南水北調(diào)中線渠道工程關鍵技術研究

謝向榮 鄭光俊

摘要：針對南水北調(diào)中線渠道工程中膨脹土渠道、大型渡槽設計難題，開展技術攻關，取得了系列創(chuàng)新成果。在強降水區(qū)深挖高填膨脹土渠道方面，開展了多裂隙膨脹土邊坡綜合抗剪強度取值方法、原生裂隙面控制的深層滑動穩(wěn)定分析方法、坡面保護與坡體加固的新型結構及其控制標準、填方渠堤剩余沉降量預測與控制方法、水泥改性土等關鍵技術研究，形成了膨脹土邊坡設計理論方法和標準體系。在超大型渡槽結構設計方面，開展了低耗水頭新型渡槽型式、溫度荷載模式、預應力設計方法等研究，發(fā)展了超大型渡槽設計理論方法、設計控制標準。南水北調(diào)中線工程渠道關鍵技術的研發(fā)，解決了渠道工程設計技術難題，縮短了關鍵工期，保證了工程順利建設和按期通水，取得了顯著的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益。

關鍵詞：膨脹土渠道，超大型渡槽，關鍵技術，渠道工程，南水北調(diào)中線工程

中圖法分類號：TV68文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2020.02.007

1 研究背景

南水北調(diào)中線工程是世界上最大的跨流域調(diào)水工程，是實現(xiàn)我國水資源優(yōu)化配置、促進社會經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展、保障和改善民生的重大戰(zhàn)略性基礎設施，也是解決華北區(qū)域性缺水和實現(xiàn)京津冀一體化協(xié)同發(fā)展國家戰(zhàn)略的基本保障。一期工程輸水總干渠總長1432.8km，跨705條河流，全線立交，年調(diào)水量95億m³，最大流量420m³/s。其中，被稱為“工程癌癥”的膨脹土渠道長387km，單跨荷載達國內(nèi)外同期水平近4倍的超大型渡槽27座。渠道工程跨越四大流域，自然條件復雜，技術難度大幅度超出我國現(xiàn)有工程經(jīng)驗和規(guī)范適用范圍，尤以強降水區(qū)深挖高填膨脹土渠道邊坡穩(wěn)定、超大型渡槽結構安全問題最為突出。這些難題能否攻克，直接影響南水北調(diào)中線一期工程建設和我國水資源配置戰(zhàn)略實現(xiàn)的成效。

依托多項國家“十一五”“十二五”科技支撐計劃項目，通過專題研究和現(xiàn)場1：1物理模型試驗，在設計理論方法、設計控制標準和施工技術等方面取得了技術突破，形成了系統(tǒng)的渠道工程設計與施工技術方法和標準，確保了南水北調(diào)中線工程順利實施。

2 膨脹土渠道設計與施工

在膨脹土渠道設計中提出了“護、截、排、固”系統(tǒng)設計方法。構建膨脹土大氣影響分帶、裂隙連通性、濕脹軟化效應下的抗剪強度取值模型，提出了隨機分布長大裂隙渠道邊坡穩(wěn)定、剩余沉降控制標準和動態(tài)預測方法，研發(fā)了M型支護新結構，攻克了深挖、高填渠道結構安全關鍵技術難題。

2.1 膨脹土大氣影響分帶、裂隙連通性下的抗剪強度取值研究

通過大量現(xiàn)場和室內(nèi)試驗研究工作，根據(jù)膨脹土分帶特性（見圖1）、裂隙連通性（見圖2）構建了膨脹土的抗剪強度取值模型，考慮分帶、裂隙長度、密度及其聯(lián)通性的膨脹土綜合抗剪強度取值公式為

U=4.520N₁+1.252N_a+0.275N_n（3）式中，N₁為每平方米土體中長大裂隙（裂隙長度大于2m，按2-7m考慮）條數(shù)統(tǒng)計值;N_s為每平方米土體中大裂隙（裂隙長度0.5-2m）條數(shù)統(tǒng)計值;N_n為每平方米土體中小裂隙（裂隙長度0.05-0.5m）條數(shù)統(tǒng)計值。

