南水北調滬津沿海輸水通道典型斷面設計與水頭損失研究

周希圣

(上海申通地鐵集團有限公司，上海 201102)

據近期水資源公報資料，僅河南、山東、河北、北京、天津等5區域的年地下水開采量即達到357.28億m3。目前，南水北調東、中兩線總量僅為90億m3左右，中線工程大寧河三峽補水方案年調水能力僅30多億m3，西線工程實施的難度極大，如果沒有其它特別工程措施，中國北方地區將長期處于缺水狀態。為此，筆者創造性提出建設滬津沿海輸水通道的構想[1—2]，即沿現狀海岸線外側一定距離，重新構建一防潮大堤，并對原防潮大堤進行適當的加高，這樣，新老防潮大堤間便形成了一條超級輸水通路。該超級輸水通道全長1200～1300km，調水規模可達500億m3或更多，并實現如下兩大目標，一是從根本上解決江蘇、山東、河北、遼寧、天津、北京等高程在100m以下的低海拔平原區域的缺水問題；二是為黃河、海河、遼河等流域補充或置換部分生態、生產及生活用水，為三流域海拔100m以上地區節約300億～400億m3的淡水資源。文章在前期工程必要性、可行性及系列關鍵技術研究的基礎上，根據整個輸水區域地形地勢特征、沿線建構筑物分布、長江口水源泥沙特性等，就典型區域的輸水斷面的結構形式與相應的水頭損失等進行了設計與計算研究。

1 設計流量的確定

輸水通路的設計流量Q，按受水區最高日平均用水量加上輸水通道的漏失水量計算。在輸水干渠內，水量損失包括防潮大堤壩體滲漏、河床底土體地下滲流泄漏、水面蒸發等。本工程針對不同地質條件，將綜合考慮設置堤壩防滲墻，或采取結構防滲措施，防止海水滲漏而污染淡水資源，因此不考慮滲漏引起的流量損失。水面蒸發的量大致與降雨相抵消。同時，考慮全年最多有68d不能調水，因此，過水斷面的總平均流量QT為：

(1)

式中，Q總—年調水總量，為5×1010m3；T—有效調水時間，取297d。計算得平均流量為1948m3/s。

2 輸水通道的斷面設計

2.1 輸水通道的斷面劃分

從上海崇明島區域到天津渤海灣范圍的整個輸水通道，由南至北，按照地理位置的不同，可以分為取水段(約50km)、濾沙段(約50km)、黃海輸水段、膠東半島陸上段及渤海灣輸水5個區段，最后進入渤海灣儲水湖，并可由此進一步向北向西輸送。根據輸水方式的不同，以及沿線需要穿越一些風景點、河道、重要的建構筑物等，可以分為盾構隧道段、明渠段及箱涵段等3種斷面形式，全線90%以上擬采用明渠輸水。

2.2 隧道段斷面設計

對于沿線一些大的河流(如黃河)、水閘、泵站、港口、高速公路、鐵路等，在特別困難區段，借助明渠輸水從經濟、社會影響等有可能代價較大，則可通過盾構掘進形成輸水通道。鑒于本工程總的輸水量非常大，一方面，需要確定輸水隧道的直徑、數量、流速以及沿程水頭損失等參數，同時須驗算該參數條件下隧道的結構受力是否滿足要求。

2.2.1隧道段水頭損失計算

輸水隧道滿流或在壓力流狀態下管徑與經濟流速的關系如下：

(2)

式中，D—隧道直徑，m；ve—經濟流速，m/s。

沿程水頭損失hi為：

hi=il

(3)

式中，i—單位隧道長度的水頭損失，m；l—隧道長度，m。

(4)

式中，R—水力半徑，對于圓隧道，其在滿流狀態下，R=D/4；C—流速系數，C=1/n*R(1/6)，n為粗糙系數，對于混凝土管節，取n=0.013。

局部水頭損失：

(5)

式中，h2—局部水頭損失，m；ξi—局部阻力系數，進出口斷面處各取0.1，轉角為90°阻力系數計算如下：

ξ90°=0.131+0.163(d/r)3.5

(6)

