南水北調(diào)中線干線高地下水位預(yù)警條件探討

畢生，張曉華

（1.水利部建設(shè)管理與質(zhì)量安全中心，北京 100038；2.黃河水利委員會(huì)黃河水利科學(xué)研究院，河南 鄭州 450099）

1 概述

南水北調(diào)中線干線工程是一項(xiàng)宏偉的生態(tài)工程和民生工程。工程投入運(yùn)行以來極大地改善了河南、河北、北京、天津4 個(gè)省（市）受水區(qū)域的生態(tài)環(huán)境和投資環(huán)境，推動(dòng)了中國(guó)中、北部地區(qū)的經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展。工程長(zhǎng)期安全運(yùn)行的社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益巨大。

總干渠采用全斷面防滲，渠道內(nèi)水與地下水不連通。一般情況下，當(dāng)?shù)叵滤桓哂谇浪?0.00～80.00 cm，即可造成襯砌面板的頂托破壞。2021年7—10月，河南普降暴雨，尤其“7·20”強(qiáng)降雨，鄭州地區(qū)降雨重現(xiàn)期超5 000年，南水北調(diào)中線干線工程沿線不同程度受損，其中，地下水位快速抬升造成渠道襯砌面板頂托破壞，以及一級(jí)馬道以下邊坡出現(xiàn)滑塌對(duì)工程安全供水影響最大。

2 強(qiáng)降雨的影響及處理措施

2.1 降雨及襯砌受損情況

南水北調(diào)中線干線焦作段工程在閆河及聵城寨設(shè)置2 個(gè)雨量站。2021年5月15日至10月25日，閆河累計(jì)降雨量為1 202.5 mm，聵城寨累計(jì)降雨為量1 280.4 mm，均超過歷史統(tǒng)計(jì)極值，主汛期降雨量見圖1。

圖1 焦作段汛期降雨柱狀圖

降雨造成總干渠焦作段地下水位快速上升，地下水向上滲流造成土層壓力增加[1]，孔隙水揚(yáng)壓力引發(fā)渠道襯砌破壞，9月27日巡查人員發(fā)現(xiàn)襯砌面板開始出現(xiàn)破壞。襯砌面板累計(jì)坍塌長(zhǎng)度為304.00 m，累計(jì)滑動(dòng)長(zhǎng)度為1 383.30 m，其中4.00 m×4.00 m 和2.00 m×2.00 m 襯砌面板分別錯(cuò)臺(tái)隆起1 509 塊和389 塊。

2.2 地下水位變化

研究表明，降雨對(duì)淺層地下水水位變化影響較為敏感，對(duì)深層地下水及坡面地下水水位影響存在明顯滯后現(xiàn)象[2]。從自動(dòng)化監(jiān)測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)看，焦作深挖方渠段地下水位的上升時(shí)間滯后首輪強(qiáng)降雨約20 d。8月12日，滲壓計(jì)測(cè)值開始明顯上升，至9月27日，襯砌面板出現(xiàn)破壞歷時(shí)48 d，期間地下水位日均增長(zhǎng)17.44 cm，單日最大增加95.00 cm。地下水位于10月19日到達(dá)峰值附近后持續(xù)震蕩，至12月13日開始下降。深挖方渠段典型斷面滲壓計(jì)Q10P-3 測(cè)值過程線見圖2，地下水位日變幅曲線見圖3。

圖2 九里山西南橋下游滲壓計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)過程線（2021—2022年）

圖3 深挖方渠段地下水位日變幅曲線（2021—2022年）

2.3 處理措施

2021年9月27日，深挖方渠段地下水位達(dá)到104.92 m，高出渠道水位0.70 m 以上，深挖方渠段襯砌板面板出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)、滑塌現(xiàn)象，同時(shí)，一級(jí)馬道縱向排水溝以上邊坡出現(xiàn)滲水現(xiàn)象。管理單位立即組織采取措施防止破壞進(jìn)一步擴(kuò)大：采取調(diào)度措施，抬升渠道水位平抑地下水；在一級(jí)馬道縱向排水溝底間隔5.00～10.00 m 設(shè)置降壓井排水；在一級(jí)馬道邊坡增設(shè)排水孔，排除坡面地下水；加密安全觀測(cè)頻次。在實(shí)施處理措施期間，地下水位持續(xù)升高，渠道襯砌破壞現(xiàn)象進(jìn)一步加大，直到10月底才得到有效控制。

