南水北调中线穿越工程技术方案的重点问题

2017-03-03郝泽嘉

河南水利与南水北调 2017年10期

关键词：中线南水北调定向

□郝泽嘉

（南水北调中线干线工程建设管理局）

南水北调中线穿越工程技术方案的重点问题

□郝泽嘉

（南水北调中线干线工程建设管理局）

基于穿越跨越南水北调中线工程项目管理实践，结合南水北调中线工程特点对穿越跨越工程技术方案的重点问题进行研究，并提出解决措施或思路。规划方面应加强城市规划和专项规划，增强穿越跨越工程的必要性和合理性。架空跨越型式应优化总体布置、确保线路净空距离、提高设计安全系数和完善展放导线的施工组织设计。桥梁跨越型式应确保桥梁净空高度、落实35kV线路改建设计、解决路基防洪影响问题、加强桥梁排水和桥墩基础施工防护、提前考虑桥梁维护方式。定向钻地下穿越型式应提高管道设计等级、做好管道空隙回填处理、严格控制穿越轨迹和泥浆压力。

南水北调中线工程；架空跨越；桥梁跨越；地下穿越；定向钻

0 引言

南水北调中线工程南起丹江口水库，北至北京市团城湖和天津市外环河，线路全长约1 432 km，途径北京、天津、河北和河南四个省市。除北京、天津段采用地下管涵外，其余均采用渠道输水，客观上将渠道左右岸分割隔离为相互独立的两个区域。南水北调中线工程沿线共布置河渠交叉、渠渠交叉、路渠交叉、控制性建筑物和其他建筑物2 300余座，并对工程占压或受工程影响的电力线路、电信线路、燃气管道、输水管道等项目进行恢复。随着社会经济不断发展，已建设施的规模和功能不能满足工程沿线群众生产生活日益增长的需求，新建公路、铁路、输水管道、石油天然气管道、污水管道、输电线路等工程项目需以下穿或上跨的方式穿越跨越南水北调中线工程，对工程安全和正常输水构成新挑战。文章基于穿越跨越南水北调中线工程项目管理实践，结合南水北调中线工程特点，对不同类型穿越跨越工程规划、设计和施工技术方案的重点问题进行研究，并针对性地提出解决思路或措施。

1 架空跨越型式的重点问题

1.1 跨越线路总体布置

架空跨越应结合整体路由走向和南水北调渠道周边情况采用独立耐张段，2基耐张塔之间的直线塔数量不超过3基，紧邻渠道的2基杆塔原则上应布置在一级水源保护区之外。耐张塔设计应复核断线张力和不平衡张力工况下的稳定计算。

1.2 跨越线路净空距离

南水北调中线工程渠道右岸布置有专用35kV输电线路，两岸绿化带规划左岸种植乔木，右岸种植灌木。架空跨越的线路弧垂计算，应确保架空线路距南水北调运行管理道路、专用35kV线路、考虑种植作物自然生长高度绿化带的净空距离满足输电线路设计规范要求。受渠道开口宽度和线路杆塔布置的限制，一般情况下跨越档距超过200 m，最大弧垂的计算工况应选择导线允许温度。

1.3 跨越线路提高设计安全系数

跨越段线路较常规段线路提高设计安全系数能够有效降低跨越段线路发生故障几率，除导线设计应提高安全系数等级外，铁塔、金具和绝缘子也应相应提高设计安全系数。

1.4 跨越线路施工组织设计

南水北调专用35kV输电线路为全线自动化系统和节制闸、退水闸等一级负荷供电，是南水北调中线工程正常运行的能源基础。一般而言，满足要求正常运行的架空跨越输电线路对南水北调中线工程的影响有限，但架空跨越展放导线施工可能干扰南水北调35kV输电线路的正常运行，导致线路断电、调度系统失灵的重大事故，需引起高度重视。封顶网保护可有效解决该问题：即在跨越档设置承力索，利用承力索在南水北调35kV输电线路上方布设绝缘封顶网，以防展放导线期间影响正常输电。承力索架设一般需在跨越档两端杆塔处设置辅助横担，横担宽度应满足导线风偏和安全裕度的要求，横担安装高度需保证承力索距南水北调35kV线路的距离不小于安全距离，一般≥4 m。横担安装前应对杆塔进行结构校核，必要时采用设置独立抱杆的方式展放承力索。

