水利论文南水北调中线渠道强透水基础抗浮处理

 　　本文是一篇水利论文，文章分析南水北调中线渠道强透水基础抗浮处理方法。发表在《中国水利》上，杂志创刊于1950年，由中华人民共和国水利部主管,是水利系统最权威的指导(综合)类科技期刊。以宣传党中央、国务院的治水方针,宣传水利部党组的治水思路,探讨水利发展对策,指导、服务水利改革与发展,交流水利科学研究新进展.推广水利新技术,沟通水利与社会为宗旨。

　　南水北调中线工程黄河北至羑河北渠道工程线路长，地质条件复杂，渠道沿线穿越强透水砂卵石地层占渠段总长约1/3，渠道外地下水的渗流扬压力较大时可对总干渠产生顶托破坏，严重威胁总干渠的安全运行。针对南水北调中线总干渠强透水地基渠道的特点，综合各方面因素，确定了适用于总干渠渠道的排压结合、永临结合抗浮处理方案。

　　关键词：南水北调中线工程渠道,砂卵石,水利论文

　　跨流域调水一般渠线较长且以大型明渠为主，渠线不可避免的穿越砂卵石层等强透水地基，当强透水基础渠段较长时，渠道基础抗浮处理措施投资控制困难，实施难度大，而总干渠防渗及明渠结构安全稳定同时又是跨流域调水成功与否的关键。因此，基于大型明渠的特点，通过对各种砂卵石地层抗浮处理措施的对比分析，选择安全可靠、经济且易于实施的抗浮措施，确保总干渠输水安全。

　　1工程概述

　　南水北调中线工程黄河北至羑河北渠段起点位于河南省温县北张羌村，终点为汤阴县附马营村南，渠线总长1968 km，其中1/3长度渠道穿行于冲洪积、坡洪积裙和河谷平原等地貌单元中的第四系砾卵石、砂层。该砂卵石地层为中-强透水地层，总干渠渠道一般为挖方渠段(挖深一般8～15 m)，渠道底宽一般8～265 m，渠道采用复合土工膜防渗，过水断面全断面采用厚8～10 cm混凝土板衬砌，见图1。

　　地质勘测资料显示，该砂卵石渠段地下水位一般高于设计渠底高程，低于渠内设计水位高程(渠内设计水深7 m);同时渠道沿线与多条河流交叉位置及相邻位置地层结构为较厚的卵石地层，卵石透水性较强。渠道内外水头差易对渠道混凝土衬砌板形成顶托破坏，影响总干渠的安全运行。

　　2抗浮稳定影响因素

　　针对总干渠渠道结构、水文地质条件的特点，影响总干渠渠道抗浮稳定的主要因素主要包括渠道外水位、地基渗透性、渗径长度、结构自重、结构物上覆压载等，见表1。

　　上述措施原则上可以解决抗浮稳定问题，但针对地下水、外洪水、地层岩性复杂的沿线渠道，各方案在安全性、可靠性、经济性、可行性存在较大的差异，应根据工程条件对比分析优选。

　　3总干渠渠道抗浮处理措施

　　根据总干渠的运行管理要求，总干渠渠道抗浮设计主要考虑如下运行工况：(1)渠道运行期，河道设计(校核)洪水位，渠内设计水位;(2)渠道检修期(或完建期)，地下水稳定渗流，渠内无水;(3)渠道完建期，河道常遇洪水位，渠内无水。

　　在总干渠长期运行过程中，渠道运行期、检修期工况发生的概率较大，且内外水头差一般为0～55 m;完建期时间长度相对较短，遭遇洪水的概率较小，但渠道内外水头差一般为0～105 m。鉴于渠段上述特点，可分别考虑永久性抗浮措施和临时性抗浮措施。

