首都地區(qū)地下輸水暗涵變形影響分析及對(duì)策研究

張會(huì)敏，田 坤，張 濤，智 泓

（1.北京市河湖流域管理事務(wù)中心,北京 102600；2.北京市水科學(xué)技術(shù)研究院,北京 100048）

2021 年,南水北調(diào)中線工程進(jìn)京水量達(dá)12.5 億m3,通水7 年至今有效緩解了京津冀地區(qū)水資源短缺狀況。南水北調(diào)團(tuán)九二期主體工程環(huán)線隧道貫通,中心城區(qū)南干渠工程—東干渠工程—團(tuán)九二期—西四環(huán)暗涵地下供水環(huán)路實(shí)現(xiàn)閉環(huán),因而暗涵工程在保障首都供水安全中作用日益提升。目前判斷暗涵工程安全運(yùn)行重要條件之一為暗涵工程沉降情況[1-2]。南干渠工程全線采用大口徑輸水暗涵,其中工程下段為北京最大口徑輸水暗涵,是大口徑輸水暗涵典型代表性工程,本文以南干渠工程為例,探討輸水暗涵工程沉降對(duì)工程安全運(yùn)行影響。

1 概況

南干渠工程承擔(dān)著首都城南地區(qū)和城市副中心供水工作,其安全運(yùn)行不僅影響城市供水安全,同時(shí)也影響暗涵工程沿線重大工程安全運(yùn)行[3-4]。南干渠工程上端與大寧調(diào)節(jié)池相接,下端與東干渠工程相接,全長(zhǎng)26.82 km。南干渠工程全線為大割圓形狀的異型結(jié)構(gòu),采用重力流低壓輸水方式[5],具有直徑大、流量大、地下埋設(shè)深、隱患不易發(fā)現(xiàn)的特點(diǎn)[6-7]。首都環(huán)線輸水暗涵是一個(gè)線狀結(jié)構(gòu),線路長(zhǎng),穿越永定河沖積扇多個(gè)地質(zhì)單元,地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,工程沉降受著地面沉降、工程自身安全、地下水上升等多種因素影響。南干渠工程自西向東穿越了永定河、渾河、無(wú)定河及古漯水故道等,現(xiàn)大部位位于五環(huán)周邊公園內(nèi)。工程區(qū)內(nèi)沉積物主要為永定河沖洪積物。工程區(qū)內(nèi)人工填土在輸水線路上、下游多有分布,局部為垃圾填埋坑,深度10 m～17 m。

2 分析方法

分析南干渠工程沉降采用兩種方法,第一種為人工外部測(cè)量方法,即通過(guò)人工安裝沉降觀測(cè)設(shè)備[8-10],定期推算測(cè)量暗涵沉降量；第二種為遙感分析方法,借助InSAR 數(shù)據(jù),分析暗涵整體沉降趨勢(shì)。

2.1 人工外部測(cè)量

針對(duì)南干渠工程特點(diǎn)及工程運(yùn)行管理現(xiàn)狀,2017 年工程調(diào)水運(yùn)行初期,在已有安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基礎(chǔ)上,根據(jù)工程主要建筑物結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及運(yùn)行管理監(jiān)測(cè)需要,開(kāi)展大口徑輸水暗涵變形監(jiān)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研發(fā),補(bǔ)充建立南干渠工程外觀沉降觀測(cè)系統(tǒng)并開(kāi)展工程沿線暗涵、閥井構(gòu)筑物沉降變形觀測(cè)基點(diǎn),了解和掌握了運(yùn)行過(guò)程中輸水工程主要構(gòu)筑物沉降變形狀況。南干渠工程工作基點(diǎn)的布設(shè)充分利用閥井結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,在沿線各閥井結(jié)構(gòu)頂部采用植筋工藝澆筑工作基點(diǎn),較好地保證了工作基點(diǎn)的穩(wěn)定性與可靠性。選擇南干渠工程附近高等級(jí)國(guó)家水準(zhǔn)點(diǎn),用于每季度定期對(duì)沿線工作基點(diǎn)高程進(jìn)行檢查校核1 次。

2.2 遙感分析方法

基于InSAR 觀測(cè)成果,結(jié)合南水北調(diào)線路數(shù)據(jù),提取南水北調(diào)監(jiān)測(cè)區(qū)兩側(cè)各500 m 范圍內(nèi)PS 點(diǎn)。提取與水準(zhǔn)觀測(cè)日期盡量一致的日期InSAR 成果,將InSAR、水準(zhǔn)的觀測(cè)結(jié)果統(tǒng)一投影到精確的WGS-84（world geodetic system 1984,WGS-84）坐標(biāo)系,實(shí)現(xiàn)空間基準(zhǔn)的統(tǒng)一,重新計(jì)算同期的水準(zhǔn)點(diǎn)與InSAR 成果年平均沉降速率,采用反距離加權(quán)插值方法提取與水準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的InSAR 驗(yàn)證數(shù)值,進(jìn)行經(jīng)度評(píng)定。

