1概述南水北调中线工程南起丹江口水库陶岔进水闸,北至北京市团城湖和天津市外环河,线路总长约1 432 km,除北京、天津段采用地下管涵外,其余均采用新开挖渠道输水( 见图1) 。全线仅利用百米左右的水位落差,自流输水到河南省、河北省、北京市、天津市。为保证输水水质安全,中线总干渠与沿线河流、道路全部立交,逢山开洞、遇水架槽,共布置河渠交叉、渠渠交叉、路渠交叉建筑物和控制性建筑物( 分水口门、节制闸、退水闸) 及其他建筑物( 隧洞、埋管、泵站) 约2 300余座。Water Resources and Hydropower Engi neeri ngVol 46 No.6 汪易森∥ 南水北调中线工程几个技术J 司题的解决与思考大关键技术问题主要有超长输水线路输水型式选择及水力控制、自流输水线路施工测量控制、丹江口大坝再加高、穿黄隧洞、特大型渡槽和倒虹吸、大型PCCP输水管道、输水渠道膨胀土边坡处理、高填方渠段风险处理、煤矿采空区安全处理等。本文仅就其中几个问题的攻关体会,谈谈关键技术问题的解决思路与再思考。2自流输水安全对策措施2.1输水形式选择南水北调中线工程输水形式比选时曾考虑过全线渠道、全线管涵、明渠与局部管涵相结合等多种输水方式,明渠方案调水量大、工程投资少、水价低,可在丰水年加大流量输水,便于兼顾农业和生态用水,但占地较多,水量损失较大,需要采取输水安全保障措施。管涵方案水量损失小、占地仅为明渠方案的1/10,输水安全性高,但与明渠同等输水规模条件下,投资和水价均高出一倍以上,且难以兼顾农业和生态用水。经技术经济综合分析比较,总干渠采用以明渠为主、结合局部管涵的方案。明渠部分全断面衬砌,与交叉河道全部立交。北京段因交叉建筑物密集,天津段因坡降较陡,需穿越大清河分蓄洪区等原因,采用管涵输水。国务院批准的《南水北调工程总体规划》中肯定了这一方案,明确指出:“ 中线工程地理位置优越,可基本自流输水。”2.2保证自流输水安全的对策措施自流输水的优点是运行期不消耗能源,可节约运行成本,但对于长距离、大流量输水线路,输水渠道不可避免将出现填方和挖方甚至高填方和深挖方渠段,尤其是高填方渠段( 见图2) ,必须绝对保证输水安全。图2典型高填方渠道剖面示意为了保证中线填方渠道输水安全,中线工程专题进行了全线输水风险分析,并采取了多种加强高填方80渠道输水安全的保障措施,各种加强措施归纳起来可描述为“ 设计标准、适当提高;节制灵活、退水有槽;防渗排水,各司其道;基础处理、坚实可靠;填料合格、压实质好;堤防穿越,严禁渗绕;安全监测,及时警报。”“ 设计标准、适当提高” 是指填方渠道的安全超高、堤顶宽度、内外边坡、衬砌厚度、铺膜厚度等均根据风险情况高于国家标准和南水北调工程技术标准规定。“ 防渗排水,各司其道” 是指全面复核填方渠段的渗流稳定,确保防渗系统和排水系统的完整性,根据复核结果加强贴坡排水反滤设计,在贴坡排水的外坡脚附近设置渗流排水沟。“ 节制灵活、退水有槽” 是指工程发生突发事故时节制闸能及时关闸,退水闸能有效退水,必要时增设高填方渠段退水闸。“ 基础处理、坚实可靠” 是指要求施工要坚决按照设计要求进行填方渠道基础的湿陷性黄土状土处理、饱和液化砂土处理及宅基地人工杂填土处理,确保不因基础处理不到位引起堤身的不均匀沉陷。“ 填料合格、压实质好” 是指保证填方渠道的填筑料或回填料质量合格,填筑含水率、干密度满足设计要求;水平分层填筑,严格控制层厚;碾压机具功能强大,碾压遍数合格;高填方渠堤填筑时要先超宽后削坡等。“ 堤防穿越,严禁渗绕” 是指渠道与穿堤建筑物结合部位的开挖填筑要符合相关规定。另对于渠道填方段缺口处填筑接头要有专门的设计,渠道分段施工时衔接部位新老填土接坡要缓,缺口的接触面要做专门处理,缺口填筑后到混凝土衬砌板施工间要留足够的预沉降期。