南水北调中线京石段渠道设计中的排水减压设计

南水北调中线京石段渠道设计中的排水减压设计

1水体驳岸及排水暗管为了提高渠道输水率，消除或降低渠道引入造成的损失，必须采取软弱工程措施。当地下水位高于渠底或渠道外水位高于渠内水位时,均对刚性材料衬砌板产生浮托力,当浮托力大于衬砌板重力时,即将衬砌板浮起造成破坏。由于渠道工程的衬砌厚度很薄,当内外水头差很小时(0.1～0.15m),即可产生衬砌板的不稳定,因此设计中要特别重视衬砌板的抗浮稳定问题。南水北调中线京石段应急供水工程石家庄至北拒马河段全长227.4km,其中渠道长201km,建筑物长26.4km。根据地下水水位预测,有11段44km渠长的地下水位高出渠底或洪水位高于渠内水位,需采取抗浮稳定设计。根据《渠道防渗工程技术规范》(SL18-2004)的要求,“地下水高于渠底的刚性材料防渗渠道和埋铺式膜料防渗渠道,应按附录E规定在渠基设置排水措施,并保证排水口畅通”。地下排水有内排、外排、强排3种形式,外排即在总干渠附近有天然沟壑等有自流外排条件的渠段,采取渠底以下设排水暗管导流到渠外排出;内排为地下水质良好,且不具备外排条件的渠段,采取渠底渠坡埋设暗管网汇入渠底集水箱通过逆止阀的自动启闭排出;强排,当地下水位很高,渗流量偏大,内排难以排出时或内排失效时采取扬水泵点排出,也可以内排和强排综合排水,确保安全。依据规范布设原则,京石段初步设计中安排外排1处,渠段长0.9km,内排7处,渠段长25.8km,内排加强排2处,渠段长15.1km,强排1处,渠段长2.0km。上述布设和设计总体上是合理的,但还存在一些设计和施工难题。(1)内排方案逆止阀设置过多,存有漏水隐患。原初步设计中计划埋设2万多个逆止阀,布置最密的平均每1m渠长2～3个,施工质量以完好率95%计算,5%的阀在5～6m的水头,按定水头管嘴的1/10出流分析,年漏水量达近2.0亿m3,虽然逆止阀开启机会甚少,而一旦漏水则是细水长流,无法发现,检修困难,千里之外调来的水,损失惊人,岂不可惜。如何能避免漏水损失是个关键问题。(2)逆止阀运用的可靠性问题。该阀在国内大型输水渠道应用甚少,其研制和生产技术目前尚不成熟,施工中能否确保不漏水、运用中多次启闭能否防止泥沙挂草淤塞而不漏水、逆止阀漏水如何测试和修复等问题尚无经验借鉴。据调查,引黄济青输水渠曾采用逆止阀内排,运用中存有淤塞、漏水、隐蔽工程无法测试、修复时要拆除一大片衬砌板等问题较多。(3)河滩地渠段防大洪水时的抗浮稳定问题。大型河道多为宽浅式,洪水位高于渠内水位,特大洪水年,内外水头相差更大,渗流量大,内排逆止阀过密漏水量多、强排要建大泵站等困难,管理也不方便。2地下排水设计类型2.1外水位设计难度分析按排水抗浮性质分为一般渠段和河滩地渠段两大类型。一般渠段以地下水位参数为主,即地下水位高于渠底或高于渠内水位;河滩地渠段以洪水位参数为主,洪水位高于渠底或高于渠内水位。按外水位的高低和工程难易可分为高中低3种水位类型。低水位型为地下水位或洪水位高出渠底2m左右,其工程措施较容易;中水位类型为地下水位或洪水位高出渠底2m且低于渠道设计水位,工程措施相对要难一些;高水位类型为地下水位或洪水位高于设计水位,由于内外水头相差大,相应工程措施难度较大。