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2025 , Vol. 42 >Issue 2: 188 - 193

DOI: https://doi.org/10.11988/ckyyb.20240986

重大引调水工程基础理论与关键技术研究专栏

大型引调水工程典型渠道衬砌失稳成因及防控措施

  • 苏霞 , 1 ,
  • 魏凯 2 ,
  • 郝泽嘉 1 ,
  • 李少龙 3 ,
  • 崔皓东 , 3
展开
  • 1 中国南水北调集团中线有限公司,北京 100038
  • 2 长江勘测规划设计研究有限责任公司,武汉 430010
  • 3 长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室,武汉 430010
崔皓东(1976-),男,河南项城人,正高级工程师,博士,主要从事防洪减灾、水工渗流及地下水方面的研究工作。E-mail:

苏 霞(1978-),女,湖北荆州人,高级工程师,硕士,主要从事水工结构工程科研及引调水工程管理工作。E-mail:

Copy editor: 占学军

收稿日期: 2024-06-30

  修回日期: 2024-08-01

  网络出版日期: 2025-01-23

基金资助

国家重点研发计划项目(2023YFC3209504)

中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF2023306/YT)

收起

Causes of Lining Instability of Large Water Diversion Channel and the Effects of Prevention and Control Measures

  • SU Xia , 1 ,
  • WEI Kai 2 ,
  • HAO Ze-jia 1 ,
  • LI Shao-long 3 ,
  • CUI Hao-dong , 3
Expand
  • 1 China South-to-North Water Diversion Middle Route Co., Ltd., Beijing 100038, China
  • 2 Changjiang Institute of Survey, Planning,Design and Research Co.,Ltd.,Wuhan 430010,China
  • 3 Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources, Changjiang River Scientific Research Institute,Wuhan 430010, China

Received date: 2024-06-30

  Revised date: 2024-08-01

  Online published: 2025-01-23

Fold

摘要

大型引调水渠道工程高地下水位挖方段在运行期易发生衬砌失稳,合理设置渗控措施是保障渠道衬砌安全的关键。针对河南省2021年“7·20”特大暴雨后南水北调中线工程某渠段衬砌失稳问题,通过监测资料和三维渗流模拟对渠道衬砌板失稳成因进行了分析,并利用三维模型分析了增设渠坡竖向减压井和横向排水管措施的效果。研究表明:渠基存在的透水地层为降雨入渗和地下水侧向补给提供了渗透通道,极端降雨导致地下水位升高是渠道衬砌板失稳的关键诱因,增设排水措施可有效消减衬砌板下扬压力。研究成果可为类似渠段险情分析和整治及运行管理提供参考。

关键词： 引调水挖方渠道; 高地下水位; 扬压力; 衬砌失稳; 渗流分析

本文引用格式

苏霞 , 魏凯 , 郝泽嘉 , 李少龙 , 崔皓东 . 大型引调水工程典型渠道衬砌失稳成因及防控措施[J]. 长江科学院院报, 2025 , 42(2) : 188 -193 . DOI: 10.11988/ckyyb.20240986

Abstract

Lining instability is common in excavation sections of large water diversion channels with high groundwater levels during the operation period. Effective seepage control measures are crucial for ensuring channel lining safety. This study addresses the lining instability issue in a canal section of the middle route of the South-to-North Water Diversion Project following the ‘7·20’ heavy rainstorm in Henan in 2021. Based on monitoring data and three-dimensional seepage simulation, the causes of the canal lining plate instability were analyzed, and the effects of additional vertical relief wells and transverse drainage pipes on the canal slope were evaluated using a three-dimensional model. Results show that the permeable strata in the channel foundation provide a seepage pathway for rainfall infiltration and lateral groundwater recharge. The rise in groundwater level due to extreme rainfall is the primary cause of canal lining plate instability. Drainage measures could effectively reduce the uplift pressure beneath the lining plate. These findings offer insights for the risk analysis, regulation, and operational management of similar canal sections.

