【摘  要】  南水北调中线工程是国家一等供水工程，设计标准都很高，如大型建筑物按100年一遇洪水设计、 300年一遇洪水校核，左右岸排水工程按
50年一遇洪水设计、200年一遇洪水校核，渠道堤防工程按50年一遇洪水设计。中线总干渠沿线地形地质、水文气象复杂多变， 在渠道设计的每个环节均
应执行规范、坚持创新、精心设计。
【关键词】  南水北调中线工程；渠道；高标准设计
中图分类号:TV67                   文献标识码：B             文章编号：1000-0860（2005）04-0009-03

                         Persisting in technology innovation and enhancing project design level：
                               Mid-route of South-to-North Water Transfer Project
                                          ZHAO Chun-suo，WANG Liu-quan
        （Hebei Research Institute of Investigation and Design of Water Conservancy and Hydropower，Tianjin  300250，China）
Abstract : The Mid-route of South-North Transfer Project is the national first-grade water supply project with high design standard.
For example,the large scale structure are designed with  100 years-flood  and checked with 300 years-flood, and the drainage projects
designed with  50  years-flood  as well. As the geological and hydrological conditions  along the channel are complicated, the design
must be made with the specifications concerned strictly under theprinciple of “Persisting in  technology  innovation  and  enhancing 
project design level”.
Key words:  Mid-route of South-North Transfer Project；channel；design 
1  引  言
    南水北调中线总干渠河北段从太行山前与平原交界的地带通过，其中有2/3渠长为平原段，1/3渠长穿越低山丘陵区，其地形、地质、水文条件极为复
杂，沿线经济发达，人口密集，大小城市众多，又受当地水利、交通、城镇设施交错影响，设计中遇有许多技术难题。如总干渠防洪安全方面遇到了中小
流域的无资料地区的水文分析、区域洪水组合、渠道左岸排水防洪设计、以及穿越宽浅游荡性河道的安全等问题。又如总干渠渠线优化选择、水头合理分
配、地下水位预测、渠道防渗防冻胀等问题。由于中线工程规模大，输水距离长，要求洪水保证率高，工程安全问题为各界所关注，技术上的复杂性也是
首次遇到，设计中不仅要依据现行规范，还要开展科研试验，坚持技术创新，进行精心设计，要为国家提交出一套质量优秀、水平较高的设计成果。
2  洪水计算
2.1  首次采用提出了暴雨定点定面同频率折减系数的分析成果
    河北省以往设计暴雨均采用动点动面折算系数计算，为防止设计暴雨计算成果偏小，进行了同频率定点定面关系分析。本次分析在总干渠沿线共选择
了10个计算区、98个站点、2672个站年资料进行统计分析，求得定点定面同频率暴雨折减系数综合成果。该成果100km2以上的较大面积其折减系数均大于
动点动面成果，100km2以下的小面积折减系数较动点动面系数略小，比较符合河北省暴雨产生的规律，保证了水文设计成果的合理性和安全性。
2.2  首次对浅山区小流域汇流参数进行了分析
    由于京广铁路沿线浅山区的雨洪资料偏少，这一带一直是河北省研究产汇流关系的空白区。因此采取了3项措施：（1）从1994年起在邯、邢、石、保
段设立了10个小流域雨洪观测站；（2）抓住新发生的“96.8”大洪水机遇,及时进行了调查和实测雨洪资料的收集分析；（3） 集中我省水文力量，利用
所有雨洪资料对汇流参数m值进行了单站和地区综合分析。为中线总干渠交叉河沟设计洪水计算提供了m值的选用依据。
2.3  首次提出串流区洪水的计算思路
    当总干渠建成后相当于一道南北向的挡水大堤，阻拦了京广铁路以西坡水区的排洪出路，由于特殊的地形和河道发育不充分，大小河沟和坡水区洪水
