南水北调中线河北省北段工程设计

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1、前言

　　南水北调中线工程南起湖北省丹江口水库，北至北京市颐和园的团城湖，输水总干渠全长1267km，其中河北省渠段由冀豫交界处的漳河北始至冀京边界处的北拒马河中支南止，渠长462.36km.河北省北段工程自石家庄古运河枢纽至北拒马河中支南，途径石家庄市保定市11个市县，干渠长227.15km，其中渠道长200.06km，建筑物总长27.09km；各类建筑物314座。

　　2、水文气象

　　南水北调中线总干渠沿太行山东麓与京广铁路之间的浅山丘陵或山前平螈北行，沿途与子牙河和大清河系的92条大小河流及26片坡水区交叉。所经区域地理位置为东经114°25‘～115°47’，北纬38°06‘～39°30’，大体为南北向狭长地带，西侧为太行山迎风山区，东侧为山前平原或坡水区。所在地区属暖温带半湿润地区，受季风控制，四季分明，历年冬夏季较长，春秋季较短。渠段沿线同期气温南北差异不大，多年平均气温为13.0～11.7℃。多年平均降雨量沿线变化规律不明显，变化范围为468～552mm，多年平均水面蒸发量为1512～1928mm.沿线冬春季盛行西北风，夏季多东南风，最大风速16～18m/s，风向为北风或西北风。西侧太行山浅山区为华北地区暴雨多发区，尤以保定段西侧的大清河浅山区是暴雨中心和暴雨高值区。由于华北地区降雨及径流年内分配不均匀和水库拦蓄作用，与总干渠交叉的绝大部分河道常年断流，汛期暴雨洪水集中，大小河流洪水相继穿越总干渠流向平原地区，部分渠段因特殊地形及河道发育特点，常发生河道主槽游荡和相邻河流洪水漫溢串流。

　　3、工程地质

　　干渠位于太行山东麓与华北平原的接壤地带。输水总干渠所经范围内地形总体上呈西高东低之势，南部处于平缓区，北部处于丘陵区，地形最高点地面高程450.0m，地形最低点地面高程45.0m，相对高差400m.地表多被第四系地层覆盖，长213.606km，占北段渠段总长的94.7%；基岩段长度11.904km，占5.3%.基岩的地层岩性主要有太古界阜平群片麻岩；上元古界蓟县系雾迷山组、铁岭组；青白口系下马岭组、景儿峪组；古生界寒武系馒头组、毛庄组、徐庄组、张夏组；奥陶系冶里组、亮甲山组、马家沟组；石炭系本溪组等部分碳酸岩、碎悄岩、粘土岩。第四系松散地层中更新统中下段以泥砾为主，上更新统以黄土状壤土及碎石土为主，全新统主要为粘性土、碎石土及砂性土。丘陵区局部出露燕山期岩浆岩。

　　渠段地下水有孔隙水、裂隙水、岩溶裂隙水3种类型。孔隙水赋存于第四系松散岩层，大型河流的河床地下水一般埋深2-10m，一、二级阶地及部分倾斜平原渠段地下水埋深10m以下。裂隙水、岩深裂隙水赋存于砂岩、砾岩及可深的白云岩、灰岩中，一般埋深较大，地下水位总体呈逐年下降的趋势。主要物理地质现象有冲沟、坝塌、岩深等，但规模均较小，对工程无影响。

　　4、渠道总体布置

　　南水北调中线工程总于渠为I等工程，渠道及其交叉建筑物的主要构筑物为1级建筑物，次要构筑物为3级建筑物。渠道防洪标准为50年一遇洪水设计，100年一遇洪水校核；流域面积大于20km²的河道，其交叉建筑物的防洪标准按100年一遇洪水设计，300年一遇洪水校核；坡水区和流域面积小于20km²的河沟，建筑物的防洪标准按50年一遇洪水设计，100年一遇洪水校核。始末端设计流量分别为170m²/s和50m³/s.起止点设计水位分别为76.407m和60.300m.渠道纵坡大部分在1/25000-1/20000之间。

　　渠道横断为梯形断面，按不同地形条件，分全挖、全填、半挖半填3种构筑方式，其长度分别为82km、14km、和102km.全挖方渠段，在安全超高所相应的高程处设5m宽的一级马道，以上每增高6m增设一级马道，上口外设林带、左侧防洪堤和截洪排水沟。全填方渠段堤顶高程与堤宽的确定与全挖方渠段一级马道相同，在填方较高地段，两堤外坡自堤顶以下每6m设置一条马道，堤脚处设置截洪排洪沟和林带。半填半挖渠道同全填方渠段。

