南水北调中线工程总干渠渠道设计关键技术问题

厚度 。总干渠 衬砌 板 的抗浮稳 定 主要通过 渠基 排水 措施 解决 ，而 渠道水 流 流速不 大 ，衬 砌板 的抗 冲能 力也 不起 控制 作用 ，因此 衬砌厚 度 主要取 决 于衬砌 板 的抗裂 能力 、抗渗 能力及 工程 造价 等 因素 。衬 砌 板 的抗裂 能力 与衬砌 分缝 间距 、地基 条件 、荷 载和 混凝 土本身 的抗 裂性 能有关 ，需 进行抗 裂计 算 ，抗 渗能 力则 与水深 和混凝 土 的允许 水力梯 度 有关 。根
中线 总 干渠从 陶翁渠 首 闸至 惠南庄 泵 站一 直采
为若 干段 ，分 别拟 定边 坡 系数 ，并对 每段 进行 边坡
稳定 分析 ，然 后根 据边 坡稳 定分 析成 果对 坡 比进行
用 自流输 水 ，输水 总 水头 一定 ，但 沿线 交叉 建 筑物
多 ，输 水 流量 不 断变 化 ，如何 合理 分 配渠道 和建 筑
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设 计与 施工
水 利规 划与设 计
２１ ０ １年 第 ５期
１ ３ 渠 岸超 高设计 ． 中线 工程 总干渠 为 以城市 供水 为主 的特 大型输
水渠 道 ，流量 大 、线 路长 ，沿途 与 数百条 大小 河流
伸缩 变形要 求 。 中线 工程 总干渠 渠道 断 面大 、线路 长 ，沿线将 设 置大量 的纵 、横 向结 构缝 ，不仅 给混
设 计 备 受 各 方 关 注 。本 文结 合 工 程 实 际 ，对 南 水 北 诃 中 线 工 程 总 干 渠 渠 道 设 计 中 的 关 键 技 术 问 题 进 行 了分 析 和 总 结 ，对 渠 道 断 面 设 计 、衬 砌 结 构 设 计 及 特 殊 渠 段 渠基 处 理 中的 主 要 做 法 、措 施 及 设 计 成 果 等进 行 了 论 述 。 【 键词】 南水 北调 关 渠道 设 计
ｌｍ ，或 ２ ｍ 。 ｃ ｃ
不 同数 值 ，超 高 取 值 范 围 为 １ ０ １ ５ ． ～ ． ｍ，为 抵 挡
渠 外洪 水 ，超高 取值另 考虑 了外 洪水 的影 响 。
２ ２ 嵌 缝材 料选 择 ．
结 构 缝 是 混 凝 土 防渗 渠 道 可 能 的 漏水 通 道 之
一
２ 衬砌 结构 设 计
南 段 最 大 挖 深 达 ４ ｍ ， 最 大 填 高 １ ｍ 。 为 选 择 合 ７ ４
１ 渠 道 断 面 设 计
１ Ｉ 渠 道 纵 坡 设 计 ．
理 的渠坡坡 比 ，以确 保 工 程 安 全并 节 省工 程 投 资 ， 设 计 根据 沿线 地形 地质 条件 ，按 一定 距离 将渠 道分
大 、线路 长 ，加 上沿 线地 质条 件 复杂 ，总干渠 渠 道
１ ２ 渠 坡 坡 ｝设 计 ． 匕
中线 工 程总 干渠 采用梯 形 实用 经济 断面 ，渠 道
的设 计备 受各 方关 注 。为 做好 工程 设计 ，确保 工程 运行 安全 ，节 省工 程 投资 ，设 计对 工程 方 案进 行 了 大量 比选 论 证 ，并 对 一 些 关 键 技 术 进 行 了 深 人 研
时粘结 面不 被拉 开 ，同时材 料还 应无 污染 。可研 阶
段 ，总 干渠嵌 缝材 料 临水部 分采 用聚硫 密封 胶 ，下
衬 砌板 抗裂 能力 进行 了计算 。结 果表 明 ，衬 砌板 厚 度 采用 ８ Ｏ ｍ，可基 本满 足衬砌 板抗 裂要 求 。根 ～ｌ ｃ 据抗 裂 计算成 果 ，并综 合考虑 抗 渗及工 程造 价等 因 素 ，总干渠衬 砌厚 度采 用 以下 值 ：土质 渠道渠 坡 采
其 中 陶岔 至 沙 河 南 段 为 １ ２ ０ ０ １ ２ ５ ０ ／ ５ ０ ～ ／ ５ ０ ，沙 河 南至 黄河 南段 为 １ ２ ０ ０ １ ２ ０ ０ ／ ３ ０ ～ ／ ８ ０ ，黄 河 北 至 漳 河南 段为 １ ２ ０ ０ １ ２ ０ ０ ／ ０ ０ ～ ／ ９ ０ ，漳 河 北 至 古 运 河 段 为 １ １０ ０ １ ３０ ０ ／ ６ ０ ￣ ／ ０ ０ ，古 运 河 至北 拒 马 河 中 支 段
