南水北调中线滹沱河滩地段渠道排水设计

任喜龙，吕红波

（1.河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250；2.中水北方勘测设计研究院有限责任公司，天津 300222）

南水北调中线滹沱河滩地段渠道排水设计

任喜龙1，吕红波2

（1.河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250；2.中水北方勘测设计研究院有限责任公司，天津 300222）

南水北调中线滹沱河滩地段渠道堤外设计洪水位高于渠道内设计水位，通过对渠道进行渗流稳定分析、衬砌结构抗浮稳定计算，确定了渠基排水减压方案，提出了滩地段渠道排水工程措施。

南水北调；渗流分析；衬砌结构；抗浮稳定；排水系统

1 工程概况

南水北调中线滹沱河滩地段渠道为半挖半填渠道，分为滹沱河渠道倒虹吸进口段渠道和出口段渠道两部分，其中进口段渠道长3948m，出口段渠道长818m。渠道设计流量170m3/s，加大流量200m3/s。滩地段渠道防洪标准为100年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核。进口渠段100年一遇洪水位高于渠内设计水位1.7m，出口渠段洪水位高于渠内水位2.3m。

进口段渠道设计底宽10m，设计内坡1∶3.0，设计外坡1∶2.5，堤顶宽度5m。设计渠底高程70.033～69.861m，左堤高程80.208～79.25m，右堤高程79.7m。设计水深6m，加大水位76.432～76.262m。

出口段渠道设计底宽21m，设计内坡1∶3.0，设计外坡1∶2.0，堤顶宽度6m。设计渠底高程69.987～69.954m，左堤高程79.7m，右堤高程79.7～76.9m。设计水深5m，加大水位75.378～75.345m。

2 渠道渗流稳定分析

滹沱河倒虹吸的修建，缩窄了滹沱河河道行洪断面，河道行洪期间在渠道迎、背水面两侧形成水头差，且左岸存在洪水浸泡问题。在渠内无水或渠内水位低于渠外洪水位时，将产生渗透压力。加之河滩地土质以中细砂为主，需分析渠道内坡渗流稳定、渠基绕流稳定。另外渗透压力可能会对混凝土板造成顶托破坏，需验算衬砌板的抗浮稳定。

2.1 渠内坡渗流稳定分析

考虑到河道发生设计洪水的概率较低，河道行洪期间，抬高渠内水位，减小内外水头差，设计洪水时，渠内水位控制在加大水位，校核洪水时，渠内水位通过下游节制闸，控制到加大水位加0.5m处。

2.1.1 设计工况

堤外河道100年一遇洪水位，渠内加大水位。

2.1.2 校核工况

堤外河道300年一遇洪水位，渠内加大水位加0.5m。

2.1.3 安全系数K

设计工况取1.10，校核工况取1.05。

2.1.4 计算方法

利用有限元数值分析方法计算，采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。

假定渗透介质不可压缩，渗流符合达西定律，计算域内没有源密度的情况，各向异性连续介质二维稳定渗流场的控制方程为：

边界条件有3种，分别为：

（1）已知水头边界：H（x，y）|Γ1=Φ（x，y）；

（3）渗流逸出边界：H＝Z。

根据泛函与变分原理，将计算区域划分为有限个单元，单元任意点水头由单元结点水头插值确定，通过对单元集成，建立代数方程组。求解方程组可得到渗流场的数值解即各结点的水头值，进而可进行渗透比降和渗流量的计算。

2.1.5 衬砌板抗浮稳定计算

（1）渠底衬砌板抗浮稳定计算公式：

式中 H为渗流场的水头；kx、ky为主渗透方向的渗透系数。

式中 γc混凝土容重，γc＝2.40t/m3；t为渠底衬砌板厚度；γ 为水的容重，γ＝1.0t/m3；△H 为衬砌板剩余水头（m）；K 为安全系数。

（2）边坡衬砌板抗浮稳定计算公式：式中 α为边坡角度；其他符号意义同前。

2.1.6 渗流稳定分析

对滹沱河倒虹吸进、出口段滩地渠道分别选取一个断面进行渠内坡渗流稳定分析。渠基以中、细砂为主，地表有厚1～1.5m的壤土，渠底置于细砂层。

计算参数见表1，不考虑排水措施情况下渠底扬压力计算成果见表2。

表1 滹沱河滩地段渠道断面计算参数

表2 无排水情况下渠底扬压力计算成果

在不考虑排水情况下，为满足抗浮稳定要求，滹沱河滩地进、出口段渠道计算渠底衬砌板最小厚度为50cm和102cm，为增加渠道衬砌结构稳定性，减小衬砌厚度，渠道衬砌板下需设置排水设施。增加渠基排水措施后，渠基渗流量计算成果见表3。

表3 渠基渗流计算成果

2.2 渠基绕流的渗透稳定分析

因滹沱河滩地段渠道左右堤外洪水位有水位差，还需进行渠基绕流稳定分析。首先采用伊斯托明娜提出的Cu（土不均匀系数）判释法判别渠基土是否产生管涌，即：Cu<10，流土；Cu>20，管涌；10

据上述方法分析，渠基土为非管涌土。依据太沙基公式确定流土的临界坡降J0：

式中 Gs为土的比重；γ为水的容重（kN/m3）；n为土体孔隙比（%）。

根据南京水科所公式确定管涌的临界坡降Jc，其公式：

式中 d3为相应于颗分曲线上含量为3%的粒径（cm）；k 为渗透系数 （cm/s）；n 为土体的孔隙率；c为常数，c=42（1/s1/2·cm1/2）。

临界坡降除以安全系数（取2.0）得允许渗流坡降，当实际出逸坡降大于允许渗流坡降时，可能发生渗透破坏，应采取措施，反之，则不会发生渗透变形。以滹沱河发生300年一遇校核洪水为工况计算，计算结果见表4。经计算分析滹沱河滩地段，平均渗流坡降较小，出逸坡降不大，不会产生渗流破坏。

