首都地区地下输水暗涵变形影响分析及对策研究

2022-03-05张会敏

陕西水利 2022年12期

张会敏，田坤，张涛，智泓

（1.北京市河湖流域管理事务中心,北京 102600；2.北京市水科学技术研究院,北京 100048）

2021 年,南水北调中线工程进京水量达12.5 亿m3,通水7 年至今有效缓解了京津冀地区水资源短缺状况。南水北调团九二期主体工程环线隧道贯通,中心城区南干渠工程—东干渠工程—团九二期—西四环暗涵地下供水环路实现闭环,因而暗涵工程在保障首都供水安全中作用日益提升。目前判断暗涵工程安全运行重要条件之一为暗涵工程沉降情况[1-2]。南干渠工程全线采用大口径输水暗涵,其中工程下段为北京最大口径输水暗涵,是大口径输水暗涵典型代表性工程,本文以南干渠工程为例,探讨输水暗涵工程沉降对工程安全运行影响。

1 概况

南干渠工程承担着首都城南地区和城市副中心供水工作,其安全运行不仅影响城市供水安全,同时也影响暗涵工程沿线重大工程安全运行[3-4]。南干渠工程上端与大宁调节池相接,下端与东干渠工程相接,全长26.82 km。南干渠工程全线为大割圆形状的异型结构,采用重力流低压输水方式[5],具有直径大、流量大、地下埋设深、隐患不易发现的特点[6-7]。首都环线输水暗涵是一个线状结构,线路长,穿越永定河冲积扇多个地质单元,地质结构复杂,工程沉降受着地面沉降、工程自身安全、地下水上升等多种因素影响。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,现大部位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 m～17 m。

2 分析方法

分析南干渠工程沉降采用两种方法,第一种为人工外部测量方法,即通过人工安装沉降观测设备[8-10],定期推算测量暗涵沉降量；第二种为遥感分析方法,借助InSAR 数据,分析暗涵整体沉降趋势。

2.1 人工外部测量

针对南干渠工程特点及工程运行管理现状,2017 年工程调水运行初期,在已有安全监测系统基础上,根据工程主要建筑物结构特点及运行管理监测需要,开展大口径输水暗涵变形监测关键技术研发,补充建立南干渠工程外观沉降观测系统并开展工程沿线暗涵、阀井构筑物沉降变形观测基点,了解和掌握了运行过程中输水工程主要构筑物沉降变形状况。南干渠工程工作基点的布设充分利用阀井结构稳定性,在沿线各阀井结构顶部采用植筋工艺浇筑工作基点,较好地保证了工作基点的稳定性与可靠性。选择南干渠工程附近高等级国家水准点,用于每季度定期对沿线工作基点高程进行检查校核1 次。

2.2 遥感分析方法

基于InSAR 观测成果,结合南水北调线路数据,提取南水北调监测区两侧各500 m 范围内PS 点。提取与水准观测日期尽量一致的日期InSAR 成果,将InSAR、水准的观测结果统一投影到精确的WGS-84（world geodetic system 1984,WGS-84）坐标系,实现空间基准的统一,重新计算同期的水准点与InSAR 成果年平均沉降速率,采用反距离加权插值方法提取与水准点对应的InSAR 验证数值,进行经度评定。

3 结果分析

自2017 年建立南干渠工程沿线建筑物沉降观测以来,南干渠工程经历首次通水、停水检修、反向供水等多种运行工况。沉降观测数据表明,截至2020 年8 月,南干渠工程沿线各阀井及暗涵结构累计沉降测值最大为6.0 mm,沉降速率均低于0.01 mm/d,阀井及暗涵结构沉降变形总体稳定,南干渠工程沿线沉降量相对较大区域位于27#阀井～31#阀井及41#～43#阀井区段。

基于InSAR 技术获取了南水北调南干渠工程两侧各500 m范围内2014 年6 月～2020 年8 月的PS 点成果,利用PS 点中包含的沉降信息发现了南水北调南干渠工程线路周边存在的沉降的位置及沉降量信息,南干渠工程在紫谷伊甸园附近、南苑机场南侧区域、南海子公园附近都存在明显沉降情况,其中紫谷伊甸园附近最大沉降速率值为-20.4 mm/a,累计沉降量为-115.2 mm；南苑机场南侧区域最大沉降速率值为-11.3 mm/a,累计沉降量为-83.3 mm；南海子公园最大沉降速率值为-23.4 mm/a,累计沉降量为-151.56 mm。

