论文无忧 | 论文发表 | 手机版 | 二维码

《人民长江》杂志
本刊往期
您当前的位置:首页 杂志文章 南水北调中线一期总干渠陶岔至鲁山段设计概述
南水北调中线一期总干渠陶岔至鲁山段设计概述_杂志文章
南水北调中线一期总干渠陶岔至鲁山段设计概述
发布时间:2020-02-29浏览次数:148返回列表

谢 向 荣,吴 德 绪 (长江勘测规划设计研究院,湖北 武汉 430010)

摘要:南水北调中线一期工程总干渠陶岔至鲁山段全长约239 km,沿线水文与地形地质条件复杂、穿越大小河流众多、渠道输水流量大、各种渠系建筑物规模大且设计施工技术复杂。扼要介绍了输水工程中一些功能性建筑物的功能、规模确定方式、布置特点以及选型设计过程中分析考虑的主要因素,包括渠道水流控制与渠系防污染措施;对膨胀土渠段渠坡保护,以及大型梁式渡槽结构设计与施工等重大技术问题作了简要阐述。

关键词:大型渠道; 交叉建筑物; 渠坡稳定; 膨胀土基础; 工程布置; 南水北调中线一期工程

中图法分类号: TV67文献标志码: A

南水北调中线一期工程是缓解京、津及华北等地区资源性缺水的特大型跨流域调水工程。是解决我国水资源分布与社会生产力布局不相适应矛盾、促进区域经济社会平衡协调发展的重大举措,也是保护并改善沿线地区生态环境、支撑缺水地区可持续发展的重要基础设施。从20世纪50年代中后期开始,包括长江委在内的国内有关单位开始着手南水北调中线工程的初步规划和选线工作,到20世纪90年代末,完成了调水量为145 m3的初步设计方案。从2000年起,国家有关部门组织勘察设计单位对规划报告进行了修订,推荐实施调水量为95亿m3的一期建设方案。

1工程概况南水北调中线一期工程包括:水源工程、输水工程、汉江中下游治理工程。输水工程从汉江丹江口水库陶岔渠首闸引水到北京、天津,受水区范围15万km2,年均引水量95亿m3;输水总干渠穿越长江、淮河、黄河、海河四大流域,是一项跨多流域的调水工程。输水总干渠全长1 400余千米,沿线经过豫、冀、京、津二省二市,沿线水文气象、地形地质条件复杂,渠道穿越煤矿采空区、膨胀土地区、湿陷性黄土地区、高地下水位强透水地层,沿线布置有近1 800座各类不同规模的建筑物。南水北调中线一期工程由陶岔至鲁山渠段、鲁山至黄河南渠段、穿黄盾构隧道、黄河北至漳河南渠段、穿漳隧道工程、邯郸至石家庄渠段和京石渠段等组成。截至目前,黄河以北各段工程已开工建设,其中京石段渠道已建成通水;穿黄盾构隧道工程已经完工;黄河以南各渠段也已相继开工,其中,从渠首陶岔至沙河南岸鲁山段已完成总干渠南阳段膨胀土试验段工程,即将展开全线施工。南水北调中线一期工程总干渠陶岔至鲁山段系输水工程首段,起点位于河南省淅川县境内的陶岔渠首以下300 m,终点位于沙河南岸鲁山县薛寨北,全长约239 km,沿线经过河南省南阳市及平顶山市。输水工程由输水渠道和渠道与沿线天然河道、其他渠道、公路、铁路交叉部位布置的交叉建筑物,以及输水工程沿线布置的水流控制设施构成。陶岔至鲁山段总干渠工程涉及到众多的工程技术问题。其中包括:渠线规划与方案比选、复杂水文与地形地质环境(包括膨胀土地基处理、高地下水位及工程排水措施)、超大型渡槽结构设计与施工、输水工程的运行调度、跨流域水资源调配、工程占地与移民、工程建设环境等问题,为此,长江勘测规划设计研究院在前期工作及初步设计中开展了大量的专题设计技术研究,取得了丰富翔实的试验资料和先进可靠的设计研究成果。本专辑仅介绍了总干渠规划设计研究的部分内容,以飨读者并提供交流探讨。为避免重复,本文仅就总干渠输(排)水及交叉建筑物布置原则与特点,以及膨胀土渠坡保护与大型梁式渡槽结构设计与施工等重大技术问题作一简要概述。

