南水北調(diào)渠道填筑質(zhì)量與安全監(jiān)測(cè)方法

艾明明，王珍萍，馬洪亮，何香凝

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021）

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南水北調(diào)渠道填筑質(zhì)量與安全監(jiān)測(cè)方法

艾明明，王珍萍，馬洪亮，何香凝

（中水東北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，吉林 長(zhǎng)春 130021）

［摘 要］南水北調(diào)中線干線工程輸水明渠沿線所經(jīng)地質(zhì)條件復(fù)雜，高填方渠道全長(zhǎng)137.1 km，最大填方高度達(dá)到23.2 m，渠道土方填筑施工質(zhì)量將直接影響工程的安全平穩(wěn)運(yùn)行。施工過(guò)程中和完工后，工程采用了多種質(zhì)量檢測(cè)方法對(duì)土方填筑施工質(zhì)量進(jìn)行了檢測(cè)和隱患排查。同時(shí)，設(shè)計(jì)選取了典型監(jiān)測(cè)斷面和一般監(jiān)測(cè)斷面布設(shè)變形和滲流監(jiān)測(cè)設(shè)施，既可作為檢驗(yàn)工程施工質(zhì)量的輔助手段，又可監(jiān)控渠道工程在施工期和運(yùn)行期的安全狀況。

［關(guān)鍵詞］南水北調(diào)；渠道填筑；質(zhì)量檢測(cè)；隱患排查；安全監(jiān)測(cè)

南水北調(diào)工程是實(shí)現(xiàn)我國(guó)水資源優(yōu)化配置、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展、保障和改善民生的重大戰(zhàn)略性基礎(chǔ)設(shè)施。南水北調(diào)中線一期工程輸水干線全長(zhǎng)1 432 km，主要采用明渠輸水，要穿越煤礦采空區(qū)、膨脹土（巖）區(qū)、濕陷性黃土區(qū)、砂質(zhì)土區(qū)等特殊地質(zhì)條件地區(qū)，其中填方高度大于6 m的高填方渠道全長(zhǎng)137.1 km，最大填方高度達(dá)到23.2 m。因此渠堤土方填筑施工的質(zhì)量控制尤其重要，將直接影響工程的安全平穩(wěn)運(yùn)行。

施工期，渠道填筑施工采取了多種手段進(jìn)行質(zhì)量控制與檢測(cè)，層層管控。通水前，建設(shè)單位又委托了第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)對(duì)高填方渠道分批開(kāi)展了一次獨(dú)立系統(tǒng)全面的質(zhì)量檢測(cè)和隱患排查工作。此外，設(shè)計(jì)布設(shè)的變形和滲流監(jiān)測(cè)設(shè)施既可作為檢驗(yàn)工程施工質(zhì)量的輔助手段，又可監(jiān)控渠道工程在施工期和運(yùn)行期的安全狀況。

1　土方填筑施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和檢查方法［1］

南水北調(diào)中線干線工程渠道土方填筑主控項(xiàng)目施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和方法見(jiàn)表1。

一般項(xiàng)目施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和方法見(jiàn)表2。

2　質(zhì)量檢測(cè)方法

土方填筑施工過(guò)程中在渠底清基碾壓完成后按500 m2一次且不少于3個(gè)點(diǎn)進(jìn)行壓實(shí)度檢測(cè)，以渠道中心線和左、右邊線，間距10～15 m布設(shè)高程控制線，用測(cè)量?jī)x器、2 m靠尺等工具檢驗(yàn)高程、渠底平整度等指標(biāo)。對(duì)渠道與交叉建筑物結(jié)合部位，如墩柱周圍和排水建筑物兩側(cè)部位，每層壓實(shí)度檢測(cè)點(diǎn)應(yīng)均勻分布且不少于3點(diǎn)［2］。

表1　土方填筑主控項(xiàng)目施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和方法

表2　土方填筑主一般項(xiàng)目施工質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)和方法

2.1環(huán)刀法檢測(cè)壓實(shí)度［3］

粘性土填筑土料的壓實(shí)度使用環(huán)刀法進(jìn)行檢測(cè)，這是測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)密度的傳統(tǒng)方法。國(guó)內(nèi)習(xí)慣采用的環(huán)刀容積通常為200 cm3，環(huán)刀高度通常約5 cm。用環(huán)刀法測(cè)得的密度是環(huán)刀內(nèi)土樣所在深度范圍內(nèi)的平均密度，它不能代表整個(gè)碾壓層的平均密度。由于碾壓土層的密度一般是從上到下逐漸減小，為了得到整個(gè)碾壓層的平均壓實(shí)度，在用環(huán)刀法測(cè)定土的密度時(shí)，應(yīng)使環(huán)刀所取的土恰好是碾壓層中間的土，這樣環(huán)刀法所得的結(jié)果才可能與灌砂法的結(jié)果大致相同。