由于本工程的斷面流量較大，因此需要多條超大直徑隧道來進行輸水，并適當增加隧道內的水流速度。根據給排水設計規范，混凝土管節的最大水流速度亦不允許超過4m/s。考慮將來有檢修維護等工作，故建議最大速度控制在3.0m/s。目前，國內最大直徑盾構隧道為15.2m。本工程亦盡可能選用大直徑隧道，以提高斷面流量，降低水力坡度，文章隧道凈外徑取15m，內徑取13.7m。90°轉彎半徑r取25m，計算得ξ90°為0.15。總的局部阻力系數ξi為0.5。

若沿線借助盾構隧道的方式，單根隧道的總長度為10km，經計算，內徑13.7m滿管狀態下水力半徑3.425m，1、2、3m落差下水流速度分別為1.747、2.471、3.02m/s，單根隧道的年調水能力分別為81、114、140億m3，須建設4～5條這樣的大直徑隧道才能滿足相應的調水能力。

2.2.2隧道結構受力

對于如此大直徑的隧道，需要對其在不同地質條件、不同覆土深度條件下的結構受力是否滿足要求。

(1)計算模型

采用比較成熟的η-ξ法進行設計計算，并選用錯縫雙環彈簧模型進行校核分析，以設計成經濟合理的襯砌結構。計算過程中，先將單環以勻質圓環計算，但考慮環向接頭存在，圓環整體的彎曲剛度降低，取圓環抗彎剛度為ηEI(η為小于1的彎曲剛度有效率)，再考慮錯縫拼裝后整體補強效果，進行彎矩的重分配。襯砌環在接頭處的內力如下：

接頭處內力：

Mji=(1-ξ)Mi，Nji=Ni

(7)

相鄰管片內力：

Msi=(1+ξ)Mi，Nsi=Ni

(8)

式中，ξ—彎矩調整系數，取0.3。Mi、Ni—勻質圓環模型的計算彎矩和軸力，Mji、Nji—調整后的接頭彎矩和軸力；Msi、Nsi—調整后的相鄰管片本體的彎矩和軸力。

(2)工程地質條件

文章參考崇明島及江蘇啟東段的軟土地質條件，其同深度條件下計算所得的結構內力相對較大。該區域淺層土分布有填土層(或耕土層)其一般厚度為0.6～1.0m，土質松軟。次層為粉層黏土，局部地段以粉質黏土夾粉土薄層為主，此層厚度2～4m不等，其下層為粉砂黏土互層，局部夾有粉細砂薄層，較均勻，厚度7.5～10.0m，屬濱江臨海的沖積平原。

(3)典型斷面計算結果

參照上海地區已建多條大直徑盾構隧道的設計經驗，并根據將來穿越過程中結構所處的工程與水文地質條件、埋置深度、結構特點等，文章模擬計算了直徑為15m的隧道在不同覆土深度：21m(淺埋)、27m(中埋)、31m(深埋)、36m(超深埋)等4種特征深度的結構內力。圖1—2是2m環寬超深埋(h=36m)的結構內力分布。不同深度的匯總見表1，據此，管片的厚度取值為0.65m，可以滿足結構內力的配置要求。對于結構抗震等，經驗算符合條件，文章不予詳述。

表1 上海長江口直徑15m隧道管片不深度內力計算

圖1 超深埋彎矩圖(kN·m/環)

圖2 超深埋軸力圖(kN/環)

2.3 明渠段斷面設計

現狀海防大堤的外側多為灘涂或沙灘，地勢非常平坦，因此，沿線主要區域向外海延伸500～800m，高程的變化在1～2m間，對于新壩體砌筑的高度影響非常有限，且該范圍內無居民，地勢低洼，整個開挖工作量低，是非常理想的輸水通路。新老壩體間的距離越大，輸水能力越強。工程主要沿海岸線布設，通過明渠的方式，從工程造價、水頭損失及永久運營維護等方面，相對于隧道而言，均有較大優勢，因此從長江入海口至天津渤海灣的整個輸水通路，擬主要通過明渠的方式進行。本工程的取水段、濾沙段及正常輸水段，因其承擔的作用不同，其通道的寬度、深度等有所區別，須根據泥沙的輸運特性、運行水位控制、水流速度、水力坡度控制等多方面因素，確定最佳斷面形式。