2总干渠渠道与各类交叉建筑物布置

2.1输(排)水渠道与河流交叉布置原则总干渠渠道沿线与大小150余条河流和其他灌溉渠道相交,为确保南水北调工程输水水质,渠道与所有河流(或其他渠道)均采用立交方式,在交叉处布置交叉建筑物,使水流各行其道,互不掺混。交叉建筑物大体上可分为输水建筑物和排洪建筑物。

2.1.1输水建筑物输水建筑物是指在天然河道(其他渠道)上方或下方设置的、保证干渠渠道自流输水的建筑物。输水建筑物形式大体可分为:梁式输水渡槽、涵洞式输水渡槽、输水倒虹吸、输水涵洞。输水建筑物输水能力根据总干渠输水的设计或加大流量确定,输水建筑物长度由天然河道行洪宽度要求确定。为满足总干渠自流输水的基本要求,须依据不同的现场环境条件采用不同形式的建筑物布置。梁式输水渡槽适用于干渠输水断面底高程高于交叉河流设计标准洪水水面线、且高差满足相关技术规程规定要求的布置条件;涵洞式渡槽适用于干渠输水断面底高程略高于或略低于交叉河流设计标准洪水水面线的布置条件;输水涵洞适用于干渠设计水面低于穿越河道河底高程、且高差满足水力学要求的布置条件;输水倒虹吸从理论上可适用于本工程各类交叉布置的条件,但从技术经济角度考虑,在介于涵洞式渡槽与输水涵洞布置条件之间的情况下,通常采用输水倒虹吸较为经济合理。

2.1.2排洪建筑物排洪建筑物是指在渠道上方或下方设置的过水通道,以使天然河道或其他渠道相连通。排洪建筑物形式大体可分为:梁式排洪渡槽、排洪倒虹吸、排洪涵洞。排洪建筑物的排洪能力由天然河道设计标准下的泄洪要求确定,排洪建筑物的长度由交叉处渠道输水断面确定。与输水建筑物布置条件类似,梁式排洪渡槽适用于交叉处河道行洪断面底高程高于总干渠水面线、且高差满足相关技术规程及渠道工程运行维护要求的布置条件;排洪涵洞适用于交叉处河道设计标准洪水水面线低于总干渠输水断面底高程、且高差满足水力学要求的布置条件;排洪倒虹吸从理论上可适用于本工程各类交叉条件,但从技术经济角度考虑,可在介于梁式排洪渡槽与排洪涵洞的布置条件之间的情况下经过比较选用。第16期谢向荣,等:南水北调中线一期总干渠陶岔至鲁山段设计概述.

2.1.3交叉建筑物选型总干渠与河流交叉建筑物穿越方式选择与总干渠输水流量Q1及所穿越河道标准设计洪水流量Q2大小相对关系、总干渠渠道工程外轮廓水平宽度L1与河道行洪断面水面宽度L2相对关系、交叉部位的水文地质条件、河道是否有排漂要求等多方面因素密切相关。交叉建筑物选型通常需要经技术经济比较确定。在初选时应结合工程经验并参考以下原则确定。(1) 当Q1与Q2相当时,若L1+D≥L2,通常布置输水建筑物;若L1<L2通常布置排洪建筑物,其中D为输水建筑物进出口闸、渐变段轴线长度。(2) 当L1+D与L2相当时,若Q1≥Q2通常布置排洪建筑物;若Q1<Q2,通常布置输水建筑物。