2 桥梁跨越型式的重点问题

2.1 桥梁净空高度

为避免对南水北调中线工程的干扰，新建桥梁需一跨跨越南水北调管理范围，桥梁主跨跨径普遍超过150 m。南水北调中线工程在渠道两侧设置运行管理道路，桥梁梁底高程（含桥梁施工设施和施工空间）距运行管理道路路面高程的距离应≥4.5m，以满足车辆的正常通行需要。挖方特别是深挖方渠段运行管理道路设置于一级马道处，桥梁跨越的影响不大。对于半挖半填和全填方渠段，运行管理道路设置于渠堤顶部，桥梁设计需确保运行管理道路的净空要求。此外，部分挖方渠段左岸外侧设置有防洪堤以防止洪水冲刷破坏渠坡，不同于构造防护堤，防洪堤顶宽3m以上，对填筑土体压实度有较高要求，需采用大型机械施工。桥梁设计还应考虑渠道左岸防洪堤施工机械的高度要求和合理的施工空间。

2.2 南水北调35kV输电线路改建

新建桥梁与南水北调右岸35kV输电线路在空间上存在位置冲突，输电线路至桥面的距离不能满足输电线路安全距离要求，需对南水北调35kV输电线路进行局部改建，改建方式包括架空抬高和局部地埋两种。由于局部地埋改建需增加一段地埋电缆，导致南水北调输配电系统容性负荷增大，线路末端电压升高，恶化电能质量，影响系统内设备安全稳定运行，因此原则上推荐采用架空抬高的改建方式。改建施工期间势必造成南水北调35kV输电线路停电，需在改建设计中对南水北调受影响的负荷点和负荷容量进行分析，并相应采取配置移动式发电机、优化供电线路调度等临时保电措施。

2.3 桥梁两侧路基防洪影响

南水北调中线工程横贯南北，改变了工程沿线的水文形势。在工程规划设计阶段，根据工程左岸汇水区域和分水岭位置划分了洪水分区，并逐区进行洪水计算，通过设置河渠交叉建筑物和左岸排水建筑物将工程左岸洪水排放至右岸下游地区。桥梁跨越工程建设后，桥梁两侧延伸的路基可能改变原状地形条件和南水北调左岸洪水分区，致使局部区域汇水无法进入河渠交叉和左岸排水建筑物，形成工程安全隐患。为不恶化局部防洪条件，桥梁跨越项目应避免工程在南水北调渠道附近横跨洪水分区或阻塞南水北调导流沟，以致堵塞渠道附近区域的排水处理。同时桥梁设计中可尽量加长引桥长度，确保南水北调保护范围内的排水通畅。

2.4 桥梁排水设计

南水北调中线工程以城市供水为主，兼顾农业和生态用水，工程全线被划定为水源保护区，严禁排放污水。桥梁跨越项目必须解决桥面排水问题，以确保南水北调水质安全。桥梁设计中通常采用的外挂管道排水方式受限于管道材料的耐久性问题，易出现渗漏问题。可将外挂式排水管道设置在桥梁箱梁结构内部，减少外部环境对管道的影响，延长管道使用寿命。对于有纵坡的桥梁型式，可在桥面设置纵向集排水槽作为排水通道，利用桥面排水替代挂管排水。对于没有人行道的快速交通路，排水槽应布置在道路防撞墩以外，以满足安全通行要求。

2.5 桥梁基础施工防护

桥梁跨越项目普遍跨径较大，主跨桥墩距南水北调中线工程保护围栏距离较近，桥墩基础承台开挖可能对南水北调工程产生影响，在膨胀岩土渠段尤其需要特别注意。承台开挖可采用钢板桩防护，并应设置挡、导、排水设施，对开挖出露的透水层进行封闭。

2.6 桥梁后期运行维护方式

桥梁跨越项目的后期维护工作受南水北调工程限制较多，需在设计中提前予以考虑。钢结构桁架桥和混凝土钢腹板桥梁均需定期进行钢结构防腐和涂装处理，有污染南水北调水质的风险。相比之下混凝土连续梁桥更为稳定可靠，后期维护工作量较小。