　　渠道设计水深6.0-3.8m，边坡系数土渠段2.0-3.0、石渠段0.7-1.5，底宽24-7m，综合糙率0.015.渠道采用全断面混凝土衬砌，在强渗漏、全填方、及煤矿区等特殊渠段，在混凝土衬砌板下铺设二布一膜复合土工膜加强防渗。渠道在有冻胀渠段采用聚苯乙烯泡沫保温板或置换砂砾料防冻胀。

　　干渠运行维护道路设于右侧的一级马道或堤顶，按四级公路设计，沥青混凝土路面净宽3.5m，在穿越大型河流、铁路、隧洞等建筑物处，改为渠外绕行。

　　5、建筑物设计

　　总干渠共布设各类建筑物314座。其中隧洞工程7座；大型河渠交叉建筑物23座；左岸排水建筑物96座；渠渠交叉建筑物34座；路渠交叉建筑物121处，控制工程33处。

　　5.1隧洞

　　隧洞总长9597m，共7座。其中洞身段长8626m.除西市隧洞为单洞室布置外，其余均为双洞室结构。洞身断面为无压马蹄形和无压圆拱直墙形。单洞底宽为6.6-7.8m，洞高为6.77-8.62m.洞身段II、III类围岩采用锚喷支护加局部减糙衬砌，IV、V类围岩和破碎带采用钢筋混凝土全断面衬砌。

　　5.2河渠交叉建筑物

　　总干渠共有河渠交叉建筑物23座，按照交叉位置的地形条件及河、渠底高程与水位关系确定交叉工程的穿越方式分为：梁（拱）式渡槽4座；涵洞式渡槽2座；渠道倒虹吸12座；暗渠2座；排洪涵洞2座；河倒虹吸1座。

　　（1）4座梁（拱）式渡槽总长3216m，其中槽身段长1980m.漕河渡槽采用梁、拱两种结构，其余均为板梁式结构。桁架拱结构单跨跨度为60m，板梁式20-25m.槽身采用矩形断面多槽布置。放水河渡漕为4槽，其余均为双槽。单槽底宽5.8-10m，墙高4.7-5.0m.渡槽下部结构采用扩基墩台或桩基墩台，桩径1.2-2.0m.

　　（2）2座涵洞式渡槽总长450m，其中槽身段长202m.上部槽身采用双槽矩形断面，尺寸分别为11.5m×4.7m和6.5m×4.6m.下部为行洪涵洞，采用多孔矩形箱涵结构，孔径、孔数和洞身长度分别为4.2m×4.2m×24孔×28.9m和4.4m×4.0m×18孔×16.6m.

　　（3）12座渠道倒虹吸总长12923m，其中管身段长7274m.倒虹吸管身段采用多孔矩形箱涵结构，界河倒虹吸为2孔两联，其余为3孔一联布置。单孔宽为4.0-6.0m，高为4.1-6.6m.所有倒虹吸均采用深埋方案，管顶埋深在河道设计冲刷线以下0.5m.对一般河道，管顶行洪口门采用导流堤形式与河道连接；对大型宽浅河道，为适应沿滩地段总干渠左堤横向水流比较大、流速高的特点，该处口门采用梨形裹头进行连接，口门另一侧采用圆形裹头形式防护和连接。

　　（4）2座暗渠总长785m，采用3孔一联矩形箱涵结构，单孔宽6.6m，高6.8m.

　　（5）2座排洪涵洞总长202.1m，采用6孔两联和9孔三联的箱涵结构，单孔尺寸3.9m×3.9m和3.8m×4.5m.

　　（6）1座河倒虹吸为箱型倒虹吸，管身段为76m，采用6孔两联的箱涵结构，单孔尺寸为4.0m×4.0m.

　　5.3左岸排水建筑物

　　设置左岸排水建筑物96座，其中排水渡槽26座，上部槽身为矩形断面，1-6孔，单孔宽3.5-13m，侧墙高1.3-4.9m，单跨长度为10-26m，槽身总长30-100m.槽身结构采用多侧墙矩形槽和多纵梁矩形槽两种形式，部分主梁采用预应力混凝土结构。下部结构采用重力墩，荷载较小者采用排架支承结构。

　　排水倒虹吸及排水涵洞70座，管身为钢筋混凝土单联箱形结构，孔数1-4孔，最大断面尺寸4.6m×4.6m.管身长75-155m，每节长度10-20m.