2.3.1水深h0的確定

根據前期研究，考慮調水能耗問題，本工程的取水端的死水位不宜低于-0.5m，北端渤海灣的儲水湖區域的最低運行水位不低于-2.5m，即整個輸水通路的最大落差為2.0m。壩內不同高度的運行水位深度，其沿程水頭損失相差較大，文章計算了7.0、8m、9、10m水深，以及不同寬度條件下沿程水頭損失。

2.3.2流速控制

本工程一方面要將總量達500億m3的淡水資源北送，需要增大輸水斷面的流速，以降低整體占地和工程造價；另一方面，因滬津之間主要沿海岸線布設，其間幾乎沒有海拔高差，過大的流速將導致沿程水頭損失的增大，意味著需要消耗更大的電力資源，需要控制水流速度。同時，在取水段不應因泥沙淤積而導致取水流量受限。根據前術，長江口淡水的泥沙含量在0.8～1.0kg/m3之間，啟動流速為0.5～0.7m/s，綜合考慮上述各因素，文章暫按1.0～1.5m/s進行取水段流速控制。實際上，對于粒徑在0.0177～0.0063mm的長江口水流中的固體顆粒物，流速大于1m/s時，即便有淤積，也會被沖刷水流帶走。但在泥沙過濾沉積段，又希望泥沙在該希望泥沙在該區段充分過濾沉積，該區段的水流速度擬控制在0.3m/s以下。對于正常輸水段，水流速度擬控制在0.5～1.0m/s，以降低沿程水頭損失。

2.3.3斷面尺寸及水頭損失計算

按照年調水能力為500億m3計算，本工程的設計斷面流速為1948m3/s，根據公式(4)，假設從上海到天津段明渠總的運行長度為1200km，同樣，取粗糙度系數為0.013，在運行水深7～10m變化的條件下，不同寬度的明渠水頭損失相差較大，其結果見表2。根據計算，其水深在7～10m變化時，對應于500m寬的干渠，水頭損失在1.51～4.87m間變化，對于800m寬的干渠，則水頭損失降低至0.58m～1.88m。

因適當增加渠內運行水深對降低水頭損失作用顯著，綜合考慮造價等因素，建議適當增加筑壩的高度，因此若按500m寬10m深設計，1200km長水頭損失為1.51m。

表2 1200km長不同斷面水頭損失計算結果

2.3.4防潮堤設計

整個滬津輸水通道的主干路按一級防潮標準且不允許越浪設計，并以此控制相應的泵站、閘、涵等建筑物的設計標準。其超高計算按下式確定：

Y=R+e+A

(9)

式中，e—設計風壅增水高度，m；Y—堤頂超高，m；A—安全超高，I級防潮工程取A=1.0m；R—設計波浪爬高，m。

波浪爬高為：

(10)

式中，RP—累積頻率為P的波浪爬高，m；KV—經驗系數；KΔ—斜波的糙率及滲透性系數；KP—爬高累積頻率換算系數；H—堤前波浪的平均波高，m；L—堤前波浪的平均波長，m；m—斜坡坡率。

若以上海吳淞口段為例，該區域100年一遇的高潮位為6.13m，按此進行加同頻率風浪設計，用300年一遇高潮位加同頻率風浪校核(6.40m)；計算風區長1.4km，平均最大風速Vmax17.4m/s，堤前水深5.0m，經計算，風壅增水高度0.03m，波浪爬高1.27m，安全超高1.5m，最后壩頂標高為+9.2m，堤頂寬10m。據此，初步確定堤壩頂高程為+8.0m，并設置1.2m高的防浪墻，典型深槽段堤壩結構如圖3所示。

