输水状态下挖方渠道衬砌干地修复渗控方案

2021-10-21崔皓东盛小涛饶锡保吴德绪

长江科学院院报 2021年10期

崔皓东，张伟，盛小涛，饶锡保，吴德绪

(1.长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010； 2.长江勘测规划设计研究有限责任公司，武汉 430010)

1 研究背景

南水北调中线工程重点解决京津华北地区缺水问题，总干渠全长1 197 km，其中渠道长1 103 km，由南向北基本自流输水，以明渠为主，年均调水95亿m3。工程自2014年正式通水以来累计调水近400亿m3，发挥了巨大经济和社会效益，沿途及京津冀地区对其倚重日增。

根据总干渠沿线各渠段水位、渠底高程与地面高程的相对关系，将各渠段横断面型式分为全挖方、半挖半填、全填方断面3种类型。总干渠渠道设计水深3.8～8.0 m，采用梯形断面，全断面厚8～10 cm混凝土衬砌板。部分高地下水挖方渠段，衬砌板下部设有土工膜、砂垫层、透水软管、逆止阀及渠外集水井等组成的复杂渗控体系，通过渠道内逆止阀自溢或暗管集水抽排等形式，解决高地下水可能带来的衬砌板抗浮失稳问题[1-5]。

国内外渠道工程通常停水检修或抢修[6-8]，但南水北调中线关乎沿线城市及京津供水安全，当前暂不具备停水检修条件，难以停水抢修[9]；当水下衬砌板出现破损、塌陷、隆起等问题，输水条件下抢修难度极大[10-13]。近几年在南水北调中线个别渠段水面上下较浅部位试验性维修[14-15]，均未涉及渠底或渠坡深部衬砌，高地下水复杂渗控措施挖方渠段亦未涉及。

为保障南水北调中线渠道供水安全，解决输水状态下渠道应急抢险关键问题，亟待解决的适用性强、不断水、可重复使用的装配式围堰及渗控技术，作为关键技术被列入国家重点研发计划，并于2017年获批科技部“南水北调工程应急抢险和快速修复关键技术与装备研究”项目。作为项目重点研究内容之一，本文针对复杂渗控措施的高地下水挖方渠段特点，研究输水状态下专用围堰基坑形成干地施工环境时[16]，相应的渗控技术[17]和渗控方案，解决围堰基坑内外水位差可能带来的基坑渗透破坏问题；提出围堰基坑“外、中、内”三防线渗控体系，确保基坑渗流安全，并通过三维渗流模型分析渗控方案效果，为南水北调中线输水状态下挖方渠道围堰干地抢修提供理论依据和技术支持。

2 挖方渠段渗控措施概况

南水北调中线总干渠明渠段全挖方断面、半挖半填断面、全填方断面3种类型占比分别为43%、51%、6%，水深>6 m渠段约60%；填方渠段只需衬砌板结合土工膜防渗即可。但在挖方或半挖方渠道，为解决高地下水可能带来的衬砌板抗浮失稳破坏问题，通常采用混凝土衬砌板下的土工膜防渗，防渗层下布置砂砾石垫层，渠底沿线设置间距4～20 m逆止阀，按其阀径大致可分为4类，仅总干渠南阳地区超12%渠段有逆止阀约1.5万个。渠底逆止阀与砂垫层下纵横透水软管网串接，形成复杂渗控体系(图1—图3)。

图1 南水北调中线干渠挖方典型断面Fig.1 Typical section of excavation in the Middle Routeof South-to-North Water Diversion

图2 南水北调中线典型逆止阀Fig.2 Typical check valve drainage system in the MiddleRoute of South-to-North Water Diversion

图3 典型挖方渠道渗控体系Fig.3 Typical seepage control system of excavation

挖方渠段承压水渗流控制是施工、运行及检修期渠道衬砌板和渠坡稳定安全关键工程措施之一，输水状态下渠道修复时渗控问题更加复杂。

工程运行中，如果发生渠基地下水压增加高于渠内水位时(如骤降暴雨或渠水位快速下降等)，逆止阀自动溢流减压，若逆止阀不能及时有效排水减压，将发生衬砌板抗浮失稳破坏[1,18]，破坏形式主要表现为衬砌板隆起等。

