輸水狀態(tài)下挖方渠道襯砌干地修復(fù)滲控方案

崔皓東，張 偉，盛小濤，饒錫保，吳德緒

(1.長(zhǎng)江科學(xué)院 水利部巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430010； 2.長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，武漢 430010)

1 研究背景

南水北調(diào)中線工程重點(diǎn)解決京津華北地區(qū)缺水問題，總干渠全長(zhǎng)1 197 km，其中渠道長(zhǎng)1 103 km，由南向北基本自流輸水，以明渠為主，年均調(diào)水95億m3。工程自2014年正式通水以來累計(jì)調(diào)水近400億m3，發(fā)揮了巨大經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益，沿途及京津冀地區(qū)對(duì)其倚重日增。

根據(jù)總干渠沿線各渠段水位、渠底高程與地面高程的相對(duì)關(guān)系，將各渠段橫斷面型式分為全挖方、 半挖半填、全填方斷面3種類型。總干渠渠道設(shè)計(jì)水深3.8～8.0 m，采用梯形斷面，全斷面厚8～10 cm混凝土襯砌板。部分高地下水挖方渠段，襯砌板下部設(shè)有土工膜、砂墊層、透水軟管、逆止閥及渠外集水井等組成的復(fù)雜滲控體系，通過渠道內(nèi)逆止閥自溢或暗管集水抽排等形式，解決高地下水可能帶來的襯砌板抗浮失穩(wěn)問題[1-5]。

國(guó)內(nèi)外渠道工程通常停水檢修或搶修[6-8]，但南水北調(diào)中線關(guān)乎沿線城市及京津供水安全，當(dāng)前暫不具備停水檢修條件，難以停水搶修[9]；當(dāng)水下襯砌板出現(xiàn)破損、塌陷、隆起等問題，輸水條件下?lián)屝揠y度極大[10-13]。近幾年在南水北調(diào)中線個(gè)別渠段水面上下較淺部位試驗(yàn)性維修[14-15]，均未涉及渠底或渠坡深部襯砌，高地下水復(fù)雜滲控措施挖方渠段亦未涉及。

為保障南水北調(diào)中線渠道供水安全，解決輸水狀態(tài)下渠道應(yīng)急搶險(xiǎn)關(guān)鍵問題，亟待解決的適用性強(qiáng)、不斷水、可重復(fù)使用的裝配式圍堰及滲控技術(shù)，作為關(guān)鍵技術(shù)被列入國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃，并于2017年獲批科技部“南水北調(diào)工程應(yīng)急搶險(xiǎn)和快速修復(fù)關(guān)鍵技術(shù)與裝備研究”項(xiàng)目。作為項(xiàng)目重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一，本文針對(duì)復(fù)雜滲控措施的高地下水挖方渠段特點(diǎn)，研究輸水狀態(tài)下專用圍堰基坑形成干地施工環(huán)境時(shí)[16]，相應(yīng)的滲控技術(shù)[17]和滲控方案，解決圍堰基坑內(nèi)外水位差可能帶來的基坑滲透破壞問題；提出圍堰基坑“外、中、內(nèi)”三防線滲控體系，確?；訚B流安全，并通過三維滲流模型分析滲控方案效果，為南水北調(diào)中線輸水狀態(tài)下挖方渠道圍堰干地?fù)屝尢峁├碚撘罁?jù)和技術(shù)支持。

2 挖方渠段滲控措施概況

南水北調(diào)中線總干渠明渠段全挖方斷面、半挖半填斷面、全填方斷面3種類型占比分別為43%、51%、6%，水深>6 m渠段約60%；填方渠段只需襯砌板結(jié)合土工膜防滲即可。但在挖方或半挖方渠道，為解決高地下水可能帶來的襯砌板抗浮失穩(wěn)破壞問題，通常采用混凝土襯砌板下的土工膜防滲，防滲層下布置砂礫石墊層，渠底沿線設(shè)置間距4～20 m逆止閥，按其閥徑大致可分為4類，僅總干渠南陽地區(qū)超12%渠段有逆止閥約1.5萬個(gè)。渠底逆止閥與砂墊層下縱橫透水軟管網(wǎng)串接，形成復(fù)雜滲控體系(圖1—圖3)。

圖1 南水北調(diào)中線干渠挖方典型斷面Fig.1 Typical section of excavation in the Middle Routeof South-to-North Water Diversion

