南水北调中线总干渠高地下水位对渠道运行管理的影响

孙超 刘淼森 申粤

摘 要：为确保南水北调中线总干渠运行安全，正确认识高地下水位带来的危害，结合郑州高地下水位渠段运行情况，采取工程和调度相结合措施，减小地下水位抬升产生顶托力对衬砌面板的破坏。

关键词：南水北调中线;高地下水位;危害;措施

中图分类号：TV68;TV221.2   文献标志码：A    文章编号：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

南水北调中线总干渠全长1 432 km，其中明渠总长1 087 km，高地下水渠段（地下水位高于渠底高程）约470 km，其中地下水位高于区内设计水位的渠段约160 km。在高地下水位运行渠段，尤其在汛期发生暴雨后，地下水位升高极易造成衬砌面板隆起、断裂破坏等失稳情况。为避免上述问题的出现，应严格控制渠道运行水位与渠坡面板下地下水位的相对平衡。为有效解决衬砌面板的失稳问题，在汛期暴雨后，根据南水北调中线总干渠运行管理的技术要求，通过调度和工程措施控制渠道运行水位和渠道衬砌板下地下水位，避免衬砌板面板下地下水位上升产生的扬压力导致衬砌板胀裂现象的发生，影响渠道运行安全。

正确认识高地下水位带来的危害并采取合理措施，确保南水北调中线总干渠运行安全具有重要意义，已有多位学者对其开展了研究。如李景刚、张学寰等[1]研究临时采取调度措施，通过一定限度内抬升渠道运行水位实施蓄水平压，以尽可能避免衬砌面板顶托被破坏。吴剑疆、邵剑南[2]等以总干渠陶岔至沙河南段、黄河北至羑河北段的部分渠段为例，对高地下水位渠道存在的主要问题、处理方法及原则进行了分析。崔巍、陈文学、姚雄等[3]以南水北调中线干渠为背景，研究了大型输水明渠闸前常水位运行控制模式。黄炜、肖万格、姚雄等[4]结合南水北调中线总干渠高水位渠道渗控设计实例，分析了高地下水位内排渗控设计方案的影响因素，对高地下水位内排渗控措施布置原则。

本研究以南水北调中线郑州高地下水位段为研究对象，为有效解决高地下水位段衬砌面板的抗浮稳定问题，采取调度和工程两种措施控制渠道运行水位与渠道衬砌板下地下水位的相对平衡，减小高地下水位对渠道衬砌面板带来的顶托失穩破坏，确保南水北调中线总干渠运行安全。

1 郑州高地下水位段基本概况

南水北调中线总干渠郑州段起点位于中牟县和郑州市交界处安庄，终点位于郑州市中原区董岗附近（总干渠桩号SH（3）179+227.8∽SH210+772.97）。渠线总长31.743 km，其中渠道长度29.956 km，建筑物长度1.787 km。采用明渠输水，与沿途河流、灌渠、公路的交叉工程全部采用立交布置。渠道为全断面衬砌，均采用现浇混凝土，混凝土强度等级C20，抗渗标号W6，抗冻标号F150，一般土渠段渠坡衬砌板厚10 cm，渠底衬砌板厚8 cm;衬砌底部两侧坡脚设置齿墙，齿墙宽0.4～0.6 m，高0.6～1.1 m，渠道顶部设0.3 m宽的封顶板。渠道防渗大部分采用规格为600 g/m2两布一膜，膜厚为0.3 mm。

郑州段高地下水位渠道全长约6.0 km，采用逆止阀内排，在渠坡土工膜下设5～20 cm厚砂砾。考虑渠段地下水位较高，为了保证渠道衬砌在运行和检修期的稳定和安全，在渠坡内脚一侧处设置集水井，在集水井相应位置处渠底设置横向集水暗管向井内集水。共设集水井6处，其中2处（27～28#泵站）为运行和检修工况运行，4处（29～32#泵站）仅在检修工况运行。地下水渗漏水在井内水位超过渠道水位0.05 m时起动水泵排水，当井内水位降至渠道水位以下4 m时水泵自动停止运行。

2 高地下水位渠段的主要危害

2.1 渠道边坡稳定问题

渠道穿越高地下水位地区，地下水位以下的土体由于处于饱和状态，土体物理力学指标降低，抗剪强度下降，对渠道边坡稳定将产生一定的影响。另外，地下水沿渠道边坡产生一定水力梯度，在渗透力作用下，边坡土体的下滑力增加，使渠道边坡抗滑稳定安全系数降低，极易造成渠道边坡失稳。

