南水北调中线总干渠高地下水位内排渗控研究 黄炜1，肖 万 格1，姚雄2 （1.长江勘测规划设计研究院 规划处， 湖北 武汉 430010；2.南水北调中线干线工程建设管理局，北京 100038）Reference：南水北调中线工程总干渠渠线长，沿线工程地质、水文地质条件复杂，部分输水明渠地下水位高于渠底高程，通过设置砂砾料排水垫层、透水软管及逆止阀等工程措施将地下水排向渠内，以消除或减轻地下水压力对渠道稳定的不利影响高地下水位渗控设计是确定不同工程地质、水文地质条件下排水垫层厚度、透水软管及逆止阀布置方式的前提，是高地下水位渠段地下水内排设计的一项重要内容结合南水北调中线总干渠高水位渠道渗控设计实例，分析了高地下水位内排渗控设计方案的影响因素，对高地下水位内排渗控措施布置原则、渗控设计的一般程序、渠道衬砌板抗浮稳定性分析方法以及地基渗透稳定性分析方法进行了探讨，研究成果可供高地下水位渠道的渗控设计借鉴参考Keys：地下水位； 渗控设计； 抗浮稳定； 大型渠道； 南水北调中线一期工程中图法分类号： TV67： A南水北调中线总干渠设计方案中，输水明渠为全断面衬砌结构，采用C20混凝土现浇而成。
渠坡衬砌板厚10 cm，渠底厚8 cm，坡脚部位设置齿墙以提高渠坡衬砌板的抗滑稳定性，衬砌板下铺设复合土工膜进行防渗总干渠沿线水文地质情况各异，局部渠段位于高地下水位区通过采取工程措施消除地下水对渠道衬砌板的不利影响是渠道设计中的一项重要内容通过经济比较，采取将渠道外高地下水排向渠内来保证衬砌板稳定性的方法较其他如加大衬砌板结构厚度的方法更具经济合理性对地下水位高于渠内运行水位的深挖方渠段，若地下水水质较好，一般通过设置排水垫层、透水软管及逆止阀将地下水排向渠内针对总干渠沿线复杂的工程地质、水文地质条件，通过渗控设计，合理布置透水软管及逆止阀等内排渗控措施，保障渠道结构抗浮稳定，这是渠道设计的重要内容1高地下水位内排渗控措施南水北调中线总干渠高地下水位内排措施主要由排水垫层、透水软管、逆止阀等组成当地下水位高于渠道水位时，逆止阀受压开启，地下水排入渠道；当地下水位低于渠道水位时，逆止阀复位关闭，避免渠水外渗由于此类渠段地下水位很少出现低于渠道设计水位的情况，因此一般不会出现因逆止阀性能下降而导致渠水外渗的问题为加强排水效果，排水垫层由强透水性的砂砾料或中粗砂组成，厚度根据具体渠段水文地质条件确定，一般为10 cm。
为降低逆止阀淤堵的可能性，将逆止阀设置在渠坡及渠底中心，其中渠坡采用拍门逆止阀，其下缘距渠底5 cm，渠底采用球形逆止阀，布置在渠底中心逆止阀通过三通管与纵向透水软管连接透水软管内侧为钢丝骨架，外侧为纤维缠绕粘结透水软管通过垫层汇集地下渗水，并经逆止阀将水排入渠道内排方案布置如图1所示2渗控设计渗控设计主要是根据具体渠段的工程地质、水文地质条件，通过渗流分析，选择合适的垫层材料及透水软管，确定垫层铺设厚度、透水软管及逆止阀的铺设方式及密度，对渗控效果进行评价渗控措施设计中垫层、透水软管及逆止阀等的布置均需满足衬砌板渗压 图1内排方案布置（单位：cm）抗浮稳定要求影响高地下水位渠段内排渗控设计的主要因素有：地下水位条件、渠坡土体渗透性、垫层材料渗透性、垫层厚度、透水软管透水性能及结构尺寸、布设密度以及逆止阀的间距等2.1渗控设计一般程序总干渠高地下水位渠段内排渗控设计一般按如下程序开展1） 不考虑衬砌板与复合土工膜作用，开展施工期、运行期三维渗流场分析，并计算渠道渗流量2） 根据施工期及运行期渗流场，初拟渗控措施，选择垫层材料及铺设厚度、透水软管及逆止阀布设方案3） 根据初拟的渗控措施，开展三维渗流场分析，并利用其结果进行抗浮稳定分析，从而对渗控效果进行评价。
4） 根据渗控效果，对渗控措施进行优化，直至渗控方案既安全又经济合理2.2渗控分析方法结合挖方渠段的地质资料和相应渠道衬砌及逆止阀排水设计，选择典型断面建立三维有限元渗流模为0.1 m，剖分逆止阀边长按πD/4等效为四边形孔对逆止阀间距、砂垫层厚度、透水软管数量及其连接、排水井等进行了多种方案的对比分析，研究各种方案下渗流场水头分布规律、防渗衬砌板下及关键部位的压力水头（压力水头=总水头-位置高程）分布规律以及逆止阀的渗流量等第16期黄炜，等：南水北调中线总干渠高地下水位内排渗控研究 人民长江2010年2.3内排渗控措施对渠道结构稳定的影响 2.3.1双层结构地层抗浮稳定分析方法在典型的双层结构堤基或渠基中，若上层结构为相对弱透水层，下层为透水地层，则该类堤（渠）基可能存在抗浮稳定问题渠基相对弱透水层的抗浮稳定计算见式（1），其简图如图2所示图2双层结构地层抗浮稳定计算模型示意抗浮稳定系数：Fs=γ′/（γw·J） （1）式中，γ′为弱透水地层的浮容重，kN/m3；γw为水的容重，kN/m3；J为所分析地层的平均垂直渗透比降，因此γw·J 为渗透力，量纲与γw相同对于有混凝土衬砌的渠基抗浮稳定问题，还应该考虑混凝土衬砌板提供的抗浮力（图2），进一步可表达为：Fs=（γ′1B1+γ′2B2）/γw ·△h（2）式中， γ′1、γ′2分别为混凝土衬砌板和相对弱透水层的浮容重，kN/m3； △h为弱透水层底面水头与渠道水位的差值,即△h=h1-h2 ，m。