　　3.1渠道运行期、检修期永久性抗浮措施

　　渠道抗浮设计一般可采用排水(截水)降压、压载抗浮等处理措施。

　　(1)排水(截水)降压方案，即利用抽排(自排)或防渗墙截渗等方式降低含水层的压力水头，防止基坑底板突涌，确保基坑底板的稳定。

　　a.自排降压。

　　总干渠渠底、渠坡一般布设1-3排逆止式自流排水口(见图2)，渠道单宽排水流量一般为5～58 m3/d，但由于砂卵石地层渗透系数(101 cm/s)远大于壤土地层(105 cm/s)渗透系数，各砂卵石地层渠道断面单宽渗流量为58～1 417 m3/d，远大于自流逆止式排水口的排水能力，技术上无法通过增加逆止式自流排水口的数量有效降低渠道外水扬压力。

　　b.强排降压。

　　总干渠两侧增设强排降压井，抽排地下水至渠道外侧，可降低渠底扬压力。根据沿线水文地质条件，井深约30 m，井间距为20 m，降水井稳定运行单井抽水量达100～150 m3/h时，渠外水位可降低至渠底高程以下，原则上可解决渠道抗浮稳定问题，但该方案：①渠线长且断续分布，需配备水机、电气设备数量庞大，工程费用高，不经济;②运行期间需加强降水设备的检测、维护与地下水位的监测，随时准备启动降水措施，运行管理困难且费用巨大;③抽排水降水，地下水位下降，可能影响附近农业及居民生活用水，对水环境影响较大;④渠道长期未遭遇高地下水或外洪水，设备闲置浪费。强排降压抗浮措施在工程投资、运行管理、环境影响、运行费用等方面均不具有优势。

　　c.截水降压。

　　即利用截渗墙或截渗墙与地层中连续的相对隔水层形成截水边界，降低地下水体对渠道衬砌板的扬压力。鉴于砂卵石地层渗透性较强，悬挂式截渗帷幕深度较大时，方能有效降低压力水头。故总干渠截渗降压方案仅适用于渠基存在连续相对隔水层的砂卵石渠段。

　　垂直截渗墙大体可分为：高喷灌浆防渗、混凝土墙防渗、垂直铺塑防渗、水泥土搅拌桩防渗墙防渗等。水泥土搅拌桩防渗墙一般仅适用于处于正常固结的淤泥质土、粉土、素填土、黏性土及无流动地下水的饱和松散砂土;垂直铺塑防渗墙由于开槽带来的塌孔问题及铺塑料布的质量、回填槽施工质量等不易控制，防渗质量不佳;混凝土防渗墙单价相对高压喷神混凝土防渗墙防渗性好，但投资较高。

　　总干渠长约21 km渠段渠道底部附近分布有一层15～3 m厚黄土状中粉质壤土层，渗透系数为105 cm/s，该渠段水头差约115 m，高压摆喷截渗墙即可满足截渗要求，见图3。

　　(2)压载抗浮。

　　利用增加结构自重平衡外水压力，也是抗浮措施最直接与简单的措施。鉴于总干渠工程投资对混凝土衬砌板厚度极度敏感，故采用增加衬砌板下方压载重量，即开挖卵石置换压载。

　　a.置换压载。

　　压载考虑如下方案：①换填黏性土：全断面换填渗透系数较小的黏性土层压载;②换填砂卵石：铺设复合土工膜作为防渗体，复合土工膜上部的回填料作为压载;③砂卵石层改性：通过向渠道砂卵石基础灌入浆液，提高地层的密实性，原砂卵石地层的渗透系数降低后作为压重层解决渠道抗浮稳定问题，鉴于灌浆地层为松散的砂卵石地层，选择水泥浆袖阀管法灌浆。

