南水北調(diào)中線穿越工程技術(shù)方案的重點(diǎn)問題

□郝澤嘉

（南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局）

南水北調(diào)中線穿越工程技術(shù)方案的重點(diǎn)問題

□郝澤嘉

（南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局）

基于穿越跨越南水北調(diào)中線工程項(xiàng)目管理實(shí)踐，結(jié)合南水北調(diào)中線工程特點(diǎn)對穿越跨越工程技術(shù)方案的重點(diǎn)問題進(jìn)行研究，并提出解決措施或思路。規(guī)劃方面應(yīng)加強(qiáng)城市規(guī)劃和專項(xiàng)規(guī)劃，增強(qiáng)穿越跨越工程的必要性和合理性。架空跨越型式應(yīng)優(yōu)化總體布置、確保線路凈空距離、提高設(shè)計(jì)安全系數(shù)和完善展放導(dǎo)線的施工組織設(shè)計(jì)。橋梁跨越型式應(yīng)確保橋梁凈空高度、落實(shí)35kV線路改建設(shè)計(jì)、解決路基防洪影響問題、加強(qiáng)橋梁排水和橋墩基礎(chǔ)施工防護(hù)、提前考慮橋梁維護(hù)方式。定向鉆地下穿越型式應(yīng)提高管道設(shè)計(jì)等級、做好管道空隙回填處理、嚴(yán)格控制穿越軌跡和泥漿壓力。

南水北調(diào)中線工程；架空跨越；橋梁跨越；地下穿越；定向鉆

0 引言

南水北調(diào)中線工程南起丹江口水庫，北至北京市團(tuán)城湖和天津市外環(huán)河，線路全長約1 432 km，途徑北京、天津、河北和河南四個(gè)省市。除北京、天津段采用地下管涵外，其余均采用渠道輸水，客觀上將渠道左右岸分割隔離為相互獨(dú)立的兩個(gè)區(qū)域。南水北調(diào)中線工程沿線共布置河渠交叉、渠渠交叉、路渠交叉、控制性建筑物和其他建筑物2 300余座，并對工程占壓或受工程影響的電力線路、電信線路、燃?xì)夤艿?、輸水管道等?xiàng)目進(jìn)行恢復(fù)。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，已建設(shè)施的規(guī)模和功能不能滿足工程沿線群眾生產(chǎn)生活日益增長的需求，新建公路、鐵路、輸水管道、石油天然氣管道、污水管道、輸電線路等工程項(xiàng)目需以下穿或上跨的方式穿越跨越南水北調(diào)中線工程，對工程安全和正常輸水構(gòu)成新挑戰(zhàn)。文章基于穿越跨越南水北調(diào)中線工程項(xiàng)目管理實(shí)踐，結(jié)合南水北調(diào)中線工程特點(diǎn)，對不同類型穿越跨越工程規(guī)劃、設(shè)計(jì)和施工技術(shù)方案的重點(diǎn)問題進(jìn)行研究，并針對性地提出解決思路或措施。

1 架空跨越型式的重點(diǎn)問題

1.1 跨越線路總體布置

架空跨越應(yīng)結(jié)合整體路由走向和南水北調(diào)渠道周邊情況采用獨(dú)立耐張段，2基耐張塔之間的直線塔數(shù)量不超過3基，緊鄰渠道的2基桿塔原則上應(yīng)布置在一級水源保護(hù)區(qū)之外。耐張塔設(shè)計(jì)應(yīng)復(fù)核斷線張力和不平衡張力工況下的穩(wěn)定計(jì)算。

1.2 跨越線路凈空距離

南水北調(diào)中線工程渠道右岸布置有專用35kV輸電線路，兩岸綠化帶規(guī)劃左岸種植喬木，右岸種植灌木。架空跨越的線路弧垂計(jì)算，應(yīng)確保架空線路距南水北調(diào)運(yùn)行管理道路、專用35kV線路、考慮種植作物自然生長高度綠化帶的凈空距離滿足輸電線路設(shè)計(jì)規(guī)范要求。受渠道開口寬度和線路桿塔布置的限制，一般情況下跨越檔距超過200 m，最大弧垂的計(jì)算工況應(yīng)選擇導(dǎo)線允許溫度。

1.3 跨越線路提高設(shè)計(jì)安全系數(shù)

跨越段線路較常規(guī)段線路提高設(shè)計(jì)安全系數(shù)能夠有效降低跨越段線路發(fā)生故障幾率，除導(dǎo)線設(shè)計(jì)應(yīng)提高安全系數(shù)等級外，鐵塔、金具和絕緣子也應(yīng)相應(yīng)提高設(shè)計(jì)安全系數(shù)。