圖2 南水北調(diào)中線典型逆止閥Fig.2 Typical check valve drainage system in the MiddleRoute of South-to-North Water Diversion

圖3 典型挖方渠道滲控體系Fig.3 Typical seepage control system of excavation

挖方渠段承壓水滲流控制是施工、運(yùn)行及檢修期渠道襯砌板和渠坡穩(wěn)定安全關(guān)鍵工程措施之一，輸水狀態(tài)下渠道修復(fù)時(shí)滲控問題更加復(fù)雜。

工程運(yùn)行中，如果發(fā)生渠基地下水壓增加高于渠內(nèi)水位時(shí)(如驟降暴雨或渠水位快速下降等)，逆止閥自動(dòng)溢流減壓，若逆止閥不能及時(shí)有效排水減壓，將發(fā)生襯砌板抗浮失穩(wěn)破壞[1,18]，破壞形式主要表現(xiàn)為襯砌板隆起等。

隨著南水北調(diào)中線工程運(yùn)行，渠道的檢修維修需求日益增加；而工程已是沿線及京津等城市的重要水源，難以斷水維修，也就無法利用圍堰或節(jié)制閘抽干渠水形成大范圍干地維修環(huán)境，這也是南水北調(diào)中線運(yùn)維特殊現(xiàn)狀。

南水北調(diào)中線渠道水深通常為5～8 m，目前總干渠襯砌板維修試驗(yàn)僅在水面下1～2 m較淺部位，深部及渠道底部無成功案例。在高地下水挖方渠段，國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目正在研發(fā)的“輸水狀態(tài)下干地修復(fù)圍堰設(shè)備”[11]，采用該專用圍堰搶修，則面臨復(fù)雜的滲控問題，配合專用圍堰的滲控方案和技術(shù)是本文研究的重點(diǎn)。

3 輸水狀態(tài)下圍堰干地修復(fù)滲控方案

南水北調(diào)中線總干渠輸水狀態(tài)下采用專用圍堰干地修復(fù)需解決的問題中，在填方段側(cè)重解決圍堰穩(wěn)定和止水問題，基坑滲流安全問題相對(duì)易解決，而設(shè)置有逆止閥等復(fù)雜滲控系統(tǒng)的挖方渠段，圍堰抽水過程中，除了解決圍堰本身在動(dòng)水中的穩(wěn)定及防滲問題，還要解決基坑內(nèi)外水位差可能會(huì)帶來基坑砂墊層滲透破壞問題。因此本文根據(jù)此類渠基特點(diǎn)，開展輸水狀態(tài)下圍堰配套滲控方案研究。

3.1 輸水狀態(tài)下專用圍堰干地修復(fù)配套滲控方案

輸水狀態(tài)下挖方渠段專用圍堰干地修復(fù)情況下，圍堰基坑內(nèi)外的配套滲控方案。根據(jù)前述高地下水挖方段滲控體系特點(diǎn)，在渠底襯砌板下縱橫交錯(cuò)相連接用于匯集渠基地下水，當(dāng)?shù)叵滤畨毫Ω哂谇粫r(shí)，透水軟管交叉點(diǎn)處的逆止閥則自動(dòng)排水減壓，保證襯砌板的安全。

根據(jù)近年運(yùn)行情況[12-15]，部分渠段逆止閥堵塞或浮球漂離閥體，并且襯砌板局部破壞，這些都會(huì)造成襯砌板下砂墊層內(nèi)水壓力與渠水位相同；另外，由于長(zhǎng)期運(yùn)行及降雨等因素影響，部分挖方渠道地下水位較高。當(dāng)采用圍堰進(jìn)行一定范圍形成基坑，并進(jìn)行抽水形成干地基坑過程中，如果不對(duì)圍堰基坑底部及附近賦存于滲控系統(tǒng)內(nèi)的地下水進(jìn)行有效控制，必然會(huì)帶來基坑難以抽干，基坑底砂墊層發(fā)生滲透破壞等問題。

