大口径输水隧洞安全管理探讨——以北京市南水北调南干渠排放可燃气体问题为例

田 坤，郑艳侠，武晓媛，陈俊锡，赵 青

（1.北京市河湖流域管理事务中心，102600，北京；2.北京市水务建设管理事务中心，100084，北京；3.北京市南水北调环线管理处，100176，北京）

一、工程基本情况

南干渠工程是北京市内南水北调中线工程配套工程之一，全线采用大口径输水隧洞。工程直接承担城南地区400万人口供水工作，间接承担首都副中心供水工作，其安全平稳运行直接关系到首都城市内管网供水稳定和饮用水安全，同时也关系到城市供水环路整体高效运行。

南干渠工程起点为南水北调中线总干渠永定河倒虹吸末端，终点为亦庄调节池，全长26.82 km，全线为大割圆形状的异型结构，采用重力流低压输水方式。工程分上、下两段，上段为两条平行的DN3400钢筋混凝土异型输水隧洞，管线长约11.34 km，加大流量35 m3/s；为了设置光缆和工程运维便利，隧洞底部有1.5 m宽平台。工程下段为单洞DN4700钢筋混凝土异型输水隧洞，管线长约15.48 km，加大流量32 m3/s，隧洞底部有2.0 m宽的平台。

南干渠工程与五环路、京开高速路、京良路、京山铁路、京九铁路等多条公路、铁路交叉，沿线各类社会活动频繁，地上荷载多变，外部环境条件不可预见因素较多，存在一定运行风险。工程覆土高度最浅5.5 m，最深16 m，具有直径大、流量大、地下埋设深、隐患不易发现的特点。

二、工程运行现状

1.地质情况

南干渠工程自西向东穿越了永定河、浑河、无定河及古漯水故道等，现大部分位于五环周边公园内。工程区内沉积物主要为永定河冲洪积物。工程区内人工填土在输水线路上、下游多有分布，局部为垃圾填埋坑，深度10～17 m。桩号0+000～4+070，管底置于卵石、圆砾层上；桩号4+070～18+574，管底主要置于圆砾层，局部为中砂层或卵石层；桩号18+574～24+500，输水管道底高程14.80～21.60 m，管底主要置于黏性土层上，局部为砂层；桩号24+350～26+820，管底主要置于黏性土层上，局部为砂层。其中：桩号0+560～0+750、桩号1+050～1+280（1～3号排气阀井）、桩号3+150～3+650（5～6号排气阀井）等多处为垃圾填埋坑，桩号8+260～8+550（12～13号排气阀井）、桩号15+600～15+810（25～27号排气阀井）、桩号17+950～18+100（28～29号排气阀井）段为建筑垃圾填埋坑；5～6号排气阀井位于大兴灌渠旁，大兴灌渠为排水河道，长年有污水。桩号24+350～26+820（38～43号排气阀井）埋深在9.5～10 m之间；暗涵底部几乎为第四系全新统冲洪积的粉质黏土层，厚度最薄处3.5 m，其余厚度大于10 m，透水性极差。

2.供水运行情况

南干渠工程于2010年初设批复，2012年开始施工，2014年12月正式通水，截至2021年5月已安全运行6年半多，累计供水超10亿m3，期间未实施全段大修。

南干渠工程常规输水为从大宁调节池正向供水。南水北调中线干线北京段停水检修期间，原南水北调用水户的水源全部切换为密云水库。2019年10月干线检修期间，从东干渠反向输水。2019年10月—2020年5月，南干渠工程均处于反向输水工况下运行，2019年10月—2020年3月，由南干渠工程下段经由上段右线供水至郭公庄和黄村水厂。2020年1—12月，南干渠工程上段郭公庄分水口和黄村分水口的调水路由共进行了3次左右线切换工作。2020年3月之前，两处分水口均由南干渠工程上段右线供水。3月18—20日，为配合永定河倒虹吸检修，两处分水口由南干渠工程上段右线调水切换为左线调水。7月6日，为配合东干渠工程低水位运行，同时满足水厂的调水流量，两处分水口调水路由进行左右线切换，两处分水口再次由南干渠工程上段右线供水。9月16—17日，为了排查南干渠工程18～21号排气阀井可燃性气体成因，排出可燃性气体，消除工程安全隐患，南干渠工程上段再次进行了左右线切换，两处分水口由南干渠工程上段左线供水至今，南干渠工程上段右线向东干渠供水。

