高地下水渠段增设排水系统在南水北调中线工程中的应用

向德林

(中国南水北调集团中线有限公司渠首分公司，河南 南阳 473000)

1 工程概况

南水北调中线工程是缓解京、津、华北地区资源性缺水的特大型跨流域调水工程，主要为城市供水，兼顾农业和生态，一期工程年调水量约95亿m3。从加坝扩容后的丹江口水库陶岔渠首闸引水，沿线开挖渠道，经唐白河流域西部过长江流域与淮河流域的分水岭方城垭口，沿黄淮海平原西部边缘，在郑州以西李村附近穿过黄河，沿京广铁路西侧北上，可基本自流到北京、天津。输水干线全长1432km。

南水北调中线南阳管理处高地下水位渠段主要分布在桩号92+216～92+606(全挖方渠段390m)、98+890～99+567(全挖方渠段677m)、105+360～106+060(全挖方渠段700m)段，由于这些渠段地下水位较高，进而造成多处衬砌板破坏隆起，为确保工程安全，采用“自排”的方式排出地下水，因此增设排水系统项目意义重大。

2 本项目实施难点及对策

2.1 难点分析

本项目由于在一级马道上施工，作业面狭窄，马道宽度约为4m，施工一侧临坡另一侧临水；排水盲沟开挖后地下水位较高；马道地下布设的硅芯管、35kV电缆等检测设施等错综复杂。因此在复杂地质条件及施工场地条件有限的情况下，如何在确保人、物、机安全的同时保证排水系统及逆止阀等施工质量是本项目的难点。

2.2 对策分析

针对项目难点，首先开挖前对硅芯管进行探挖，确定硅芯管准确位置，对硅芯管位置进行防护；其次排水盲沟开挖后受高地下水位影响，采用边开挖边回填方式防止边坡坍塌；最后临水侧设置围挡和醒目标识进行安全提醒，精心组织施工，严格质量过程控制，把好工序验收关，使排水系统及逆止阀等施工质量始终处于可控状态。

3 实施方案设计

根据本项目现场实际情况，高地下水位渠段紧邻渠道一级马道增设排水系统，充分利用现有渠道运行管理道路、防护林带等现有条件，减少工程投资。排水系统施工应满足中国南水北调集团中线公司安全管理有关规定，不影响主体工程的安全运行。由于增设的排水系统设计合理，施工科学，该项目于2022年4月13日开工，主体工程已于2022年5月31日完成，即在汛前完成主体工程施工，为工程度汛奠定良好基础，且增设排水系统后地下水位降低较为显著。

3.1 增设逆止阀

为有效排除渠道衬砌面板防渗土工膜下的积水，在渠道衬砌板边坡土体下设置积水槽并与土工膜下排水板相通，通过在衬砌板上安装逆止阀排出积水，减少衬砌板下的顶托力，逆止阀顺渠道方向布置间距4m。

逆止阀安装位置为一级马道以下第二块衬砌板板面2m处的渠坡横向分缝部位。逆止阀为水平开启的压差放大式逆止阀，按要求对逆止阀进行适当改造，以满足排水及与土工膜黏合要求(见图1)。

安装逆止阀前将衬砌板切割拆除约40cm×50cm，具体拆除尺寸根据现场实际情况确定。然后剪开土工膜安装逆止阀，逆止阀与土工膜通过黏板紧密黏结，然后浇筑C20混凝土衬砌板。重新浇筑的衬砌板与原衬砌板之间设置10mm分缝，缝下部70mm填充聚乙烯闭孔泡沫板，上部30mm填充双组分聚硫密封胶。根据总干渠水位情况，适时开展逆止阀安装工作[1]。

图1 逆止阀安装示意图(逆止阀水平安装)(单位：mm)

具体施工工艺如下：

a.衬砌板切除。对安装φ110逆止阀处的衬砌板切割拆除，切割拆除尺寸约40cm×50cm，具体根据现场实际情况由现地管理处确定拆除尺寸。

b.集水槽开挖。在衬砌板坡面土体排水板下设置集水槽，开槽尺寸与衬砌面板切除尺寸一致，集水槽深度约30cm，具体根据现场实际情况由现地管理处确定开槽深度和宽度。

c.集水槽粗砂回填。将排水板下集水槽采用粗砂回填。

d.安装φ110逆止阀。φ110逆止阀伸入积水槽(压差放大式逆止阀，含150g/m2土工布)，每处含土工布约0.25m2(见图2)。

e.衬砌板C20混凝土恢复。φ110逆止阀安装完成后，对切除部位的衬砌板采用C20混凝土恢复，C20混凝土抗渗等级W6、抗冻等级F150。

图2 逆止阀安装大样图(逆止阀垂直安装)(单位：mm)