根據(jù)挖方渠段渠底襯砌板下布置有互相聯(lián)通的透水管及逆止閥的特點(diǎn)，在基坑外圍一定范圍內(nèi)，必須對(duì)渠基透水管進(jìn)行封堵，阻斷遠(yuǎn)端地下水通過透水管向基坑方向進(jìn)行匯集。另外在封堵點(diǎn)至基坑范圍內(nèi)渠基地下水及滲流仍然存在，這時(shí)可以通過逆止閥孔口進(jìn)行抽排水，形成低壓區(qū)，使基坑邊緣砂層內(nèi)比降降至允許比降(一般砂層允許比降0.1)，這樣才能保證基坑底部及邊緣砂墊層滲透穩(wěn)定。鑒于此，本文根據(jù)“前堵后排”滲控思想，提出圍堰基坑“外、中、內(nèi)”三道防線滲控體系，封堵點(diǎn)布置于圍堰外圍——外防線；靠封堵點(diǎn)側(cè)布置少量智能泵——中防線；圍堰最近的逆止閥孔內(nèi)布置智能泵——內(nèi)防線(圖4)。通過智能泵內(nèi)高敏水壓傳感器探測(cè)襯砌板下水壓力，再根據(jù)設(shè)定的閾值，通過水泵啟停控制襯砌板下水壓力分布。

圖4 圍堰基坑外圍滲控體系Fig.4 Seepage control system of foundation pit

3.2 滲流控制關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)施步驟

前述滲控方案屬于南水北調(diào)中線挖方渠段輸水狀態(tài)下專用圍堰干地修復(fù)時(shí)的配套滲控措施，主要在圍堰基坑抽水過程及基坑干地形成后，渠道維修期間發(fā)揮滲流控制作用，保證基坑滲流安全。

該方案中涉及多項(xiàng)關(guān)鍵滲控技術(shù)，在方案實(shí)施之前，首先需要根據(jù)挖方渠段地質(zhì)、滲控設(shè)計(jì)、運(yùn)行特點(diǎn)及專用圍堰布置情況，采用三維滲流精細(xì)數(shù)值模擬技術(shù)開展?jié)B控方案布置和評(píng)估；其次根據(jù)渠道逆止閥布置情況及評(píng)估結(jié)果，采用適當(dāng)?shù)姆舛录夹g(shù)對(duì)專用圍堰外圍一定距離的逆止閥所在三通管(或四通)進(jìn)行水下封堵，形成外堵防線；然后根據(jù)模擬結(jié)果選擇適當(dāng)?shù)呐潘疁p壓技術(shù)，將排水減壓設(shè)備安置于逆止閥位置(逆止閥水下拔出再安裝智能水泵)進(jìn)行排水減壓，其中在封堵點(diǎn)與圍堰之間適當(dāng)布置水泵作為排水減壓能力儲(chǔ)備。從封堵設(shè)備向圍堰方向形成“外”“中”“內(nèi)”排水減壓體系。本節(jié)提及的封堵技術(shù)、智能排水減壓技術(shù)研發(fā)及試驗(yàn)成果，會(huì)在后續(xù)文章中詳細(xì)介紹，本文不作贅述。

前述方案實(shí)施過程中關(guān)鍵步驟有以下幾點(diǎn)：首先，對(duì)遠(yuǎn)離圍堰兩側(cè)(距50～60 m)的逆止閥拔出后，將三通管或四通部位封堵，形成外堵防線；然后，在封堵點(diǎn)至圍堰范圍內(nèi)，將三通部位的逆止閥拔出，安裝智能排水減壓設(shè)備(圖5)[17]。在圍堰形成封閉后，開始基坑抽水過程中，智能泵可以根據(jù)其水壓傳感器設(shè)定的閾值抽水減壓，降低基坑內(nèi)外襯砌板下水壓力差，保證砂層穩(wěn)定。另外，為使?jié)B控設(shè)備發(fā)揮作用，還應(yīng)檢查圍堰外圍土工膜有無破損，破損需提前水下止水處理；抽排設(shè)備需要有備用電源以防突然停電等。

圖5 智能排水減壓設(shè)備示意[17]Fig.5 Intelligent drainage equipment[17]

排水減壓設(shè)備布置的數(shù)量需提前根據(jù)高地下水挖方渠道估算滲流量，然后根據(jù)估算量確定排水設(shè)備數(shù)量，并給出一定的安全余度。根據(jù)前期研究成果(見表1[1-4])，南水北調(diào)中線挖方渠段所需單泵排水能力1～2 m3/h即可滿足要求。

表1 渠道類型與逆止閥流量分析統(tǒng)計(jì)[1-4]Table 1 Statistics of channel types and flow rate atcheck valve[1-4]

