引黄济青工程输水渠防渗改造设计研究

魏 松，李 杨，赵立宾，马吉刚

（山东省胶东调水局，250100，济南）

一、工程概况

1.基本情况

引黄济青工程是山东省内建设的第一项跨流域、长距离调水工程，也是目前山东省构建“T”字形调水大动脉的重要组成部分。工程于1986年4月开工建设，1989年12月建成通水，包含水源工程和供水工程两部分。其中，水源工程自黄河打渔张引黄闸起至青岛城阳区棘洪滩水库止，采用明渠输水方式，线路全长253 km；供水工程自棘洪滩水库出水口起至青岛白沙河水厂止，采用暗渠输水方式，线路长度21.5 km。明渠渠首建有沉砂池，占地3.6 km2；水源工程尾端建有棘洪滩水库作为调蓄水库，库容1.58亿m3。工程全线设4级提水泵站，总装机容量19 120 kW；另设有各种倒虹、涵闸、渡槽、桥梁等建筑物500余座以及输变电、通信等配套设施。工程渠首设计引黄流量45 m3/s，在保证率95%的情况下可增加青岛市日供水30万m3。

2.运行效益

自1989年建成通水以来，引黄济青工程累计调引黄河水52.03亿m3，向青岛市输送黄河水36.31亿m3，向工程沿线提供农业灌溉用水11.43亿 m3，补充地下水 4亿多m3，解决了青岛市淡水资源严重匮乏的困难，在满足青岛市及工程沿线各地市经济社会发展用水需求的同时，减轻了当地水资源过度开采的状况，对改善当地生态环境、防止海水内灌和防止地下水漏斗的形成都起到了显著作用。2013年至今，胶东地区持续连年极端干旱，引黄济青工程发挥战略性作用，长年超负荷运行，在向青岛市输送黄河水的同时，于2015年年底对接南水北调工程开启长江水调配任务，5年间共向青岛市输送客水15.5亿m3，最大限度保证了青岛市的用水安全，成为名副其实的 “黄金之渠”“生命之水”。但目前由于运行多年，工程老化严重，引黄济青工程已进入改造加固期，输水能力大幅度降低，日渐威胁到青岛市和沿线各受水区的供水安全。

二、输水渠防渗分析计算

引黄济青工程运行近30年以来，输水渠道特别是明渠段工程暴露出以下主要问题：渠道衬砌已达到设计使用年限，衬砌表面混凝土结构及勾缝砂浆脱落严重，输水糙率加大，导致渠道的过流能力降低。为减少渗漏损失，提升工程运行效率，对渠道采取防渗措施是十分必要的。

1.输水渠道堤防渗透稳定分析

（1）允许渗流坡降的确定

①渗透变形类型判别原则

a.细粒土与不均匀系数Cu≤5的粗粒土渗透变形为流土。

b.不均匀系数Cu＞5的粗粒土渗透变形应根据土的细粒含量Pc采用下式判别：

式中，Pc为土的细粒颗粒含量，以质量百分率计（%）；n为土的孔隙率（%）。

c.土的细粒颗粒含量按下列方法确定：

不连续级配的土，级配曲线中至少有一个以上粒径级的颗粒含量小于或等于3%的平缓段，粗细粒的区分粒径df以平缓段粒径级的最大和最小粒径的平均粒径区分，或以最小粒径为区分粒径，相应于此粒径的含量为细粒含量。

表1 堤防渗透稳定计算表

连续级配的土，区分粗粒和细粒粒径的界限粒径df按下式计算：

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式中，df为粗颗粒的区分粒径（mm），d70为小于该粒径的含量占总土重70%的颗粒粒径 （mm），d10为小于该粒径的含量占总土重10%的颗粒粒径（mm）。

