2.3　穿黄工程设计解决的难题

2.3.1　初步设计方案影响复杂

穿黄工程线路总长7.87km，明渠、滩地埋管、穿黄隧洞、水闸都会导致相当大的水头损失。如何合理地确定穿黄工程进、出口水位，分期输水流量，建筑物的布置和型式;如何确定输水建筑物的进出口底高程、坡度、孔径，合理地将可利用的总水头分配给各个建筑物，是调水工程设计的一个重要问题。这不仅影响工程的输水能力，而且还决定了工程投资、施工能否顺利进行、后期的运行管理，以及当地的生态环境、生产生活方式，甚至影响黄河大堤的安全。

2.3.2　地层—结构法滩地埋管结构优化难度大

钢筋混凝土埋涵可按传统的荷载—结构法或地层—结构法分析。虽然后者更能反映结构的真实受力状态，但在结构优化领域很少用于工程实践。因为埋涵优化设计属多场、多工况、多变量、多约束和多目标的复杂的离散变量优化问题。对于形状优化问题，几何参数改变后网格的重新生成无法保证质量。其次，结构尺寸、钢筋直径和间距等是离散变量，传统的解析算法无法胜任。另外，优化设计在满足材料最省的目标时，还要满足极限状态和构造要求。这些都给地层—结构法优化设计带来了挑战。

2.3.3　规范开挖边坡稳定分析方法存在缺陷

南水北调东线工程建设中有大量的渠道土质边坡，一旦失稳，不但影响南水北调工程建设的正常运行，而且可能造成巨大的经济损失和人员伤亡，因此其稳定性问题一直备受人们关注。

南干渠渠道边坡高5～6m，岩性主要为现代河流冲积层壤土、黏土和砂壤土，土层抗剪强度指标较高，地下水位高出渠底1～2m，边坡的整体稳定性较好，但边坡土层分布情况比较复杂，局部(豆山桥至淹豆桥之间)渠底砂类土较多的地段，输水运行期和检修期应考虑输水冲刷及水位变化对边坡稳定的影响。

目前，国内土质边坡稳定研究主要集中在高土石坝、交通道路高边坡等，极少研究大型渠道土质边坡稳定问题。传统渠道边坡设计主要依据《灌溉与排水工程设计规范》(GB 50288—1999)和《堤防工程设计规范》(GB 50286—1998)，稳定分析方法主要采用瑞典圆弧法或根据经验确定渠道边坡坡度，也可参照碾压式土石坝设计规范。上述规范中涉及渠道边坡稳定分析的相关规定见表2-1。

表2-1　渠道边坡稳定分析方法

传统的刚性极限平衡在理论上存在明显的缺陷，计算结果误差较大，难以准确地评价边坡安全性。借助于有限元对边坡进行弹塑性流固耦合分析，根据等效塑性应变确定边坡最危险滑面的位置，并计算滑面上分布的正应力与切应力，计算基于“应力水平”的安全系数。该方法能够真实反映应力状态，克服极限平衡法的缺点，适用于任意复杂的边界条件。

使用有效强度参数分析边坡稳定时，可以得到真实的最危险滑动面。但是只有将有效强度参数与孔隙水压力结合，它们才有意义。孔隙水压力和强度参数本身同样重要。稳定分析应准确获得孔隙水压力分布。传统的极限平衡法无法确定土体中孔隙水压力分布。

2.3.4　干渠防渗、防冻、防扬压要求高

南干渠沿线冬季气温低、地下水位高，渠床土质多为粉黏粒含量高的冻胀性土壤，且有湿陷性黄土渠段，输水渠全线的工程地质、水文地质条件非常复杂。输水渠道是远距离调水工程的基本载体，防渗是保证渠道安全输水的关键。因此，输水渠全线渠道必须采取防渗衬砌措施，以减少渗漏、降低糙率，提高输水能力及抗冲能力。而采取防渗衬砌措施后，如何防止渠床冻胀、地下水扬压力和湿陷性黄土变形对衬砌体的破坏，是保证渠道安全的关键。

2.3.5　堵水和排水难度大

穿黄工程线路全长7.87km，穿越黄河及其滩地，连通东平湖和鲁北小运河，地形、地质条件复杂，地下水位较高。尤其是穿黄隧洞，位于地面以下约70m，具有黄河水、孔隙水、岩溶裂隙水“三水相通”特征，工程施工稍有不慎可能带来严重的后果。施工时要高度关注堵水和排水的问题。

2.3.6　地基饱和砂土地震液化问题与地基处理

穿黄工程除穿黄隧洞围岩为基岩外，其余建筑物位于黄河滩地，地基分布第四系全新统砂陆土和砂土，且处于Ⅶ度地震区，因此地基饱和砂土地震液化问题不容忽视。对穿引黄渠埋涵和滩地埋管地基土应采用综合手段进行地震液化判断，并对可液化土层提出地基处理措施。