表4 河滩地渠段外坡渗透变形分析

3 滩地段渠道排水工程措施

3.1 排水方案比选

3.1.1 逆止阀内排方案

在渠道衬砌混凝土板下两侧坡脚埋设透水混凝土集水暗管，每隔一定间距设一逆止式集水箱。当地下水位高于渠内水位时，地下水通过集水暗管汇入集水箱，逆止式阀门自动开启，由出水管排入渠内，使地下水位降低；当地下水位低于渠内水位时，逆止式阀门自动关闭，防止渠水外渗。

3.1.2 临时泵站抽排方案

通过埋设于衬砌混凝土板下的集水暗管、连接井及排水管，将地下水汇集到集水井内，通过泵站抽排入总干渠或渠道外。

考虑到逆止阀排水方法在国内工程中应用不多，长期运行可能会导致逆止阀密封性能下降，且逆止阀检修、更换相对困难。河滩地段现状地下水位较低，逆止式集水箱仅在发生较大洪水时才发挥作用，使用率较低，且河滩地渠基为中细砂，一旦逆止阀损坏，渠道渗漏损失量大。滹沱河滩地排水流量不大，最终设计确定为泵站强排方案。

3.2 排水系统设计

滹沱河滩地段渠道共设6座排水泵站，其中进口段渠道设5座，出口段渠道设1座，排水泵站间距为800m。渠基排水系统主要由集水暗管、渠底联通井、集水井及排水泵组成，如图1。

图1 渠基排水系统布置示意图

渠底纵向设3排D400无砂混凝土管，左右渠坡纵向各设1排D200无砂混凝土管，每隔100m设一道横向无砂混凝土管。集水暗管埋设于填充砂砾料的沟槽内，纵坡与渠底坡降一致。无砂混凝土管强度等级为C10，管外包裹400g/m2无纺土工布，土工布搭接长度不小于40cm。

渠坡纵横向集水暗管采用DN200PVC三通连接，渠底纵、横向集水暗管采用联通井交汇连接。联通井内径尺寸为0.9m×1.2m×1.0m，连接井井壁采用MU15砌砖，壁厚0.24m，井底采用厚10cm素混凝土板，井盖采用厚10cm钢筋混凝土板。

集水井布置在渠道右侧一级马道的外侧，采用DN600的钢筋混凝土排水管与渠底右侧联通井连通。集水井的容量按水泵5min抽水量设计，净尺寸为 4.6m×4.0m×9.6m（长×宽×高），集水井为壁厚 0.5m钢筋混凝土结构。

排水泵布置在集水井内，设计每台泵排水流量0.3m3/s，最大净扬程7m。根据集水井集水量及扬程，排水选用潜水排污泵，型号为250WQ600-8.3-22。

运行控制方式是汛期通过自动监测设备监测渠道地下水位，当地下水位低于渠内水位不超过0.5m时，启动强排，水泵抽排降低地下水位。

3.3 渠道护砌措施

南水北调中线京石段一般渠段衬砌板厚度为渠坡10cm，渠底8cm，仅能抵抗11cm左右内外水头差。考虑河滩地段渠道排水的特殊工况，在泵站临时强排措施的基础上，适当增加衬砌板厚度，滹沱河滩地渠道边坡和渠底衬砌厚度均采用15cm。

为防止河道行洪期间波浪拍击和横向水流的冲刷作用，对滹沱河滩地段河道外坡进行护砌。进口段渠道左右堤外坡采用厚10cm混凝土护坡，混凝土护坡下设复合土工膜。出口段渠道左右堤外坡采用厚35cm浆砌块石护坡，砌石下铺设厚10cm砾石垫层，垫层下设复合土工膜防渗。

4 结语

（1）渠道排水设施对保证渠道衬砌结构的抗浮稳定具有至关重要的作用，河滩地段渠道是排水问题突出的渠段，因此河滩地段渠道排水设计是渠道工程设计的重要环节。

（2）滹沱河滩地段渠道采用暗管集水、泵站临时抽排的措施，较好地解决了渠道排水问题，保证了渠道结构安全。

［1］水利部河北水利水电勘测设计研究院.南水北调中线京石段应急供水工程初步设计报告［R］.2004.

［2］GB50487—2008，水利水电工程地质勘察规范［S］.

［3］毛昶熙.渗流计算分析与控制［M］.北京：中国水利水电出版社，2003.

［4］刘杰.土的渗流稳定与渗流控制［M］.北京：水利电力出版社，1992.

［5］SL18—2004，渠道防渗工程技术规范［S］.

［6］GB50286—98， 堤防工程设计规范［S］.

Channel Drainage Design of Hutuo Rive of Middle Route of South-to-North Water Diversion Project

REN Xi-long1，LV Hong-bo2
（1.Hebei Research Institute of Investigation&Design of Water Conservancy&Hydropower,Tianjin 300250，China；2.Water North of Survey Design Research Limited liability Company,Tianjin 300222，China）

The design flood level is higher than the channel design water level in the floodplain channel of Hutuo River of the middle route project of South to North Water Diversion Project.Through the analysis of seepage of channel and stability against floating calculation of the lining structure， determine drainage scheme，proposed drainage engineering measures of floodplain channel.

South-to-North water diversion；seepage analysis；lining structure；stability against floating；drainage system

TV222

B

1672-9900（2014）04-0012-04

2014-04-04

任喜龙（1980-），男（汉族），河北怀安人，工程师，主要从事水利工程规划设计工作，（Tel）022-26154790。