1.4 跨越線路施工組織設(shè)計(jì)

南水北調(diào)專用35kV輸電線路為全線自動(dòng)化系統(tǒng)和節(jié)制閘、退水閘等一級負(fù)荷供電，是南水北調(diào)中線工程正常運(yùn)行的能源基礎(chǔ)。一般而言，滿足要求正常運(yùn)行的架空跨越輸電線路對南水北調(diào)中線工程的影響有限，但架空跨越展放導(dǎo)線施工可能干擾南水北調(diào)35kV輸電線路的正常運(yùn)行，導(dǎo)致線路斷電、調(diào)度系統(tǒng)失靈的重大事故，需引起高度重視。封頂網(wǎng)保護(hù)可有效解決該問題：即在跨越檔設(shè)置承力索，利用承力索在南水北調(diào)35kV輸電線路上方布設(shè)絕緣封頂網(wǎng)，以防展放導(dǎo)線期間影響正常輸電。承力索架設(shè)一般需在跨越檔兩端桿塔處設(shè)置輔助橫擔(dān)，橫擔(dān)寬度應(yīng)滿足導(dǎo)線風(fēng)偏和安全裕度的要求，橫擔(dān)安裝高度需保證承力索距南水北調(diào)35kV線路的距離不小于安全距離，一般≥4 m。橫擔(dān)安裝前應(yīng)對桿塔進(jìn)行結(jié)構(gòu)校核，必要時(shí)采用設(shè)置獨(dú)立抱桿的方式展放承力索。

2 橋梁跨越型式的重點(diǎn)問題

2.1 橋梁凈空高度

為避免對南水北調(diào)中線工程的干擾，新建橋梁需一跨跨越南水北調(diào)管理范圍，橋梁主跨跨徑普遍超過150 m。南水北調(diào)中線工程在渠道兩側(cè)設(shè)置運(yùn)行管理道路，橋梁梁底高程（含橋梁施工設(shè)施和施工空間）距運(yùn)行管理道路路面高程的距離應(yīng)≥4.5m，以滿足車輛的正常通行需要。挖方特別是深挖方渠段運(yùn)行管理道路設(shè)置于一級馬道處，橋梁跨越的影響不大。對于半挖半填和全填方渠段，運(yùn)行管理道路設(shè)置于渠堤頂部，橋梁設(shè)計(jì)需確保運(yùn)行管理道路的凈空要求。此外，部分挖方渠段左岸外側(cè)設(shè)置有防洪堤以防止洪水沖刷破壞渠坡，不同于構(gòu)造防護(hù)堤，防洪堤頂寬3m以上，對填筑土體壓實(shí)度有較高要求，需采用大型機(jī)械施工。橋梁設(shè)計(jì)還應(yīng)考慮渠道左岸防洪堤施工機(jī)械的高度要求和合理的施工空間。

2.2 南水北調(diào)35kV輸電線路改建

新建橋梁與南水北調(diào)右岸35kV輸電線路在空間上存在位置沖突，輸電線路至橋面的距離不能滿足輸電線路安全距離要求，需對南水北調(diào)35kV輸電線路進(jìn)行局部改建，改建方式包括架空抬高和局部地埋兩種。由于局部地埋改建需增加一段地埋電纜，導(dǎo)致南水北調(diào)輸配電系統(tǒng)容性負(fù)荷增大，線路末端電壓升高，惡化電能質(zhì)量，影響系統(tǒng)內(nèi)設(shè)備安全穩(wěn)定運(yùn)行，因此原則上推薦采用架空抬高的改建方式。改建施工期間勢必造成南水北調(diào)35kV輸電線路停電，需在改建設(shè)計(jì)中對南水北調(diào)受影響的負(fù)荷點(diǎn)和負(fù)荷容量進(jìn)行分析，并相應(yīng)采取配置移動(dòng)式發(fā)電機(jī)、優(yōu)化供電線路調(diào)度等臨時(shí)保電措施。

2.3 橋梁兩側(cè)路基防洪影響

南水北調(diào)中線工程橫貫?zāi)媳?，改變了工程沿線的水文形勢。在工程規(guī)劃設(shè)計(jì)階段，根據(jù)工程左岸匯水區(qū)域和分水嶺位置劃分了洪水分區(qū)，并逐區(qū)進(jìn)行洪水計(jì)算，通過設(shè)置河渠交叉建筑物和左岸排水建筑物將工程左岸洪水排放至右岸下游地區(qū)。橋梁跨越工程建設(shè)后，橋梁兩側(cè)延伸的路基可能改變原狀地形條件和南水北調(diào)左岸洪水分區(qū)，致使局部區(qū)域匯水無法進(jìn)入河渠交叉和左岸排水建筑物，形成工程安全隱患。為不惡化局部防洪條件，橋梁跨越項(xiàng)目應(yīng)避免工程在南水北調(diào)渠道附近橫跨洪水分區(qū)或阻塞南水北調(diào)導(dǎo)流溝，以致堵塞渠道附近區(qū)域的排水處理。同時(shí)橋梁設(shè)計(jì)中可盡量加長引橋長度，確保南水北調(diào)保護(hù)范圍內(nèi)的排水通暢。