環(huán)刀法使用的儀器設(shè)備包括環(huán)刀、天平、切土刀或鋼絲鋸等，操作步驟包括取樣、稱重和計(jì)算。

2.2灌水法檢測(cè)壓實(shí)度

灌水法檢測(cè)壓實(shí)度試驗(yàn)方法適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定粗粒土和巨粒土的密度。主要檢測(cè)設(shè)備包括：直徑均勻并附有刻度的儲(chǔ)水筒；方形或圓形的套環(huán)；水準(zhǔn)儀及臺(tái)秤等。灌水法相比于灌砂法優(yōu)點(diǎn)在于適用于巨粒土的檢測(cè)，費(fèi)用低，但其缺點(diǎn)在于誤差較灌砂法更大。

南水北調(diào)中線一期工程總干渠邯邢段分布著范圍較廣的泥礫層，粒徑含量不滿足規(guī)范對(duì)堤防防滲體填筑的要求。經(jīng)試驗(yàn)研究和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析比較，該渠段采用泥礫作為填筑土料。施工過(guò)程中，泥礫填筑渠段壓實(shí)度檢測(cè)采用了灌水法，最小坑深為單層碾壓厚度，套環(huán)直徑150 cm、高20 cm［4，5］。

2.3灌砂法檢測(cè)壓實(shí)度

灌砂法適用于現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定細(xì)粒土、砂類土和礫類土的密度。試樣最大粒徑一般不得超過(guò)15 mm。測(cè)定密度層的厚度為150～200 mm。

其基本原理是利用粒徑0.30～0.60mm或0.25～0.50 mm清潔干凈的均勻砂，從一定高度自由下落到試洞內(nèi)，按其單位重不變的原理來(lái)測(cè)量試洞的容積（即用標(biāo)準(zhǔn)砂來(lái)置換試洞中的集料），并根據(jù)集料的含水量來(lái)推算出試樣的實(shí)測(cè)干密度。

主要檢測(cè)設(shè)備包括：密度測(cè)定器、天平。

2.4探地雷達(dá)探測(cè)隱患

探地雷達(dá)屬于快速無(wú)損物探設(shè)備，可用于對(duì)渠堤內(nèi)洞穴、松散體、砂層、滲水段、護(hù)坡或建筑物閘室底板脫空以及其它與建筑材料有介電常數(shù)差異的異常體進(jìn)行隱患詳查。其工作原理是根據(jù)電磁波在不同介質(zhì)中傳播特性不同而進(jìn)行探測(cè)的，由探地雷達(dá)發(fā)射天線發(fā)出的電磁脈沖向地下傳播，在存在電性差異的界面產(chǎn)生反射，反射波被雷達(dá)接收天線接收并被儀器記錄下來(lái)。通過(guò)分析研究反射波的振幅及相位等波形特征，可對(duì)地下目標(biāo)體的性狀作出一定程度的判別。探測(cè)時(shí)，可根據(jù)具體情況選用剖面法、透射法、寬角法或共中心點(diǎn)法等探測(cè)方法［6］。

采用探地雷達(dá)法探測(cè)渠道隱患的前提條件是隱患與周邊介質(zhì)之間有明顯的介電常數(shù)差異，這種差異越大，探測(cè)效果越好。隱患的埋設(shè)及規(guī)模需達(dá)到探測(cè)設(shè)備保證的探測(cè)距離范圍、分辨能力要求。探測(cè)時(shí)一般沿渠道布設(shè)測(cè)線，施測(cè)時(shí)點(diǎn)測(cè)間距一般選擇0.1～1.0 m之間，或采用連續(xù)測(cè)試方法。在探測(cè)隱患時(shí)，要盡量考慮保證探測(cè)距離和分辨率，并結(jié)合實(shí)際情況選擇中心頻率。

2.5瑞利波電磁測(cè)試儀檢測(cè)隱患

瑞利波測(cè)試技術(shù)在工程中已應(yīng)用于巖土物理力學(xué)參數(shù)原位測(cè)試、工程勘察及地基土類型的劃分、強(qiáng)夯法處理軟弱地基效果的評(píng)價(jià)、飽和砂土層的液化判別和工程質(zhì)量檢測(cè)等方面［7］。

進(jìn)行隱患探測(cè)時(shí)，一般沿渠道布設(shè)測(cè)線，電極距一般等于測(cè)點(diǎn)距，其距離不大于2 m。探測(cè)過(guò)程中MN保持不變，其距離等于1個(gè)電極距。探測(cè)深度應(yīng)保證至少深入渠基4 m。

3　安全監(jiān)測(cè)方法

3.1表面變形監(jiān)測(cè)

表面變形監(jiān)測(cè)包括垂直位移監(jiān)測(cè)和水平位移監(jiān)測(cè)。

1）垂直位移監(jiān)測(cè)

垂直位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括水準(zhǔn)基點(diǎn)、水準(zhǔn)工作基點(diǎn)、垂直位移測(cè)點(diǎn)。水準(zhǔn)基點(diǎn)用來(lái)校測(cè)水準(zhǔn)工作基點(diǎn)的穩(wěn)定情況，位于穩(wěn)定區(qū)域；水準(zhǔn)工作基點(diǎn)用來(lái)測(cè)定垂直位移測(cè)點(diǎn)的垂直位移，位于相對(duì)穩(wěn)定區(qū)域且便于觀測(cè)垂直位移測(cè)點(diǎn)。