Key words： water diversion channels; high groundwater level; uplift pressure; lining instability; seepage analysis

开放科学(资源服务)标识码(OSID):

0 引言

明渠是大型长距离引调水工程的一种主要输水形式,在有高地下水位的挖方渠段,受地下水变化影响往往易发生渠道边坡和衬砌板抗浮稳定问题;尤其近年来极端天气频繁,在暴雨期间或者雨后地下水位抬升幅度大,导致渠坡发生蠕动变形、衬砌板隆起或开裂等影响工程安全运行的险情。
南水北调中线工程通水运行以来发挥了巨大社会效益,但受水位变化、排水体系运行状况、冻融等多种因素的影响[1],部分渠道衬砌板出现了裂缝、冻胀、隆起等损坏[2]。为消除高地下水位可能对渠道衬砌和边坡带来的不利影响,已有不少学者开展了渠道渗流控制措施方面的研究。朱国胜等(2011)[3]研究了逆止式排水系统对南水北调中线工程渠道渗流控制效果,认为逆止式排水管结合砂垫层排水降压效果非常显著,可有效消除衬砌板抗浮风险。黄炜等(2014)[4]针对南水北调中线工程总干渠陶岔至鲁山段渠道,设计了由排水垫层、透水软管、逆止阀等组成的排水工程措施,并在渠坡采用排水板作为衬砌板下排水措施来保障渠道边坡的稳定性。张家发等(2016)[5]针对不同膨胀土渠坡渗流系统,揭示了渠道工程对渗流场的改造作用,提出了渗流控制措施的应用原则。崔皓东等(2017)[6]对南水北调中线工程挖方渠道渗控措施优化进行了研究,指出排水垫层结合逆止阀、排水板结合逆止阀、排水板结合衬砌板透水缝这3种排水措施都能有效降低衬砌板下的扬压力,结合地质和运行条件,对不同措施应用条件提出了建议。前述部分成果已为挖方渠道设计提供了支撑。
在南水北调中线工程设计方案中尽管已考虑多种措施,譬如一级马道以下的渠道过水断面敷设复合土工膜防渗、渠坡地层以膨胀土为主的渠段换填改性土层辅助防渗、衬砌下设置排水盲沟和排水垫层、渠坡及渠底中心设逆止阀内排、渠道开挖揭穿坡体透水地层时布置排水减压管等,迄今渠道已运行10 a,渠道渗控系统随着服役年限的延长,其防渗性能也可能发生衰减;另一方面,近年极端降雨频现,挖方渠道地下水位可能短期发生较大改变,危及渠道边坡和衬砌稳定。鉴于南水北调渠道暂无停水检修的条件,近年来对水面以下衬砌维修试验研究已有探索[7⇓-9],目前,水面附近衬砌破损修复难题已基本解决,但限于水深、流速及工艺等因素,渠底衬砌维修技术尚不成熟。
基于设计和施工阶段的衬砌安全防控措施及不停水条件下的衬砌维修技术的研究较多,但基于消除衬砌失稳隐患的增设防控措施研究较为缺乏[10]。鉴于此,针对近年南水北调中线工程渠道运行中出现的新问题或新隐患,为适应可能出现的极端运行条件,亟待开展高地下水位挖方渠道衬砌失稳原因及增补防控措施的研究。本文以河南省2021年“7·20”特大暴雨(以下简称“7·20”)后南水北调中线工程某典型高地下水位渠段出现的衬砌失稳险情为例,通过现场调研和监测资料分析,结合三维有限元渗流模型,从定性和定量角度揭示挖方渠道衬砌板失稳原因,提出可降低或消除渠道衬砌板失稳风险的防控措施,并采用数值模拟分析其效果。研究可为类似渠段险情分析和整治及运行管理提供参考。