此外,渠基地质岩性的渗透性也决定了工程的难易,如渠基以下有弱渗透土层,则地下水位上升慢,不与地表洪水相连接,工程措施较为容易;又如渠基以下为砂卵石强渗透层,则洪水即与地下水位连通,渗透水量大,工程措施就难。京石段渠道设计类型分类见图1。2.2计算地下排水的计算2.2.1设计工况及水的容重渠底衬砌板:K≤(渠内无水时K≤)边坡衬砌板:K≤(渠内无水时K≤)式中:K-安全系数,设计工况取1.10,校核工况取1.05;γc-混凝土容重(t/m3);t-衬砌板厚度(m);γ-水的容重(t/m3);P-衬砌板的压力水头(m),通过渗流计算求得;H-渠内水深(m);α-边坡角度。2.2.2公式渗流量分析一般渠道段采用《灌溉与排水工程设计规范》(GB50288-99)和《供水水文地质手册》(地质出版社)中的农田排水和浅层地下水利用等经验公式渗流量。河滩地渠道段采用《水工结构有限元分析系统程序》(河海大学力学研究所)求解渗流场数值解,求得各节点的压力水头和渗流量。3地下排水系统3.1排水箱密封方案2设计工况:孟良河以北段、留召沟段、中易水以南段、北易水以北段的地下水位均低于设计水位,仅唐河灌渠段地下水位高于设计水位,其最不利的组合是完建期和检修期,渠内无水和渠外高地下水位。因此确定渠外预测地下水位与完建期、检修期渠内无水为设计工况。方案1:排水箱方案。在渠底每隔一定距离修建一个排水箱,排水箱与衬砌板下暗管或砂石垫层相接,箱盖设有密封橡皮圈和起吊点,完建期打开排水孔,使内外水位平压,输水运行前人工将排水箱密封;检修期如地下水位高于渠底,则人工打开排水箱盖,临时抽排施工。方案2:逆止阀内排和强排方案。有自流条件的尽量设置外排,中低水位型设逆止阀内排,高水位型渗流量大,采用内排+抽排双管齐下,逆止阀、泵点与衬砌板下暗管或砂石垫层相接。方案3:强排为主方案。有自排条件的尽量设置外排,低水位型采用抽排,中高水位型根据地质岩性和渗流条件采用内排或内排+抽排等型式。讨论意见:上述3种方案都是可行的。方案1,工程简易、投资省、排水箱人工启闭能保证不漏水,虽然渠道排空检修机遇较少,但遇检修时,人工及时打开排水箱盖,管理不便;方案2,以内排为主,逆止阀埋设数量多,存有逆止阀漏水隐患、难以发现和修复困难;方案3,低水位型排水量少,平均每公里0.04m3/s,以抽排为主,泵点少,运用灵活,安全可靠,减少逆止阀漏水风险;中水位型的中易水以北段,渠床为弱渗漏地质岩性,可采取内排,漏水有限;高水位型的唐河总干渠段,由于唐河灌区灌溉引起的高地下水位,该段为深挖方,渠底多为片麻岩层,为弱渗透地质岩性,又无外排条件,由于地下水位高出渠底达7～5m,渗流量大,因此一级马道以上地下水可按自排入马道边沟,马道以下地下水以内排+抽排联合排水。综合分析:方案1的建议,有其独特优点,但需进一步改进和完善;方案2有漏水隐患,对节水不利;方案3,因地制宜,管理方便,既能确保输水安全,又使输水损失减少到最小,因此,选择方案3的可靠性大。3.2洪水入渠方案设计工况:总干渠穿越宽浅式河道的防洪安全是设计中的焦点。唐河、沙河百年洪水位均低于渠道设计水位,仅校核洪水位略高于渠内设计水位;滹沱河百年洪水位略高于渠内设计水位;磁河、拒马河的百年洪水位高于渠内设计水位较大,分别达4.3m和7.0m。因此以河道设计洪水位为100年、校核洪水位为300年,相应渠内设计和加大水位作为设计和校核工况。