目前，南干渠工程通过上段左线向郭公庄水厂、黄村水厂调水；通过上段右线向东干渠工程输水。左线DN3400蝶阀处于关闭状态。

3.日常维修和检修情况

南干渠工程上段右线和下段最后一次检修结束时间为2019年6月，检修完毕后供水至今。南干渠工程上段左线最后一次检修结束时间为2019年9月，自2020年3月供水至今。

2018年启动排空井实施生态补水时，淤泥堵塞1号排空井排空管，导致无法排水。2018年年底至2019年年初，在南干渠工程上段检修工作中发现部分隧洞内壁混凝土表面长有被称为“水下建筑的最大敌人”的寻 氏 肌 蛤（Musculus senhousei，以 下称“薄壳”），由于经费限制，仅选取试验段采取了抑制薄壳生长的措施，并未在工程全线实施治理。南干渠工程上段右线隧洞检修时，发现DN3400蝶阀上游淤泥堆积平均高度1 m左右，长度近100 m；南干渠工程上段郭公庄、黄村分水口对应的DN2200分水钢管内部泥沙淤积问题严重；DN3400蝶阀下游至18号排气阀井处约300 m，洞内淤泥平均厚70～80 cm。未对淤泥含量进行分析。

2019年4—6月，南干渠工程下段分段实施了隧洞检修，也发现薄壳滋生现象。2021年1—4月供水期间，因部分阀井供水水头低于0.02 MPa，隧洞内水从排气阀的排气口喷出，夹带了软体动物水蜗牛。

三、可燃气体排放经过

南干渠工程高效保障了北京城南地区和城市副中心用水安全。但是，2019年6月至今工程尚未按照原有设计工况进行供水运行，仍然存在一定风险隐患和问题。隧洞长期发生可燃气体排放便是问题之一。

2020年6月底至今，南干渠工程上段17号排气阀井和下段18～21号排气阀井均持续出现可燃气体报警。2020年7月24日，聘请北京中科光析化工技术研究所对18号排气阀井井室内气体进行含量分析，结果显示气体成分为25.8%甲烷、55.2%氮气、15.3%氧气、2.67%水汽、0.86%一氧化碳、0.12%氢气、0.03%二氧化硫、0.02%硫化氢。7月27日，北京市水文总站到18号排气阀井现场采集水样检测水质，实验室化验12项参数，包括pH、电导率、钙、镁、总硬度、溶解性总固体、氟、氯离子、硝酸盐氮、硫酸盐、钾、钠，结果均为正常。

经连续多日检测，井室内可燃气体浓度均达到25%，根据有限空间作业安全相关规定，此时井室属于危险有害程度最高的1级作业环境，不宜进行作业。水管单位除严格执行有限空间作业管理规定外，2020年9月实施南干渠工程上段左右线切换，降低可燃气体产生物质的浓度，同时加强每日气体检测。结合隧洞纵断面图，初步推测因夏季水生生物较多，南干渠工程17号排气阀井DN3400蝶阀至18号排气阀井之间325 m左线隧洞内部腐殖质沉积物较多，在缺氧条件下产生可燃性气体。

2020年9月—2021年5月，对17号排气阀井可燃气体检测数据分析可知，2020年9月南干渠工程上段实施左右线切换后，右线可燃气体2020年9月29日—10月19日消失，左线可燃气体2020年9月16日—10月13日消失，但后续左右线均又发生可燃气体爆表问题。南干渠工程上段左右线切换并未从根本上解决可燃气体排放问题。

2021年1—2月，南干渠工程上段左右线可燃气体排放现象均消失。左线的可燃气体累计排放总量较右线多50%，且连续排放天数远多于右线；右线在2021年1—4月仅有14天排放可燃气体，且气体排放量并不高。

四、原因初步分析

大口径隧洞长期排放可燃气体是由多种复杂因素共同影响产生的。本文综合了现有数据资料，分析主要原因应有以下四个方面。

1.软体动物

在南干渠工程隧洞检修和日常维修作业中，发现隧洞内部滋生薄壳和水蜗牛。薄壳和水蜗牛具有明显的趋暗性，其中薄壳适宜生存的温度为16～28℃，在4℃的低温环境下活跃性极低，13～17℃时繁殖行为停止，随着温度的升高活跃性逐渐增强，而高于28℃时会迅速死亡。水蜗牛喜潮，喜钻入疏松的腐殖土中栖息、产卵，以泥土中微生物和腐殖质以及水中的浮游植物和水藻为食。2020年全国年平均气温比常年偏高0.7℃，为软体动物大量滋生提供了有利条件；另外，供水流速缓慢也为软体动物滋生提供了适宜生存环境。但随着温度降低，12月水温降至10℃以下，导致软体动物大量死亡，其尸体腐烂也为可燃气产生提供了一定的资源。