3.2 增加排水系统

为有效降低渠道设计水位以下的地下水，采取“自排”方式在渠道一级马道二级边坡坡脚纵向排水沟部位开挖盲沟，每50m设置横向排水管，盲沟回填采用粒径不超过20mm的级配砂砾料，横向排水管出口底部设置于总干渠设计水位。

具体方案如下：

a.混凝土拆除。拆除需要实施的渠段一级马道路面、纵向排水沟、渠道衬砌结构、二级边坡坡脚混凝土等。

拆除原有纵向排水沟及二级边坡坡脚混凝土时，注意保护硅芯管，该挖方段的硅芯管铺设于一级马道的纵向排水沟外侧，管道中心线距排水沟中心线0.54m、一级马道路面以下0.8m处，可参考硅芯管道横断面布置图，开挖前应先开挖探坑复核硅芯管位置。

b.开挖纵向排水盲沟。设置于渠道一级马道坡脚纵向排水沟下面，盲沟底部高程由渠道设计水位和横向排水管管底高程控制，开挖至纵向排水盲管底部高程以下15cm处,为避开扰动硅芯管，盲沟底部开挖宽度与纵向排水沟宽度0.8m一致，靠近二级边坡一侧为保护硅芯管需垂直开挖，靠近渠道一侧按照1 ∶0.5坡比开挖，施工时为减少对二级边坡稳定的影响和避免沟槽塌方，可按每5m一段进行开挖回填。盲沟底部高程以上15cm处设置φ300塑料排水盲管外裹土工布，与横向排水管通过三通连接(见图3)。

c.盲沟回填。盲沟回填砂砾料采用连续级配砂砾料，回填至纵向排水沟底板底部高程，回填砂砾料最大粒径不超过20mm，含泥量不大于5%。要求不均匀系数Cu>5，曲率系数Cc=1～3，满足滤土、排水要求，相对密度不小于0.7。砂砾料分层回填夯实，每层厚度不大于30cm。砂砾料回填后，右岸一级马道采用C20混凝土进行浇筑回填，回填至路面以下5cm处，路面铺设5cm厚AC-13沥青混凝土。纵向排水盲沟回填完毕后，巡渠路纵向排水沟按照原设计标准恢复，二级边坡坡脚浇筑50cm宽10cm厚C20混凝土护脚。

d.渠道衬砌板拆除。沿横向排水管位置拆除渠道衬砌板，拆除宽度80cm，拆除衬砌板混凝土时尽量避免破坏土工膜，衬砌板拆除后沿拆除宽度中心线将土工膜剪开。

e.设置横向排水管。沿渠道方向每50m向渠道中心线方向设置一根横向排水管，横向比降为1 ∶100，为φ200HDPE双壁波纹管，横管出口底部高程为设计水位高程，管沟槽开挖宽度80cm，横向排水管出口安装φ200拍门逆止阀。横向排水沟回填采用C20混凝土，右岸管沟回填至一级马道路面以下5cm处，路面铺设5cm厚沥青混凝土。

图3 右岸纵向排水盲沟布置示意图

管沟浇筑前，横向排水管壁周围应清理干净，不能有碎石或其他建筑垃圾存在，防止地下水通过排水管壁周围进入土工膜下。横向排水管出口处土工膜防渗处理：土工膜与横向排水管采用热熔胶黏结，黏结宽度200mm，搭接处的波纹槽采用沥青填充饱满。

渠道右岸一级马道沥青路面恢复采用5cm厚AC-13细粒式沥青混凝土。渠道衬砌板采用C20混凝土浇筑，重新浇筑的衬砌板与原衬砌板之间设置10mm分缝，缝内填充70mm宽聚乙烯闭孔泡沫板，表面为3cm双组分聚硫密封胶。路沿石恢复尺寸为15cm×25cm×50cm，采用C20混凝土预制路沿石。

3.3 临时措施

工程施工现场受渠道交通条件限制，场地较小，施工时交通中断，为保证工程施工顺利进行，试点位置选择在距离跨渠桥梁较近的渠段，并在相邻桥梁处设置限行警示标志，禁止无关车辆和人员通过。

