范迎春
河北省水利水电勘测设计研究院 天津 300250
摘要：南水北调中线京石段唐河总干渠渠段发生衬砌板隆起、坡面渗水等问题，通过对南水北调中线总干渠进行渗流稳定分析，提出唐河总干渠输水影响段处理措施。
关键词：南水北调；唐河总干渠；渗流分析；处理措施
1 工程概况
唐河总干渠为灌溉型渠道，在南水北调中线总干渠设计桩号329+773处与南水北调中线工程总干渠渠道相交，此处建有唐河总干渠渡槽把唐河总干渠水引入灌区，用于灌溉。唐河总干渠跨越南水北调中线总干渠后，与南水北调中线总干渠近似平行走向，两渠道中心线间距约150m，在唐县西环路桥附近处变窄不足30m，在南水北调中线总干渠设计桩号334+200以后两渠道分离。
此段南水北调总干渠渠道设计渠道底宽18.5m，一、二级边坡1:2.5，三、四级边坡1:2.0；设计渠底高程65.366m，设计水位69.866m，加大水位70.388m；渠道渠底采用8cm厚C20W6F150混凝土，渠坡采用10cm厚C20W6F150混凝土衬砌，其下铺设土工膜及砂砾料；三、四级坡面采用六角混凝土框格内植草护坡。
唐河总干渠设计流量36m3/s，设计渠底高程81.058～80.760m，设计底宽15m，边坡1:1.5，纵坡1/2000。
2009年9月唐河总干渠为保定环城水系放水后，南水北调中线总干渠渠道2级坡面渗水、渠底出水。在以后的南水北调中线总干渠临时通水期间，本段渠道多次发生衬砌板隆起、坡面渗水等问题。根据近几年唐河灌渠历次通水时间统计表及唐县管理处新增测压管历年数据统计的观测资料分析，本段地下水位升高与唐河总干渠输水渗漏相关性高度吻合。
2.中线总干渠渠道渗流稳定分析
唐河总干渠输水期设计水位83.5m，南水北调中线总干渠设计水位69.866m，水位差13.6m。中线总干渠渠底设计高程65.366m，唐河总干渠设计水位高出中线总干渠渠底高18m。由于存在水头差，将产生渗透压力，可能对南水北调中线总干渠渠底及渠坡造成破坏。通过对中线总干渠渗流稳定计算分析，进一步分析确定总干渠破坏原因，确定采取处理措施。
2.1设计工况
工况Ⅰ：唐河总干渠现状，渠内正常输水；南水北调总干渠内无水，渠底设置逆止阀。
工况Ⅱ：唐河总干渠混凝土衬砌，渠内正常输水；南水北调总干渠内无水，渠底设置逆止阀。
工况Ⅲ：唐河总干渠现状，渠内正常输水；南水北调总干渠内设计水位，渠底设置逆止阀。
工况Ⅳ：唐河总干渠混凝土衬砌，渠内正常输水；南水北调总干渠内设计水位，渠底设置逆止阀。
2.2安全系数
根据《南水北调中线一期工程总干渠初步设计明渠土建工程设计技术规定》（试行）（2007-09-20）规定工况Ⅰ、工况Ⅱ的允许安全系数为1.3，工况Ⅲ、工况Ⅳ的安全系数为1.5。
2.3计算断面及参数
选取南水北调中线总干渠设计桩号330+042及330+545作为计算断面。地质参数（c、φ）采用地质勘察试验建议值。
2.4计算方法
渗流利用有限元数值分析方法计算，应用河海大学工程力学研究所研制的《水工结构有限元分析系统》程序进行计算。
渠道边坡稳定分析采用简化毕肖甫圆弧滑动法计算，应用河海大学slope软件（堤防规范推荐软件）计算。
2.5允许水力坡降
渠堤及渠基土的临界坡降计算公式
式中：α为边坡角度；其他符号意义同前。
2.6渗流稳定分析
对南水北调中线总干渠选取典型断面（设计桩号330+042）作为计算断面进行渗流稳定分析。
（1）渗流稳定计算
渗流稳定计算成果如下：（渗流允许出逸坡降0.4）
工况Ⅰ：渠坡出逸点高于渠底0.20m ，出逸点以下平均水力坡降0.18；
工况Ⅱ：渠坡出逸点高于渠底0.10m， 出逸点以下平均水力坡降0.125；
工况Ⅲ：渠坡出逸点高于渠底5.548m，出逸点以下平均水力坡降0.130；
工况Ⅳ：渠坡出逸点高于渠底4.587m，出逸点以下平均水力坡降0.033；
（2）渠道边坡稳定计算
渠道边坡稳定计算成果如下：
工况Ⅰ：滑弧出逸部位：渠底安全系数 1.36，一级马道安全系数 1.66；
