南水北调中线河南段左岸排水倒虹渗控设计

□于 军(河南省水利勘测设计研究有限公司)

□杜 远(黄河勘测规划设计有限公司)

□戴 毓（河南省水利勘测设计研究有限公司）

一、引言

南水北调中线一期工程输水总干渠（含天津干渠）全长约1432km，其中河南段境内长730km，河南省水利勘测设计研究有限公司承担的总干渠沙河南至漳河南段长481km(不包括穿黄工程段)，段内共有交叉河流和排水沟243条，其中交叉断面集水面积＞20km2的76条，需布置大型河渠交叉工程；集水面积＜20km2的167条，其河穿渠交叉工程以及坡水区排水工程称为左岸排水建筑物。

左岸排水工程均采用河穿渠交叉型式，其建筑物的型式根据河沟底高程、洪水位与总干渠渠底高程、渠水位的关系,有排水倒虹吸、排水渡槽和排水涵洞3种型式。排水倒虹吸是左岸排水建筑物中数量最多的一种型式,分布广,工程规模差别很大。总干渠沙河南至漳河南段左岸排水建筑物共布设170座，其中排水倒虹吸126座。除排水渡槽外，排水倒虹吸和排水涵洞均位于总干渠下方，穿堤而过。穿渠建筑物渗漏或总干渠内水外渗均会影响总干渠的渗透稳定，经过分析研究，加强对该部位的渗控设计，直接关系到总干渠的安全问题。

二、渗控设施布置原则

（一）一般要求

1.正常运行条件下不满足输水要求的外水不允许进入渠道，确保水质安全。

2.在正常运行条件下有效截断内水外渗渗漏通道，防止输水系统发生较大渗漏，减少水量损失。

3.防止左排建筑物进出口在低于渠道加大水位时两岸渠坡发生渗透破坏。

4.防止左排建筑物管身以上回填土不均匀沉降，总干渠渠坡、渠底造成破坏。

5.在渠道防渗土工膜和建筑物内部止水系统失效的情况下，渠道在短期内不发生严重溃决和倒塌。

6.选择有代表性的穿渠建筑物布置监测断面，监测穿渠涵管基坑填筑区、涵管侧面接触带渗压。

（二）渗控布置

1.当总干渠渠道有下穿左岸排水倒虹吸等建筑物时，若所在部位渠道未设土工膜防渗，应在穿越涵管上方对应的渠段全断面增加土工膜加强局部渠段防渗，土工膜沿渠线方向敷设范围为穿渠涵管基坑开口线适当外延，且≥50m。

2.若涵管进、出口两端底高程低于渠道加大水位时，在涵管进出口设置反滤排水，必要时在涵管适当部位设置截渗齿墙。

3.在涵管进出口段、相邻渠堤坡脚排水体下方对应的涵管两侧及顶部一定区域采用砂砾石混合料填筑，并满足反滤要求。

4.对于地基存在较严重的不均匀沉降变形区、穿渠建筑物的结构上方填土区，在土工膜下方的地层中设置土工格栅。

5.对于填方渠道或半挖半填渠道的外坡脚及临近区域地基的浸润区进行防护，采取反滤排水措施：应优先选用贴坡排水，若渗流出逸点较高时，可在渠堤外坡脚处设置排水棱体或排水褥垫；对于渠堤外坡脚设置的贴坡排水，其顶高程应取堤外设计洪水位和堤身内水外渗浸润线出逸高度中的较大者，并超高50cm；排水棱体及贴坡排水表面宜采用干砌石保护，洪水位以下可采用浆砌石保护，并设排水孔。

6.渠道渗流监测设施布置应结合施工标段划分、渠道渗控设施的设计，在高填方渠道、高地下水位挖方渠道适当增加渗流监测断面，监测土工膜排水垫层下渗压。选择有代表性的穿渠建筑物布置监测断面，监测穿渠涵管基坑填筑区、涵管侧面接触带渗压。

三、渗流分析

（一）分析目的与内容

左岸排水倒虹吸为河穿渠交叉型式，进行渗控设计时应结合交叉部分渠道渗流分析，论证该渠段在施工、运行、检修等工况下防渗排水体系的渗控效果，为渗控设计提供依据。渗流状态的分析与评价主要包括：渠道浸润线高程分布、出逸比降以及衬砌底板扬压力分布、渠道渗漏量等。

（二）渗透系数

渗流分析所采用的渗透系数，应根据工程地质勘探成果进行取值，确定渗透系数取值范围，必要时，在给定的渗透系数范围内进行计算参数敏感性分析，确定合理的计算参数。渗控设计应采用不利组合下的渗透系数。

（三）渗流计算方法

总干渠堤防渗流计算分析采用河海大学《水工结构有限元分析系统Atobank5》进行计算。程序采用有限元分析法求解渗流场。稳定渗流方程为：

式中：k 为土的渗透系数；Ф 为势函数，Ф=（P/γW）+γ；γw为水的容重；P为水压力。

选择倒虹吸和总干渠交叉处的典型断面进行计算，计算土层土质及力学性指标采用地质报告中相应指标，计算工况采用运行期最不利工况：土工膜完全失效条件下，渠道内为设计水位，渠道外不考虑地表补给条件下的堤外预测低水位。

四、渗控设计

（一）土工膜及其敷设

1.用于渠道防渗的土工膜宜选用抗老化复合土工膜。规格为两布一膜，单位面积质量≥576g/m2，其中，膜厚≥0.3mm，布为长纤土工布，单位面积质量≥150g/m2，抗渗强度应在1.05MPa水压下48h不渗水、渗透系数应＜10～11cm/s，主要物理力学性能指标应满足下表的要求。