工程沿线35kV电力线路不具备现场用电要求，通过自带发电机满足用电需求。工程用水通过外运满足。排水系统施工时，沿路沿石一侧设置1.5m高防护挡板，防止人、设备和土料、垃圾等其他有害物质进入渠道。在渠坡上开挖沟槽或进行衬砌板修复时，沿施工需求工作面四周安装防护栏杆或防护网，防止人、设备和土料、垃圾等其他物质进入渠道。

在排水系统施工过程中，注意光缆系统的保护，确保通信光缆安全通畅。硅芯管开挖前，应与现地管理处确认硅芯管道、安全监测设施分布情况，商定具体实施方案，经审批后方可实施。

施工期间做好降雨保护措施，盲沟及横向排水沟开挖前关注后续天气情况，盲沟及横向排水沟开挖后尽快完成排水管的安装及沟槽的回填，应在降雨之前将沟槽回填完毕。

4 主要实施内容

4.1 主要工程量

沥青路面拆除与恢复2800m2，二级边坡坡脚混凝土拆除与浇筑35m3，纵向排水沟混凝土拆除与浇筑210m3，渠道衬砌板拆除与浇筑6.72m3，一级马道路面C20混凝土浇筑433.91m3，C20混凝土路缘石拆除更换1.5m3，横向排水沟C20混凝土浇筑95.3m3，φ200双壁波纹管130m，φ300塑料盲沟管700m，φ200逆止阀14个，砂砾料回填1004.9m3，土方开挖及外运1477.26m3，PVC弯头(φ300)3个，PVC三通12个，边坡覆盖307.69m2，其他施工临时工程等项目。

4.2 主要施工工序

硅芯管探挖→排水沟拆除外运→纵向排水沟开挖→盲沟管铺设→砂砾石回填→横向排水沟开挖→排水管及逆止阀安装→砂砾石回填→排水沟混凝土浇筑→沥青路面铺设。

4.3 主要施工工艺

4.3.1 纵向排水盲沟、横向排水沟开挖

对工程范围内纵向排水盲沟、横向排水沟分段进行施工。土方明挖施工工艺为：施工准备→轮廓放样→场地清理→开挖运渣→基底压实→检查验收。

主要施工方法如下：

a.硅芯管探挖。依据管理处现场提供的硅芯管位置，人工利用洛阳铲挖探坑确定硅芯管准确位置，保护硅芯管位置不扰动，避开硅芯管50cm进行开挖。

b.盲沟管安装。盲沟管利用铅丝将两端固定牢靠。砂砾石回填过程中避免盲沟管错位。

4.3.2 纵(横)向排水沟混凝土浇筑

纵(横)向排水沟混凝土浇筑采用槽钢作为模板，局部采用方木配合竹胶板作为模板，钢模板采用钢管及φ22钢筋进行整体加固，木模板采用钢管及方木进行整体加固，模板安装确保稳固。混凝土浇筑采用溜槽入仓的方式，人工平仓，φ30振捣棒进行振捣，直至没有气泡冒出为准。

混凝土浇筑先进行底板浇筑，底板浇筑完成后，停歇30min，再进行排水沟侧边浇筑，同一仓号浇筑不宜间歇，如因机械故障等原因间歇，时间不宜超过60～90min。

4.3.3 混凝土养护

坡面混凝土洒水后，用塑料薄膜封闭覆盖，可在板面上形成较多水珠，满足混凝土养护要求。养护期间，塑料薄膜应贴紧混凝土板面，边角覆土或用沙袋压牢，并进行经常性检查。衬砌混凝土养护期不少于28天。

5 实施效果分析

对试验段内安装的6个断面测压管采集数据，经分析可知，当地下水位升高时，地下水能够及时通过排水盲沟汇集并经横向排水管排入渠道，地下水位与渠道水位相差最大约为0.2m，而试点实施前该渠段地下水位与渠道水位相差最大约为1.6m(见表1)。

表1 排水系统增设前后与渠道运行水位对比

6 结 语

本文通过对渠道高地下水试验段增设排水系统进行合理设计，经过精心组织施工，严把工程质量，地下水位降幅显著。对试验段内安装的6个断面测压管采集数据，经分析可知，当地下水位升高时，地下水能够及时通过排水盲沟汇集并经横向排水管排入渠道，地下水位与渠道水位相差最大约为0.2m，而试点实施前该渠段地下水位与渠道水位相差最大约为1.6m。解决了因地下水位升高给渠道通水运行带来的安全隐患，有效避免了衬砌板隆起破坏，确保了高地下水渠段的工程安全。