談采煤沉陷對(duì)泵站引水渠過流能力的影響

孔令武，滿月光，宋 翔

（南水北調(diào)東線山東干線有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250109）

南水北調(diào)二級(jí)壩泵站位于山東省微山縣歡城鎮(zhèn)境內(nèi)，是南水北調(diào)東線工程的第10級(jí)抽水泵站，主要任務(wù)是將水從南四湖下級(jí)湖提至上級(jí)湖，實(shí)現(xiàn)南水北調(diào)東線工程的梯級(jí)調(diào)水目標(biāo)。二級(jí)壩泵站位于高莊煤礦和崔莊煤礦規(guī)劃開采范圍，引水渠主要布置于高莊煤礦北部，大部分已處于深部采空范圍，已造成引水渠南部左岸和右岸出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p害。

1 泵站引水渠概況

引水渠總長(zhǎng)2112.4m，連接下級(jí)湖內(nèi)的東股引河和泵站進(jìn)水閘，將南水北調(diào)的水順利引至泵站進(jìn)水池，滿足水泵提水運(yùn)行的需要。引水渠全線橫斷面均采用梯形明渠輸水?dāng)嗝?，引水渠進(jìn)口底高程27.80m，泵站進(jìn)水閘前渠底工程27.30m，渠底比降1/4025，左堤頂寬4.5m，右堤頂寬2.0m。

引水渠樁號(hào)為設(shè)計(jì)樁號(hào)，0+000樁號(hào)設(shè)在泵站主廠房中心點(diǎn)，向上級(jí)湖為正，向下級(jí)湖為負(fù)。引水渠起點(diǎn)位于進(jìn)水閘上游100m處，樁號(hào)為-0+183.20，末端位于引水口處，樁號(hào)為-2+295.6。引水渠在-0+955.14樁號(hào)設(shè)彎道，彎道軸線曲率半徑300m，圓心角20°；在-2+094.73樁號(hào)設(shè)彎道，彎道軸線曲率半徑300m，圓心角22°。

2 引水渠原縱橫斷面設(shè)計(jì)

2.1 縱斷面及水面線設(shè)計(jì)

引水渠設(shè)計(jì)流量125m3/s，冬季最小引水流量80m3/s。引水渠進(jìn)口底高程設(shè)計(jì)為27.8m，低于東股引河底高程0.6m。泵站進(jìn)水閘前渠底工程27.30m，渠底比降1/4025。引水渠梯形斷面，底寬60m，邊坡1∶2.5。引水渠水面線利用引水渠進(jìn)口水位作為起始水位，按明渠均勻流公式向下游推算，與引水渠段末端進(jìn)水閘上游水位銜接。

2.2 引水渠橫斷面設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)流量的大小、工程地質(zhì)、渠床土壤、施工條件等因素，按照經(jīng)濟(jì)實(shí)用斷面的設(shè)計(jì)原則，力求挖方和筑堤方、填筑站區(qū)防洪平臺(tái)土方實(shí)現(xiàn)基本平衡，以減少占地，據(jù)此確定設(shè)計(jì)水深為5.0m，設(shè)計(jì)邊坡為1∶2.5。引水渠內(nèi)邊坡采用預(yù)制混凝土板襯砌，渠底碾壓密實(shí)、不襯砌，綜合糙率系數(shù)為0.022，設(shè)計(jì)底寬為60m。

3 引水渠過流能力分析

3.1 引水渠測(cè)量方式

本次測(cè)量采用2000國家大地坐標(biāo)系統(tǒng)，3°分帶，中央經(jīng)線為東經(jīng)117°。地面數(shù)據(jù)采集是在山東省建立的全球?qū)Ш叫l(wèi)星系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行參考網(wǎng)系統(tǒng)（SDCORS）下，采用徠卡GS15型GPS衛(wèi)星接收機(jī)，運(yùn)用GPS實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)測(cè)量RTK技術(shù)獲得各點(diǎn)的2000國家大地坐標(biāo)，室內(nèi)使用CASS數(shù)字成圖軟件繪制地形圖；水下數(shù)據(jù)采用測(cè)量船上架設(shè)GNSS接收機(jī)掛接中海達(dá)HD310型全數(shù)字雙頻測(cè)深儀的方式，由GNSS接收機(jī)獲取平面坐標(biāo)及正常高，測(cè)深儀獲取水深數(shù)據(jù)，通過計(jì)算獲取水下點(diǎn)的高程數(shù)據(jù)，完成渠道內(nèi)水下地形測(cè)量，最終室內(nèi)生成水下等高線。利用采集到的數(shù)據(jù)，使用斷面生成軟件形成渠道縱、橫斷面成果及縱、橫斷面圖。