4 滲控方案及效果數(shù)值模擬

根據(jù)前述滲控方案選擇南水北調(diào)中線鎮(zhèn)平某典型挖方渠段，建立輸水狀態(tài)下圍堰基坑三維滲流場(chǎng)模型。模型順渠道方向取200 m，圍堰長(zhǎng)8 m，垂直渠道水流方向，沿渠道中心線模型各延伸230 m，該處地下水位高于渠道水深2 m作為渠坡地下水位邊界，模型渠基取至渠底板下100 m作為不透水邊界。模型網(wǎng)格數(shù)量87 930個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)95 672個(gè)。襯砌板、砂層滲透系數(shù)分別為1.0×10-11、1.0×10-3cm/s。假設(shè)土工膜局部破損方案中，土工膜縫寬0.01 m，長(zhǎng)0.2 m，滲透系數(shù)按立方定律等效為1.0 cm/s，渠道水深8 m。

渠道逆止閥、透水軟管及渠坡排水措施按實(shí)際位置和尺寸模擬，封堵位置模擬假設(shè)該點(diǎn)不透水，圍堰基坑按實(shí)際尺寸剖分網(wǎng)格，基坑內(nèi)按襯砌板拆除，砂層保留厚度10 cm。模型網(wǎng)格如圖6所示，采用長(zhǎng)江科學(xué)院自主軟件SFA2.0中SSC-3D模塊進(jìn)行模擬分析。

圖6 渠道三維有限元網(wǎng)格Fig.6 Three-dimensional meshes of excavation channel

本文重點(diǎn)分析封堵透水管不同位置、土工膜破損等工況條件下，圍堰基坑涌水量及砂層比降特征等，為圍堰及其滲控布置提供理論依據(jù)。研究方案見表2。

表2 研究方案Table 2 Research schemes

方案F1表明，如渠基襯砌板土工膜有破損且透水管不封堵，圍堰基坑水頭等值線分布密集(圖7)，基坑涌水量>125 m3/h，其邊緣砂層水平滲透比降>10，該方案無法保證基坑安全。

圖7 方案F1 順渠道基坑剖面水頭等值線Fig.7 Contours of water head in profile of foundationpit in scheme F1

當(dāng)對(duì)距圍堰40 m或60 m位置透水管進(jìn)行封堵后(方案F2和F3)，基坑至封堵處較大范圍內(nèi)，水頭等值線分布較為稀疏，襯砌板下砂層水平滲透比降<0.01(圖8及表3)，基坑滲流量也大幅降低，可以保障圍堰基坑干地施工安全。

圖8 方案F2 基坑順渠道剖面和基坑底部平切面水頭等值線Fig.8 Contours of water head along the channel andat bottom of channel in scheme F2

表3 各方案基坑涌水量及砂層水平比降Table 3 Water inflow and horizontal gradient indifferent schemes

方案F4中，距基坑40 m位置土工膜有較小裂縫(縫寬1 cm)，該部位屬于渠基局部滲漏，此類裂縫基本不影響基坑涌水量和基坑附近砂層比降。

綜合各方案滲流場(chǎng)水頭分布及表3可知，此類有逆止閥滲控體系的深挖方渠段，為降低基坑涌水量和保證基坑安全，對(duì)圍堰一定范圍內(nèi)渠基透水管實(shí)施封堵是非常必要的；在封堵點(diǎn)至圍堰區(qū)域內(nèi)布置抽排設(shè)備，可以及時(shí)排水減壓，避免渠基襯砌板下壓力過大而影響基坑附近砂層滲透穩(wěn)定，保證基坑安全。本模型屬于穩(wěn)定模型，沒有考慮抽排設(shè)備運(yùn)行過程。

5 結(jié) 論

(1)在分析南水北調(diào)中線挖方渠段滲控體系特點(diǎn)基礎(chǔ)上，提出的“外中內(nèi)”三防線滲控方案是解決挖方段輸水狀態(tài)下干地維修的關(guān)鍵滲控措施，與渠道基坑干地修復(fù)所用圍堰相配套。

(2)本文提出的滲控方案可顯著降低基坑周邊襯砌板下砂墊層水平滲透比降和基坑涌水量，保證基坑安全，適用于南水北調(diào)中線有逆止閥挖方或半挖渠段。

(3)輸水狀態(tài)下圍堰滲控方案三維滲流場(chǎng)精細(xì)有限元模擬技術(shù)，可以為圍堰滲控布置及優(yōu)化提供理論和技術(shù)支撐。

(4)滲控方案可為南水北調(diào)中線工程運(yùn)行期渠道維護(hù)提供技術(shù)支撐，并對(duì)類似渠道運(yùn)維提供借鑒。