2.1.4交叉建筑物轴线布置输水建筑物轴线沿总干渠渠线方向。建筑物轴线的位置通常结合建筑物两端渠段进行不同方案的技术经济性能比较确定。比较因子主要包括:渠段与建筑物的工程量、工程占地与房屋迁建、对局部河段河势及防洪影响、对当地居民生产生活及环境影响、后期运行维护等。排洪建筑物轴线通常沿河道主流方向(或局部修整后的河道方向)。建筑物轴线的位置通常根据交叉处天然河道的河势、进出流条件等综合因素拟定不同方案并经技术经济指标比选确定。比较因子主要包括:排洪建筑物及进出口河道局部整治与防护工程量、对天然河道河势及防洪影响、对当地居民生产生活及环境影响、后期运行维护工作量。

2.2干渠渠道与公路交叉布置特点南水北调中线工程输水总干渠不可避免地与沿线公路、铁路交叉,因而需根据交叉处交通路面与总干渠过水断面的相对关系选择不同的交叉建筑物型式,由于公路与天然河道特性要求不同,交通路面设计可进行适当爬坡或下沉布置,具有一定的灵活性,且路面宽度一般不大于渠道过水断面宽度。因此,公路一般自渠道上方跨越渠道或自渠道下方穿过,即采用跨渠公路桥或穿渠公路涵洞的方式。在公路交叉建筑物轴线布置上,对于一、二级公路轴线位置,通常由较差处公路平面曲线确定,对于三级及以下公路,则结合渠道两侧公路局部路段平面曲线适当调整,尽可能使交叉处公路较差建筑物轴线与总干渠轴线有较大的交角。由于总干渠将不可避免对两侧临近居民生产、生活的交通条件造成一定的影响,在工程设计中,除公路交叉处布置交通通道外,还结合渠道所穿越的当地居民点、村镇以及农田耕作布局,布置生产桥。

2.3渠道水流控制设施总干渠输水工程建成投入运行后,主要任务是向郑州、北京、天津等特大城市和沿线城镇供水。为了最大程度满足用户要求、同时避免造成不必要的弃水,在渠道运行期间,渠道输水流量不可避免发生变化;同时,还要适时适量向沿线用水户供水,提供运行期间工程维护及检修条件,确保输水工程安全运行以及配合处置突发事件。根据渠道运行和水力调度需要,总干渠沿线布置有分水口门、节制闸、检修闸及退水闸。分水口门位置以及从总干渠分水的引水流量,依据当地用水规划及配套供水系统确定;分水口门及分水设备的型式则根据地形条件、分水流量规模确定。分水口门具有精确控制引水流量功能。节制闸主要是为调节总干渠不同渠段输水流量、输水水位、配合工程维护、检修、突发事件处理而设置的。节制位置依分水口门布置、不同输水渠段结构型式、总干渠水力调度要求等因素综合确定。南水北调中线工程节制闸布置一般与大型河渠交叉建筑物进口(渡槽、涵洞)或出口(倒虹吸)建筑物结合,沿渠线分布距离约10~15 km。节制闸闸门能局部开启,精确控制输水流量和闸前水位。检修闸主要为大型河渠交叉建筑物检修设置的,同时也为应对退水闸主要为处理突发事件截断渠道水流而设置的,正常条件下退水闸处于关闭状态。退水闸布置需要与天然退水通道相结合,原则上布置在两节制闸之间的输水渠道下游端,且从节约工程投资角度考虑,退水闸大多与排冰设施联合布置。

2.4渠系防污染措施根据南水北调中线一期工程供水规划,总干渠自丹江口水库取水,主要解决华北地区城镇居民生活用水及工业用水,水质要求高。在输水工程设计研究中,就防止输水过程中水体污染采取了一系列专门措施,具体包括:在输水工程两侧设置水源保护区和管理区,以控制人类活动造成渠道临近地下水污染;在渠道两侧设置安全防护网,防止人类活动直接造成渠道水污染;在挖方渠道坡顶两侧设置截流堤和截流沟,防止临近区域地表水进入渠道;要求所有跨渠交通桥不允许桥面积水排入总干渠;在跨渠桥上须设置可靠的防撞设施和防护网,防止杂物抛入渠道,并在桥栏两侧设置交通警示标志。 3重大技术问题研究