3.2 工程變形觀測(cè)數(shù)據(jù)分析

受煤礦地下采煤影響，自施工期引水渠不同渠段就開始發(fā)生不同程度的沉降變形，部分渠段和引水渠交通橋現(xiàn)已沉入水中。2009年4月30日至2012年11月25日，觀測(cè)點(diǎn)最大沉降值在-（1+639）樁號(hào)處，沉降值為3.52m。2013年3月通水初步驗(yàn)收后，對(duì)樁號(hào)-（0+183.2）至-（1+659）已發(fā)生沉陷的部分引水渠進(jìn)行了測(cè)量，樁號(hào)-（0+183.2）至-（1+059）段未發(fā)生沉降，-（1+059）至-（1+659）段發(fā)生沉降，沉降量最大值在-（1+638）斷面上，沉降值為3.748m。2019年12月觀測(cè)報(bào)告顯示自2013年2月引水渠東岸觀測(cè)點(diǎn)（H6）累計(jì)沉降量最大，為426.4mm，引水渠西岸觀測(cè)點(diǎn)（S5）累計(jì)沉降量最大，為600.5mm目前，設(shè)計(jì)樁號(hào)-0+600～-0+850范圍內(nèi)，引水渠右岸已完全沉入水下，設(shè)計(jì)樁號(hào)-1+300～-2+295.6范圍內(nèi)引水渠兩岸已完全沉入水下。最南端引水渠交通橋于2017年10月開始發(fā)生急劇沉降，至當(dāng)年12月累計(jì)沉降量超過700mm，2018年初已完全沉沒至水面以下。目前該橋整體仍然沉沒于水面以下，橋面高程31.20m，沉降約3.1m。

3.3 引水渠過流能力分析

根據(jù)2019年測(cè)量資料，因沉降原因，引水渠整體下沉，如圖1，圖2所示。

通過現(xiàn)狀斷面與設(shè)計(jì)斷面對(duì)比，引水渠過水?dāng)嗝嫫毡樵龃?，水深加深，在樁?hào)-0+600～-0+850，引水渠右堤已沉降至水位下，樁號(hào)-1+300后，引水渠已沉降至水下。

河道按天然河道恒定非均勻流基本方程式計(jì)算：

圖1 -0+600橫斷面圖

圖2 -1+304橫斷面圖

式中：z1、z2分別為上、下斷面水位，m；v1、v2分別為上、下斷面流速，m；△hW為水頭損失，m；△hf為沿程水頭損失，m；△hj為局部水頭損失，m。計(jì)算結(jié)果詳見表1。

表1 過水?dāng)嗝婷娣e統(tǒng)計(jì)表

根據(jù)測(cè)量結(jié)果顯示，過流斷面普遍增加10%以上，部分?jǐn)嗝娴谭酪殉林了灰韵?，通過計(jì)算，現(xiàn)狀引水渠過流能力滿足泵站提水運(yùn)行要求，且對(duì)原連接?xùn)|股引河與泵站進(jìn)水池，將南水北調(diào)的水順利引至泵站進(jìn)水池的功能無不利影響。

3.4 交通橋沉降及斷面過流能力分析

由于橋墩及橋板等的阻礙和束窄作用，在橋前形成一定的水位壅高。采用《橋梁水力學(xué)》中公式進(jìn)行壅水計(jì)算：

式中：ΔZm為橋前最大壅水高度，m；η為阻水系數(shù)，根據(jù)規(guī)范，η值根據(jù)橋墩阻斷流量與設(shè)計(jì)流量的比值選取，當(dāng)比值小于10%時(shí)，η=0.05；當(dāng)比值介于11%～30%時(shí)，η=0.07；當(dāng)比值介于31%～50%時(shí)，η=0.10；當(dāng)比值大于50%時(shí)，η=0.15。

Vm為橋下平均流速，按照設(shè)計(jì)洪水流量除以橋址斷面凈過水面積；V為橋前平均流速，按照設(shè)計(jì)洪水流量除以橋址前斷面過流面積。經(jīng)計(jì)算，現(xiàn)狀交通橋壅水高度0.05m，原交通橋壅水高度0.06m。

原交通橋處設(shè)計(jì)過流斷面279.71m2，根據(jù)2019年7月測(cè)量資料，交通橋樁號(hào)處，扣除交通橋橋面、欄桿、橋墩等，過水?dāng)嗝鏋?62.21m2，增加65%，經(jīng)計(jì)算，交通橋處過流能力滿足泵站調(diào)度運(yùn)行要求。但沉入水中的交通橋橋面結(jié)構(gòu)物對(duì)引水渠的水上運(yùn)行管理存在隱患與威脅。

4 結(jié)語

現(xiàn)狀引水渠過流能力滿足設(shè)計(jì)輸水功能要求，引水渠采煤沉陷對(duì)泵站的調(diào)度運(yùn)行無不利影響，符合泵站實(shí)際運(yùn)行情況，現(xiàn)階段可不對(duì)引水渠采取處理措施。但為確保泵站工程安全，建議繼續(xù)在二級(jí)壩泵站樞紐工程范圍內(nèi)進(jìn)行安全監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握泵站安全運(yùn)行狀況，若后期引水渠沉陷對(duì)工程安全及運(yùn)行產(chǎn)生影響時(shí)，應(yīng)及時(shí)制定方案，對(duì)工程采取措施，保證工程安全運(yùn)行。交通橋已沉入水中，該處過流能力滿足設(shè)計(jì)輸水功能要求，可不拆除，為防止船只誤入引水渠，建議設(shè)置明顯、能顯示構(gòu)筑物輪廓的安全標(biāo)識(shí)。