2.4 橋梁排水設(shè)計(jì)

南水北調(diào)中線工程以城市供水為主，兼顧農(nóng)業(yè)和生態(tài)用水，工程全線被劃定為水源保護(hù)區(qū)，嚴(yán)禁排放污水。橋梁跨越項(xiàng)目必須解決橋面排水問題，以確保南水北調(diào)水質(zhì)安全。橋梁設(shè)計(jì)中通常采用的外掛管道排水方式受限于管道材料的耐久性問題，易出現(xiàn)滲漏問題?？蓪⑼鈷焓脚潘艿涝O(shè)置在橋梁箱梁結(jié)構(gòu)內(nèi)部，減少外部環(huán)境對管道的影響，延長管道使用壽命。對于有縱坡的橋梁型式，可在橋面設(shè)置縱向集排水槽作為排水通道，利用橋面排水替代掛管排水。對于沒有人行道的快速交通路，排水槽應(yīng)布置在道路防撞墩以外，以滿足安全通行要求。

2.5 橋梁基礎(chǔ)施工防護(hù)

橋梁跨越項(xiàng)目普遍跨徑較大，主跨橋墩距南水北調(diào)中線工程保護(hù)圍欄距離較近，橋墩基礎(chǔ)承臺(tái)開挖可能對南水北調(diào)工程產(chǎn)生影響，在膨脹巖土渠段尤其需要特別注意。承臺(tái)開挖可采用鋼板樁防護(hù)，并應(yīng)設(shè)置擋、導(dǎo)、排水設(shè)施，對開挖出露的透水層進(jìn)行封閉。

2.6 橋梁后期運(yùn)行維護(hù)方式

橋梁跨越項(xiàng)目的后期維護(hù)工作受南水北調(diào)工程限制較多，需在設(shè)計(jì)中提前予以考慮。鋼結(jié)構(gòu)桁架橋和混凝土鋼腹板橋梁均需定期進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)防腐和涂裝處理，有污染南水北調(diào)水質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)。相比之下混凝土連續(xù)梁橋更為穩(wěn)定可靠，后期維護(hù)工作量較小。

越來越多的橋梁同時(shí)布置體內(nèi)和體外預(yù)應(yīng)力，后期可通過調(diào)整體外預(yù)應(yīng)力度來保證橋梁結(jié)構(gòu)耐久性，有效減小橋梁維護(hù)工程量，降低維護(hù)工作的影響程度。

3 地下穿越型式的重點(diǎn)問題

3.1 管道提高設(shè)計(jì)等級

采用定向鉆穿越的管道一般輸送原水、污水、天然氣和石油等介質(zhì)，對南水北調(diào)中線工程的工程安全和水質(zhì)安全構(gòu)成威脅，穿越段管道需提高一個(gè)設(shè)計(jì)等級。管道壁厚計(jì)算中，強(qiáng)度設(shè)計(jì)系數(shù)F的取值應(yīng)由大中型水域穿越的0.50提高至0.40?；赝辛τ?jì)算的摩擦系數(shù)f取值建議偏于保守取上限0.30。同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)管道防腐設(shè)計(jì)，采用3PE加強(qiáng)防腐并輔以強(qiáng)制電流陰極保護(hù)。對于施工期較長的施工項(xiàng)目，還應(yīng)考慮設(shè)置犧牲陽極的臨時(shí)陰極保護(hù)措施。

3.2 定向鉆穿越軌跡設(shè)計(jì)及控制

合理的定向鉆穿越軌跡設(shè)計(jì)可以有效減小穿越工程對南水北調(diào)中線工程的影響。由于定向鉆施工中需使用大量泥漿進(jìn)行孔道護(hù)壁、排屑和潤滑，需在定向鉆進(jìn)出口設(shè)置泥漿池。泥漿本身成分較為復(fù)雜，含多種對水質(zhì)有害的添加劑，因此定向鉆進(jìn)出口需布置在南水北調(diào)一級水源保護(hù)區(qū)以外。定向鉆水平段的埋置深度除與穿越地層選擇有關(guān)外，還應(yīng)考慮上覆土厚度，防止冒漿破壞南水北調(diào)工程結(jié)構(gòu)，污染輸水水質(zhì)。原則上全挖方渠段管道頂至渠底距離≥10 m，填方和半挖半填渠段管道頂至地面的距離≥10 m。施工期間需嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)給定的控制點(diǎn)坐標(biāo)控制導(dǎo)向孔軌跡。建議定向鉆導(dǎo)向系統(tǒng)采用有纜式導(dǎo)向系統(tǒng)，防止外界電磁場干擾致使鉆進(jìn)軌跡發(fā)生偏離，威脅工程安全。