　　5.4渠渠交叉建筑物

　　设置渠渠交叉建筑物34座，其中灌渠渡槽14座，槽身段为简支结构，跨数2-7跨，跨度10.5-20.6m.上部结构采用矩形槽或U形槽两种型式。矩形槽断面为3.3m×2m～1.15m×0.79m，U形槽断面为2.3m×2m～1.3m×0.9m.支承结构采用肋拱、排架柱或重力墩结构。排架柱高度为3.5-19.6m，重力墩高度为7.28-8.88m，边墩采用浆砌石重力墩。肋拱结构为单跨，跨度分别为54m、75.8m，矢高为11.25m和15.12m.基础采用钢筋混凝土扩大基础，结构尺寸为5.64m×2.6m×0.5m～3.2m×2.0m×0.5m.

　　5.5控制工程

　　设置控制工程33座，其中节制闸12座，一般布置在渡槽或隧洞的进口，或倒虹吸的出口。退水闸7座，结合大型河渠交叉建筑物布置。闸室长度为11.5-17.5m，孔数为1-2孔。单孔宽度为3-7m.分水闸闸室长度为10-13m，孔数为1-2孔。单孔宽度为1.5-5.5m；分水泵站规模大于4m3/s的选用双吸离心泵，小于2m³/s的选用潜水泵，每台泵站的装机台数为3-7台。

　　5.6公路、铁路交叉建筑物

　　设置公路桥118座，公路桥上部梁体结构以装配式预应力混凝土T形梁、I型组合梁结构为主，单桥桥长在50-150m之间，单孔跨径分别采用20m、25m、30m、35m、40m.行车道宽以净—7和净—4.5为主，少数为2×净—11.5和2×净—9.75.桥面净宽为4.5m的公路桥采用单柱式墩，桥面宽度较大的采用四柱式墩。柱体直径为100-180cm.基础型式采用阶梯状扩大基础和钻孔灌注桩基础。钻孔灌注桩基础多采用一柱一桩，桩基断面采用圆形，直径为100-200cm.

　　3座铁路桥墩，桥长分别为74.2m、73.12m、98.2m，均为3孔。桥梁上部结构为预应力混凝土简支梁。下部墩桩为钢筋混凝土圆形桥墩，基础采用扩大基础，两端设置耳墙式桥台。

　　5.7金属结构

　　干渠上涉及金属结构设备的各类建筑物共计60座。工作闸门均采用平面钢闸门，闸门高度大于5m的检修闸门均采用叠梁钢闸门，闸门高度小于5m的检修闸门均采用平面钢闸门或铸铁闸门。工作闸门启闭机均采用液压式启闭机，检修闸门启闭机均采用移动式电动葫芦或手、电两用螺杆式启闭机。金属结构设备共计门（栅）槽228孔，闸门159扇，栏污栅11扇，启闭机142台。闸门、埋件和启闭设备等重约2921t，防腐面积约51200m².

　　5.8检修排水与闸水防冰冻

　　为避免冬季运行时结冰对钢闸门形成危害，节制闸、退水闸、分水闸及应急供水闸的工作闸门前均设置钢闸门防冰冻系统。防冰冻措施采用压力水射流法，即利用潜水泵产生由下而上的射流，使水面在一定范围内产生扰动，从而防止水面结冰。

　　5.9供配电系统

　　工程负荷点多、线路长、要求供电可靠性高，供电系统利用3个35kV中心开关站，由此引出2回35kV线路向干渠的上下游两侧辐射，在干渠的负荷点设置降压变电站供电。降压变电站35kV采用典型的“π”型双电源接线或“T”型接线。中心开关站供电末端的降压变电站母线上设有联络开关。正常运行时，联络开关处于“断开”位置，各中心开关站之间彼此独立供电；当35kV输电线发生故障或某中心开关站失去系统电源时，可通过切除故障线路或故障点、闭合联络开关等一系列操作实现相邻两中心开关站之间的互为备用。35kV专网架空线路由中心开关站向总干渠上下游两侧辐射，沿右岸布置，位于干渠堤外2m.

　　6、管理设计

　　6.1监控系统

　　监控系统包括闸门监控、图像监控和管理信息3个子系统。闸门监控采用分布式开放型多计算机分层树形网络拓扑结构，即设置调度叫主层、分控中心层、现地闸站控制层和管理处监视层。其中调度中心层、分控中心层和现地闸站控制层3层参与调水控制，管理处监视层只起监视作用。

　　6.2图像监控系统

　　图像监控系统用于监测总干渠沿线各建筑物运行状态，通过监视屏幕直观了解现场情况。该系统采用分层分布开放式结构，设立图像监控中心和控制性建筑物图像监控站。

　　6.3管理信息系统

　　将总干渠各控制性建筑物闸站及管理站内的闸门监控系统、安全监控系统联接成局域网，实现资源共享、数据共享、功能互补、综合管理及优化调度，建立管理信息系统。

　　6.4安全监测系统

　　为监视渠道与各主要建筑物的运行状况或安全运行程度，并进行预报，建立总干渠安全监测系统，按行政区划分，组线分层分布式监测结构。监测渠道与建筑物水位、表面变形、渗流压力、土压力和钢筋应力等与水工建筑物安全密切相关的参量。

