跨流域输水工程中的隧洞与护面设计

2023-06-30 理论教育版权反馈

【摘要】：据报道，美国大多数调水工程的输水干渠都做了护面。在许多调水工程中，特别是在山区与分水岭交叉时，输水隧洞被用做一个重要的组成部分。南非莱索托高原调水工程的输水隧洞［19，20］总长达200km，现已建成的一期工程的两条隧洞长82km。为此，在大、中型跨流域调水工程的输水线路中，沿途利用低凹地形修建调节水库和蓄水设施，这在国外的大中型调水工程中是一种普遍现象，因此不再一一举例说明。

从取水点输水送给用户可以用不同的方法来实现：用渠道、隧道、地面或地下（或水下）管道、沿着河道、逆河道、用形成水库链的方法靠壅水高差把水送到上游；用水泵克服水头差。在许多情况下，无论是调水系统的造价还是它对自然生态环境的作用程度都取决于输水方式的选择。现在用渠道输水是最常用的方式，特别是长距离输水更是这样（表1-3）［1，12，13］。

表1-3　国外大型输水渠道的特性［1，12，13］

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续表

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根据目标用途，渠道有多种，有灌溉渠道、通航运河、引水发电渠道、输水渠道、引水渠道和排水渠道等。一般，现代大型调水系统的干渠具有综合用途，而整个调水系统可能包括各种用途的渠道。关于调水渠道的最佳尺寸等问题，文献［13～15］有详细论述，这里不再详谈。

从保持调水水质和水量以及保护生态环境的角度来看，渠道中有无防渗护面和何种防渗护面是非常重要的。在渠道的水工建设实践中［16］，国外常常利用整浇混凝土和装配式混凝土护面、沥青混凝土护面、钢筋混凝土护面、混凝土膜护面、埋藏式或外露式膜料护面、各种土工膜护面、碎石护面、密实土护面等。

国外广泛应用混凝土做渠道的护面。按照用量来说，与其他防水材料相比，混凝土占第一位。据报道，美国大多数调水工程的输水干渠都做了护面。例如，中亚利桑那工程、加利福尼亚州水道工程、科罗拉多引水渠等工程都是用混凝土做护面。1988年［17］，在美国垦务局管理的472条干、支渠道（总长25800km）中，有10560km做了护面，其中采用沥青混凝土做护面的达7040km。现在美国也广泛应用加筋混凝土和聚氯乙烯土工膜做渠道的护面材料。原苏联从20世纪中叶开始，大型渠道用整浇混凝土、装配式混凝土和钢筋混凝土做护面。现在，一系列从河流中取水灌溉农田的大型渠道：例如上希尔凡斯、卡尔希、南饥饿草原、大斯塔夫罗波尔等渠道都采用混凝土护面，或者是在某些渠段或者是在大部分渠段做钢筋混凝土护面。萨穆尔-阿普歇伦运河全程做护面，卡霍夫总干渠和北克里木干渠用土工膜作防渗层。

许多欧洲国家最近几年广泛应用沥青混凝土做渠道防渗层。最近20年，一些发展中国家也加强了渠道的防渗工作。在输水干渠上做防渗层，甚至做混凝土防渗护面。土库曼斯坦的卡拉库姆运河除个别渠段用沥青混凝土做防渗层外，几乎全部是土渠，没做防渗处理；额尔齐斯-卡拉干达运河用密实土和碎石做防渗层。乌克兰、印度、巴基斯坦等国都很重视渠道的防渗问题。

一方面，渠道全长采用防渗层，特别是混凝土防渗层，就要增加其造价，另一方面，没有防渗层就将增加维修和挖泥疏浚的工作量和各种不良后果的危险，即相邻区域的干涸或沼泽化，特别不好的是输水水质的下降和输水损失的增加。据报道，1975年，全世界在渠道网中损失了57%的灌溉水。而且甚至在初级护面的渠道中也损失了（蒸发和渗流）20%的输水。在印度的大型渠道上水的损失平均为47%，而在巴基斯坦的灌溉网上水损失为55%～65%［18］。

研究巴基斯坦渠道水损失机理的美国专家确定，最强烈的渗透不是渠底，而是通过渠堤，渗漏损失超过蒸发损失一倍，渗漏损失最大的渠段（占全长的5%～6%）选择护面可以使总损失从500亿m3/a下降到250亿m3/a，而全部护面的渠道渗漏损失下降到25亿m3/a。

在利用河道和已有的渠道调水时，河槽过水能力的评价、两岸允许侵没范围的确定、可能的河槽变形的预测以及防止河滩淹没的增加等都是重要的工程水文问题。

逆河道输水是最复杂的问题，也是一种研究得很少的输水形式。在某些河段上用人工的方式造成反向流动会引起水力形态过程的完全改变，改变流速流向，改变泥沙输移性质和造床过程。原苏联在研究从北方河流向伏尔加河调水时，曾研究了在下苏霍纳河上建筑梯级水利枢纽并把它变成逆河道的情况，结论是否定性的。

在许多调水工程中，特别是在山区与分水岭交叉时，输水隧洞被用做一个重要的组成部分。南非莱索托高原调水工程的输水隧洞［19，20］总长达200km，现已建成的一期工程的两条隧洞长82km。澳大利亚雪山工程共有12条隧洞，总长约145km。以色列所设计的从地中海向死海的调水工程中，输水隧洞长达80km［21］。

利用管道输水，虽然是一种先进的输水方式，但实际上是用于调水量不大（小于10亿m3/a）的工程。应用管道可以使所调的水与外部作用隔绝，保持原有的水质，且在最小的程度上改变调水线路的景观。用管道调水需要大直径的管子且耗费很大，现在世界上还没有广泛应用。

调水工况取决于取水的用途和可能性，会在很大范围内变化，许多灌溉干渠在暖季（旱季）向灌溉土地供水。而综合利用的渠道大大降低了冬季（雨季）的调水量。例如，卡拉库姆运河［22］取水首部夏季的流量为400～500m3/s，亦即接近于它的最大过流能力，而在每年的11月到下一年的1月流量降到200m3/s。额尔齐斯-卡拉干达运河［11］的供水量现在仅为设计值的1/2，即从夏季几个月的40m3/s到冬季的10m3/s。

从供水河流的取水到受水区的用水的比较表明，调水工况是柔性可变的，年年月月都在变化。在理想状态下，大型跨流域调水工程应该像发电系统一样发挥作用：保证高峰用水，大大降低多水年份和多水季节的调水量，根据各区域的水量变动幅度实现水从一个系统向另一个系统的转移［23］。为此，在大、中型跨流域调水工程的输水线路中，沿途利用低凹地形修建调节水库和蓄水设施，这在国外的大中型调水工程中是一种普遍现象，因此不再一一举例说明。

跨流域输水工程中的隧洞与护面设计

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