南水北調(diào)中線滹沱河灘地段渠道排水設(shè)計(jì)

任喜龍，呂紅波

（1.河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250；2.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，天津 300222）

南水北調(diào)中線滹沱河灘地段渠道排水設(shè)計(jì)

任喜龍1，呂紅波2

（1.河北省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250；2.中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，天津 300222）

南水北調(diào)中線滹沱河灘地段渠道堤外設(shè)計(jì)洪水位高于渠道內(nèi)設(shè)計(jì)水位，通過(guò)對(duì)渠道進(jìn)行滲流穩(wěn)定分析、襯砌結(jié)構(gòu)抗浮穩(wěn)定計(jì)算，確定了渠基排水減壓方案，提出了灘地段渠道排水工程措施。

南水北調(diào)；滲流分析；襯砌結(jié)構(gòu)；抗浮穩(wěn)定；排水系統(tǒng)

1 工程概況

南水北調(diào)中線滹沱河灘地段渠道為半挖半填渠道，分為滹沱河渠道倒虹吸進(jìn)口段渠道和出口段渠道兩部分，其中進(jìn)口段渠道長(zhǎng)3948m，出口段渠道長(zhǎng)818m。渠道設(shè)計(jì)流量170m3/s，加大流量200m3/s。灘地段渠道防洪標(biāo)準(zhǔn)為100年一遇洪水設(shè)計(jì)，300年一遇洪水校核。進(jìn)口渠段100年一遇洪水位高于渠內(nèi)設(shè)計(jì)水位1.7m，出口渠段洪水位高于渠內(nèi)水位2.3m。

進(jìn)口段渠道設(shè)計(jì)底寬10m，設(shè)計(jì)內(nèi)坡1∶3.0，設(shè)計(jì)外坡1∶2.5，堤頂寬度5m。設(shè)計(jì)渠底高程70.033～69.861m，左堤高程80.208～79.25m，右堤高程79.7m。設(shè)計(jì)水深6m，加大水位76.432～76.262m。

出口段渠道設(shè)計(jì)底寬21m，設(shè)計(jì)內(nèi)坡1∶3.0，設(shè)計(jì)外坡1∶2.0，堤頂寬度6m。設(shè)計(jì)渠底高程69.987～69.954m，左堤高程79.7m，右堤高程79.7～76.9m。設(shè)計(jì)水深5m，加大水位75.378～75.345m。

2 渠道滲流穩(wěn)定分析

滹沱河倒虹吸的修建，縮窄了滹沱河河道行洪斷面，河道行洪期間在渠道迎、背水面兩側(cè)形成水頭差，且左岸存在洪水浸泡問(wèn)題。在渠內(nèi)無(wú)水或渠內(nèi)水位低于渠外洪水位時(shí)，將產(chǎn)生滲透壓力。加之河灘地土質(zhì)以中細(xì)砂為主，需分析渠道內(nèi)坡滲流穩(wěn)定、渠基繞流穩(wěn)定。另外滲透壓力可能會(huì)對(duì)混凝土板造成頂托破壞，需驗(yàn)算襯砌板的抗浮穩(wěn)定。

2.1 渠內(nèi)坡滲流穩(wěn)定分析

考慮到河道發(fā)生設(shè)計(jì)洪水的概率較低，河道行洪期間，抬高渠內(nèi)水位，減小內(nèi)外水頭差，設(shè)計(jì)洪水時(shí)，渠內(nèi)水位控制在加大水位，校核洪水時(shí)，渠內(nèi)水位通過(guò)下游節(jié)制閘，控制到加大水位加0.5m處。

2.1.1 設(shè)計(jì)工況

堤外河道100年一遇洪水位，渠內(nèi)加大水位。

2.1.2 校核工況

堤外河道300年一遇洪水位，渠內(nèi)加大水位加0.5m。

2.1.3 安全系數(shù)K

設(shè)計(jì)工況取1.10，校核工況取1.05。

2.1.4 計(jì)算方法

利用有限元數(shù)值分析方法計(jì)算，采用河海大學(xué)工程力學(xué)研究所研制的《水工結(jié)構(gòu)有限元分析系統(tǒng)》程序進(jìn)行計(jì)算。

假定滲透介質(zhì)不可壓縮，滲流符合達(dá)西定律，計(jì)算域內(nèi)沒(méi)有源密度的情況，各向異性連續(xù)介質(zhì)二維穩(wěn)定滲流場(chǎng)的控制方程為：

邊界條件有3種，分別為：

（1）已知水頭邊界：H（x，y）|Γ1=Φ（x，y）；

（3）滲流逸出邊界：H＝Z。

根據(jù)泛函與變分原理，將計(jì)算區(qū)域劃分為有限個(gè)單元，單元任意點(diǎn)水頭由單元結(jié)點(diǎn)水頭插值確定，通過(guò)對(duì)單元集成，建立代數(shù)方程組。求解方程組可得到滲流場(chǎng)的數(shù)值解即各結(jié)點(diǎn)的水頭值，進(jìn)而可進(jìn)行滲透比降和滲流量的計(jì)算。