　　6.5通信系统

　　为满足工程全线自动监控、安全监测、调度通信的要求，沿总干渠全线建立一个高速率、高质量大容量、宽频带的数据及语音综合通信系统。通信系统与监控系统、调度管理系统的层次划分相结合，设有通信分中心、信息交换中心、通信用户终端。通信系统共设置3层，即省通信分中心、管理处信息交换中心、闸站（泵站）及管理站的通信终端。

　　6.6消防设计

　　本着贯彻“预防为主，防消结合”和确保重点，兼顾一般的原则，对引起火灾的主要部位及电气设备、电缆和闸门液压设备以及生产控制管理中心等作为消防重点部位。

　　消防范围包括建筑物中的闸门启闭机室、水泵站和变压器室（场）、柴油发电机房、高低压配电装置室、控制室、集控室、通信室等附属等建筑物，以及管理分局和管理处、管理站等。对丙类电气设备场所采用防火墙作局部分隔，设置安全出口及防火门，配备手提式灭火器等灭火器材；启闭机室、配电装置室、控制室、集控室等重要场所、部位设置消防报警系统；结合正常通风需要设置消防排烟设施。电缆全部采用不燃电缆和阻燃电缆，并采取防火隔板、防火涂料、防火墙、防火堵料等防火措施，并配置手提灭火器等灭火器材。厂区建筑物设置生产、生活、消防合一的供水系统。

　　7、施工组织设计

　　在总干渠沿线的右侧分布有京广铁路、107国道及京深高速公路等3条运输大动脉，并形成了以石家庄、保定为中心，辐射到所辖区、县等地方的公路交通网。充分利用原有公路，个别路段在原有基础上加宽改造，使其达到3级道路标准。

　　隧洞工程、公路交叉工程、铁路交叉工程、渠渠交叉工程、左岸排水工程、分水口门及泵站工程，一般不需要进行施工导流；河道倒虹吸、渠道倒虹吸、涵洞和渡槽等，均需要进行施工导流。导流建筑物级别为4级，导流建筑物洪水重现期按10-20年选用。采用枯水期为导流时段。施工导流方式采用分期围堰束窄河床导流或全断面围堰明渠导流两种方式。

　　总干渠的主要工程量：土石方开挖8621万m3，土石方回填3632万m3，石方开挖1176万m³，混凝土浇筑370万m³、砌石107万m³、大型混凝土预制构件安装，以及机电、金属结构安装等施工项目。土方开挖采用挖掘机配合自卸汽车将土运至弃土区或根据土方平衡规划将土方运至其他填筑区；土方回填采用振动碾和打夯机辅助压实。部分湿陷性黄土渠段采用强夯加密法进行处理。石方开挖采用潜孔钻、手风钻钻孔，梯段爆破方式开挖，周边进行预裂爆破。隧洞开挖采用钻爆方式，台阶法施工。混凝土浇筑采用集中拌和，3m³混凝土罐车水平运输，混凝土泵入仓。混凝土预制构件最大件重90t，采用160t汽车起重机吊装就位。机电、金属结构安装场地开阔，安装方便。

　　针对不同的自然条件和施工特点，为统筹安排施工布置、土石方挖填平衡、施工进度，均衡施工强度、建筑材料供应和劳动力、施工机械设备配置等，各段采用集中与分散相结合的施工布置方式，以段内大型建筑物为中心，设置机械修配厂、综合加工厂、汽车保养站和施工仓库、兼顾其它建筑物施工需要。

　　8、结语

　　南水北调中线工程条件优点越，输水总干渠布置在黄淮海平原西部，地势西南高、东北低，全线以自流输入水为主。沿线大中城市包括北京市在内均位于输水总干渠东侧，都可就近自流供水，并可通过天津干渠向天津自流供水，运行成本低。建设南水北调中线工程，将会给京津冀华北平原地区提供优质水源，有效改善供水条件，提高生活质量，为国民经济发展注入新的活力。并通过水资源的优化配置，使城市和工业不再继续挤占农业用水，在平、丰水年可将原来挤占的农业供水还给农业，并可有效地控制地下水超采，改善日益恶化的生态环境。

　　河北省北段工程作为南水北调中线一期工程的组成部分之一，承担着南水北调中线一期工程所承担的基本供水任务，承担着南水北调中线一期工程所承担的基本供水任务，向北京市、天津市年输水10.52亿m³和8.63m³；向河北省石家庄、保定、廊坊、等城市供水。还担负着向北京市应急供水的特殊任务，确保北京市的城市供水安全。