1 典型渠段衬砌板失稳成因分析

高地下水位渠道是指全挖方渠道或半挖半填渠道中地下水位较高的渠道,一般是指地下水位高于渠道运行水位的渠段,也包括在大气降水或其它因素的作用下,在渠坡上可能形成上层滞水及渠坡地下水短时高于渠道水位的渠段。对这些渠段而言,地下水是影响渠坡、渠底及其衬砌结构变形与稳定的关键因素。
南水北调中线工程高地下水渠段沿线地质条件复杂,为保证渠道运行安全,在建设期针对不同地层条件、地下水分布特征等,采取了相应的渗控措施[3⇓⇓-6],运行以来效果显著[1]。然而,受地质条件的复杂性和降雨及地下水变化的不确定性等影响,仍有部分渠段衬砌板发生失稳。据调查,因降雨、灌溉等导致衬砌板内外水压不均而发生失稳是输水渠道衬砌结构破损的主要原因之一[11-12]。2021年7—10月份河南普降暴雨,尤其发生“7·20”强降雨过程,部分渠段出现水毁现象[13]。现场调查发现,高地下水位渠段衬砌板破坏的主要表现形式为衬砌板隆起、开裂、错台、滑塌等。根据南水北调中线工程沿线多年资料统计,衬砌板失稳主要发生在7—10月份(图 1),占比69%,其次为12月—次年1月份,占比15%。这种分布特征可能反映了衬砌板失稳的主要影响因素,即7—10月份多为汛期,降雨较多,易形成高地下水位,造成衬砌板下扬压力过大而发生失稳。
图1 衬砌板失稳年内分布

Fig.1 Monthly distribution of lining plate instability

1.1 南水北调典型段衬砌失稳成因定性分析

以南水北调中线工程河南卫辉某典型段为例,分析衬砌失稳与降雨和地下水位变化之间的关系。该渠段“7·20”强降雨前,渠道水位平均值为98.84 m,渠底渗压水位在91.07~94.16 m之间,低于渠道水位。自“7·20”连续强降雨后,测点渗压水位呈持续增大趋势,渠道辖区2021年7月累计降雨量为1 120.1 mm,至9月下旬渠底衬砌下最大渗压水位达99.4 m,此时超渠道运行水位0.54 m,局部出现衬砌板隆起,期间渗压水位最大变幅>6.0 m。
该渠段渠底渗压2022年7月中旬因持续降雨出现上升,汛后整体持续下降,目前较稳定。结合监测、地质情况分析,该渠段受2021年7—9月连续降雨影响,地下水位明显上升;渠段内含泥灰岩、砂岩透水层和膨胀岩,其中砂岩透水层为降雨入渗补给和地下水运动提供了通道;另一方面,南水北调中线工程的渠道衬砌抗浮稳定判断标准是根据力学平衡原理确定(图2),为保证衬砌板的安全,渠道衬砌厚度、水位等应满足
γ w D + ( γ c - γ w ) B ≥ γ w h   。
式中:D为渠道水深;B为渠道衬砌板厚度;h为压力水头,渠底压力水头等于该点总水头减去其位置高程,即h=H-z,H为特征点的总水头(m),z为高程坐标(m);γc为混凝土衬砌板的饱和重度;γw为水的重度。
图2 渠道衬砌抗浮稳定分析简图

Fig.2 Schematic diagram of anti-floating stability analysis of channel lining

当衬砌板厚度一定时,衬砌板稳定应满足
h - D ≤ B ( γ c - γ w ) γ w   。
本文以特征点压力水头差(Δ'=h-D)作为衬砌板安全判断阈值,南水北调中线工程的挖方段衬砌板抗浮失稳阈值一般为0.15 m[6,13]。衬砌板抗浮稳定判断也可参考《水闸设计规范》(SL 265—2016)中7.3.6条关于抗浮安全系数的相关规定。
该段渠底最大渗压水位达99.4 m,此时压力水头超渠道运行水位0.56 m,已超安全阈值。由此可见,具有透水层的渠道在降雨作用下,衬砌下渗压升高直接导致渠段衬砌板失稳险情,危及工程供水安全。

1.2 “7·20”降雨后衬砌板下扬压力特征分析

为进一步分析南水北调中线工程卫辉某典型段在2021年“7·20”特大暴雨后衬砌板失稳原因,以及对比分析增设防控措施及效果,本节通过建立三维渗流有限元模型(图3),分析原设计方案在极端降雨工况下的渗流场特征。
图3 典型渠段三维渗流有限元模型