方案1:引洪水入渠平压方案。当洪水期外水位超过渠内水位时引进洪水入渠使内外水平压,需每隔一定距离布设有阀门的穿堤暗管引洪水入渠设施。方案2:内排为主方案。据分析排水流量唐河、沙河、滹沱河、磁河滩地渠段每公里分别为0.3、0.2、0.35、0.7m3/s,采用逆止阀内排方案;拒马河排水流量每公里达到3.6m3/s,采用内排+抽排方案。方案3:强排为主方案。唐河、沙河、滹沱河、磁河采取抽排,排水流量同方案2;拒马河滩地渠道由于砂卵石地层,洪水在渠床以下形成通道,渗流量永大于计算值,排水流量过大,抽排布设难度大,需采取其它抗浮稳定方案。讨论意见:方案1,引洪水入渠,工程简易、投资少,但需提高穿河倒虹吸的校核工况,当引洪水入渠后,确保建筑物的稳定;洪水和渠水混合,水质难以保证。方案2,内排方案,需布设逆止阀2万多个,平均不足1.0m渠长布设1～2个,阀的数量愈多,则漏水机会愈多,一旦漏水,造成水量浪费,且难以发现,修复也很困难。方案3,强排方案,除拒马河外,每公里0.2～0.4m3/s,泵点设计规模不大,能确保防汛输水安全和使漏水损失减到最少。总之,方案1工程简便,投资最省;方案3工程安全可靠,有利于渠道节水,本次拟优选方案3。4关于滩地渠道防洪工程措施拒马河段由南拒马河进口滩地至冀京界止,全长6909m,其中渠长5286m,段内除南拒马河2座大型渠道倒虹吸外,还有中小建筑物14座,滩地地层除表面有较薄的砂壤土外,以下为单一卵石结构,渗透系数为80～200m/d,渠道设计流量60～50m3/s,加大流量70～60m3/s,总水头0.69m,其中渠道水头0.22m,纵坡1/25000,河滩地100年一遇洪水位高出渠内设计水位4～7m,20年一遇洪水位高出渠底7～9m,据渗流分析,该段渠道渗流量100年一遇洪水达19.0m3/s,300年一遇达19.9m3/s。对于拒马河滩地渠道防洪问题,许多专家十分关注,曾提出全段建成约7km长的暗涵工程方案,该方案虽优点多,一劳永逸,但由于预留水头小、投资偏大而未经审查通过。为此,又比较了6个抗浮稳定方案。方案1:内排+强排方案(原初设方案)需设逆止阀1.5万个,泵站11座,单座流量0.2m3/s。方案2:浆砌卵石压重排水方案,混凝土板+浆砌卵石厚55cm,浆砌石下设暗管于加大水位以上排出,加大水位以上设透水堤防,遇较大洪水透水入渠平压。方案3:衬砌板加厚排水方案,衬砌混凝土板厚50cm,其它措施同方案2。方案4:复合膜防渗卵石压重方案,防渗层上铺1.5～2.2m卵石层,底坡铺混凝土连锁板,复合膜防渗层上下各设过渡层保护,以防施工破坏膜层。方案5:黏性土换基防渗方案,底坡铺设2.0～3.5m黏性土防渗和压重,底坡表层铺混凝土连锁板。方案6:浆砌卵石抗拔墩方案,防渗层上设置30cm厚浆砌卵石和10cm混凝土板压重,下设浆砌卵石抗拔墩,加大水位以上设透水堤防,遇较大洪水透水入渠平压。讨论意见:(1)从经济比较看,与原初设方案1比较,方案2浆砌卵石压重排水方案投资与方案1接近,仅增加7%,方案6浆砌卵石抗拔墩方案投资增加35%,方案5黏性土换基方案,由于取土场在13km远处运土,占地多,投资最贵,较方案1增加1.7倍,方案3加厚混凝土板和方案4全部靠卵石压重方案,投资均高出70%以上,经济比较以方案2增