2.2 隨機分布長大裂隙渠道邊坡穩(wěn)定計算與評價方法

針對膨脹土地層中長度大于7m的原生裂隙面分布、裂隙面的產(chǎn)狀等難以查明的特性，構建了最不利滑動面網(wǎng)格搜索模型（見圖3），提出了隨機分布原生裂隙控制的渠道邊坡穩(wěn)定計算方法與評價方法，為渠道邊坡穩(wěn)定性評價和加固工程措施設計提供了依據(jù)。

具體計算時，根據(jù)現(xiàn)場施工地質(zhì)勘察確認的原生裂隙分組產(chǎn)狀劃分網(wǎng)格，按網(wǎng)格節(jié)點控制的組合滑動面進行最不利組合搜索;在分析組合滑動面控制的坡體穩(wěn)定時，可以加入部分裂隙因膨脹變形或卸荷作用而張開后在大氣降水或滲水時裂隙充水形成的靜水壓力。當構成滑動面的裂隙為N組時，構成組合滑動面為N-1個。通常膨脹土原生裂隙構成的滑動面控制節(jié)點為1-2個。

2.3 膨脹土保護層的厚度和范圍研究

依據(jù)大氣作用對水泥改性土、低膨脹性土影響特征研究成果，基于坡體膨脹土的有荷膨脹率及膨脹土在保護層作用下含水量變化控制要求，首次提出了保護層下方膨脹土壓應力與有荷膨脹率關系：

根據(jù)試驗分析：a=23.946-68.130Wo;b=14.218Wo-5.288。通過a，b即可求得換填層厚度對應的上覆荷載v。按公式D=v/（v_cCOSα）即可求得換填厚度，其中，D為換填厚度，y_c為換填材料容重，α為邊坡正傾角。

2.4 渠道邊坡M型支護新結構

針對深挖方渠段長大裂隙控制邊坡加固問題，結合渠道斷面特征，提出了M型膨脹土邊坡加固新型結構（見圖5），系統(tǒng)提出了結構計算基本模型、計算公式、安全控制標準等設計理論與方法。

計算假定為：抗滑樁外側(cè)荷載由P_ca確定，其中，P_c為由邊坡穩(wěn)定計算確定的下滑力，a為樁縱向中心間距;坡面梁、抗滑樁滑動面以上樁體內(nèi)側(cè)和滑動面以下樁體兩側(cè)與土體間相互作用力根據(jù)位移量按基床系數(shù)法確定。

采用結構有限元計算M型支護體系的變形和樁土之間的相互作用力。其中，滑動面以上樁前土抗力為

滑動面以上樁前土抗力還應滿足坡面梁下方土體剛體極限平衡條件：

計算步驟如下：①取δ_p初值為0;②由式（6）計算P_k2，假定P_k初始為三角形分布，作用于抗滑樁內(nèi)側(cè);③采用結構有限元進行M支護體系結構計算，求得δ_p和δ₁;④分別按式（6）、式（5）求得P_k2和P_k1，若P_k2≈P_k1則按結構內(nèi)力進行截面和配筋設計，否則回到步驟②。

2.5 填方渠道剩余沉降控制標準和動態(tài)預測方法

針對高填方渠道工期緊、沉降期不足的難題，開展了堤身斷面附加荷載分布特征研究，提出了填方渠堤預沉降期動態(tài)預測方法及步驟（見圖6）和剩余沉降控制標準（見圖7）。應用該成果可避免高填方渠道工后過大沉降導致襯砌板開裂，復合土工膜脫開以及排水設施錯位等問題，保障了渠道運行安全。

2.6 渠道工程設計施工技術標準

依托“十一五”“十二五”國家科技支撐計劃項目，采用現(xiàn)場勘察、室內(nèi)試驗、仿真分析以及現(xiàn)場大型原型試驗等方法，對膨脹土渠道開挖、防護、水泥改性土拌制、填筑、襯砌施工技術標準等進行研究，系統(tǒng)制定了渠道開挖、填筑、土料改性、襯砌與防護設計施工技術標準，解決了膨脹土渠道設計施工的質(zhì)量安全控制技術難題。相關控制標準和施工技術規(guī)定見表1、圖8。

3 超大型渡槽設計與施工

通過國家科技支撐計劃課題攻關及設計實踐發(fā)展了超大型渡槽設計理論方法，發(fā)明了異型疊合的“分體式扶壁梯形”新槽型，并研發(fā)了超大型渡槽施工成套技術，制定了技術標準。

