南水北調(diào)中線總干渠高地下水位對渠道運(yùn)行管理的影響

孫超 劉淼森 申粵

摘 要：為確保南水北調(diào)中線總干渠運(yùn)行安全，正確認(rèn)識高地下水位帶來的危害，結(jié)合鄭州高地下水位渠段運(yùn)行情況，采取工程和調(diào)度相結(jié)合措施，減小地下水位抬升產(chǎn)生頂托力對襯砌面板的破壞。

關(guān)鍵詞：南水北調(diào)中線;高地下水位;危害;措施

中圖分類號：TV68;TV221.2 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號：1003-5168（2022）7-0079-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2022.07.018

Abstract：In order to ensure the operation safety of the main canal in the middle route of the South-to-North Water Transfer Project and correctly understand the harm caused by the high groundwater level， combined with the operation of the high groundwater level canal section in Zhengzhou， the combination of engineering and dispatching measures are taken to reduce the damage of the jacking force caused by the rise of the groundwater level to the lining panel.

Keywords：the middle route of the South-to-North Water Transfer Project; high groundwater level; harm; measures

0 引言

南水北調(diào)中線總干渠全長1 432 km，其中明渠總長1 087 km，高地下水渠段（地下水位高于渠底高程）約470 km，其中地下水位高于區(qū)內(nèi)設(shè)計(jì)水位的渠段約160 km。在高地下水位運(yùn)行渠段，尤其在汛期發(fā)生暴雨后，地下水位升高極易造成襯砌面板隆起、斷裂破壞等失穩(wěn)情況。為避免上述問題的出現(xiàn)，應(yīng)嚴(yán)格控制渠道運(yùn)行水位與渠坡面板下地下水位的相對平衡。為有效解決襯砌面板的失穩(wěn)問題，在汛期暴雨后，根據(jù)南水北調(diào)中線總干渠運(yùn)行管理的技術(shù)要求，通過調(diào)度和工程措施控制渠道運(yùn)行水位和渠道襯砌板下地下水位，避免襯砌板面板下地下水位上升產(chǎn)生的揚(yáng)壓力導(dǎo)致襯砌板脹裂現(xiàn)象的發(fā)生，影響渠道運(yùn)行安全。

正確認(rèn)識高地下水位帶來的危害并采取合理措施，確保南水北調(diào)中線總干渠運(yùn)行安全具有重要意義，已有多位學(xué)者對其開展了研究。如李景剛、張學(xué)寰等[1]研究臨時(shí)采取調(diào)度措施，通過一定限度內(nèi)抬升渠道運(yùn)行水位實(shí)施蓄水平壓，以盡可能避免襯砌面板頂托被破壞。吳劍疆、邵劍南[2]等以總干渠陶岔至沙河南段、黃河北至羑河北段的部分渠段為例，對高地下水位渠道存在的主要問題、處理方法及原則進(jìn)行了分析。崔巍、陳文學(xué)、姚雄等[3]以南水北調(diào)中線干渠為背景，研究了大型輸水明渠閘前常水位運(yùn)行控制模式。黃煒、肖萬格、姚雄等[4]結(jié)合南水北調(diào)中線總干渠高水位渠道滲控設(shè)計(jì)實(shí)例，分析了高地下水位內(nèi)排滲控設(shè)計(jì)方案的影響因素，對高地下水位內(nèi)排滲控措施布置原則。

本研究以南水北調(diào)中線鄭州高地下水位段為研究對象，為有效解決高地下水位段襯砌面板的抗浮穩(wěn)定問題，采取調(diào)度和工程兩種措施控制渠道運(yùn)行水位與渠道襯砌板下地下水位的相對平衡，減小高地下水位對渠道襯砌面板帶來的頂托失穩(wěn)破壞，確保南水北調(diào)中線總干渠運(yùn)行安全。

