消作用，其襯砌邊坡穩(wěn)定的坡比應(yīng)采用1∶2.25。渠道內(nèi)邊坡系數(shù)應(yīng)在穩(wěn)定分析計算的基礎(chǔ)上，綜合考慮特殊渠基加固處理措施、渠道襯砌體穩(wěn)定、運行安全、經(jīng)濟合理等因素確定。

4.2 設(shè)計斷面優(yōu)化

總結(jié)濟平干渠工程和南水北調(diào)東線膠東輸水干線西段其他明渠輸水段設(shè)計經(jīng)驗，認為在輸水流量、渠道水面線、邊坡坡比、輸水糙率等參數(shù)均已確定的情況下，如何在水力最佳斷面的基礎(chǔ)上確定最優(yōu)的設(shè)計斷面，是渠道斷面優(yōu)化設(shè)計的主要任務(wù)，其斷面優(yōu)化應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)、渠床土壤、施工條件等因素，按照經(jīng)濟實用斷面的設(shè)計原則，在實用經(jīng)濟斷面寬深比范圍內(nèi)結(jié)合上下游長距離渠段內(nèi)的土方挖填情況優(yōu)化確定。

對于半填半挖渠道，當(dāng)設(shè)計水面線以上的堤頂超高一定，則在實用經(jīng)濟斷面寬深比范圍內(nèi)，斷面挖填方量、占地寬度，同水面線與地面的相對位置有關(guān)。即水面線與地面高程在某一相對關(guān)系時，實用經(jīng)濟斷面寬深比范圍內(nèi)某一水深對應(yīng)的斷面達到挖填平衡，平衡點以下實用經(jīng)濟斷面寬深比范圍內(nèi)的挖方量均大于筑堤方量，且隨著寬深比的加大即水深減小，挖方量、棄土量和占地寬度呈加大的趨勢；平衡點以上隨著寬深比的減小即水深加大，挖方量小于填方量，缺土量亦呈加大趨勢，需借土筑堤。因此，半填半挖斷面應(yīng)根據(jù)渠道沿線水面線與地面的關(guān)系，分析不同寬深比經(jīng)濟實用斷面挖方、筑方、棄土、借土的平衡情況，并通過長距離渠段的土方優(yōu)化調(diào)配，實現(xiàn)挖填基本平衡，以減少占地，宜按寬淺式斷面確定設(shè)計水深及設(shè)計斷面。

對于挖方渠道，渠道水面線一般均在地面以下，填筑方量較小，故實用經(jīng)濟斷面寬深比范圍內(nèi)的挖方量均大于筑堤方量，且隨著寬深比的減小即水深加大，挖方量、棄土量和占地寬度呈逐漸減少的趨勢，宜按窄深式斷面確定設(shè)計水深及設(shè)計斷面，以盡量減少棄土占地。

5 渠道土石方計算及優(yōu)化調(diào)配

無論是渠線優(yōu)化還是水面線優(yōu)化，其最終目的是通過土石方調(diào)配優(yōu)化減少借土與棄土，從而達到減少工程量與土地占壓。濟平干渠全長90 km，與樞紐工程相比，主要特點體現(xiàn)在“長距離”上，由于其具有線性大跨度的特點，施工場地多，沿線施工的自然、社會條件多變。在優(yōu)化設(shè)計的同時，統(tǒng)籌考慮全線土石方平衡后的動態(tài)變化、施工條件、調(diào)土運距的經(jīng)濟性，對土石方進行多方案優(yōu)化調(diào)配，在滿足各渠段填筑土料的情況下，相應(yīng)減少棄土占壓133.33余hm2。

在渠道優(yōu)化設(shè)計與土石方優(yōu)化調(diào)配的過程中，需要先進的計算方法配合。而目前渠道常規(guī)設(shè)計基本方法是截面法，即根據(jù)擬定的渠道中心線測量橫斷面，通常截面垂直于渠道中心線，在橫斷面上進行挖填計算。這種方法的弊端是：1）截面是根據(jù)不同設(shè)計階段要求等距離測量好的，如果調(diào)整了渠線，那么這種數(shù)學(xué)關(guān)系將不復(fù)存在，重新測量橫斷又會造成時間與資金的大量浪費，使得渠線微調(diào)在實際操作中幾乎不可能完成；2）渠道設(shè)計中縱橫斷面數(shù)據(jù)，水力要素、附屬水工建筑物、土方開挖與棄土等是孤立的數(shù)據(jù)，某一要素的改變，相關(guān)因素都要通過手工逐一修改。雖然通過輔助軟件提高了設(shè)計效率，但不能滿足優(yōu)化的需要，每變更一次渠道中心線，就需要把縱橫斷面設(shè)計的流程重新計算一遍，一個方案的確定往往需要多次的設(shè)計—反饋—重新設(shè)計過程，由此可見渠道優(yōu)化設(shè)計的工作量是驚人的，特別是在設(shè)計周期很短的情況下，這在很大程度上限制了項目的進一步優(yōu)化設(shè)計。

鑒于此，在濟平干渠渠道優(yōu)化設(shè)計的過程中，探索采用并逐步完善了 “基于渠道信息模型的動態(tài)三維可視化設(shè)計”。該設(shè)計方法利用現(xiàn)有測量資料創(chuàng)建三維曲面，其三維地形模型又能自動生成2D/3D的等高線、三角網(wǎng)、三維彩圖、坡度分析、模擬地表徑流、縱橫斷面等詳細信息。通過創(chuàng)建的三維地形模型可以在虛擬現(xiàn)實的地形上進行線路優(yōu)選、渠線微調(diào)，不受測量橫斷面限制而可任意分割的橫斷面使渠道土石方挖填平衡計算結(jié)果更為精確，計算效率較常規(guī)的渠道設(shè)計輔助軟件提高數(shù)十倍，為渠道優(yōu)化設(shè)計和長距離土石方平衡調(diào)配提供了充分的依據(jù)。

TV68

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1009-6159（2012）-09-0008-03

韓鳳來（1961—），女，研究員

（責(zé)任編輯黃晞淳）