3.1 U型渡槽溫度荷載加載方式研究

在湍河渡槽1：1仿真模型試驗槽（見圖9）上布設大量溫度測點進行多工況多時段測試，結合理論分析，首次提出了適用于U型渡槽的“分區(qū)折線形”溫度荷載模式，該溫度荷載模式下，渡槽內(nèi)外壁間的溫度沿壁厚方向呈折線分布，分區(qū)綜合反映了渡槽槽頂、向陽面、陰面、水上和水下等不同部位，不同條件下的溫度荷載（見圖10），使得溫度荷載模擬更接近實際情況。

3.2 U型渡槽環(huán)向筋預應力損失計算及測試方法

針對U型渡槽環(huán)向預應力鋼筋提出了“單參數(shù)預應力損失”計算理論及其參數(shù)測試方法（見圖11）。傳統(tǒng)的預應力摩擦損失計算及測試公式為式中，σ_con為預應力鋼筋張拉控制應力;u為預應力鋼筋與孔道壁之間的摩擦系數(shù);θ為從張拉端至計算截面曲線孔道部分切線的夾角;K為孔道每米長度局部偏差的摩擦系數(shù);x為張拉端至計算截面的距離。

對于曲線預應力鋼筋影響預應力損失的參數(shù)有摩擦系數(shù)u和局部偏差的摩擦系數(shù)k。在重要的大型工程中應根據(jù)現(xiàn)場實測值調(diào)整以上兩個參數(shù)，現(xiàn)場測試一般根據(jù)多束預應力鋼筋的張拉端及被拉端的鋼筋拉力，進行二元線性回歸進行反演推算，該方法比較繁瑣，受制約因素多，測試結果不精確，甚至失真。為解決以上問題，將傳統(tǒng)的曲線預應力鋼筋摩擦損失計算公式變形調(diào)整如下：

該理論將曲線預應力鋼筋的預應力損失計算參數(shù)由傳統(tǒng)的雙參數(shù)簡化為單參數(shù)，簡化了預應力損失的計算，便于曲線預應力鋼筋的摩阻系數(shù)現(xiàn)場原位測試，使得曲線預應力損失的測試和計算更具可操作性。

3.3 U型渡槽預應力配筋設計及優(yōu)化研究

通過精細數(shù)值仿真研究和分析比較，提出U型渡槽槽身縱向預應力鋼筋以“碗底”布置為主，腰部和頂部布置為輔，“碗底”與腰部逐漸過渡的“縱向分區(qū)”布置模式;環(huán)向預應力鋼筋圓心略低于槽身內(nèi)壁圓心，形成槽身上部直段環(huán)向預應力筋靠近外壁，槽身下部圓弧段預應力鋼筋與內(nèi)壁面距離由腰部向底部漸變加大的“環(huán)向非同心”布置模式。在該布置模式下，可通過調(diào)整縱向分區(qū)錨索數(shù)量和環(huán)向非同心度，達到槽身結構應力條件最優(yōu)的目的，U型槽預應力筋典型布置參見圖12。

3.4 超大型梁板一體箱型渡槽經(jīng)濟槽跨優(yōu)化研究

超大型梁板一體箱型渡槽的經(jīng)濟槽跨與斷面和下部結構有著密切關系，在多座超大型梁板一體寬淺箱型渡槽原型設計的基礎上，基于充分發(fā)揮材料性能，并考慮渡槽結構構造要求，引人各組成部分價格參數(shù)，建立了主體工程費用與渡槽斷面、跨度、材料性能、材料價格等多參數(shù)方程：式中，G為渡槽段工程費用;G_u為與跨度無關的費用;A、S分別為渡槽的截面面積和跨度;q為自重及水荷載;R_g為鋼絞線的價格參數(shù);f_g為鋼絞線的強度。

通過極值求解快速獲得渡槽經(jīng)濟跨度，為超大型梁板一體寬淺箱型渡槽經(jīng)濟槽跨優(yōu)選提供了一種新的便捷設計方法。

3.5 分體式扶壁梯形渡槽結構設計研究

研發(fā)分體式扶壁梯形渡槽結構型式（見圖13），該類型渡槽考慮工程區(qū)既有布置條件，槽身過水斷面同輸水干渠，無額外水頭損失，解決了南水北調(diào)中線工程建設期新增青蘭高速交叉渡槽工程分配設計水頭小的難題。該型式渡槽預應力承重構件（平板支撐結構）和鋼筋混凝土擋水構件（扶壁式擋水結構）既相互獨立又協(xié)同承載，結構受力合理，分別滿足預應力結構設計控制標準和普通鋼筋混凝土結構設計控制標準，可充分發(fā)揮材料性能。