2.2 衬砌板抗浮稳定问题

南水北调中线总干渠为减少水量损失，提高输水效率，确保运行过程水质安全，采取全断面混凝土衬砌等防渗措施，渠道边坡混凝土厚度10 cm，底板混凝土厚度8 cm，衬砌板下铺设复合土工膜进行防渗，混凝土衬砌板横缝间距和纵缝间距均按4 m进行控制。渠道内外水不能交换。当地下水位高于渠道内水位时，衬砌板下的地下水产生的浮托力有可能大于衬砌板自身重力和渠道内水压力，从而导致衬砌板浮起造成破坏。

3 高地下水位渠段运行过程采取的措施

3.1 工程措施

对穿越高地下水位的渠道段，最有效的措施是通过排水降低地下水位，以确保渠道边坡和衬砌板的抗浮稳定。在设计时已经充分考虑地下水对渠道的影响，在渠道施工过程设置了相应排水措施，按排水出路不同，可分为内排和外排。内排是将地下水排入渠道内部;外排则是当地下水不适宜排入渠道内部，而渠道附近有天然沟渠时，将地下水排入该沟渠，以降低地下水位。根据排水方式不同，排水措施还可分为自排和抽排。自排即在地形条件适宜的渠段，通过导截流措施将水自流排走。抽排则是通过水泵等设施将水强排至附近高程较高的沟渠内。

郑州段高地下水位渠段均采用内排和外排相结合的方式，内排是通过设置在渠道衬砌板上的逆止阀将衬砌板下地下水单向排入渠道内部，以平衡衬砌板地下水位和渠道水位，确保衬砌板抗浮稳定。抽排措施是设置27、28号两个强排泵站，根据地下水位情况自动抽水，减小渠道内外水位差，确保衬砌板抗浮稳定。

郑州段高地下水位渠段2016年8月监测地下水位变化情况见表1、图1。在地下水位达到泵启动水位时，泵自动启动，经过约7个小时的抽水，渠道地下水位下降约0.79 m，达到设计规定水位，减小渠道内外水位差，确保渠道运行安全。

3.2 调度措施

南水北调中线总干渠设计采用闸前常水位运行方式，主要以节制闸调节渠道的水位和流量来进行输水调度。全线共由63个节制闸分为64个渠池，同时在渠道倒虹吸出口另设置61个控制闸，以保障倒虹吸管的输水运行安全。在调度过程中，渠道水位通常会被控制在设计水位或加大水位以下的一定范围内，距离渠道超高甚至还有很大空间。

在工程措施实施过程中，为有效应对汛期降雨带来的地下水位抬升影响，避免渠道衬砌面板失稳情况的进一步发生，临时启用调度措施，即抬高郑州段渠道运行水位，尽可能减小渠道内外水位差。

为了验证工程措施和临时调度措施联合调控渠道运行水位与渠道衬砌板下地下水位相对平衡的实施效果，南水北调中線建管局调度中心采用蓄水平压方式调整渠道水位，使渠道内外水压差达到平衡。在南水北调中线温博段高地下水位渠段进行试验，通过调整闸门开度调整渠道水位，取得良好的效果，达到快速平衡渠道内外水压差，确保工程运行安全，温博高地下水渠段采用蓄水平压方式水位变化详见表2、图2。

4 结语

高地下水位渠段是南水北调中线总干渠运行管理中关键的一环，管理不当将会给渠道安全带来严重隐患。为确保渠道运行安全，采取工程和调度相结合措施，控制渠道运行水位与渠道衬砌板下地下水位的相对平衡，减小高地下水位对渠道衬砌板带来的顶托失稳破坏。

参考文献：

[1] 李景刚，张学寰，陈晓楠，等.南水北调中线控制闸在渠道蓄水平压中的运用与研究[J].中国水利，2019（16）：27-29.

[2] 吴剑疆，邵剑南.南水北调中线工程总干渠渠道设计关键技术问题[J].水利规划与设计，2011（5）：54-55.

[3] 崔巍，陈文学，姚雄，等.大型输水明渠运行控制模式研究[J].南水北调与水利科技，2009（10）：6-10.

[4] 黄炜，肖万格，姚雄，等.南水北调中线总干渠高地下水位内排渗控研究[J].人民长江，2010（8）：55-58.