②不均匀系数大于5的不连续级配土判别方法

a.流土：Pc≥35%。

b.过渡型：取决于土的密度、粒径和形状：25%≤Pc＜35%。

c.管涌：Pc＜25%。

③允许渗流坡降的确定

根据地质勘察报告，堤防堤基渗透变形型式为流土。根据《堤防工程设计规范》，结合地质勘察报告允许渗流坡降的建议值，考虑工程等别，经综合分析确定，允许渗流坡降值为0.30。

（2）计算方法

（3）计算工况

根据《堤防工程设计规范》，本次计算只选取稳定渗流期进行计算，上游水位采用设计水位，下游为地下水水位。本次选取3个断面 （桩号73+400、145+500、204+500）进行计算。

（4）计算结果

堤防渗透稳定计算结果见表1。经分析，上述堤段堤防下游渗流出口段和堤基水平段渗流坡降均小于允许渗流坡降，堤防与堤基将不会发生渗透破坏。

2.渠道渗漏计算方法

渠道渗漏量可按考斯加可夫半理论公式进行计算。本文根据《渠道防渗工程技术规范》（SL 18—2004）规定进行计算，计算公式如下：

式中，Ka为渠道防渗护面的渗漏量，其取值可参照规范中表4.2.2的允许最大渗漏量选定，防渗护面质量良好者取小值，质量差者取大值，本次计算中 Ka取 0.06 m3/（m2·d）； χ为渠道在设计流量下的平均湿周（m）。

经计算整个渠道渗漏量为4.53 m3/s，比采用考斯加可夫半理论公式的计算方法结果大0.08 m3/s，计算结果基本相当。

三、输水渠改造设计分析

1.改造设计原则

①针对输水渠沿线渠床岩性，选择适宜的衬砌型式，确保防渗设计满足渠道安全输水的要求；②分析地下水动态埋深与设计水位和设计渠底的关系，研究地下水对渠道输水和非输水期的影响，以确定衬砌排水措施；③依据工程所在地理位置，分析各种不利的气象参数、设计冻深等，并根据引黄济青多年的运行经验，研究消减冻胀量的有效措施；④防渗衬砌结构设计要达到技术先进、结构合理、经久耐用、运行安全稳定、造价经济、管理方便的要求。

2.改造设计方案

根据引黄济青工程衬砌可行性研究及初设方案，结合工程运行近30年的经验，按照上述防渗计算及设计思路，输水明渠设计为全断面截渗。改扩建工程主要采用以下两种衬砌结构型式：①全断面衬砌，即全断面铺设聚苯乙烯保温板+复合土工膜+6 cm厚预制混凝土板。②半断面衬砌，即全断面铺设复合土工膜。渠坡采用保温板+6 cm厚预制混凝土板防护，渠底只防渗不护砌，为保护复合土工膜，采用0.5 m厚当地土覆盖并压实。

四、防渗效果

按上述设计，渠道进行全断面防渗后，经计算自通滨闸至棘洪滩泵站的损失流量为4.53 m3/s，比不防渗减少流量损失62.47 m3/s，比引黄济青原设计损失流量12 m3/s少7.47 m3/s，比引黄济青运行期动态观测值9.45 m3/s减小约5.0 m3/s。

表2 引黄济青输水渠各工况输水水量损失计算

根据原引黄动态观测渗漏量和渠道进行全断面防渗后的渗漏计算成果，按照引黄济青、胶东调水和南水北调设计工况下的输水时间，分别计算向青岛单独引黄供水，引黄向胶东的青岛、烟台、威海供水，利用引黄济青工程向胶东各市输送江水，利用济青渠道引黄与引江4种工况下所节省的水量，计算结果详见表2。从表2中可看出，输水渠衬砌改造后不但可以扩大棘洪滩水库的供水规模，其节水效益也是较大的，其中单独向青岛供水情况下，沿途输水损失量可以减少3 023万m3；向青岛、烟台、威海调水时，因输水时间延长，节水将达到5 817万m3；南水北调胶东输水干线贯通后输送江水及向青岛引黄时，节水量可达8 638万m3。