水利防洪生态工程对南水北调中线总干渠影响

王娣

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

水利防洪生态工程对南水北调中线总干渠影响

王娣

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

石家庄市区西北部水利防洪生态工程利用了南水北调中线工程左侧的泄洪渠，并在局部渠段增加了湿地公园，将泄洪渠功能由行洪改为汛期行洪、非汛期蓄水。由于该工程距总干渠很近，蓄水后导致总干渠局部渠段左坡及渠底出现衬砌板拱起、开裂、渗水等现象，为保证南水北调中线工程安全，需对该并行段采取必要的工程措施。

南水北调中线；水利防洪生态工程；工程措施

1 概述

石家庄市区西北部水利防洪生态工程是为了彻底解决城市防洪问题及改善石家庄市生态环境，结合南水北调工程、青银高速公路工程、城市外围道路联接工程等大型基础设施项目的规划建设提出的。

石家庄市区西北部水利防洪生态工程与南水北调中线总干渠并行段（以下简称“并行段”）长4.392km。该工程与南水北调中线工程共用总干渠左侧的泄洪渠。南水北调中线工程批复泄洪渠防洪标准接近于10年一遇，石家庄市区西北部防洪生态工程将泄洪渠按20年一遇标准进行拓宽、疏浚，对河底及岸坡进行衬砌，将原泄洪渠功能除汛期行洪外增加了常年蓄水要求，并在局部渠段增加了湿地公园，且该水系工程距总干渠很近（泄洪渠距离总干渠防洪堤外坡脚11m），蓄水后产生渗透影响，导致南水北调总干渠局部渠段左坡及渠底出现衬砌板拱起、开裂、渗水等现象。为保证总干渠工程安全，需对该并行段采取必要的工程措施。

2 生态工程基本情况

2.1 总干渠基本情况

2.1.1 总干渠渠道

并行段南水北调输水渠道采用梯形断面。渠道设计水深6.0m，设计渠深7.45m。纵坡1/30000～1/16200；过水断面边坡坡比为1∶2.5，一级马道以上边坡及外坡坡比均为1∶2.0；堤顶（或一级马道）宽5m；总干渠左侧为防洪堤，右侧为防护埝。

2.1.2 泄洪渠

在南水北调中线总干渠建设过程中，占用了石家庄市南泄洪渠的部分位置，在总干渠左侧对泄洪渠进行了恢复建设。泄洪渠恢复建设采用原有行洪标准，设计流量为188m3/s，设计底宽15m，设计水深3.0m，边坡1∶2.0，纵坡1/500，全断面采用浆砌石护砌，浆砌石厚30cm，下设10cm砂砾料垫层，垫层下铺设576g/m2的两布一膜复合土工膜加强防渗。

2.2 生态工程基本情况

西北部水利防洪生态工程泄洪渠平行布置在南水北调总干渠左侧，建设中泄洪渠防洪标准采用20年一遇，设计流量239m3/s，底宽40～27m，蓄水区侧墙为浆砌石挡墙，蓄水深1.53～2.5m。湿地公园与泄洪渠部分渠段相结合，位于泄洪渠的西部，并行段设有4座跌水，将湿地公园分成4个河段。

3 西北部水利防洪生态工程对总干渠的影响

3.1 总干渠设计条件变化情况

3.1.1泄洪渠变化

西北部水利生态工程建设后，泄洪渠功能改为汛期行洪、非汛期蓄水并重，泄洪渠的行洪标准提高到20年一遇，南水北调总干渠部分渠段与泄洪渠相邻变成与湿地公园相邻。泄洪渠渠底采用粉质壤土压实防渗，厚度0.6m。主槽蓄水区侧墙采用浆砌石挡墙防渗，挡墙背侧增设复合土工膜防渗。

泄洪渠原设计洪水历时较短，现状泄洪渠和湿地公园常年蓄水，且泄洪渠距离南水北调中线总干渠很近（泄洪渠距离总干渠防洪堤外坡脚11m），改变了南水北调总干渠的运行条件，影响到总干渠运行安全。