建立了預應力承重構件與鋼筋混凝土擋水構件“既相互獨立又協(xié)同承載”的計算模型，即承重構件（平板支撐結構）主要承擔自重、擋水構件重量及水重，按預應力結構要求計算，擋水構件（扶壁式擋水結構）主要承擔水平水壓力，按鋼筋混凝土結構要求計算，承重構件與擋水構件通過接觸傳力。

在擋水構件上設置滲控體系，降低揚壓力，按建在混凝土基面上的擋墻進行穩(wěn)定應力分析。同時，考慮承重構件和擋水構件的接觸關系，建立三維有限元模型進行仿真分析并優(yōu)化調(diào)整，最終確定渡槽結構及其布置。

對于斜交渡槽，通過理論研究求得渡槽在平面上的不平衡力偶大小為

M=（3dLh²ctana+2Lh³ctanβ COS a）/6（13）式中，M為不平衡力偶;d為渡槽底寬;L為渡槽長度;入為渡槽內(nèi)水深;α為渡槽軸線與水平線夾角;β為扶壁式擋水結構坡面角。

針對平面上存在水平不平衡力偶的斜交渡槽開展技術攻關，提出合理選用支座、設置抗扭轉(zhuǎn)擋塊和整體考慮下部結構等綜合處理技術。

3.6 超大型渡槽設計施工技術規(guī)定

對超大薄壁全預應力渡槽和分體式扶壁梯形渡槽，分別提出了渡槽的設計控制標準。其中，超大薄壁全預應力渡槽主要包括一體式的U型渡槽及矩形渡槽，槽身全部按照抗裂要求進行設計。應力及變形控制標準如下：

（1）正截面抗裂驗算按不出現(xiàn)裂縫的構件進行控制，要求任何工況槽身內(nèi)壁不允許出現(xiàn)拉應力，槽身結構外壁表面拉應力不大于混凝土軸心抗拉強度設計值的0.9倍。

（2）斜截面抗裂驗算按不出現(xiàn)裂縫的構件進行控制，混凝土主拉應力和主壓應力應符合下列規(guī)定：

σ_tp≤0.85f_tk，σ_cp≤0.6f_ck（14）式中，σ_tp，σ_cp分別為荷載標準組合下混凝土主拉應力及主壓應力。

（3）槽身撓度要求：f≤L/600，L為槽身跨度。

分體式扶壁梯形渡槽槽身結構設計需滿足穩(wěn)定、承載力（強度）、正常使用（變形，裂縫控制）等要求，渡槽槽身擋水結構為普通鋼筋混凝土結構，按照抗裂要求進行設計;槽身平板支撐結構按照全預應力結構設計。另外，槽身擋水結構穩(wěn)定計算控制標準參考SL 265《水閘設計規(guī)范》進行，穩(wěn)定控制標準參照巖基上的結構取值。

通過多的勘察設計，總結形成了NSBD-ZGJ-1-25《南水北調(diào)中線一期工程總干渠初步設計梁式渡槽技術規(guī)定（試行）》，規(guī)定內(nèi)容包括梁式渡槽土建工程設計標準與基本資料、總體布置、水力設計、荷載及其組合、渡槽穩(wěn)定性計算、渡槽結構設計、河道沖刷計算與防護設計、工程量計算和提交成果等。該技術規(guī)定已由南水北調(diào)中線干線工程建設管理局在2007年9月29日發(fā)布實施，填補了渡槽設計標準空白。