2.1.5 襯砌板抗浮穩(wěn)定計(jì)算

（1）渠底襯砌板抗浮穩(wěn)定計(jì)算公式：

式中 H為滲流場(chǎng)的水頭；kx、ky為主滲透方向的滲透系數(shù)。

式中 γc混凝土容重，γc＝2.40t/m3；t為渠底襯砌板厚度；γ 為水的容重，γ＝1.0t/m3；△H 為襯砌板剩余水頭（m）；K 為安全系數(shù)。

（2）邊坡襯砌板抗浮穩(wěn)定計(jì)算公式：式中 α為邊坡角度；其他符號(hào)意義同前。

2.1.6 滲流穩(wěn)定分析

對(duì)滹沱河倒虹吸進(jìn)、出口段灘地渠道分別選取一個(gè)斷面進(jìn)行渠內(nèi)坡滲流穩(wěn)定分析。渠基以中、細(xì)砂為主，地表有厚1～1.5m的壤土，渠底置于細(xì)砂層。

計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1，不考慮排水措施情況下渠底揚(yáng)壓力計(jì)算成果見(jiàn)表2。

表1 滹沱河灘地段渠道斷面計(jì)算參數(shù)

表2 無(wú)排水情況下渠底揚(yáng)壓力計(jì)算成果

在不考慮排水情況下，為滿足抗浮穩(wěn)定要求，滹沱河灘地進(jìn)、出口段渠道計(jì)算渠底襯砌板最小厚度為50cm和102cm，為增加渠道襯砌結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，減小襯砌厚度，渠道襯砌板下需設(shè)置排水設(shè)施。增加渠基排水措施后，渠基滲流量計(jì)算成果見(jiàn)表3。

表3 渠基滲流計(jì)算成果

2.2 渠基繞流的滲透穩(wěn)定分析

因滹沱河灘地段渠道左右堤外洪水位有水位差，還需進(jìn)行渠基繞流穩(wěn)定分析。首先采用伊斯托明娜提出的Cu（土不均勻系數(shù)）判釋法判別渠基土是否產(chǎn)生管涌，即：Cu<10，流土；Cu>20，管涌；10

據(jù)上述方法分析，渠基土為非管涌土。依據(jù)太沙基公式確定流土的臨界坡降J0：

式中 Gs為土的比重；γ為水的容重（kN/m3）；n為土體孔隙比（%）。

根據(jù)南京水科所公式確定管涌的臨界坡降Jc，其公式：

式中 d3為相應(yīng)于顆分曲線上含量為3%的粒徑（cm）；k 為滲透系數(shù) （cm/s）；n 為土體的孔隙率；c為常數(shù)，c=42（1/s1/2·cm1/2）。

臨界坡降除以安全系數(shù)（取2.0）得允許滲流坡降，當(dāng)實(shí)際出逸坡降大于允許滲流坡降時(shí)，可能發(fā)生滲透破壞，應(yīng)采取措施，反之，則不會(huì)發(fā)生滲透變形。以滹沱河發(fā)生300年一遇校核洪水為工況計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。經(jīng)計(jì)算分析滹沱河灘地段，平均滲流坡降較小，出逸坡降不大，不會(huì)產(chǎn)生滲流破壞。

表4 河灘地渠段外坡滲透變形分析

3 灘地段渠道排水工程措施

3.1 排水方案比選

3.1.1 逆止閥內(nèi)排方案

在渠道襯砌混凝土板下兩側(cè)坡腳埋設(shè)透水混凝土集水暗管，每隔一定間距設(shè)一逆止式集水箱。當(dāng)?shù)叵滤桓哂谇?nèi)水位時(shí)，地下水通過(guò)集水暗管匯入集水箱，逆止式閥門(mén)自動(dòng)開(kāi)啟，由出水管排入渠內(nèi)，使地下水位降低；當(dāng)?shù)叵滤坏陀谇?nèi)水位時(shí)，逆止式閥門(mén)自動(dòng)關(guān)閉，防止渠水外滲。

3.1.2 臨時(shí)泵站抽排方案

通過(guò)埋設(shè)于襯砌混凝土板下的集水暗管、連接井及排水管，將地下水匯集到集水井內(nèi)，通過(guò)泵站抽排入總干渠或渠道外。

考慮到逆止閥排水方法在國(guó)內(nèi)工程中應(yīng)用不多，長(zhǎng)期運(yùn)行可能會(huì)導(dǎo)致逆止閥密封性能下降，且逆止閥檢修、更換相對(duì)困難。河灘地段現(xiàn)狀地下水位較低，逆止式集水箱僅在發(fā)生較大洪水時(shí)才發(fā)揮作用，使用率較低，且河灘地渠基為中細(xì)砂，一旦逆止閥損壞，渠道滲漏損失量大。滹沱河灘地排水流量不大，最終設(shè)計(jì)確定為泵站強(qiáng)排方案。

3.2 排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

滹沱河灘地段渠道共設(shè)6座排水泵站，其中進(jìn)口段渠道設(shè)5座，出口段渠道設(shè)1座，排水泵站間距為800m。渠基排水系統(tǒng)主要由集水暗管、渠底聯(lián)通井、集水井及排水泵組成，如圖1。