3 地下水位異常預(yù)警分析

南水北調(diào)工程建設(shè)期即考慮地下水位上升對(duì)渠道襯砌的破壞影響，設(shè)計(jì)時(shí)在深挖方渠段的渠道底部及渠坡設(shè)置了一定數(shù)量的逆止閥，用以降低揚(yáng)壓力。在高地下水位深挖方渠段設(shè)置地下水強(qiáng)排泵站，用以降低地下水位，其啟動(dòng)條件為地下水位高于渠道運(yùn)行水位以下0.60 m。工程運(yùn)行后，在部分未設(shè)強(qiáng)排泵站的深挖方渠段一級(jí)馬道縱向排水溝設(shè)置了減壓降水井。焦作段襯砌出現(xiàn)破壞的深挖段未設(shè)計(jì)強(qiáng)排泵站，也未增設(shè)減壓降水井。

基于強(qiáng)排泵站啟動(dòng)條件限制，中線干線工程將由深挖方渠段地下水上升造成襯砌破壞的預(yù)警條件設(shè)置為地下水位高于渠道運(yùn)行水位以下0.60 m。

3.1 現(xiàn)有應(yīng)對(duì)措施存在的問題

南水北調(diào)中線干線工程應(yīng)對(duì)深挖方渠段地下水位異常升高的有效措施為抬高運(yùn)行水位、啟動(dòng)降壓泵站降水、增設(shè)降水井降水3 種。由于南水北調(diào)中線干線工程長(zhǎng)期在設(shè)計(jì)水位運(yùn)行，運(yùn)行水位不能無限制抬高，一般水位抬高極限在0.20 m 左右，通過抬高運(yùn)行水位壓制地下水的作用有限。對(duì)設(shè)計(jì)有降壓泵站的渠段，當(dāng)水位快速上升時(shí)，降壓站能夠影響的渠段在200.00 m 左右（上下游合計(jì)），而降壓站設(shè)計(jì)間距為500.00 m，不能有效控制全渠段地下水位。對(duì)無降壓泵站和降水井的深挖方渠段，通過在一級(jí)馬道臨時(shí)增設(shè)降水井可以控制地下水位快速抬升，但通過焦作深挖方段襯砌破壞搶護(hù)的過程看，增設(shè)全部降水井施工用時(shí)近30 d，在襯砌發(fā)生破壞前已經(jīng)不能完成降水井施工，因此，地下水位異常預(yù)警條件需要調(diào)整。

3.2 預(yù)警條件調(diào)整

通過對(duì)南水北調(diào)中線干線焦作深挖方段降雨及襯砌破壞過程的分析，若要避免渠道襯砌破壞，在襯砌面板發(fā)生大面積破壞前完成降水井施工，則需在8月27 前啟動(dòng)預(yù)警，實(shí)施降水井施工。從8月12日水位上升開始至8月27日，典型渠段地下水位連續(xù)上漲16 d，日均增幅達(dá)8.41 cm?？煽紤]將地下水位連續(xù)上漲天數(shù)和日均上漲速率作為預(yù)警條件之一，與現(xiàn)有預(yù)警條件并行。建議將地下水位日均增幅達(dá)到5.00～10.00 cm，地下水位連續(xù)上漲天數(shù)達(dá)到8～12 d，作為預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)和應(yīng)急措施啟動(dòng)條件。

4 結(jié)語

通過分析2021年10月焦作段深挖方渠段襯砌破壞的監(jiān)測(cè)資料，將地下水位連續(xù)上漲天數(shù)和日均上漲速率作為預(yù)警條件是必要的。當(dāng)二者同時(shí)達(dá)到預(yù)警條件時(shí)，在無降水措施的深挖方渠段，可考慮增加降水井，以降低渠道襯砌破壞的風(fēng)險(xiǎn)。但由于收集的資料有限，僅靠焦作段深挖方段地下水變化的資料，不能準(zhǔn)確得出達(dá)到預(yù)警條件的地下水位連續(xù)上漲的合理天數(shù)和日均上漲速率的準(zhǔn)確范圍，需要更廣泛地收集降雨和監(jiān)測(cè)資料，在統(tǒng)計(jì)分析的基礎(chǔ)上得出更科學(xué)的數(shù)據(jù)。