越来越多的桥梁同时布置体内和体外预应力，后期可通过调整体外预应力度来保证桥梁结构耐久性，有效减小桥梁维护工程量，降低维护工作的影响程度。

3 地下穿越型式的重点问题

3.1 管道提高设计等级

采用定向钻穿越的管道一般输送原水、污水、天然气和石油等介质，对南水北调中线工程的工程安全和水质安全构成威胁，穿越段管道需提高一个设计等级。管道壁厚计算中，强度设计系数F的取值应由大中型水域穿越的0.50提高至0.40。回托力计算的摩擦系数f取值建议偏于保守取上限0.30。同时应加强管道防腐设计，采用3PE加强防腐并辅以强制电流阴极保护。对于施工期较长的施工项目，还应考虑设置牺牲阳极的临时阴极保护措施。

3.2 定向钻穿越轨迹设计及控制

合理的定向钻穿越轨迹设计可以有效减小穿越工程对南水北调中线工程的影响。由于定向钻施工中需使用大量泥浆进行孔道护壁、排屑和润滑，需在定向钻进出口设置泥浆池。泥浆本身成分较为复杂，含多种对水质有害的添加剂，因此定向钻进出口需布置在南水北调一级水源保护区以外。定向钻水平段的埋置深度除与穿越地层选择有关外，还应考虑上覆土厚度，防止冒浆破坏南水北调工程结构，污染输水水质。原则上全挖方渠段管道顶至渠底距离≥10 m，填方和半挖半填渠段管道顶至地面的距离≥10 m。施工期间需严格按照设计给定的控制点坐标控制导向孔轨迹。建议定向钻导向系统采用有缆式导向系统，防止外界电磁场干扰致使钻进轨迹发生偏离，威胁工程安全。

3.3 管道空隙处理

定向钻施工最终成孔孔径大于穿越管道外径，需对管道与围土间的环形空间进行回填处理，以防上部南水北调中线工程发生不均匀沉降。为保证回填质量，应在穿越管道回拖的同时同孔回拖注浆袖阀管，利用袖阀管对环形空间进行二次注浆。浆液配比应增加水泥掺量，提高浆液粘度，以减小浆液凝固产生的收缩空隙。

3.4 泥浆压力控制

泥浆压力是定向钻穿越的关键技术参数，泥浆压力过小钻进、扩孔和回拖施工困难，而泥浆压力过大可能引起上覆土体破坏，造成冒浆事故，损坏南水北调中线工程衬砌结构，污染水质。因此，需结合管道埋深和上覆土体物理力学性质进行泥浆控制压力计算。目前缺乏泥浆控制压力定量计算方法，实际工作中常采用0.60倍的管道竖向压力值作为泥浆压力控制值，该控制值偏于保守，有利于工程安全。也有学者基于Mohr-Coulomb(M-C)强度准则[18]、空间滑动面（SMP）强度准则和Coulomb土压力理论对最大允许泥浆压力进行定量分析，但结果差异较大。目前穿越南水北调中线工程的定向钻管道上部覆土厚度要求≥10 m，根据工程经验，该上覆土厚度基本可以满足定向钻施工的安全要求。对于上覆地层物理力学参数较低、埋置深度较大的定向钻穿越项目，应严格控制泥浆压力。

4 结论

一是穿越跨越南水北调中线工程项目的技术方案，除需满足相应行业设计和施工规程规范外，还应结合南水北调中线工程特点，采取必要措施减小对南水北调中线工程的影响，确保工程安全和正常运行。二是穿越跨越南水北调中线工程项目规划选线阶段应注重与南水北调工程的结合，优化整体布局，减少低级别和不必要的项目数量，充分发挥新建穿越跨越工程效益。三是架空跨越、桥梁跨越和定向钻地下穿越设计和施工技术方案均已形成相对完备的体系，但应充分论证并消除对南水北调中线工程渠道边坡、衬砌结构、防洪堤、绿化带、运行维护道路、35kV输电线路、检修维护和输水水质的影响，不恶化南水北调中线工程现状安全状态。基于管理实践研究提出的穿越跨越南水北调中线工程技术方案重点问题，可供其他穿越跨越工程参考。四是南水北调中线工程专用35kV输电线路地埋改建方案操作简单、施工方便，但增加了供电系统的容性负荷，目前原则上不予采用。可进一步研究针对局部35kV输电线路地埋改建的无功补偿措施，减小地埋改建的不利影响，提高方案可行性。五是泥浆压力是定向钻施工的关键技术参数，目前大多根据已有工程经验确定，缺乏泥浆压力对上部南水北调工程渠道衬砌结构的稳定计算分析方法，需进一步研究，以保证工程安全。

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