4 渠道工程關鍵配套裝備研究

為解決南水北調(diào)中線渠道工程設計和施工中的諸多技術難題，依托于科研和設計，研究開發(fā)了一系列配套裝備，并形成了專利技術。

4.1 薄壁預應力渡槽預應力錨固體系

南水北調(diào)中線超大型薄壁渡槽荷載大，預應力錨索布置量足，受到施工條件和結構自身限制，傳統(tǒng)的預應力錨固系統(tǒng)不能適應渡槽建設需要。通過在傳統(tǒng)P錨上增加開口套和C型扣環(huán)等，對傳統(tǒng)固定端P錨進行了改進，研發(fā)了槽身縱向預應力固定端新型P錨（見圖14），解決了超大U型渡槽單端張拉情況下被拉端擠壓錨制作空間小，難度大的問題，同時，加大了有效預應力施加范圍，降低施工難度，縮短了工期。通過聯(lián)接多索無粘結預應力鋼筋的錨墊板，布置網(wǎng)格狀錨下局部承壓鋼筋，研發(fā)了渡槽環(huán)向小間距聯(lián)排扁形錨具張拉端裝置（見圖15），解決了預應力薄壁結構在錨索布置密集的情況下，標準錨具預應力損失不易控制和錨下混凝土局部承壓能力不足的問題。

4.2 超大型預應力渡槽伸縮縫止水結構

渡槽接縫滲漏一直是困擾水工結構設計的頑疾，在南水北調(diào)中線渠道設計中通過1：1仿真模型試驗和湍河渡槽、澧河渡槽等工程建設實踐，研發(fā)了粘壓式渡槽止水結構和嵌槽式渡槽止水結構，解決常規(guī)渡槽止水易漏水的難題。粘壓式渡槽止水結構（見圖16）先采用粘的方式將止水帶固定于不銹鋼止水基座上形成粘合式止水，再采用螺栓和槽鋼壓板對止水帶進行壓緊增強止水效果，形成粘壓結合式止水結構。該止水預埋螺栓孔位于止水基座上，現(xiàn)場施工時根據(jù)止水基座上的孔位對壓板和止水開孔，解決了傳統(tǒng)止水螺栓預埋精度不易控制的問題，且精度高，緊固力有保障;嵌槽式渡槽結構（參見圖17）通過螺栓和壓板將異形止水帶上的圓管狀凸起擠壓嵌入不銹鋼嵌槽，阻斷滲漏通道以止水，并通過“粘”的方式增強止水效果，止水弱化了傳統(tǒng)止水對混凝土基面平整度的高要求。該止水預埋螺栓孔位于不銹鋼嵌槽上，現(xiàn)場根據(jù)該孔位對壓板和止水帶開孔，解決了傳統(tǒng)止水結構螺栓預埋精度不易控制的問題，且精度高，緊固力有保障。

4.3 膨脹土渠道試驗及監(jiān)測裝置

針對膨脹土渠道開發(fā)了現(xiàn)場大型直剪試驗裝置（見圖18），解決了常規(guī)試驗裝置檢測的局限性，即無法檢測斜坡面土體抗剪參數(shù)、試樣易受擾動以及占地面積大、安全性不足等問題。

同時，研發(fā)了拉線式觀測柜、水平式雙向變形監(jiān)測系統(tǒng)、變位式土體分層沉降變形監(jiān)測系統(tǒng)和膨脹土邊坡自動化綜合監(jiān)測系統(tǒng)等，為膨脹土渠道邊坡施工期及運行期提供了便利的觀測裝置、數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)。

5 結語

南水北調(diào)中線渠道工程關鍵技術的研發(fā)，解決了渠道工程設計技術難題，縮短了關鍵工期，保證了工程順利建設和按期通水，取得了顯著的經(jīng)濟、社會和生態(tài)效益。

截至2019年9月底，南水北調(diào)中線工程已不間斷安全供水1700余天，從陶岔渠首調(diào)水入渠水量已超過268億m³，從根本上改變了受水區(qū)供水格局，成為受水區(qū)的重要水源，直接受益人口超過1億人。北京城區(qū)南水占到自來水供水量的73%，密云水庫蓄水量突破25億m³，增強了北京市的水資源儲備，提高了首都供水保障程度。天津14個區(qū)居民全部喝上南水，南水北調(diào)已成為天津供水的“生命線”。南水北上后，北京、天津等受水區(qū)用南水北調(diào)水置換當?shù)氐叵滤?，已壓減地下水開采量逾8億m³。北京市城市河湖水質(zhì)明顯改善，遏制了多年來地下水水位下降趨勢。根據(jù)2019年6月底的監(jiān)測數(shù)據(jù)，北京市平原地區(qū)地下水位與2015年同期相比上升3.16m。