2.4 箱涵段斷面設計

沿線有20多條大大小小的河流，這些河流的寬度在10～50m變化不等，同時，可能尚有一些風景區或其它敏感區域，須保持原有風貌。對于河流穿越，有兩種方式，一是平面交叉，并且雙向設置兩道水閘，平常南北通水主方向開通調水，橫向河流閘門關閉；在防洪排水時，橫向河流閘門開通，南北向閘門關閉暫停調水。另一種是立體交叉，可通過箱涵形式，涵內進行淡水輸運，箱涵上方供現有河道與海面發生水力聯系，或者保持上方原有風貌。假設箱涵高度在10～15m，并適當提高箱涵內的水流速度至1～3m/s，以適當降低箱涵的斷面。則要滿足1948m3/s，斷面的寬度在50～200m。具體要根據沿線需要進行箱涵布設的總長度及引起的相應水頭損失、需要的壩體高度等確定。文章假設以總長度50km進行相應的箱涵布設。如果水深按15m計，該矩形斷面的水力半徑6.97m，寬度為50m的水頭損失為5.51m，100m寬的水頭損失為1.17m，200m寬的水頭損失則迅速降低至0.27m。實際施工中，可先對河道進行改道，再通過SMW工法樁、地墻或其它圍護方式，明挖完成箱涵制作，實現河道等的穿越。

圖3 輸水干渠斷面示意圖

圖4 取水口平面布置示意圖

3 取水段線路優化

鑒于盾構隧道、明渠及箱涵斷面調水的造價差異大，同時，采用圓隧道斷面的水頭損失相對明渠要大，因此，我們就取水線路進行了優化。前期研究中，建議取水口位于青草沙水庫上游2～3km的長江入海口南支，通過盾構隧道的方式穿越崇明島、長江北支、如東路陸上段并進入黃海海岸線，線路全長40～50km。另一方案是將取水口向長江口上游移動，至崇明島上游長江入海口的北側，由海門三星鎮進入啟東東余鎮選擇合適的地點進入黃海輸水段，區段采用明渠穿越的方式，長度在40～50km(如圖4所示)。

(1)工程造價。現有大直徑盾構隧道的建設經驗，一般直徑15m的隧道造價約為人民幣25萬～30萬元/m，如果建設5條以滿足相應調水能力，則造價125萬～150萬元/m對于崇啟段，如果全部修隧道，則50km的總費用680億～750億元。對于寬度為300m，深度為7～10m的明渠工程，其造價40萬～50萬元/m。因此，從海門長江分叉段上游北岸至啟東東余鎮50km長明渠總造價200億～250億元，未考慮道路橋梁等的特殊穿越措施費用。從土建角度，取水段純隧道方案或部分隧道方案與明渠方案相比，造價高較多。

(2)工程動遷。取水段50km若全部以明渠穿越，選線上應避開城鎮居民集中地，假設以400m寬作為控制線，占用總面積約20km2，大約是一個鄉鎮的面積。因工程開挖會多余大量土方，適度回填至外海，可以增加灘涂和陸域面積，即土地面積不會有缺失。工程土地與房屋征收應在數億元內。如果全部隧道方案，則沒有土地征收問題。

(3)運營水頭損失。該區段須采用相對高的流速進行調水，若為明渠方案，日常及最高運行水位分別僅為1.385m與2.68m，而全部隧道方案則達到14.8m，差不多為前者的10倍。

因此，取水段采用明渠調水，一是水頭損失可有較大的減少，二是工程造價降低較多，故建議采用長江分叉段上游北側明渠取水的方案。假設整條線最大運行水深按10m計，主要線路采用明渠調水，沿程水頭損失可控制在2～3m，長江口位置水位變化一般在+2.0～+4.0m之間，南端取水口位置提升6～8m即可將水資源輸送至天津，運行成本僅為0.016～0.02元/t，運行費用極低。

4 結論與展望

水力計算和結構受力分析表明，采用沿海岸線布設的超級輸水通道，并以明渠為主的方式，具有水頭損失小，運行費用低等特點；同時，通過流速控制，可以將北調長江水的泥沙控制設定區域內，一方面可以防止淤塞關鍵部位，另一方面，可以使得北調江水沉淀凈化。對取水口適當上移，至長江南北分支位置北側，并以明渠方式穿越南通海門市，有助于進一步降低工程造價。工程若結合景觀、交通等同步建設，將創造極大的社會、生態、經濟與環境效益，具有極其重要的戰略意義。