荷 载 、衬 砌 板 厚 度 等 因 素 有 关 ，而缝 宽 则 与 缝 间
距 、温度变 化 、混凝 土性 能 、嵌 缝材 料性 能及施 工
以适 应其 要求 ，需对 影响 总干渠 渠 岸超高 的各 种 因 素进行 综合 分析 后经 比较 论证确 定 。根据 中线 工程 实际情 况 ，影 响 中线 总干 渠渠岸 超高 的 主要 因素有 渠 道糙 率 的不确 定性 、调度 运行 引起 的水 位波 动 以 及 北方 寒冷 地 区冰期 输水 引起 的水位 壅高 等 。根据
用 ｌｃ Ｏ ｍ，底 板采 用 ８ ｍ，石 质 渠 道 考 虑施 工 因 素 ｃ
采用 ２ ￣ ２ｃ 。 ０ ５ｍ ２ 缝 间距 和 缝 宽 设 计
部 为 闭孔 塑料 泡 沫板 。聚硫 密封胶 属建 筑行 业使 用
的一 种 高分子 防水 材料 ，具有 防水性能 可靠 、便 于 施工 、耐 久性 好等 优点 ，但成 本 高 。经 估算 ，总 干
比 采 用 ０ ４ １ ５ ．～ ． 。
作 者 简 介 ：吴 剑 疆 （ ９ ６年 一） １７ ，男 ，高 级 工 程 师 。
缓 比降 ；对 石方 段 和 深 挖方 段 一 般 采 用 较 陡 比降 ；
根 据地 形 起 伏 情 况 进 行 分 段 ，比 降 变 化 不 过 于 频 繁 ； 比降 不 缓 于 Ｉ ３ ０ ０ ／ ０ ０ 。经 水 头 分 配 方 案 的 优
时 ，易裂 开形成 渗水 缝 。中线 工程 为特 大型供水 渠
混凝 土衬 砌厚 度 的确定需 考 虑衬砌板 的抗 裂 能 力 、抗 冲能力 、抗 渗能 力 、耐久性 及抗 浮稳定 等 因 素 。为 节约 工程 投 资 ，在 满 足 抗 裂 、抗 冲 、抗 渗 、
耐久 性 和抗浮 稳定 等要求 的前 提下 ，宜采 用较 小 的
究。
设计 水 深绝 大 部 分超 过 ６ ｍ，其 中渠 首附 近达 ８ ｍ， 渠道 地质 条 件 较 为 复 杂 ，沿 线 分 布 有 大 量 膨 胀 土 （ ）和 软粘 土 ，因地 形 及 工 程 布 置 原 因 ，渠道 沿 岩
线还存 在 大 量深挖 方 和高填 方段 ，其 中陶岔 至沙 河
设 计与 施 工
水 利 规划 与设 计
２１ ０ １年 第 ５ 期
南水 北 调 中线工 程 总干 渠 渠道 设 计关键 技 术 问题
吴 剑 疆 邵 剑 南
（ 利部水 利 水 电规 划设 计 总院 北京 １ ０ ２ ） 水 ０ １ ０
【 摘
要 】 南 水 北 调 中线 工 程 为 特 大 型 跨 流 域调 水 工 程 ，工 程 规 模 大 ， 渠 道 线 路 长 ，沿 线 地 质 条 件 复 杂 ，Ｊ 程 二
２ １ 衬 砌 厚 度 选 择 ．
，
水 通过结 构缝 渗入 渠 基 不 仅会 造 成 水 量 损失 ，
而且 可 能使渠 基 土 处 于饱 和状 态 ，引 起 渠体 塌 陷 、 破坏 ，在 北方 寒冷 地 区 ，还会 发生 因渠 基土 冻胀 引 起 的冻胀 破坏 。嵌缝 材 料 的主要作 用是 尽量 杜绝 或 减少 渠水 渗入 渠床 ，并减 小渠 道糙 率 ，确保工 程 正 常运 行 。老 的渠 道 多采 用 沥 青 砂 浆 、油 毡 等材 料 ， 这类 材料造 价 较低 ，但适 应温 度变形 性 能差 ，与混 凝土 粘 结 不 好 ，气 温 高 时 ，填 料 被 挤 出 ，气 温 低
调整 优化 ，在 满足 渠坡 稳定要 求 及方便 施 工 的前提
下 ，尽 量 采 用 较 小 的坡 比 。经 边 坡 稳 定 分 析 和 优 化 ，中线工 程 总干渠 一级 马道 以下渠道 内坡 坡 比采 用 以下 值 ：对一 般渠 道 ，坡 比采用 ２ ０ ． ５ ． ～２ ７ ，对
物水 头 ，选取 合理 的渠 道纵 比降 十分重 要 。为 寻求