“ 安全监测,及时警报” 是指加强高填方渠道的安全监测设计,适当增加监测断面及监测点,及时监测沉降、位移、渗流状态和工程发生的不均匀沉降、裂缝等异常现象,做好渠道的应急预案设计,要通过现代信息手段及时报警。2.3对于大型输水工程输水形式选择及对策措施的再思考目前国内多项处于前期审查阶段或近年来已建成的大型调水工程都有一个共同特点,即为了节约运行期抽水费用,尽可能采用自流输水。为此,从水源取水工程开始,输水线路尽可能沿高位布置输水隧洞、渡槽和倒虹吸等输水建筑物,在山体中建设隧洞输水是个好办法,但输水洞进出口高程越水利水电技术第46卷2015年第6期 高,山体之间连接建筑物渡槽和倒虹吸的布置高程也就越高。有些工程设计中,连接隧洞的高架渡槽下部结构已高过地面百米以上,倒虹吸支架高度高达几十米也是常有的事,这些建筑物如果布置在高烈度地震区,所跨越的河谷又是城镇和人口密集地区,应在项目前期设计阶段中增加工程运行风险分析的相关内容,如果在某些方面确实存在较大风险又无法考虑替代方案时,经过论证分析,应当采取南水北调中线的对策,提高相应的设计标准和严格控制施工质量。3超长输水线路施工测量控制网利用百米左右的水头实现中线一期工程全线基本自流输水,就要对输水全线统一进行水头分配,严格控制渠道和建筑物的水头损失。对于渠道而言,最重要的是严格按照水力计算要求进行渠道断面和纵坡施工。为此,就必须在“ 全面控制、统一设计、整体实施” 的原则下,沿总干渠全线布设高精度施工测量控制系统,为渠段和建筑物的施工提供统一的测量保障。3.1南水北调超长输水线路施工控制网建网方案现有国家大地控制网主要为满足国家基本比例尺地形图测图和地球科学研究需要,不可能为服务于某一具体工程而进行国家大地控制网的设计。南水北调中线一期工程是通过布设首级施工控制网来建立国家控制网与工程测绘的联系,同时也为全线施工提供统一的控制基准。首级施工控制网建立与国家控制网统一的坐标系,并限制测量误差的积累,保证施工测量精度,同时为工程竣工测量、变形监测等提供测量控制基准。南水北调中线工程首级施工控制网平面控制采用GPS B级网作为骨干网,骨干网与GPS永久跟踪站联测,然后在骨干网的控制下布设GPS C级网作为总干渠全线首级平面施工测量控制网,并且均匀地联测国家一、二等平面控制点。首级施工控制网首先在WGS一84坐标系下进行整体平差( 保持GPS网的原有精度) ,然后分区求WGS一84坐标与1954年北京坐标的转换关系,并实现分区间无缝连接。建筑物施工控制网独立挂靠于总干渠首级施工控制网上,既保证建筑物控制网的高精度,又利于渠道与建筑物的连接。这种布网,有效地控制了测量误差的累积,能获取高精度的WGS一84坐标系和1954年北京坐标系坐标,也方便国家坐标系向工程坐标系的转换,同时也可以检查施工坐标与设计坐水利水电技术第46卷2015年第6期汪易森∥ 南水北调中线工程几个技术问题的解决与思考标的一致性。首级施工控制网高程控制采用二等水准精度布网,经论证能满足因总干渠纵坡比小对测量提出的特殊要求。根据渠道沿线国家水准点的稳定性和一等水准三期观测动态平差成果,选择变化速率小的一等水准点作为已知点,同时对不同期的高程成果,运用数理统计理论进行垂直位移显著性的检验,以确保所采用已知点的点位稳定,数据可靠。根据该方案建成的跨越长江、淮河、黄河、海河4大流域总干渠首级施工控制网是国内外覆盖范围最大的高精度水利工程施工控制网系统。3.2长距离输水施工控制网坐标系统选择高斯投影是一种视地球为球体的横轴等角切圆柱投影,将横圆柱面展开成平面,子午线在圆柱面上的投影线和赤道面与圆柱面的正交直线构成高斯一克吕格平面直角坐标系。为减少投影变形,高斯一克吕格投影一般分为30带和6。带投影。我国的经度范围西起730东至1350,可分成六度带十一带或三度带二十二带。