　　经济上，换填砂卵石层压重措施可就地取材，工程投资最小，换填黏土方案次之，砂卵石层改性方案中灌浆单价最高，工程投资最大。

　　施工及进度上，卵石层改性方案渠坡造孔、灌浆困难，施工速度较慢且灌浆质量不易控制，换填砂卵石及黏性土施工工艺成熟、简单，工程进度较快且质量易控制。

　　压载效果上，换填卵石层方案中土工膜防渗层一旦破损，工程措施可能完全失效，可靠度最差;砂卵石改性方案，灌浆后全面检测困难，可靠度次之;换填粘土方案工艺成熟，可分层控制填筑质量，换填层整体作为防渗压重体，安全性最高。

　　b.抗浮锚杆(桩)。

　　利用桩体自重和桩侧摩阻力来提供抗拔力，是一种常用的抗浮技术措施。抗浮桩桩型种类多，如人工挖孔桩、钻孔桩和预应力管桩等。由于抗浮桩的间距较大，需要很厚的底板才能抵抗浮力产生的附加弯矩和剪力。总干渠渠道衬砌板为较薄的素混凝土板，无法抵抗浮力产生的弯矩和剪力，同时抗浮锚杆也对复合土工膜防渗层产生不利影响。

　　综上所述，渠道运行期、检修期强透水卵石渠段置换粘土压载方案和截渗降压方案优势明显。

　　3.2渠道完建期临时性抗浮措施

　　鉴于总干渠完建期内外水头差较大，若仍采用永久压载方案，施工困难且工程投资巨大。故针对完建期时间周期相对较短、渠道处于非运行状态等特点采用临时性压载措施和临时性排水降压措施。

　　(1)临时性压载。

　　完建期提前充水，即考虑渠道运行期及检修期已采取换填处理措施，在渠道施工完建期，采用向渠内汛前提前充水至一定的高度满足渠内外水压力平衡的要求。但此方案受多种因素的制约：①施工进度上，需做好工期安排，各充水渠段均需在充水前完成施工;②运行管理上，需避免完建期渠道放空检修;③充水水源方面，充水渠段较长，充水水量较大，周期较长，砂卵石渠段附近河流一般为常年无水，若采用开采地下水提前充水，长期降水将会影响附近建筑物的安全及人民的生产生活;④挡水条件方面，渠段充水时需利用闸门挡水，部分闸门无法反向挡水，需增加临时挡水措施;⑤渠内水位条件方面，渠道内为静水位，充水渠段首尾水深差别，限制部分渠段充水深度。

　　综合考虑，临时性压载方案原则上技术可行，但操作实施难度较大。

　　(2)临时排水降压。

　　考虑完建期渠道处于非运行状态，在利用换填压载方案的基础上，布设连接渠道衬砌板与渠基卵石层的临时排水孔，降低换填层下方的扬压力，排水孔仅在渠道完建期使用，总干渠运行前临时排水孔进行永久性封堵。

　　由于强透水地基渠段地层岩性、渗透系数均有较大的区别，为避免降压后换填层下方扬压力分布不均，在换填层下方布设排水管网，渠坡坡脚、渠底中心位置预留排水孔。具体方案为：在渠道换填黏土层下方布设横向间距为8 m、纵向间距为4 m的集水管网，并与布设在渠道两侧坡脚4 m间距的Φ250波纹管及渠道底部16 m间距的Φ500混凝土管连接形成自排排水体。见图4和图5。

　　临时性排水降压方案较全换填粘土方案施工降水难度明显降低，工程进度相对较快，同时节约了百万方粘土用量和上亿元工程投资，抗浮安全可靠度有保证，技术经济优势明显。

　　4结语

　　针对南水北调总干渠抗浮处理渠段长，水文地质条件复杂，处理措施影响范围广，工程投资大，抗浮失稳后后果严重等特点，并结合工程运行条件及运行管理要求，通过对各类抗浮处理措施在安全可靠性、工程费用、可操作性、施工进度、环境影响等方面的优劣分析，采取排压结合、永临结合抗浮处理措施是安全、经济的。目前该措施已经开始接受实践的考验并发挥着积极的作用。

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