2.藻类

南干渠工程入水口未设置拦污栅，枯枝树叶等有机物可以进入隧洞内部，沉积到倒虹吸处、工程最低点或水流缓慢处等。夏季水温升高，隧洞内水流流速较慢，水体藻类及其他浮游生物迅速繁殖，水体溶解氧含量下降，在甲烷菌的作用下产生甲烷的速度加快。藻类的增加为贝类生物生长提供了营养来源。结合南干渠工程上段郭公庄分水口每月水样藻类定量分析，可知6—7月的藻类含量偏高。

3.污泥

正常运行工况下，隧洞内每年约产生5 cm淤泥，DN3400隧洞年淤泥量28.8 m3/km，南干渠工程上段单线隧洞内年淤泥量326 m3。根据隧洞检修经验，结合南干渠工程纵向断面（图1），可知南干渠工程隧洞内淤泥易堆积的地方有以下几处。

图1 南干渠工程全段纵断图

（1）DN3400蝶阀关闭状态下迎水面和背水面周围

目前，左线DN3400蝶阀至18号排阀井之间的306 m隧洞内存在大量长期不流动水源。藻类滋生，产生可燃气体由18号排阀井内排气阀或17号排气阀井右线排气阀排除。当气体较多，18号排阀井附近可燃气体聚集形成气囊，不定期分解，随水流向下游输送，在19～21号排气阀井之间不定期排除。同时，左线DN3400蝶阀处于关闭状态时，郭公庄分水口与DN3400蝶阀之间19 m隧洞内水流几乎不动，上段泥沙、树枝、生物尸体等大量堆积在DN3400蝶阀周围，腐败后产生可燃气体，由17号排气阀井左线排出（见图2）。

图2 南干渠工程部分节点示意图

（2）工程低洼处，如排空井周边

右线流速缓慢，小于0.25 m/s。在19～20号排气阀井之间、3号排空井附近存在工程沿线最低点，因水流流速缓慢，易造成大量泥沙堆积。如水温升高，则为可燃气体的产生提供了适宜的温度条件。有压隧洞内淤泥在水流扰动条件下可产生甲烷气体并迅速释放，可燃气体随机通过18～21号排气阀井排出。

（3）分水口取水口处等

南干渠工程上段有两处从DN3400主管道向斜下方45°引出DN2200分水钢管，并存在一个倒虹吸管段，这些位置都易发生内部泥沙淤积。

4.调度运行工况

目前，南干渠工程上段右线通过南干渠工程下段、东干渠工程向通州水厂供水，为重力流供水，供水量较小；南干渠工程上段左线向郭公庄水厂和黄村水厂供水，为有压供水，供水量约60万m3/d。南干渠工程上段左右线DN3400主管道内水流流速均不到1 m/s。已有研究表明，当水流流速大于2 m/s时才可防止薄壳的附着，因此南干渠工程隧洞内薄壳滋生难以避免。右线流速缓慢，小于0.25 m/s，随着水温温度增加，淤泥堆积处较易产生可燃气体。

五、措施及建议

大口径输水隧洞长期产生以甲烷为主的可燃气体，不仅为南干渠工程供水运行埋下了安全隐患，同时也增加了日常巡查和养护工作成本。解决大口径输水隧洞长时间排放可燃气体问题是一项复杂而长期的工作，既需要统筹供水调度，也需要采取技术手段提前预防。

1.供水运行工况

南干渠工程上下段之间2台DN3400蝶阀长期处于关闭状态时，其上下游周边的水流流态复杂。为降低淤泥堆积量，建议DN3400蝶阀长期或不定期全开。同时，按照设计工况实施供水调度运行，南干渠工程上段单管供水流速不低于18 m3/s，下段供水流速不低于32 m3/s。另外，年度调度运行计划中要充分考虑检修和大修时间，合理调度。

2.防治薄壳

在南干渠工程上游大宁调节池或东干渠调压塔处增设拦污栅，夏季增加紫外线等必要消毒措施。同时研究高效廉价、无毒无害的涂刷材料施用于隧洞内部，防止软体动物附着。

3.定期开展隧洞维修

编制隧洞维修养护规程，规定岁修和大修工作内容，清除淤泥，削弱软体类生物附着隧洞内部能力。建议每5年至少实施一次大修，每2年至少实施1次检查，定期清淤、降低藻类含量，减少可燃气产生条件。