毕生，张晓华

（1.水利部建设管理与质量安全中心，北京 100038；2.黄河水利委员会黄河水利科学研究院，河南 郑州 450099）

1 概述

南水北调中线干线工程是一项宏伟的生态工程和民生工程。工程投入运行以来极大地改善了河南、河北、北京、天津4 个省（市）受水区域的生态环境和投资环境，推动了中国中、北部地区的经济社会发展。工程长期安全运行的社会、经济、生态效益巨大。

总干渠采用全断面防渗，渠道内水与地下水不连通。一般情况下，当地下水位高于渠道水位70.00～80.00 cm，即可造成衬砌面板的顶托破坏。2021年7—10月，河南普降暴雨，尤其“7·20”强降雨，郑州地区降雨重现期超5 000年，南水北调中线干线工程沿线不同程度受损，其中，地下水位快速抬升造成渠道衬砌面板顶托破坏，以及一级马道以下边坡出现滑塌对工程安全供水影响最大。

2 强降雨的影响及处理措施

2.1 降雨及衬砌受损情况

南水北调中线干线焦作段工程在闫河及聩城寨设置2 个雨量站。2021年5月15日至10月25日，闫河累计降雨量为1 202.5 mm，聩城寨累计降雨为量1 280.4 mm，均超过历史统计极值，主汛期降雨量见图1。

图1 焦作段汛期降雨柱状图

降雨造成总干渠焦作段地下水位快速上升，地下水向上渗流造成土层压力增加[1]，孔隙水扬压力引发渠道衬砌破坏，9月27日巡查人员发现衬砌面板开始出现破坏。衬砌面板累计坍塌长度为304.00 m，累计滑动长度为1 383.30 m，其中4.00 m×4.00 m 和2.00 m×2.00 m 衬砌面板分别错台隆起1 509 块和389 块。

2.2 地下水位变化

研究表明，降雨对浅层地下水水位变化影响较为敏感，对深层地下水及坡面地下水水位影响存在明显滞后现象[2]。从自动化监测统计数据看，焦作深挖方渠段地下水位的上升时间滞后首轮强降雨约20 d。8月12日，渗压计测值开始明显上升，至9月27日，衬砌面板出现破坏历时48 d，期间地下水位日均增长17.44 cm，单日最大增加95.00 cm。地下水位于10月19日到达峰值附近后持续震荡，至12月13日开始下降。深挖方渠段典型断面渗压计Q10P-3 测值过程线见图2，地下水位日变幅曲线见图3。

图2 九里山西南桥下游渗压计监测数据过程线（2021—2022年）

图3 深挖方渠段地下水位日变幅曲线（2021—2022年）

2.3 处理措施

2021年9月27日，深挖方渠段地下水位达到104.92 m，高出渠道水位0.70 m 以上，深挖方渠段衬砌板面板出现错台、滑塌现象，同时，一级马道纵向排水沟以上边坡出现渗水现象。管理单位立即组织采取措施防止破坏进一步扩大：采取调度措施，抬升渠道水位平抑地下水；在一级马道纵向排水沟底间隔5.00～10.00 m 设置降压井排水；在一级马道边坡增设排水孔，排除坡面地下水；加密安全观测频次。在实施处理措施期间，地下水位持续升高，渠道衬砌破坏现象进一步加大，直到10月底才得到有效控制。

3 地下水位异常预警分析

南水北调工程建设期即考虑地下水位上升对渠道衬砌的破坏影响，设计时在深挖方渠段的渠道底部及渠坡设置了一定数量的逆止阀，用以降低扬压力。在高地下水位深挖方渠段设置地下水强排泵站，用以降低地下水位，其启动条件为地下水位高于渠道运行水位以下0.60 m。工程运行后，在部分未设强排泵站的深挖方渠段一级马道纵向排水沟设置了减压降水井。焦作段衬砌出现破坏的深挖段未设计强排泵站，也未增设减压降水井。

基于强排泵站启动条件限制，中线干线工程将由深挖方渠段地下水上升造成衬砌破坏的预警条件设置为地下水位高于渠道运行水位以下0.60 m。

3.1 现有应对措施存在的问题

南水北调中线干线工程应对深挖方渠段地下水位异常升高的有效措施为抬高运行水位、启动降压泵站降水、增设降水井降水3 种。由于南水北调中线干线工程长期在设计水位运行，运行水位不能无限制抬高，一般水位抬高极限在0.20 m 左右，通过抬高运行水位压制地下水的作用有限。对设计有降压泵站的渠段，当水位快速上升时，降压站能够影响的渠段在200.00 m 左右（上下游合计），而降压站设计间距为500.00 m，不能有效控制全渠段地下水位。对无降压泵站和降水井的深挖方渠段，通过在一级马道临时增设降水井可以控制地下水位快速抬升，但通过焦作深挖方段衬砌破坏抢护的过程看，增设全部降水井施工用时近30 d，在衬砌发生破坏前已经不能完成降水井施工，因此，地下水位异常预警条件需要调整。

3.2 预警条件调整

通过对南水北调中线干线焦作深挖方段降雨及衬砌破坏过程的分析，若要避免渠道衬砌破坏，在衬砌面板发生大面积破坏前完成降水井施工，则需在8月27 前启动预警，实施降水井施工。从8月12日水位上升开始至8月27日，典型渠段地下水位连续上涨16 d，日均增幅达8.41 cm。可考虑将地下水位连续上涨天数和日均上涨速率作为预警条件之一，与现有预警条件并行。建议将地下水位日均增幅达到5.00～10.00 cm，地下水位连续上涨天数达到8～12 d，作为预警标准和应急措施启动条件。

4 结语

通过分析2021年10月焦作段深挖方渠段衬砌破坏的监测资料，将地下水位连续上涨天数和日均上涨速率作为预警条件是必要的。当二者同时达到预警条件时，在无降水措施的深挖方渠段，可考虑增加降水井，以降低渠道衬砌破坏的风险。但由于收集的资料有限，仅靠焦作段深挖方段地下水变化的资料，不能准确得出达到预警条件的地下水位连续上涨的合理天数和日均上涨速率的准确范围，需要更广泛地收集降雨和监测资料，在统计分析的基础上得出更科学的数据。