1 鄭州高地下水位段基本概況

南水北調(diào)中線總干渠鄭州段起點(diǎn)位于中牟縣和鄭州市交界處安莊，終點(diǎn)位于鄭州市中原區(qū)董崗附近（總干渠樁號SH（3）179+227.8∽SH210+772.97）。渠線總長31.743 km，其中渠道長度29.956 km，建筑物長度1.787 km。采用明渠輸水，與沿途河流、灌渠、公路的交叉工程全部采用立交布置。渠道為全斷面襯砌，均采用現(xiàn)澆混凝土，混凝土強(qiáng)度等級C20，抗?jié)B標(biāo)號W6，抗凍標(biāo)號F150，一般土渠段渠坡襯砌板厚10 cm，渠底襯砌板厚8 cm;襯砌底部兩側(cè)坡腳設(shè)置齒墻，齒墻寬0.4～0.6 m，高0.6～1.1 m，渠道頂部設(shè)0.3 m寬的封頂板。渠道防滲大部分采用規(guī)格為600 g/m2兩布一膜，膜厚為0.3 mm。

鄭州段高地下水位渠道全長約6.0 km，采用逆止閥內(nèi)排，在渠坡土工膜下設(shè)5～20 cm厚砂礫?？紤]渠段地下水位較高，為了保證渠道襯砌在運(yùn)行和檢修期的穩(wěn)定和安全，在渠坡內(nèi)腳一側(cè)處設(shè)置集水井，在集水井相應(yīng)位置處渠底設(shè)置橫向集水暗管向井內(nèi)集水。共設(shè)集水井6處，其中2處（27～28#泵站）為運(yùn)行和檢修工況運(yùn)行，4處（29～32#泵站）僅在檢修工況運(yùn)行。地下水滲漏水在井內(nèi)水位超過渠道水位0.05 m時(shí)起動(dòng)水泵排水，當(dāng)井內(nèi)水位降至渠道水位以下4 m時(shí)水泵自動(dòng)停止運(yùn)行。

2 高地下水位渠段的主要危害

2.1 渠道邊坡穩(wěn)定問題

渠道穿越高地下水位地區(qū)，地下水位以下的土體由于處于飽和狀態(tài)，土體物理力學(xué)指標(biāo)降低，抗剪強(qiáng)度下降，對渠道邊坡穩(wěn)定將產(chǎn)生一定的影響。另外，地下水沿渠道邊坡產(chǎn)生一定水力梯度，在滲透力作用下，邊坡土體的下滑力增加，使渠道邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)降低，極易造成渠道邊坡失穩(wěn)。

2.2 襯砌板抗浮穩(wěn)定問題

南水北調(diào)中線總干渠為減少水量損失，提高輸水效率，確保運(yùn)行過程水質(zhì)安全，采取全斷面混凝土襯砌等防滲措施，渠道邊坡混凝土厚度10 cm，底板混凝土厚度8 cm，襯砌板下鋪設(shè)復(fù)合土工膜進(jìn)行防滲，混凝土襯砌板橫縫間距和縱縫間距均按4 m進(jìn)行控制。渠道內(nèi)外水不能交換。當(dāng)?shù)叵滤桓哂谇纼?nèi)水位時(shí)，襯砌板下的地下水產(chǎn)生的浮托力有可能大于襯砌板自身重力和渠道內(nèi)水壓力，從而導(dǎo)致襯砌板浮起造成破壞。

3 高地下水位渠段運(yùn)行過程采取的措施

3.1 工程措施

對穿越高地下水位的渠道段，最有效的措施是通過排水降低地下水位，以確保渠道邊坡和襯砌板的抗浮穩(wěn)定。在設(shè)計(jì)時(shí)已經(jīng)充分考慮地下水對渠道的影響，在渠道施工過程設(shè)置了相應(yīng)排水措施，按排水出路不同，可分為內(nèi)排和外排。內(nèi)排是將地下水排入渠道內(nèi)部;外排則是當(dāng)?shù)叵滤贿m宜排入渠道內(nèi)部，而渠道附近有天然溝渠時(shí)，將地下水排入該溝渠，以降低地下水位。根據(jù)排水方式不同，排水措施還可分為自排和抽排。自排即在地形條件適宜的渠段，通過導(dǎo)截流措施將水自流排走。抽排則是通過水泵等設(shè)施將水強(qiáng)排至附近高程較高的溝渠內(nèi)。