3.1.2 地下水位变化

并行段南水北调总干渠设计中预测地下水位高于渠底高程，为保证渠道衬砌板的安全稳定，采取无砂混凝土管集水、泵站抽水外排措施。

西北部水利生态工程泄洪渠及湿地公园正常蓄水位及2012年9月湿地公园蓄水实测水位如表1。

由于泄洪渠及湿地公园距离南水北调总干渠较近，设计渠底和蓄水位均比总干渠高，且无土工膜防渗层，本段的地层岩性揭露有砾砂层或砂层出露，泄洪渠和湿地公园的水会通过砂砾层渗流，因此，泄洪渠和南水北调中线总干渠之间地下水位将会抬高，多数渠段地下水位高于原设计采用的自然条件下的预测地下水位，不采取泵站抽水外排势必导致渠道衬砌板抗浮稳定不满足设计要求。

表1 总干渠预测水位及泄洪渠正常蓄水位

3.2 工程蓄水对总干渠的影响

3.2.1 总干渠渠道集水流量变化

对照并行段南水北调中线总干渠左侧地下水条件的变化，分别按远离河流或水体的集取地下水条件、靠近水体且渗渠垂直于地下水水流条件分别计算集水流量，成果如表2。

表2 单座泵站流量对比

从表2可以看出，泄洪渠蓄水后每座泵站的设计抽水流量小于集水流量，抽水流量不能满足排水要求，造成地下水位不断抬升，导致南水北调左坡衬砌板顶托破坏。

3.2.2 泄洪渠及湿地公园实际蓄水后总干渠情况

2012年9月底石家庄西北部防洪生态工程建成蓄水，导致南水北调总干渠约80m渠段衬砌混凝土板上浮约30cm，约280m渠段左坡坡脚以上2.5m位置渗水。2013年6月1日，石家庄西北水利防洪生态工程再次蓄水后，导致总干渠约40m渠段左坡及渠底混凝土板发生拱起开裂破坏现象。

4 修复方案研究

4.1 方案比选

根据石家庄西北水利防洪生态工程建设与运行条件，结合本段地形、地质条件进行了垂直铺塑、高喷防渗墙和混凝土防渗墙3种截渗方案的比选。

4.1.1 垂直铺塑方案

垂直铺塑方案利用装备水力冲割和刀具破碎土体的专用机械，在南水北调左堤中顺轴线方向形成一条连续的宽20～30mm厚的槽孔，并铺设塑膜，形成防渗体系，阻止泄洪渠与湿地公园的渗流以确保渗透稳定，最后回填松散干净的壤土完成作业。该方案施工难度与混凝土防渗墙相当，优点是单位造价低，缺点是技术条件下成槽深度一般在10～15m之间，而本项目需要的最大防渗深度为24m，一般防渗深度均大于15m，因此现有施工工艺水平难以达到设计防渗深度。

4.1.2 高喷防渗墙方案

高喷防渗墙采用高喷技术灌浆，形成防渗墙达到防渗的效果。施工中采用工程地质岩芯钻机钻凿成孔，孔径110～150mm，要求孔位偏差≤2cm，孔斜率不大于0.8%，且相邻两孔为反向偏差时的孔斜率之和也不大于0.8%，以保证成墙厚度和墙体的连续性。钻孔孔深应入相对不透水层1～2m。

从渗流分析角度来看采用高喷措施对重点渗透部位封堵透水层可以达到一定的效果，但透水部位难准确确定，尤其是地质剖面图中难以发现的鼠洞或其他一些渗透通道，一旦漏掉不采取措施必然达不到相应的防渗效果。

高喷灌浆技术对施工工艺要求很高，施工过程的控制水平直接决定了防渗墙的质量，因此此方案必须由质量过硬、信誉优秀的施工队伍才能保证要求。

4.1.3 混凝土防渗墙方案

混凝土防渗墙是在防渗断面以泥浆固壁连续造孔成槽，在泥浆下浇筑混凝土而成。与垂直铺塑方案比较：混凝土防渗墙墙体的结构尺寸（厚度、深度）可根据工程要求和地层条件进行设计和控制，施工方法成熟，检测手段简单直观，工程质量可靠。混凝土防渗墙适应地质条件广泛，耐久性较好，防渗效率较高，其渗透系数可以很容易达到n×10-7cm/s。本段揭露的地层岩性主要为第四系黄土状壤土、壤土、砂、砂砾石、粘土等，均适宜采用混凝土防渗墙方案，以满足本渠段总干渠渠堤的防渗要求。

综合分析本段地质条件、防渗深度等因素，采用混凝土防渗墙方案最优。

4.2 推荐方案设计

4.2.1 工程布置

根据实际条件，防渗墙建设总长度共计3721.7m。防渗墙建设位置沿总干渠左侧绿化带布设。

防渗墙的厚度由结构强度、抗渗强度、耐久性及施工条件等确定，同时考虑地质情况及施工设备等因素。本工程防渗最大深度达到24m，深度比较大，防渗墙厚度采用0.4mC25混凝土。