合 理 的水 头分 配方 案 ，设计 结 合工 程布 置 、工程 占
地 和工 程 投资 等 因素 的分析 ，对 渠道 和建 筑 物 的水 头分 配进 行 了多 方案 比较 。在方 案 比较 时 ，设 计考
虑 了 以下 原则 ：对填 方 和半填 半挖 渠 段一 般采 用较
深挖 方膨 胀 土 和 软 粘 土段 等 特 殊 渠 段 ，坡 比 采 用 ３ Ｏ ． ，坡 比进 档 采 用 ０ ２ ；对 石 质 渠 道 ，坡 ． ～３ ５ ．５
渠 陶岔渠 首 ～北拒 马河 中支段 渠道 需聚 硫密 封胶 超
过 ２万 吨 ，总投 资 超 过 １ ０亿元 。初设 阶段 ，为 节 约工 程投 资 ，综 合考 虑材 料性 能 、工程施 工及 造 价 等 因素 ，经 方案 比选 和论 证 ，对嵌缝 材料 进行 了优 化 ，嵌 缝材 料根 据实 际情 况在 聚硫密 封胶 和 聚氨酯
据 渠 内水深 、分缝 间距 及渠 基地 质条件 等 ，设计 对
道 ，对嵌缝 材料 的要 求较 高 ，除具有 一定 的 防渗性 能外 ，还必 须具 有较好 的耐热性 和抗 冻性 ，以保 证
其 在 高温 时不流 淌或 被挤 出 ，低 温 时不开 裂 ，另外 还 必须 与混 凝土基 面有 良好 的粘 结 ，以保证 在变 形
为 １ １ ０ ０ １ ３ ０ ０ ／ ６０ ￣ ／ ００ 。
水 ，缓 解 城市 与农 业 、生 态用 水 的矛盾 。工程 多年
平均 调水 量 ９ ５亿 ｍ ，渠首 设 计流 量 和加 大流 量 分
别 为 ３ ０ 和 ４ ０ ／ 。工 程 输 水 总 干 渠 全 长 约 ５ ２ ｍ。ｓ
１ ７ ｋ ，其 中梯 形 明 渠 长 约 １ ０ ｋ ２ ６ ｍ， １ ５ ｍ。 由于 流 量
南水北 调 中线 工程 是解 决 我 国北方 地 区严 重缺水 问
化 ，总 干渠 渠 道 纵 坡 范 围为 ：１ １ ０ ０ １ ３ ０ ０ ／６ ０ ～ ／ ００ 。
题 的特大 型跨 流 域 调 水 工 程 ，主要 任 务 是 为 北 京 、 天津 及河 北 和河南 两 省主要 城 市提 供生 活 、工业 用
凝 土衬 砌施 工带 来一 定难 度 ，且 将 大幅增 加工 程投
资 ，缝 间距 和缝 宽 的设 计 十分重 要 。经分 析 ，总干 渠衬 砌分缝 间距 主要 与渠 基地 质条件 、衬 砌板 承受
及近 千座 交通桥 梁立 体交 叉 ，渠道 流量通 过沿 线大
量 的分 水 闸 、节 制 闸及退 水 闸进行 调节 ，使渠 岸超 高设计 具 有其特 殊性 ，我 国现行 的有 关设 计规 范难
密 封胶 两种 材料 内进行 选择 。
混凝 土衬砌 往往 会 因温度 变化 、混凝 土干缩 及
地 基不 均匀 沉 陷等产 生裂缝 ，进 而影 响渠道 正 常运 行 。为消 除或减 少裂缝 ，确 保渠 道正 常运行 ，通 常 在 衬砌 中设 结构缝 。但 分缝 间距 不能太 大 ，也不 能 太 小 ，太大 不 能适应 衬砌 变形 ，容易 导致 衬砌板 开 裂 ，太 小则 衬砌 整体 性差 ，且增 加糙率 。同样 ，预
【 图分 类 号】 Ｔ １． 【 献 标 识 码 】 Ｂ 【 章 编 号 １ １ ７ — ２ ６ （０ １ ５ ｏ５ 一Ｏ 中 Ｖ２ ２ ２ 文 文 ６ ２ ４ ９ ２ １ ）０ 一 Ｏ ４ ３
【 ＤＯＩ编 码 】 １ ． ９ ９ ｊ ｉｓ ． ６ ２ ２ ６ ． ０ １ ０ ． １ ０ ３ ６ ／．ｓ ｎ １ ７ — ４ ９ ２ １ ． ５ ０ ９
பைடு நூலகம்各 段实 际情 况 ，并经分 析论 证 ，各段渠 超 高采用 了
要 求 等有关 。参 考有关 规 范 ，综 合考 虑渠 道沿线 气 温 、衬 砌板 荷 载 、渠基 地 质条件 等 因素 ，并经抗 裂 计 算 和方案 比较 等 ，总干渠 横缝 间距采 用 ４米 ，纵
缝 间距 按 ４米 进 行 控 制 ，缝 宽 根 据 实 际情 况 采 用