3.1膨胀土渠段渠坡保护措施在南水北调中线总干渠陶岔至鲁山段渠道地基岩性中,涉及强、中、弱不同膨胀特性的膨胀土渠段长度达180余千米,因此,膨胀土(岩)问题是本渠段最突出的工程难题之一,也是南水北调中线工程的关键技术问题之一。膨胀土对渠道工程的影响主要体现在两个方面:① 由于表层土体受干缩湿胀循环后变得较为松散,坡面受雨水冲刷后极易形成雨淋沟;② 影响渠坡稳定,在大气影响带深度范围内,极易产生浅层叠瓦式滑坡,深度一般为2~6 m,或形成由层间结构面控制的深层滑坡;③ 当土体含水量发生变化时,由于胀缩变形受到渠道衬砌的约束而产生膨胀力,可能造成渠道衬砌破坏,引起渠道漏水,并进一步导致渠坡稳定状态的恶化。由于膨胀土工程技术问题复杂,目前有关膨胀土工程技术问题研究处于发展阶段。为研究合理、安全的膨胀土渠坡处理措施,2008年11月,选择具有代表性的总干渠南阳段作为试验渠段,就膨胀土相关问题开展模型试验研究。试验在收集国内外相关资料的基础上,结合输水工程设计,就膨胀土工程特性,膨胀土渠坡破坏机理,膨胀土渠坡保护主要目标及对应的保护方式、保护材料、保护范围、保护效果,水泥改性土的物理力学特性、水泥改性土生产、碾压、存放等一系列问题开展了多方案研究。确定了采用换填土(或换填改性土)的膨胀土渠坡保护方案,提出了改性土拌制、填筑碾压施工技术要求。为实际解决南水北调工程膨胀土工程问题提供了技术支撑。试验段作为总干渠的组成部分,开工至今已历时2 a。完成了膨胀土现场基本特性试验、现场碾压试验、运行及检修工况模拟试验、大气环境模拟试验等,目前正进行试验成果整理和后续观测工作。试验段所取得的成果,将为进一步优化设计和指导现场施工提供可靠的依据。

3.2大型梁式渡槽结构设计与施工陶岔至鲁山段总干渠输水流量规模在全线总干渠中是最大的,大型交叉建筑物中包括:渠道倒虹吸、河道倒虹吸、梁式渡槽、涵洞式渡槽等,涉及到水力学、工程结构、地基处理等诸多工程技术问题。其中,湍河、澧河等大型输水渡槽经技术经济比较,选用了双向预应力“U”型槽结构和三向预应力矩型槽结构,渡槽跨度与断面尺寸均为目前国内之最,其所承受的荷载也远远超出一般铁路桥梁荷载。为确保工程安全与工程设计的经济合理性,在渡槽工程设计中,结合具体工程的地基条件、渡槽上下部结构选型,对渡槽跨度、槽体结构体型、预应力钢筋配置、普通钢筋的配置,不同结构形式渡槽槽体结构纵横向预应力张拉、槽体混凝土浇筑、混凝土温控措施等施工方案及措施进行了系统的设计和分析研究,为确定渡槽跨度、单槽断面尺寸规模、槽体结构形式、渡槽施工设计方案提供了技术依据。

4结 语南水北调中线一期工程总干渠陶岔至鲁山段沿线地形地质条件复杂、穿越大小河流及其他渠道众多、因承担的输水流量大以致各类建筑物体量大且设计难度大,以及为适应运行调度工况的控制方案复杂等因素,对于本段工程的设计研究提出了一系列技术创新课题。其中对有些重大课题的前期勘测规划以及单项工程科研设计工作,长江委科研设计人员历经20多年的深入勘察与科研,取得了丰富而翔实的试验成果,为进一步优化设计与施工打下了坚实的基础。目前,陶岔至鲁山段总干渠工程已完成招标设计工作,即将展开全线工程施工。在全面实施建设的过程中,可能还会遇到各种预想之外的问题,只要我们坚持科学、严谨、求实精神和态度,就一定能够开创性地完成好本工程的设计任务。 (编辑:喻 伟)

您对《南水北调中线一期总干渠陶岔至鲁山段设计概述》一文的评论