防渗墙布置深度一般可分为封闭式防渗墙和悬挂式防渗墙两类。并行段渗透系数较大，悬挂式防渗墙，效果不明显，应采用封闭式防渗墙。湿地范围相对不透水地层位于渠底以下8m，可形成封闭式防渗墙。粘土层渗透系数5×10-6cm/s，防渗墙深度伸入相对不透水层2.0m控制。

4.2.2 渗流稳定分析

渗流稳定分析中相应的水位采用总干渠的预测水位及泄洪渠正常蓄水位，选取3个典型断面，工况按以下4种条件：

（1）正常高地下水位，无防渗墙，南水北调渠道无水；

（2）正常高地下水位，有防渗墙，南水北调渠道无水；

（3）泄洪渠高水位，无防渗墙，南水北调渠道无水；（4）泄洪渠高水位，有防渗墙，南水北调渠道无水。根据勘察资料，黄土状壤土渗透系数取4.0×10-4cm/s，壤土取2.0×10-4cm/s，中砂取3.5×10-2cm/s，砾石取2.5×10-1cm/s，含壤土砾石取8.0×10-2cm/s，黏土取1.0×10-6cm/s，防渗墙渗透系数取5.0×10-7cm/s。渗流稳定分析成果如表3。

表3 渗流稳定分析成果

经分析，所选取的3个断面在有防渗墙工况下，渗流比降明显降低，由临界比降降至级别极低；浸润线的位置变化也很大，建设防渗墙后各工况下浸润线出逸点均在坡脚以下，出逸点比较低。水压力线均作用在底板以下一定的距离，基本能保证渗透压力不会托起衬砌板。

5 结语

石家庄西北部水利防洪生态工程的建成改变了该段南水北调中线工程的设计与运行条件，对南水北调总干渠的安全构成了威胁。经过多方案比选研究，推荐混凝土防渗墙方案：采用C25混凝土，防渗墙厚度0.4m；防渗墙深度伸入相对不透水层2.0m。该方案降低了渠堤内浸润线及渗流比降，减缓了水压对渠道衬砌板的直接作用，能够保证南水北调总干渠的运行安全。

［1］河北水利水电勘测设计研究院.南水北调中线一期工程总干渠邢石界至古运河南渠段初步设计报告［R］.2009.

［2］河北水利水电勘测设计研究院.南水北调中线一期工程总干渠邢石界至古运河南渠段总干渠渠道施工详图［R］.2010.

［3］河北省水利水电勘测设计研究院石家庄分院.石家庄市区西北部水利防洪生态工程（二期）南水北调并行段变更技施设计图册［R］.2010.

［4］深圳市北林苑景观及建筑规划设计院有限公司.石家庄市区西北部水利防洪生态工程（二期）【园林部分】—北段湿地公园第4标段（SD4）施工图［R］.2009.

［5］河北省水利水电勘测设计研究院石家庄分院.石家庄市区西北部水利防洪生态工程（二期）南水北调并行段变更设计说明书［R］.2012.

［6］河北省水利水电勘测设计研究院.石家庄市区西北部水利防洪生态工程南水北调并行段对南水北调中线工程总干渠影响处理设计报告［R］.2014.

Im pact study of water conservancy flood control ecological engineering to themail channel ofm iddle route of South-to-North water diversion project

WANG Di
（Hebei Research Institute of Investigation&Design ofWater Conservancy&Hydropower,Tianjin 300250,China）

The water conservancy flood control ecological engineering in the northwest of Shijiazhuang used the spillway of the left side ofmiddle route of South-to-North water diversion project，and local canal constructed the wetland park，the spillway can be used for discharging flood in flood season and storing water in non-flood season.Because this project is close to the main canal，the lining plate of the left slope and bottom of local canal was cracking，arching and water seepage after water storage.In order to ensure the safety ofmiddle route of South-to-North water diversion project，we need to take the necessarymeasures to the parallel period.

middle route of South-to-North water diversion project；ecological engineering of water conservancy flood control；engineeringmeasures

TV87

B

1672-9900（2015）01-0012-04

2014-11-05

王娣（1982-），女（汉族），河北石家庄人，工程师，主要从事水利水电工程规划设计工作，（Tel）022-26154624。