南水北调中线工程设计阶段测量采用的1954北京坐标系( 3 o带) ,其边长设影误差满足不了施工测量要求,为减小边长设影误差,南水北调长距离输水渠道工程施工控制网坐标系统决定采用1954北京坐标系统( 1。带) 、建筑物采用挂靠1954北京坐标系( 1 o带) 的独立坐标系统方案,并对采用1 o带坐标系统的边长投影变形进行了数据分析,其结果既满足规范对控制网边长的精度要求,又保证了建筑物坐标系统和渠道坐标系统的有效连接,同时还能保证规划、设计、施工阶段资料使用的连接性和前期成果转换的方便性。这也是在国内大型水利工程施工测量中首次采用1954北京坐标系( 1 o带) 独立坐标系统方案。3.3国家控制点稳定性分析及解决控制成果不兼容问题南水北调中线干线通过的区域地质条件较为复杂,为保证国家控制点有足够的稳定性,根据总干渠沿线国家一等水准点的三期测量成果,通过计算1~3期水准成果年速率,年速率变化对测区内国家一等水准点进行稳定性分析,选择稳定性好的国家一等水准点作为施工控制网的高程起算点。国家大地控制网分级、分阶段建成,不同等级、不同期控制点问存在不兼容问题。通过对数据处理方案的研究,研究了国家三角测量控制成果不兼容对大型水利工程测量的影响问题,并提出了在81 汪易森∥ 南水北调中线工程几个技术问题的解决与思考生产中处理控制成果不兼容问题的方案。将C级网分为三段:北京段、石家庄以北段、石家庄以南段。分别对每段进行1954年北京坐标系下的网平差。将一部分已知点作为未知点参加平差,根据平差坐标与已知坐标的差异来判断不兼容的程度,对兼容性特别差的已知点进行剔除;然后采纳剔除后剩余的已知点进行网平差,由于已知点之间仍然存在一定程度的不兼容性,平差结果可能使控制网发生局部的扭曲,为克服控制网局部被扭曲,选用较远的两个网点( 其中一点是非已知点) 的平差坐标作为新的已知数据对该段的控制网进行第二次平差。第二次平差效果等价于将控制网进行了相似变换,使其附合在选取的两个作为新已知点的网点上,从而避免GPS网在原已知点附近的扭曲变形,保持了网点之间相对位置精度的均衡性。当原已知点的平差值与已知值之差<0.14 M( M为测图比例尺分母) ,认为第二次平差成果有效。否则,剔除超限的已知点,重复第一次平差和第二次平差,直至达到要求为止,实践证明,这是一种简单易行的对已知点不兼容性的处理方案。3.4高精度GPS短边混合网平差模型研究及平差软件的开发应用利用GPS数据处理模型及GPS数据的特点,进行了高精度超短边长的GPS混合网平差数字模型研究与软件开发,并通过已完成的类似工程数据进行实验,使之不断优化、完善,解决了南水北调中线工程中交叉建筑物施工控制网的平差计算问题。开发的《GPS短边混合网平差软件》能对水准测量、三角高程测量、边长测量、角度测量及GPS观测进行综合处理,并能对长距离水准测量进行日月引力改正计算。3.5对建立超长输水线路施工测量控制网的再思考( 1) 南水北调工程筹建初期,国务院南水北调办技术领导就提出要为工程建立一套全线统一的高精度施工测量控制系统,对此相当多的单位和人员不理解,有些专家认为,勘察设计系统已经建立的各省分散的测量网可以作为全线施工控制网使用,不必再建立统一的控制网。事实证明,对于大型长距离自流输水工程,没有一个全线统一的高精度测量控制系统,就不能保证在渠道纵坡比较小的情况下( 一般为1/25 000,部分地区达到1/30 000) ,能够利用南高北低的地形条件,实现自流输水。所以在南水北调工程建设初期,建立全线统一的高精度施工测量控制系统是十分必要的。( 2) 委托水利部长江勘测设计研究院设计,并由南水北调中线建设管理局组织实施的南水北调中线一期工程总干渠首级施工测量控制网设计方案周密,各项技术指标满足规范要求,具有创新性。该系统不但在工程施工期间为不同施工单位、不同施工区段提供了施工放样依据,为各工程建设监管单位提供了监管依据,同时在验收阶段也成为工程验收的重要依据。4重力坝大坝加高关键技...