工况Ⅱ：滑弧出逸部位：渠底 安全系数 1.44， 一级马道 安全系数 1.66；
工况Ⅲ：滑弧出逸部位：渠底 安全系数 1.39， 一级马道 安全系数 1.52；
工况Ⅳ：滑弧出逸部位：渠底 安全系数 1.61， 一级马道 安全系数 1.63；
（3）衬砌板抗浮稳定计算
衬砌板抗浮稳定计算成果如下：
工况Ⅰ：渠底安全系数 1.63，渠坡安全系数 9.28；
工况Ⅱ：渠底安全系数 1.68，渠坡安全系数 24.76；
工况Ⅲ：渠底安全系数 18.67，渠坡安全系数 0.12；
工况Ⅳ：渠底安全系数 112.00，渠坡安全系数 1.65；
由以上计算成果分析，南水北调中线总干渠渠底在设置逆止阀后，工况Ⅲ即中线总干渠正常输水，唐河总干渠现状情况输水时，渠底边坡稳定安全系数为1.39，不能满足规范要求安全系数1.5。渠坡衬砌板抗浮稳定计算安全系数为0.12，不能满足规范要求安全系数1.5。以上各种工况，出逸点的水力坡降小于允许水力坡降，不会对渠坡产生渗透破坏。当唐河总干渠输水渠道采取混凝土护砌后，总干渠边坡稳定安全系数、渠坡衬砌板安全系数等均满足规范要求。
综合以上分析，唐河总干渠输水渠道存在渗漏问题，使此段渠道地下水位抬高，产生渗透压力，是造成南水北调中线总干渠衬砌板隆起、坡面渗水的主要原因。因此，为确保南水北调中线工程总干渠的安全，应对唐河总干渠输水渠道采取相应的工程措施。
3 唐河总干渠输水影响段处理措施
目前唐河总干渠大部分渠段已经衬砌，只有唐河总干渠渡槽出口至唐县西环路桥附近渠道还未衬砌，通过上述计算分析该段对南水北调中线总干渠的安全影响较大。因此，应对此段渠道采取措施进行防渗处理。
结合唐河总干渠现状情况及南北调中线工程的重要性，采取防渗措施为混凝土+复合土工膜，防渗总长度367m。
(1) 唐河总干渠渡槽进、出口渐变段
此段防渗长度56m，其中进口连接段10m，进口渐变段18m，出口渐变段28m。由于进出口渐变段渠坡坡度较陡，不宜铺设土工膜，此段渠坡不再铺设土工膜。采用在原浆砌石上打锚杆挂钢筋网，现浇8cm厚C20W6F150混凝土。锚杆长1.5m，锚杆直径φ16，间距3.0m×3.0m，钢筋网直径φ6，间距20cm×20cm。渠底在原浆砌石上铺设4cm厚中粗砂，然后再铺设576g/m2复合土工膜（两布一膜）。全断面现浇8cm厚C20W6F150混凝土，渠底、渠坡横向每5m设一条伸缩缝，渠底纵向每5m设一条伸缩缝，缝宽2cm，缝内填沥青木板，上部抹沥青。
（2）唐河总干渠渡槽出口连接段至唐县西环路桥段
此段防渗长度311m。渠坡采用在原浆砌石上砂浆抹面，厚4cm，后铺设576g/m2复合土工膜（两布一膜），再铺设钢筋网，钢筋网直径φ6，间距20cm×20cm。渠底在原浆砌石上中粗砂找平，厚4cm，后铺设576g/m2复合土工膜（两布一膜）。渠底在原浆砌石上铺设4cm厚中粗砂，然后再铺设576g/m2复合土工膜（两布一膜）。全断面现浇8cm厚C20W6F150混凝土，渠底、渠坡横向每5m设一条伸缩缝，渠底纵向每5m设一条伸缩缝，缝宽2cm，缝内填沥青木板，上部抹沥青。
4．结语
（1）当地下水位较高时，南水北调中线总干渠渠外水位高于渠内水位时，将产生渗透压力，对渠道衬砌结构的抗浮稳定不利，直接影响渠道安全。因此，应采取措施降低地下水位，渠道设计时应注意此问题。
（2）唐河总干渠输水渠道在运行过程中应加强管理，做好安全监测工作，达到减少渗漏目的，保证南水北调中线总干渠的安全。
参考文献：
[1]《南水北调中线京石段应急供水工程初步设计报告》（2004水利部河北水利水电勘测设计研究院）
[2]《渠道防渗工程技术规范》
[3]《南水北调中线京石段应急供水工程唐河总干渠输水影响段治理措施设计报告》（河北省水利水电勘测设计研究院 2015.04）
论文作者:范迎春
论文发表刊物:《防护工程》2018年第12期
论文发表时间:2018/10/23
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