鄭州段高地下水位渠段均采用內(nèi)排和外排相結(jié)合的方式，內(nèi)排是通過設(shè)置在渠道襯砌板上的逆止閥將襯砌板下地下水單向排入渠道內(nèi)部，以平衡襯砌板地下水位和渠道水位，確保襯砌板抗浮穩(wěn)定。抽排措施是設(shè)置27、28號兩個(gè)強(qiáng)排泵站，根據(jù)地下水位情況自動(dòng)抽水，減小渠道內(nèi)外水位差，確保襯砌板抗浮穩(wěn)定。

鄭州段高地下水位渠段2016年8月監(jiān)測地下水位變化情況見表1、圖1。在地下水位達(dá)到泵啟動(dòng)水位時(shí)，泵自動(dòng)啟動(dòng)，經(jīng)過約7個(gè)小時(shí)的抽水，渠道地下水位下降約0.79 m，達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)定水位，減小渠道內(nèi)外水位差，確保渠道運(yùn)行安全。

3.2 調(diào)度措施

南水北調(diào)中線總干渠設(shè)計(jì)采用閘前常水位運(yùn)行方式，主要以節(jié)制閘調(diào)節(jié)渠道的水位和流量來進(jìn)行輸水調(diào)度。全線共由63個(gè)節(jié)制閘分為64個(gè)渠池，同時(shí)在渠道倒虹吸出口另設(shè)置61個(gè)控制閘，以保障倒虹吸管的輸水運(yùn)行安全。在調(diào)度過程中，渠道水位通常會(huì)被控制在設(shè)計(jì)水位或加大水位以下的一定范圍內(nèi)，距離渠道超高甚至還有很大空間。

在工程措施實(shí)施過程中，為有效應(yīng)對汛期降雨帶來的地下水位抬升影響，避免渠道襯砌面板失穩(wěn)情況的進(jìn)一步發(fā)生，臨時(shí)啟用調(diào)度措施，即抬高鄭州段渠道運(yùn)行水位，盡可能減小渠道內(nèi)外水位差。

為了驗(yàn)證工程措施和臨時(shí)調(diào)度措施聯(lián)合調(diào)控渠道運(yùn)行水位與渠道襯砌板下地下水位相對平衡的實(shí)施效果，南水北調(diào)中線建管局調(diào)度中心采用蓄水平壓方式調(diào)整渠道水位，使渠道內(nèi)外水壓差達(dá)到平衡。在南水北調(diào)中線溫博段高地下水位渠段進(jìn)行試驗(yàn)，通過調(diào)整閘門開度調(diào)整渠道水位，取得良好的效果，達(dá)到快速平衡渠道內(nèi)外水壓差，確保工程運(yùn)行安全，溫博高地下水渠段采用蓄水平壓方式水位變化詳見表2、圖2。

4 結(jié)語

高地下水位渠段是南水北調(diào)中線總干渠運(yùn)行管理中關(guān)鍵的一環(huán)，管理不當(dāng)將會(huì)給渠道安全帶來嚴(yán)重隱患。為確保渠道運(yùn)行安全，采取工程和調(diào)度相結(jié)合措施，控制渠道運(yùn)行水位與渠道襯砌板下地下水位的相對平衡，減小高地下水位對渠道襯砌板帶來的頂托失穩(wěn)破壞。

參考文獻(xiàn)：

[1] 李景剛，張學(xué)寰，陳曉楠，等.南水北調(diào)中線控制閘在渠道蓄水平壓中的運(yùn)用與研究[J].中國水利，2019（16）：27-29.

[2] 吳劍疆，邵劍南.南水北調(diào)中線工程總干渠渠道設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)問題[J].水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2011（5）：54-55.

[3] 崔巍，陳文學(xué)，姚雄，等.大型輸水明渠運(yùn)行控制模式研究[J].南水北調(diào)與水利科技，2009（10）：6-10.

[4] 黃煒，肖萬格，姚雄，等.南水北調(diào)中線總干渠高地下水位內(nèi)排滲控研究[J].人民長江，2010（8）：55-58.