圖1 渠基排水系統(tǒng)布置示意圖

渠底縱向設(shè)3排D400無(wú)砂混凝土管，左右渠坡縱向各設(shè)1排D200無(wú)砂混凝土管，每隔100m設(shè)一道橫向無(wú)砂混凝土管。集水暗管埋設(shè)于填充砂礫料的溝槽內(nèi)，縱坡與渠底坡降一致。無(wú)砂混凝土管強(qiáng)度等級(jí)為C10，管外包裹400g/m2無(wú)紡?fù)凉げ?，土工布搭接長(zhǎng)度不小于40cm。

渠坡縱橫向集水暗管采用DN200PVC三通連接，渠底縱、橫向集水暗管采用聯(lián)通井交匯連接。聯(lián)通井內(nèi)徑尺寸為0.9m×1.2m×1.0m，連接井井壁采用MU15砌磚，壁厚0.24m，井底采用厚10cm素混凝土板，井蓋采用厚10cm鋼筋混凝土板。

集水井布置在渠道右側(cè)一級(jí)馬道的外側(cè)，采用DN600的鋼筋混凝土排水管與渠底右側(cè)聯(lián)通井連通。集水井的容量按水泵5min抽水量設(shè)計(jì)，凈尺寸為 4.6m×4.0m×9.6m（長(zhǎng)×寬×高），集水井為壁厚 0.5m鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

排水泵布置在集水井內(nèi)，設(shè)計(jì)每臺(tái)泵排水流量0.3m3/s，最大凈揚(yáng)程7m。根據(jù)集水井集水量及揚(yáng)程，排水選用潛水排污泵，型號(hào)為250WQ600-8.3-22。

運(yùn)行控制方式是汛期通過(guò)自動(dòng)監(jiān)測(cè)設(shè)備監(jiān)測(cè)渠道地下水位，當(dāng)?shù)叵滤坏陀谇?nèi)水位不超過(guò)0.5m時(shí)，啟動(dòng)強(qiáng)排，水泵抽排降低地下水位。

3.3 渠道護(hù)砌措施

南水北調(diào)中線京石段一般渠段襯砌板厚度為渠坡10cm，渠底8cm，僅能抵抗11cm左右內(nèi)外水頭差。考慮河灘地段渠道排水的特殊工況，在泵站臨時(shí)強(qiáng)排措施的基礎(chǔ)上，適當(dāng)增加襯砌板厚度，滹沱河灘地渠道邊坡和渠底襯砌厚度均采用15cm。

為防止河道行洪期間波浪拍擊和橫向水流的沖刷作用，對(duì)滹沱河灘地段河道外坡進(jìn)行護(hù)砌。進(jìn)口段渠道左右堤外坡采用厚10cm混凝土護(hù)坡，混凝土護(hù)坡下設(shè)復(fù)合土工膜。出口段渠道左右堤外坡采用厚35cm漿砌塊石護(hù)坡，砌石下鋪設(shè)厚10cm礫石墊層，墊層下設(shè)復(fù)合土工膜防滲。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）渠道排水設(shè)施對(duì)保證渠道襯砌結(jié)構(gòu)的抗浮穩(wěn)定具有至關(guān)重要的作用，河灘地段渠道是排水問(wèn)題突出的渠段，因此河灘地段渠道排水設(shè)計(jì)是渠道工程設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。

（2）滹沱河灘地段渠道采用暗管集水、泵站臨時(shí)抽排的措施，較好地解決了渠道排水問(wèn)題，保證了渠道結(jié)構(gòu)安全。

［1］水利部河北水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告［R］.2004.

［2］GB50487—2008，水利水電工程地質(zhì)勘察規(guī)范［S］.

［3］毛昶熙.滲流計(jì)算分析與控制［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2003.

［4］劉杰.土的滲流穩(wěn)定與滲流控制［M］.北京：水利電力出版社，1992.

［5］SL18—2004，渠道防滲工程技術(shù)規(guī)范［S］.

［6］GB50286—98， 堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

Channel Drainage Design of Hutuo Rive of Middle Route of South-to-North Water Diversion Project

REN Xi-long1，LV Hong-bo2
（1.Hebei Research Institute of Investigation&Design of Water Conservancy&Hydropower,Tianjin 300250，China；2.Water North of Survey Design Research Limited liability Company,Tianjin 300222，China）

The design flood level is higher than the channel design water level in the floodplain channel of Hutuo River of the middle route project of South to North Water Diversion Project.Through the analysis of seepage of channel and stability against floating calculation of the lining structure， determine drainage scheme，proposed drainage engineering measures of floodplain channel.

South-to-North water diversion；seepage analysis；lining structure；stability against floating；drainage system

TV222

B

1672-9900（2014）04-0012-04

2014-04-04

任喜龍（1980-），男（漢族），河北懷安人，工程師，主要從事水利工程規(guī)劃設(shè)計(jì)工作，（Tel）022-26154790。