土工膜主要物理力学性能指标表

2.当渠道地基不均匀沉降变形导致土工膜局部受拉时，应在沉降变形区设置褶皱，总褶皱量应适应变形要求。

3.渠道地基下埋设有混凝土结构物时，应在混凝土结构外轮廓附近设置褶皱，折叠范围根据建筑物上方最小覆土厚度确定，总褶皱量应适应变形要求。

4.在土工膜与建筑物结构联接部位应进行折叠，折叠量≥30cm。

5.土工膜敷设时的褶皱或折叠方向应沿土工膜主受拉方向。

6.对渠道过水断面局部区域采用土工膜防渗时，土工膜应覆盖局部透水区域，且外延宽度≥200cm，并在透水区域周边设梯形截水槽，土工膜嵌入截水槽中。

7.敷设的土工膜应避免长时间暴露，尽量减少接头。设计应对土工膜保护、减少纵向接头的施工措施、接头焊接提出明确技术要求。

（二）涵管截渗齿墙

为了保证在正常运行条件下有效截断内水外渗渗漏通道，防止输水系统发生较大渗漏，减少水量损失，左岸排水倒虹吸管身设置截渗齿墙：在渠道左右岸一级马道堤顶中心线下方对应部位的涵管两侧设置截渗齿墙。斜坡段宽度B根据水头差及截渗齿墙周边包裹粘土与混凝土接触面之间的接触渗流允许比降确定，但≥4m，计算公式为：

式中：B为斜坡段宽度；h为渠道加大水位；Δ为截渗齿墙处涵管外轮廓底高程；［J］为截渗齿墙周边包裹粘土与混凝土接触面之间的接触渗流允许出逸坡度，应依据《水闸设计规范》（SL265-2001）取值。

结合类似工程经验，经综合考虑，在工程结构布置中，涵管两侧外壁面设置斜坡坡比i=1:0.3的截渗齿墙，斜坡齿墙在管身齿槽处沿管身高度满贴角。且该箱涵基础垫层采用深500mm的15%水泥土换填。

截渗齿墙段箱涵基坑两侧不陡于1∶3的边坡进行开挖，该处箱涵两侧1m、顶部2m临近区域采用液限WL＞35%，塑性指数IP=15-20，压实度≥1的高塑性土回填。箱涵基坑采用渗透系数k≤1×10－5cm/s低压缩性土进行回填，低压缩性土为土夹石，土类为中、重粉质壤土，碎石占总重量的30%～35%，碎石粒径控制在20～100mm，压缩系数≤0.1MPa-1，压实度≥1.0。

（三）反滤排水设计

在涵管进出口段、渠堤坡脚排水体下方对应的涵管两侧及顶部采用混合砂砾料填筑，该砂砾混合料与上下游翼墙后的排水砂带中的软式排水管相衔接，以便管身砂砾混合料收集的渗水一并通过墙内排水孔排向下游，以便达到降低浸润线，减少接触冲刷的目的。混合砂砾料的最大粒径要求≤15mm，且级配应满足 Cu＜5，Cc=1～3 及 D15/d85≤5。

为满足反滤要求，同时要求在砂砾混合料及截渗齿墙处基坑的回填土间设置级配粗砂过渡带，纵向厚度为500mm。

混合砂砾料和级配粗砂均应满足滤土和排水要求，施工指标应根据回填土颗分曲线进行确定。

（四）土工格栅设计

为减少总干渠回填土的不均匀沉降，在管身上部设置两道土工格栅，两层格栅相距300mm，超出管身两侧各4m。

（五）贴坡式排水设计

为了保证在渠道防渗土工膜和建筑物内部止水系统失效的情况下，渠道在短期内不发生严重溃决和倒塌，需在总干渠左右岸外边坡采用贴坡式排水护坡，以便有效疏导高处渗流。护坡顶高程根据渗流计算结果取堤外设计洪水位工况下和堤身内水外渗浸润线出逸高度的较大者，并考虑相应的超高要求。

贴坡式排水护坡按照反滤要求，设置为4层，分别为土工布一层（400g/m2）、碎石垫层（d＝2～40mm）厚 200mm、碎石垫层（d＝40～80mm）厚200mm、干砌块石厚300mm。沿总干渠方向，在总干渠的外边坡脚处设排水沟。贴坡式护坡长度沿总干渠方向为倒虹吸开挖开口宽度向两侧各延伸10m。为满足排水需要，沿倒虹吸方向在建筑物两侧设置小型排水沟，将渗水排到沟道中。

（六）渗流监测设计

为了加强截渗齿墙处的渗流观测，在倒虹吸上下游选择典型断面布置渗压计，以有效监测截渗齿墙处两侧填筑区及接触带处的渗压。

五、结语

通过对南水北调中线河南段左岸排水倒虹吸工程渗控设计方案分析，结合长江勘测规划设计研究有限责任公司编制的《南水北调中线一期工程总干渠渠道设计补充技术规定》，并参考部分已实施工程项目的设计经验，合理确定左排建筑物渗控措施，对总干渠及左排建筑物的安全运行具有积极作用。本次渗控设计基本满足左岸排水倒虹吸工程渗控要求，为总干渠穿堤建筑物渗控设计提供了参考。

[1]赵廷华.南水北调中线河南段左岸排水倒虹吸工程设计[R].郑州:河南省水利勘测设计研究有限公司,2008.

[2]陈辉.南水北调中线总干渠(河南段)交叉河流设计洪水分析[M].郑州:河南省水利勘测设计研究有限公司,2003.