随着南水北调中线工程运行，渠道的检修维修需求日益增加；而工程已是沿线及京津等城市的重要水源，难以断水维修，也就无法利用围堰或节制闸抽干渠水形成大范围干地维修环境，这也是南水北调中线运维特殊现状。

南水北调中线渠道水深通常为5～8 m，目前总干渠衬砌板维修试验仅在水面下1～2 m较浅部位，深部及渠道底部无成功案例。在高地下水挖方渠段，国家重点研发项目正在研发的“输水状态下干地修复围堰设备”[11]，采用该专用围堰抢修，则面临复杂的渗控问题，配合专用围堰的渗控方案和技术是本文研究的重点。

3 输水状态下围堰干地修复渗控方案

南水北调中线总干渠输水状态下采用专用围堰干地修复需解决的问题中，在填方段侧重解决围堰稳定和止水问题，基坑渗流安全问题相对易解决，而设置有逆止阀等复杂渗控系统的挖方渠段，围堰抽水过程中，除了解决围堰本身在动水中的稳定及防渗问题，还要解决基坑内外水位差可能会带来基坑砂垫层渗透破坏问题。因此本文根据此类渠基特点，开展输水状态下围堰配套渗控方案研究。

3.1 输水状态下专用围堰干地修复配套渗控方案

输水状态下挖方渠段专用围堰干地修复情况下，围堰基坑内外的配套渗控方案。根据前述高地下水挖方段渗控体系特点，在渠底衬砌板下纵横交错相连接用于汇集渠基地下水，当地下水压力高于渠水位时，透水软管交叉点处的逆止阀则自动排水减压，保证衬砌板的安全。

根据近年运行情况[12-15]，部分渠段逆止阀堵塞或浮球漂离阀体，并且衬砌板局部破坏，这些都会造成衬砌板下砂垫层内水压力与渠水位相同；另外，由于长期运行及降雨等因素影响，部分挖方渠道地下水位较高。当采用围堰进行一定范围形成基坑，并进行抽水形成干地基坑过程中，如果不对围堰基坑底部及附近赋存于渗控系统内的地下水进行有效控制，必然会带来基坑难以抽干，基坑底砂垫层发生渗透破坏等问题。

根据挖方渠段渠底衬砌板下布置有互相联通的透水管及逆止阀的特点，在基坑外围一定范围内，必须对渠基透水管进行封堵，阻断远端地下水通过透水管向基坑方向进行汇集。另外在封堵点至基坑范围内渠基地下水及渗流仍然存在，这时可以通过逆止阀孔口进行抽排水，形成低压区，使基坑边缘砂层内比降降至允许比降(一般砂层允许比降0.1)，这样才能保证基坑底部及边缘砂垫层渗透稳定。鉴于此，本文根据“前堵后排”渗控思想，提出围堰基坑“外、中、内”三道防线渗控体系，封堵点布置于围堰外围——外防线；靠封堵点侧布置少量智能泵——中防线；围堰最近的逆止阀孔内布置智能泵——内防线(图4)。通过智能泵内高敏水压传感器探测衬砌板下水压力，再根据设定的阈值，通过水泵启停控制衬砌板下水压力分布。

图4 围堰基坑外围渗控体系Fig.4 Seepage control system of foundation pit

3.2 渗流控制关键技术及实施步骤

前述渗控方案属于南水北调中线挖方渠段输水状态下专用围堰干地修复时的配套渗控措施，主要在围堰基坑抽水过程及基坑干地形成后，渠道维修期间发挥渗流控制作用，保证基坑渗流安全。

该方案中涉及多项关键渗控技术，在方案实施之前，首先需要根据挖方渠段地质、渗控设计、运行特点及专用围堰布置情况，采用三维渗流精细数值模拟技术开展渗控方案布置和评估；其次根据渠道逆止阀布置情况及评估结果，采用适当的封堵技术对专用围堰外围一定距离的逆止阀所在三通管(或四通)进行水下封堵，形成外堵防线；然后根据模拟结果选择适当的排水减压技术，将排水减压设备安置于逆止阀位置(逆止阀水下拔出再安装智能水泵)进行排水减压，其中在封堵点与围堰之间适当布置水泵作为排水减压能力储备。从封堵设备向围堰方向形成“外”“中”“内”排水减压体系。本节提及的封堵技术、智能排水减压技术研发及试验成果，会在后续文章中详细介绍，本文不作赘述。