3 結(jié)果分析

自2017 年建立南干渠工程沿線建筑物沉降觀測(cè)以來(lái),南干渠工程經(jīng)歷首次通水、停水檢修、反向供水等多種運(yùn)行工況。沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)表明,截至2020 年8 月,南干渠工程沿線各閥井及暗涵結(jié)構(gòu)累計(jì)沉降測(cè)值最大為6.0 mm,沉降速率均低于0.01 mm/d,閥井及暗涵結(jié)構(gòu)沉降變形總體穩(wěn)定,南干渠工程沿線沉降量相對(duì)較大區(qū)域位于27#閥井～31#閥井及41#～43#閥井區(qū)段。

基于InSAR 技術(shù)獲取了南水北調(diào)南干渠工程兩側(cè)各500 m范圍內(nèi)2014 年6 月～2020 年8 月的PS 點(diǎn)成果,利用PS 點(diǎn)中包含的沉降信息發(fā)現(xiàn)了南水北調(diào)南干渠工程線路周邊存在的沉降的位置及沉降量信息,南干渠工程在紫谷伊甸園附近、南苑機(jī)場(chǎng)南側(cè)區(qū)域、南海子公園附近都存在明顯沉降情況,其中紫谷伊甸園附近最大沉降速率值為-20.4 mm/a,累計(jì)沉降量為-115.2 mm；南苑機(jī)場(chǎng)南側(cè)區(qū)域最大沉降速率值為-11.3 mm/a,累計(jì)沉降量為-83.3 mm；南海子公園最大沉降速率值為-23.4 mm/a,累計(jì)沉降量為-151.56 mm。

閥井及暗涵結(jié)構(gòu)沉降分布規(guī)律總體與INSAR 地面沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果總體符合,根據(jù)沉降數(shù)據(jù)表明南干渠工程總體處于安全運(yùn)行工況。與郭強(qiáng)研究結(jié)果基本一致,南干渠工程末端與之相連的東干渠工程沿線地面沉降發(fā)展將在一定程度上得到控制,不會(huì)對(duì)東干渠輸水工程安全運(yùn)行造成較大影響[11]。

綜合結(jié)果表明位于南海子公園內(nèi)的南干渠工程41#～43#閥井之間的暗涵工程運(yùn)行和地面沉降情況應(yīng)予以重點(diǎn)關(guān)注。

4 原因分析

4.1 內(nèi)部因素

南干渠工程上段雙洞長(zhǎng)11.34 km 暗涵采用防水設(shè)計(jì)思路,鋼筋混凝土一襯和二襯之間設(shè)有防水層；南干渠工程下段單洞長(zhǎng)15.48 km 暗涵采用排水設(shè)計(jì)思路,暗涵內(nèi)水或或暗涵外水經(jīng)由鋼筋混凝土一襯和二襯之間排水網(wǎng)墊匯集至導(dǎo)水槽后導(dǎo)入閥井集水井,無(wú)防水層；與南干渠工程下段相接的東干渠工程單洞長(zhǎng)44.70 km,采用防水設(shè)計(jì)思路[4],一襯和二襯設(shè)有防水層。南干渠工程下段每12 m 設(shè)一變形縫,2019 年春暗涵上方地表出現(xiàn)三處出水情況,經(jīng)排空進(jìn)洞檢查,判斷為伸縮縫漏水。隨著工程長(zhǎng)期運(yùn)行,南干渠工程下段暗涵會(huì)發(fā)生變形縫密封膠老化、排水網(wǎng)墊堵塞等現(xiàn)象,進(jìn)而導(dǎo)致暗涵內(nèi)水外滲或外水內(nèi)滲,暗涵形成水流通道,局部可能出現(xiàn)空洞,暗涵局部會(huì)發(fā)生變形的危險(xiǎn),嚴(yán)重時(shí)影響暗涵安全。從暗涵工程整體設(shè)計(jì)角度看,南干渠工程暗涵工程局部沉降與地下水水位變化也有著一定關(guān)系。南干渠工程采用自密實(shí)混凝土澆筑,其結(jié)構(gòu)滲漏主要原因之一是施工過(guò)程中細(xì)部處理不當(dāng)造成[12],且暗涵檢修中發(fā)現(xiàn)混凝土澆筑施工縫也是滲漏水薄弱環(huán)節(jié)[4]。南干渠工程上段于2014 年12 月正式通水,南干渠工程下段2017 年通水,截至2021 年12 月已安全運(yùn)行7 年整,全線累計(jì)供水約11 億m3,期間未實(shí)施全段大修。