Fig.3 Three-dimensional finite element seepage model for typical section

该渠段地层从上到下为黄土状重粉质壤土、重粉质壤土、泥灰岩,黏土岩及砂岩。泥灰岩具中等透水性,弱膨胀潜势;黏土岩一般具中等膨胀潜势,砂岩具有较强透水性。渠坡一级马道以下衬砌结构从上至下依次为混凝土面板、复合土工膜、聚苯乙烯板、粗砂垫层。渠底纵向集水暗管采用透水软管,每隔16 m设置逆止阀。
根据地质和设计资料,建立三维有限元模型进行渗流计算,数值求解方法参见参考文献[14]。三维有限元渗流模型节点总数40 453个,单元总数39 021个。据监测资料可知“7·20”以后渠底渗压快速升高,模型上游水位考虑强降雨抬升地下水位,根据调研和多工况拟合分析可知,在险情发生时渠道开口线以外约200 m处地表饱和,即此处模型地下水位取地表高程124.28 m,下游水位取渠道水位98.74 m,该边界条件作为水位原设计方案险情发生时工况条件,渗透系数取值见表1。原设计方案渗流场水头等值线如图4所示。
表1 计算模型渗透系数

Table 1 Permeability coefficients in the numerical odel

编号 地层 渗透系数/(cm∙s-1)
1 黄土状重粉质壤土 8.00×10-5
2 重粉质壤土 3.00×10-5
3 泥灰岩 2.30×10-4
4 黏土岩 1.00×10-5
5 砂岩 2.70×10-4
6 粗砂垫层 5.00×10-2
7 土工膜 1.00×10-10
图4 原设计方案渗流场水头等值线

Fig.4 Seepage head contours before implementing he control measures

“7·20”特大暴雨后地下水位快速上升至最高工况下,原设计方案渠道在渠坡临空面和逆止阀排水作用下,一级马道以上出逸点高度约0.32 m,位于两逆止阀之间对称剖面渠底最大压力水头差为0.51 m(表2),不满足衬砌板稳定要求,这也与该部位出现衬砌板隆起破坏现象相符。
表2 渗流计算分析结果

Table 2 Results of seepage analysis

方案 地下水
位/m		 渠道水
位/m		 渠坡出逸
高度/m		 衬砌板水
压差/m
原设计方案 124.28 98.74 0.32 0.51
增设盲沟和
减压井的方案		 124.28 98.74 0.12 0.11

2 增设防控措施及效果研究

南水北调中线工程高地下水位渠段,针对在汛期发生暴雨后,地下水位升高易造成衬砌板失稳问题。综合考虑不中断渠道输水、充分结合现有防渗排水措施、施工场地条件等因素,较为可行的处理方式是通过增设排水措施及时降低地下水位[10],以确保渠道边坡和衬砌板的稳定性。
本渠段在2021年汛后除险加固中采用增设防控措施来解决高地下水带来的衬砌板失稳隐患问题。

2.1 可增设的防控措施

按照南水北调中线工程渠道排水措施作用部位的不同,可分为一级马道及过水断面排水和一级马道以上渠坡排水。
一级马道及过水断面排水的作用主要有2个方面,一是排泄地下水,二是排出衬砌板下复合土工膜后的积水。这2个作用可分别由2类排水措施(图5)来实现,一类是在一级马道附近增设纵向排水盲沟、竖向排水管或排水井,通过横向排水管将渗水排入渠道内,降低过水断面渠坡地下水位,同时为防止渠水经由排水通道进入渠坡内部,需在排水出口设置逆止阀;另一类是在渠坡衬砌板上安装逆止阀,并与衬砌板下排水系统相连,降低水压力,减小地下水位与渠道运行水位的水头差以保证衬砌板稳定。
图5 一级马道以下增设措施示意