阀井及暗涵结构沉降分布规律总体与INSAR 地面沉降监测结果总体符合,根据沉降数据表明南干渠工程总体处于安全运行工况。与郭强研究结果基本一致,南干渠工程末端与之相连的东干渠工程沿线地面沉降发展将在一定程度上得到控制,不会对东干渠输水工程安全运行造成较大影响[11]。

综合结果表明位于南海子公园内的南干渠工程41#～43#阀井之间的暗涵工程运行和地面沉降情况应予以重点关注。

4 原因分析

4.1 内部因素

南干渠工程上段双洞长11.34 km 暗涵采用防水设计思路,钢筋混凝土一衬和二衬之间设有防水层；南干渠工程下段单洞长15.48 km 暗涵采用排水设计思路,暗涵内水或或暗涵外水经由钢筋混凝土一衬和二衬之间排水网垫汇集至导水槽后导入阀井集水井,无防水层；与南干渠工程下段相接的东干渠工程单洞长44.70 km,采用防水设计思路[4],一衬和二衬设有防水层。南干渠工程下段每12 m 设一变形缝,2019 年春暗涵上方地表出现三处出水情况,经排空进洞检查,判断为伸缩缝漏水。随着工程长期运行,南干渠工程下段暗涵会发生变形缝密封胶老化、排水网垫堵塞等现象,进而导致暗涵内水外渗或外水内渗,暗涵形成水流通道,局部可能出现空洞,暗涵局部会发生变形的危险,严重时影响暗涵安全。从暗涵工程整体设计角度看,南干渠工程暗涵工程局部沉降与地下水水位变化也有着一定关系。南干渠工程采用自密实混凝土浇筑,其结构渗漏主要原因之一是施工过程中细部处理不当造成[12],且暗涵检修中发现混凝土浇筑施工缝也是渗漏水薄弱环节[4]。南干渠工程上段于2014 年12 月正式通水,南干渠工程下段2017 年通水,截至2021 年12 月已安全运行7 年整,全线累计供水约11 亿m3,期间未实施全段大修。

4.2 外部因素

从2016 年～2021 年底全市平原区地下水位已连续6 年累计回升约9 m。特别是2021 年汛期降雨量远超常年同期,地下水位大幅上升,北京市平均地下水位上升近5 m。如遇南干渠工程下段长期充水后空管运行,外水内渗的情况可能会在变形缝等薄弱环节发生。北京市地面沉降形成、发展、扩展、快速发展、逐步减缓几个阶段与地下水开采利用历史的阶段性变化较为吻合,地面沉降范围、沉降速率与地下水开采强度和布局密切相关。北京平原区地面沉降发育严重地区与地下水降落漏斗区基本吻合。

2018 年12 月至2019 年2 月期间,北京出现极寒天气,城区各测站极端最低气温均低于-10℃,创近十年同期最低。低温导致暗涵混凝土收缩,每8 m～10 m 一仓混凝土之间的变形缝变宽,加之变形缝填充材料老化或泥化,内水外渗情况也会加剧。暗涵周边形成水流通道后,必将影响暗涵周边土体结构稳定,也为暗涵自身不均匀沉降遗留安全隐患。

地铁、高速、综合管廊等大型穿跨越南干渠工程施工和运行也影响其安全运行。如地铁地铁8 号线南延线和轨道交通新机场线穿跨越南干渠工程施工前均未做安全影响评价和专业论证,也为暗涵变形沉降埋下安全隐患。

5 措施及方向

大口径输水暗涵高效安全运行可有效保障首都供水安全,但暗涵自身变形沉降将直接影响供水稳定和周边地区建筑物、构筑物安全,如发生问题影响面较大。因此有效管控供水条件下暗涵变形在设计允许范围内,既需要加大日常维护力度,也要采取技术手段提前预防。

5.1 加大监测检测力度

针对南干渠工程末端应加密日常工程沉降监测频率。利用InSAR 技术能够快速了解线路周边地表的变化信息,可为暗涵管理单位提高周期潜在风险区位置信息,帮助工程运管单位及时发现潜在危险,提高外部核查的效率,保证南干渠工程的正常运行。利用每次隧道排空时机,对暗涵内部结构进行全断面测量,对变形缝张开情况进行探测。定期对不同时期数据进行对比分析,研判暗涵变形情况。

5.2 加强风险防控

针对南干渠工程累计沉降量加大、异常沉降变化较大和大型工程穿跨越地区作为重点管控地区,加大日常监测频次的同时,加大巡查管护力度。加大对工程沿线重要风险区域地下水变化观测,定期开展暗涵工程安全运行评估。加大技术研究力度,研究延长暗涵变形缝间距、减少变形缝数量甚至不设置变形缝；研究可以替代自密实混凝土的改进防渗结构和防渗材料的建筑材料。