4.2 外部因素

從2016 年～2021 年底全市平原區(qū)地下水位已連續(xù)6 年累計(jì)回升約9 m。特別是2021 年汛期降雨量遠(yuǎn)超常年同期,地下水位大幅上升,北京市平均地下水位上升近5 m。如遇南干渠工程下段長(zhǎng)期充水后空管運(yùn)行,外水內(nèi)滲的情況可能會(huì)在變形縫等薄弱環(huán)節(jié)發(fā)生。北京市地面沉降形成、發(fā)展、擴(kuò)展、快速發(fā)展、逐步減緩幾個(gè)階段與地下水開(kāi)采利用歷史的階段性變化較為吻合,地面沉降范圍、沉降速率與地下水開(kāi)采強(qiáng)度和布局密切相關(guān)。北京平原區(qū)地面沉降發(fā)育嚴(yán)重地區(qū)與地下水降落漏斗區(qū)基本吻合。

2018 年12 月至2019 年2 月期間,北京出現(xiàn)極寒天氣,城區(qū)各測(cè)站極端最低氣溫均低于-10℃,創(chuàng)近十年同期最低。低溫導(dǎo)致暗涵混凝土收縮,每8 m～10 m 一倉(cāng)混凝土之間的變形縫變寬,加之變形縫填充材料老化或泥化,內(nèi)水外滲情況也會(huì)加劇。暗涵周邊形成水流通道后,必將影響暗涵周邊土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定,也為暗涵自身不均勻沉降遺留安全隱患。

地鐵、高速、綜合管廊等大型穿跨越南干渠工程施工和運(yùn)行也影響其安全運(yùn)行。如地鐵地鐵8 號(hào)線南延線和軌道交通新機(jī)場(chǎng)線穿跨越南干渠工程施工前均未做安全影響評(píng)價(jià)和專業(yè)論證,也為暗涵變形沉降埋下安全隱患。

5 措施及方向

大口徑輸水暗涵高效安全運(yùn)行可有效保障首都供水安全,但暗涵自身變形沉降將直接影響供水穩(wěn)定和周邊地區(qū)建筑物、構(gòu)筑物安全,如發(fā)生問(wèn)題影響面較大。因此有效管控供水條件下暗涵變形在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi),既需要加大日常維護(hù)力度,也要采取技術(shù)手段提前預(yù)防。

5.1 加大監(jiān)測(cè)檢測(cè)力度

針對(duì)南干渠工程末端應(yīng)加密日常工程沉降監(jiān)測(cè)頻率。利用InSAR 技術(shù)能夠快速了解線路周邊地表的變化信息,可為暗涵管理單位提高周期潛在風(fēng)險(xiǎn)區(qū)位置信息,幫助工程運(yùn)管單位及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在危險(xiǎn),提高外部核查的效率,保證南干渠工程的正常運(yùn)行。利用每次隧道排空時(shí)機(jī),對(duì)暗涵內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行全斷面測(cè)量,對(duì)變形縫張開(kāi)情況進(jìn)行探測(cè)。定期對(duì)不同時(shí)期數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析,研判暗涵變形情況。

5.2 加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)防控

針對(duì)南干渠工程累計(jì)沉降量加大、異常沉降變化較大和大型工程穿跨越地區(qū)作為重點(diǎn)管控地區(qū),加大日常監(jiān)測(cè)頻次的同時(shí),加大巡查管護(hù)力度。加大對(duì)工程沿線重要風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域地下水變化觀測(cè),定期開(kāi)展暗涵工程安全運(yùn)行評(píng)估。加大技術(shù)研究力度,研究延長(zhǎng)暗涵變形縫間距、減少變形縫數(shù)量甚至不設(shè)置變形縫；研究可以替代自密實(shí)混凝土的改進(jìn)防滲結(jié)構(gòu)和防滲材料的建筑材料。

5.3 強(qiáng)化數(shù)據(jù)支撐

定期收集南干渠工程沿線年度沉降量、地鐵和高速橋梁等大型穿跨越工程沉降量數(shù)值,并對(duì)比分析。結(jié)合衛(wèi)星遙感影像數(shù)據(jù)與安全監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),定期對(duì)比不同序列暗涵沉降變化量,提前預(yù)警。研究后期埋設(shè)至暗涵內(nèi)部監(jiān)測(cè)儀器和傳感裝置,借各種停水契機(jī),提前敷設(shè),提高監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和精準(zhǔn)度,為日后暗涵安全預(yù)警提供數(shù)據(jù)支撐。