3.3 管道空隙處理

定向鉆施工最終成孔孔徑大于穿越管道外徑，需對管道與圍土間的環(huán)形空間進(jìn)行回填處理，以防上部南水北調(diào)中線工程發(fā)生不均勻沉降。為保證回填質(zhì)量，應(yīng)在穿越管道回拖的同時(shí)同孔回拖注漿袖閥管，利用袖閥管對環(huán)形空間進(jìn)行二次注漿。漿液配比應(yīng)增加水泥摻量，提高漿液粘度，以減小漿液凝固產(chǎn)生的收縮空隙。

3.4 泥漿壓力控制

泥漿壓力是定向鉆穿越的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，泥漿壓力過小鉆進(jìn)、擴(kuò)孔和回拖施工困難，而泥漿壓力過大可能引起上覆土體破壞，造成冒漿事故，損壞南水北調(diào)中線工程襯砌結(jié)構(gòu)，污染水質(zhì)。因此，需結(jié)合管道埋深和上覆土體物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行泥漿控制壓力計(jì)算。目前缺乏泥漿控制壓力定量計(jì)算方法，實(shí)際工作中常采用0.60倍的管道豎向壓力值作為泥漿壓力控制值，該控制值偏于保守，有利于工程安全。也有學(xué)者基于Mohr-Coulomb(M-C)強(qiáng)度準(zhǔn)則[18]、空間滑動(dòng)面（SMP）強(qiáng)度準(zhǔn)則和Coulomb土壓力理論對最大允許泥漿壓力進(jìn)行定量分析，但結(jié)果差異較大。目前穿越南水北調(diào)中線工程的定向鉆管道上部覆土厚度要求≥10 m，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，該上覆土厚度基本可以滿足定向鉆施工的安全要求。對于上覆地層物理力學(xué)參數(shù)較低、埋置深度較大的定向鉆穿越項(xiàng)目，應(yīng)嚴(yán)格控制泥漿壓力。

4 結(jié)論

一是穿越跨越南水北調(diào)中線工程項(xiàng)目的技術(shù)方案，除需滿足相應(yīng)行業(yè)設(shè)計(jì)和施工規(guī)程規(guī)范外，還應(yīng)結(jié)合南水北調(diào)中線工程特點(diǎn)，采取必要措施減小對南水北調(diào)中線工程的影響，確保工程安全和正常運(yùn)行。二是穿越跨越南水北調(diào)中線工程項(xiàng)目規(guī)劃選線階段應(yīng)注重與南水北調(diào)工程的結(jié)合，優(yōu)化整體布局，減少低級別和不必要的項(xiàng)目數(shù)量，充分發(fā)揮新建穿越跨越工程效益。三是架空跨越、橋梁跨越和定向鉆地下穿越設(shè)計(jì)和施工技術(shù)方案均已形成相對完備的體系，但應(yīng)充分論證并消除對南水北調(diào)中線工程渠道邊坡、襯砌結(jié)構(gòu)、防洪堤、綠化帶、運(yùn)行維護(hù)道路、35kV輸電線路、檢修維護(hù)和輸水水質(zhì)的影響，不惡化南水北調(diào)中線工程現(xiàn)狀安全狀態(tài)?；诠芾韺?shí)踐研究提出的穿越跨越南水北調(diào)中線工程技術(shù)方案重點(diǎn)問題，可供其他穿越跨越工程參考。四是南水北調(diào)中線工程專用35kV輸電線路地埋改建方案操作簡單、施工方便，但增加了供電系統(tǒng)的容性負(fù)荷，目前原則上不予采用?？蛇M(jìn)一步研究針對局部35kV輸電線路地埋改建的無功補(bǔ)償措施，減小地埋改建的不利影響，提高方案可行性。五是泥漿壓力是定向鉆施工的關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)，目前大多根據(jù)已有工程經(jīng)驗(yàn)確定，缺乏泥漿壓力對上部南水北調(diào)工程渠道襯砌結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計(jì)算分析方法，需進(jìn)一步研究，以保證工程安全。

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TV213.4

A

1673-8853（2017）10-0030-03

郝澤嘉（1985-），男，主要從事水利工程的建設(shè)與管理工作。

2017-7-6

編輯：劉長垠