前述方案实施过程中关键步骤有以下几点：首先，对远离围堰两侧(距50～60 m)的逆止阀拔出后，将三通管或四通部位封堵，形成外堵防线；然后，在封堵点至围堰范围内，将三通部位的逆止阀拔出，安装智能排水减压设备(图5)[17]。在围堰形成封闭后，开始基坑抽水过程中，智能泵可以根据其水压传感器设定的阈值抽水减压，降低基坑内外衬砌板下水压力差，保证砂层稳定。另外，为使渗控设备发挥作用，还应检查围堰外围土工膜有无破损，破损需提前水下止水处理；抽排设备需要有备用电源以防突然停电等。

图5 智能排水减压设备示意[17]Fig.5 Intelligent drainage equipment[17]

排水减压设备布置的数量需提前根据高地下水挖方渠道估算渗流量，然后根据估算量确定排水设备数量，并给出一定的安全余度。根据前期研究成果(见表1[1-4])，南水北调中线挖方渠段所需单泵排水能力1～2 m3/h即可满足要求。

表1 渠道类型与逆止阀流量分析统计[1-4]Table 1 Statistics of channel types and flow rate atcheck valve[1-4]

4 渗控方案及效果数值模拟

根据前述渗控方案选择南水北调中线镇平某典型挖方渠段，建立输水状态下围堰基坑三维渗流场模型。模型顺渠道方向取200 m，围堰长8 m，垂直渠道水流方向，沿渠道中心线模型各延伸230 m，该处地下水位高于渠道水深2 m作为渠坡地下水位边界，模型渠基取至渠底板下100 m作为不透水边界。模型网格数量87 930个，节点总数95 672个。衬砌板、砂层渗透系数分别为1.0×10-11、1.0×10-3cm/s。假设土工膜局部破损方案中，土工膜缝宽0.01 m，长0.2 m，渗透系数按立方定律等效为1.0 cm/s，渠道水深8 m。

渠道逆止阀、透水软管及渠坡排水措施按实际位置和尺寸模拟，封堵位置模拟假设该点不透水，围堰基坑按实际尺寸剖分网格，基坑内按衬砌板拆除，砂层保留厚度10 cm。模型网格如图6所示，采用长江科学院自主软件SFA2.0中SSC-3D模块进行模拟分析。

图6 渠道三维有限元网格Fig.6 Three-dimensional meshes of excavation channel

本文重点分析封堵透水管不同位置、土工膜破损等工况条件下，围堰基坑涌水量及砂层比降特征等，为围堰及其渗控布置提供理论依据。研究方案见表2。

表2 研究方案Table 2 Research schemes

方案F1表明，如渠基衬砌板土工膜有破损且透水管不封堵，围堰基坑水头等值线分布密集(图7)，基坑涌水量>125 m3/h，其边缘砂层水平渗透比降>10，该方案无法保证基坑安全。

图7 方案F1 顺渠道基坑剖面水头等值线Fig.7 Contours of water head in profile of foundationpit in scheme F1

当对距围堰40 m或60 m位置透水管进行封堵后(方案F2和F3)，基坑至封堵处较大范围内，水头等值线分布较为稀疏，衬砌板下砂层水平渗透比降<0.01(图8及表3)，基坑渗流量也大幅降低，可以保障围堰基坑干地施工安全。

图8 方案F2 基坑顺渠道剖面和基坑底部平切面水头等值线Fig.8 Contours of water head along the channel andat bottom of channel in scheme F2

表3 各方案基坑涌水量及砂层水平比降Table 3 Water inflow and horizontal gradient indifferent schemes

方案F4中，距基坑40 m位置土工膜有较小裂缝(缝宽1 cm)，该部位属于渠基局部渗漏，此类裂缝基本不影响基坑涌水量和基坑附近砂层比降。

综合各方案渗流场水头分布及表3可知，此类有逆止阀渗控体系的深挖方渠段，为降低基坑涌水量和保证基坑安全，对围堰一定范围内渠基透水管实施封堵是非常必要的；在封堵点至围堰区域内布置抽排设备，可以及时排水减压，避免渠基衬砌板下压力过大而影响基坑附近砂层渗透稳定，保证基坑安全。本模型属于稳定模型，没有考虑抽排设备运行过程。