2.3.2衬砌板抗浮稳定分析衬砌板抗浮稳定系数：Kf=（γ′c·hc）/（γw·Δh） （3）式中,γ′c为混凝土衬砌板的浮容重，kN/m3； γw为水的容重，kN/m3； hc为衬砌板厚度，m； △h为衬砌板底面水头与渠道水位的差值，m运行期，衬砌板处于水中，当安全系数取Kf ≥1.1、衬砌板厚度0.08 m，混凝土衬砌板浮容重取15 kN/m3时，则要求Δh≤0.11 m检修期，假设衬砌板顶面水压力为零，水压力直接 作用于衬砌板底面，此时分析则采用混凝土衬砌板的饱和容重25 kN/m3，厚度0.08 m，当安全系数取Kf ≥1.05时，则要求Δh≤0.19 m逆止阀穿过衬砌板和土工膜与渠道相通透水软管排水性能好，可假定透水软管及逆止阀底部边缘压力水头差为0由于土工膜为不透水介质，因此衬砌板随着与透水软管及逆止阀孔口距离xi的增加，衬砌板下压力水头差△hi 会增加，一般到透水软管及逆止阀影响范围的边缘或与另一透水软管及逆止阀影响范围的交界处时，衬砌板下的压力水头差达到最大值△Hmax ，同时，为方便抗浮稳定计算且偏于安全考虑，可假设压力水头差从透水软管及逆止阀底缘至最大值处呈直线分布（图3）。
图3衬砌板下压力水头差分布示意由于布置了透水软管及逆止阀，衬砌板下压力水头差通常为非线性分布，其渗流场可根据渠道的工程地质条件、水文地质条件和初拟的渗控措施，由三维有限元渗流计算分析确定3工程实例淅川段某渠段为深挖方渠道，其挖深一般为36～47 m，最大挖深达47 m此段渠道土层主要由Q3、Q2、Q1粉质粘土组成，中间夹有多层钙质结核富集层，渠道土层具弱、中等膨胀性，局部为强膨胀土，表层网状及垂直裂隙发育，地下水位较高，在高程170.3～180.0 m处，高出渠道设计水位30 m以上，渠坡稳定性较差，容易形成深层滑坡为此，在渠坡一定高程处设置排水井，以降低地下水位，提高渠坡的稳定性渠道过水断面渗控措施为逆止阀内排+自动泵抽排自动泵的作用是当部分逆止阀失效或地下水渗出量过大时，自动抽排本渠段初拟渗控措施为，排水垫层采用强透水性的中、粗砂，设置在衬砌板下，渠坡铺设至渠道设计水位以下0.5 m，渠底全铺设，垫层厚度一般为10 cm；逆止阀的布置即通过对纵向排水管集水流量和逆止阀的出流量进行分析计算，确定逆止阀的间距为20 m选择典型断面进行三维渗流分析，设计断面图及三维网格图见图4.5针对初拟排水方案，分别就检修期和运行期进行了渗流计算，垫层渗透系数为1.0×10-4 cm/s。
渗流计算结果表明，渗流自由面在一级马道的排水井附近区域出现渗流集中区（图6），下层排水井对渠坡渗流场影响较大；同时可以看出，上层排水井在渗流自由面之上；但运行期渠底最大压力水头差为0.51 m，即使考虑透水软管作用，最大压力水头差仍为0.25 m，衬砌板抗浮稳定不能满足设计要求，需要进一步加强渠道渗流控制措施据此，需对渗控措施进行调整，将逆止阀间距加密至10 m，排水垫层厚增至25 cm，垫层渗透系数为1.0×10-3 cm/s渗流计算结果表明，水头等值线与初拟方案基本相同（图7），而运行期渠底最大压力水头差为0.20 m，考虑透水软管作用时约为0.1 m，渗流控制措施的排水降压效果显著，能够满足设计要求图4典型设计断面（高程：m，尺寸：cm） 图5典型断面三维有限元网格（排水井采用二次剖分） 图6初拟方案典型剖面渗流场水头等值线分布 4结 语 （1） 影响高地下水位内排方案渗控设计的因素较多，主要包括水文地质条件、渠坡土体渗透性、垫层材图7调整方案典型剖面渗流场水头等值线分布料渗透性、垫层厚度、透水软管透水性能及结构尺寸、布设密度以及逆止阀间距等，渗控设计时需综合考虑2） 衬砌板下压力水头差通常为非线性分布，抗浮稳定分析时渗流场可根据渠道的工程地质条件、水文地质条件和初拟的渗控措施，通过三维有限元渗流计算分析确定。
3） 对于渠底允许最大压力水头差，应根据具体渠道结构尺寸、透水软管及逆止阀的布置型式、压力水头实际分布特征、衬砌板分块尺寸等因素进行抗浮稳定计算确定编辑：郑 毅) -全文完-。