Fig.5 Schematic diagram of adding control measures elow the first-level berm

一级马道以上渠坡排水的作用主要是将入渗的雨水或上层滞水排出坡体,减少坡体地下水对一级渠坡的影响,可在渠坡马道平台以及边坡坡脚增设排水盲沟,还可在边坡坡顶处靠近马道位置设置排水井,以降低渠坡深部地下水位,它们都可通过横向排水管与地表排水沟连通[10] 。
可增设的渗流控制措施如表3所示,这些可增设的渗流控制措施需要结合具体渠段的地质条件、地下水分布特征等情况单独或组合运用。
表3 可增设的渗流控制措施及目标

Table 3 Seepage control measures and targets

设置部位 增设措施 渗控目标
一级马道
及
过水断面		 逆止阀 排出衬砌板下土工膜下的积水
纵向排水盲沟 降低一级马道以上地下水位
竖向排水孔、减压井 降低渠坡或渠底地层地下水位
一级马道
以上		 纵向排水盲沟 将入渗的雨水或上层滞水排出
水平排水孔 将坡体中水体排出坡面
排水井 降低渠坡深部地下水位

2.2 增设措施的渗控效果分析

2021年汛期强降雨期间地下水位抬高,造成衬砌板隆起。增设排水措施为在一级马道纵向排水沟外侧设置排水盲沟,每隔20~30 m设置横向排水管,并设置自溢减压井,井间距10 m,井底高程为渠道底板高程以下1 m,增设措施布置见图6,增设渗控措施后水头等值线如图7所示。
图6 一级马道增设渗控措施示意

Fig.6 Schematic diagram of adding control measures n the first-level berm

图7 增设渗控措施后水头等值线

Fig.7 Seepage head contours after implementing the ontrol measures

渗流模拟表明,增设盲沟和减压井后,若遭遇类“7·20”特大暴雨后地下水位升至最高时,渠坡出逸段高度为0.12 m,衬砌板上下水压力差值为0.11 m,可满足抗浮稳定要求。由此可见,该渠段在原有逆止阀排水的基础上增设盲沟和减压井排水,可以降低自由面且减小衬砌板的上下水压力差值。
本渠段增设措施是针对2021年7月强降雨后致衬砌板出现失稳渠段的加固防控措施,当年汛后实施完成后,至今已成功运行3个汛期,2024年该部位渠底渗压变化规律如图8所示,与往年汛期类似,1—6月份呈缓慢下降趋势,7月份开始快速上升,并于8月份达到最大值97.77 m,相比6月份最低点升幅为2.48 m,仍小于2021年最大值99.4 m。该段增设的防控措施是渠段原设计方案的补充,为适应未来可能出现的极端运行条件提供了安全保障。
图8 渗压计水位过程线

Fig.8 Water level process of piezometer

对于南水北调中线工程地下水位高于运行水位的渠段,可进行类比分析,与本渠段地层岩性、地下水位情况、渠道断面形式相类似的渠段,也可采取此类的处理措施。可为渠道适应未来极端运行工况提供足够安全裕度,保障渠道长期安全运行。

3 结论及建议

针对河南“7·20”极端强降雨后南水北调中线工程渠道衬砌板失稳问题,通过定性和构建渗流模型定量分析,揭示了渠道衬砌板失稳成因,并分析了增设防控措施的效果,主要结论及建议如下:
(1)南水北调中线工程渠道衬砌板稳定性易受地下水变动和地层特性的影响,渠基存在的透水地层为降雨入渗和地下水侧向补给提供了渗透通道,极端降雨导致的地下水位升高是渠道运行期衬砌板失稳的直接诱因。
(2)本渠段为应对强降雨影响增设的防控措施,排水减压效果显著,提高了衬砌的安全裕度,为渠道长期安全运行提供了保障。长距离调水工程沿线地质条件复杂、地下水类型多,为应对未来可能的极端运行条件,可根据渠段具体情况增设相应渗控措施。
(3)大型调水工程渠道属于典型线性工程,沿途地质条件复杂多变,其开敞式服役环境易受人类活动和生物活动等因素影响,服役期渠道和渠基性态可能发生演化。除了日常维护,发现问题及时除险加固外,建议仿照水库大坝管理模式,建立定期安全鉴定制度,便于隐患及早发现与诊断,以防范于未然。

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