析易串流成片，若无相应措施，必将威胁总干渠的防洪安全，为此1994年我省提出了为解决“串流区洪水”计算的新问题，引进和改进了二维数学模型，
为渠道堤防和左岸排水工程设计提出了合理的设计洪水成果；同时还利用和开展了二维水沙数模和水沙物模试验，解决了宽荡性河流及分叉河道的水力学
计算问题，为确定建筑物规模和布置及基础深度等提供了重要依据。
3  渠道设计
3.1  渠道线路选优
    总干渠线路的选定是中线工程建设的基础， 为了做到工程的经济合理、安全可靠、满足输水任务， 实行线路优选极为关键。 河北段总干渠全长461
km，途经地区有265km的山前平原区，120km的低山丘陵区，76公里的凹凸垄岗区， 穿越200条大小河流，36处坡水区，渠线还遇有膨胀土区、砂土震动液
化区、煤矿采空区、湿陷性黄土区、以及宽浅游荡性河道的泛滥区。 为此用近10年时间进行了渠线优选工作， 除进行必要的外业勘测外，多次组织专家
进行了大规模现场踏勘，并对深挖方、高填方、压煤区、隧洞等特殊段进行多方案比较，终于优化得出了现在选定的输水渠线。
3.2  采用动态规划法进行水头优化
    河北渠段总长461km，总水头31.6m，在扣除50多座建筑物需要水头后，渠道设计水面纵坡为1/20000～1/30000，水头极为紧张。按照以最小投资获得
最大效益的原则，对水头分配给建筑物还是给渠道，在渠道上分配给难方段、特殊渠段还是一般渠段，采用动态规划法以系统多阶段决策过程求整体系统
得最优决策方案，前后进行了三次水头优化，使河北段水头分配做到了比较经济合理的配置。
3.3  设计断面优化
    理论上以水力最优断面最经济，而梯形最优断面为窄深式，但要做到其边坡稳定、施工开挖以及管理方便则增加了难度。实用经济断面的优劣指标以
设计断面对水力最佳断面的偏离系数α值来表示，一般α值在1.0～1.04均视为满足设计要求。河北各渠段设计的断面的水深由南往北为6.0、5.0、4.5、
4.3m等，分析其α值大部分在1.02－1.03，少部分为1.04，说明基本达到了设计断面的优化指标。
3.4  地下水位预测
    当地下水位高于渠水位或渠道无水而地下水位高于渠底时，将产生扬压力对衬砌板的破坏，由于渠道衬砌板结构仅10cm左右，内外水头差在15cm时，
即可使衬砌板浮起而破坏，因此设计中必须满足抗浮稳定要求。
    地下水位设计标准的确定是关键。总干渠河北段沿线缺乏长系列地下水位观测资料，但经调查，近50年来曾出现过1954～1956连续三年的丰水年，19
63～1964年为连续两年的丰水年，近10年来出现1995、1996年为两个连续丰水年，但以连续3个丰水年时的地下水位上升最高并作为设计标准，即在 1996
年地下水位基础上，再加上1956年降雨补给地下水位的增值作为预测的地下设计水位，其重现期即为50年理由。 据此河北省段461km渠段地下水位高出渠
底以上的渠道长93.27km，其中高出渠道设计水位的渠道长19.7km。
    近20多年来，由于气候干旱，地下水位呈逐年下降趋势，据沿线资料，除1996年大洪水沿线地下水位上升较多外，至2003年的地下水位较1996年一般
下降6～10m，最大值达18m之多,在灌区范围下降较少。说明河北段沿线地下水位与大气降水的丰枯变化关系密切。地下水位的预测和采用标准是合理的。
3.5  防渗、防冻胀设计
    中线工程是解决京津华北地区缺水的战略性举措，因此在防渗设计中， 采取了双保险措施，全部渠道实行混凝土衬砌，厚度为8～10cm，既防渗漏又
减少糙率，衬砌板以下，铺设一层复合土工膜，作为第二道防线。据试验资料，防渗效果可达90～98%。
    河北渠段冬季负温多达110～128d，极端低温达-19.8℃～-23.4℃，最大冻土深度达42～75cm。 在负温下冻土膨胀衬砌的应力超过砌体强度时，即发
生裂缝，冻胀体的多次循环而破坏。为保证总干渠安全输水，河北省从1994年起就建混凝土防冻胀试验场，并在大浪淀水库、石津渠开展了既有工程的现
场观测，同时收集了华北地区渠道混凝土衬砌防冻措施和效果的资料，作为总干渠设计的参考。
    经河北省近5年的试验结果，还采用了隔热保温法和置换法。 隔热保温法即在防渗层下铺设聚苯乙烯泡沫板，置换法即以非冻胀的砂砾料垫层置换为
保温层。
4  供水区配套规划
    为了充分发挥中线工程的供水效益，使当地地表水、地下水、引江水等多种水资源得到优化配置，为实现受水区水土资源、经济社会、生态环境的可
持续发展，从1994年开始，就开展了中线工程河北省配套工程的规划工作，1996年完成了 《南水北调中线工程河北省配套工程初步规划》； 2003年完成
了《南水北调中线工程河北省配套工程规划》（送审稿）。规划实施后， 河北省供水范围的7个设区市，93个县（市），6.21万km2，110个供水目标，基
本形成了两纵六横十库的水资源输配水工程布局，两纵即南水北调中线、东线（近期引黄线）；六横即白村干渠、赞善干渠、石津干渠、沙河干渠、天津
干渠、廊坊干渠；十库为东武仕、朱庄、岗南、黄壁庄、王快、西大洋水库、白洋淀、千顷洼、大浪淀、广阳水库。这些工程的实施必将为河北省社会经
济的可持续发展提供重要的保证。