該工程渠道垂直位移監(jiān)測(cè)采用國(guó)家二等水準(zhǔn)要求施測(cè)。

2）水平位移監(jiān)測(cè)

水平位移監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括水平位移工作基點(diǎn)和位移測(cè)點(diǎn)。工作基點(diǎn)本身結(jié)構(gòu)應(yīng)該穩(wěn)定、堅(jiān)固，埋設(shè)在穩(wěn)定的原狀土或基巖上，墩頂安裝強(qiáng)制對(duì)中底盤。位于測(cè)點(diǎn)結(jié)構(gòu)形式與工作基點(diǎn)接近，或采用與垂直位移測(cè)點(diǎn)公用的綜合測(cè)點(diǎn)。

水平位移監(jiān)測(cè)方法包括前方交會(huì)法、視準(zhǔn)線法、極坐標(biāo)法、GPS法。

3.2內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)

1）內(nèi)部垂直位移監(jiān)測(cè)

南水北調(diào)中線干線工程多采用電磁式沉降儀監(jiān)測(cè)渠道內(nèi)部垂直位移。其工作原理是：在填方渠堤內(nèi)部鉆孔安裝埋設(shè)沉降管，在套管外壁隔一定間距布設(shè)沉降感應(yīng)磁環(huán)，用沉降探頭感應(yīng)并確定每個(gè)磁環(huán)的位置，以此計(jì)算渠堤內(nèi)部不同深度處的沉降量。

2）內(nèi)部水平位移監(jiān)測(cè)

南水北調(diào)中線干線工程使用的內(nèi)部水平位移監(jiān)測(cè)儀器設(shè)備有多點(diǎn)位移計(jì)、單點(diǎn)位移計(jì)、活動(dòng)測(cè)斜儀和固定測(cè)斜儀。

3.3滲流監(jiān)測(cè)

滲流監(jiān)測(cè)內(nèi)容主要包括滲流壓力監(jiān)測(cè)、滲流量監(jiān)測(cè)。其中滲流壓力通過(guò)安裝埋設(shè)滲壓計(jì)和測(cè)壓管進(jìn)行監(jiān)測(cè)，渠道滲流量監(jiān)測(cè)常采用容積法。

3.4安全監(jiān)控指標(biāo)

南水北調(diào)中線干線工程總干渠設(shè)計(jì)涉及到多家設(shè)計(jì)單位，對(duì)渠道沉降、邊坡水平位移和滲流提出的監(jiān)控指標(biāo)不一致，總體情況概述如下：

1）渠道沉降監(jiān)控指標(biāo)

渠道填筑最終沉降量設(shè)計(jì)采用分層綜合法進(jìn)行計(jì)算，施工期沉降量按最終沉降量的80%估算，渠道預(yù)留沉降量為最終沉降量的20%。

2）渠道邊坡水平位移監(jiān)控指標(biāo)

各級(jí)馬道以下水平位移不超過(guò)0.2%H（H為自渠底計(jì)算的挖深），水平位移速率不大于2mm/d。

3）渠道滲流監(jiān)控指標(biāo)

渠道各監(jiān)測(cè)斷面滲壓計(jì)的警戒值，根據(jù)渠道不同運(yùn)行情況，采用渠外水位與渠內(nèi)水位聯(lián)合分析制定：為保證渠道混凝土襯砌板的抗浮穩(wěn)定，設(shè)計(jì)要求渠外水位高于渠內(nèi)水位（或檢修期高于渠底）不大于一定限值（按渠段分為8，10，11 cm）；逆止閥內(nèi)排渠段，若發(fā)現(xiàn)渠外水位高于渠內(nèi)水位5 cm以上，則說(shuō)明逆止閥排水通道不暢，需檢修、清淤。

4　結(jié)語(yǔ)

南水北調(diào)中線干線工程輸水明渠沿線所經(jīng)地質(zhì)條件復(fù)雜，渠道土方填筑施工質(zhì)量直接影響著工程的安全平穩(wěn)運(yùn)行。在工程建設(shè)的不同階段，結(jié)合實(shí)際采用多種方法進(jìn)行了質(zhì)量檢測(cè)和隱患排查，輔助進(jìn)行工程安全監(jiān)測(cè)，既可達(dá)到控制渠道土方填筑施工質(zhì)量的目的，又可監(jiān)控渠道工程在不同時(shí)期的安全狀況，對(duì)國(guó)內(nèi)引調(diào)水工程的施工和運(yùn)行具有十分重要的指導(dǎo)和借鑒意義。

［參考文獻(xiàn)］

［1］NSBD7-2007，南水北調(diào)中線一期工程渠道工程施工質(zhì)量評(píng)定驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)（試行）［S］.

［2］南水北調(diào)中線干線工程渠道混凝土襯砌施工操作指南（試行）［S］.

［3］SL237-1999，土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［4］張同穎，賈文利.南水北調(diào)中線邯邢渠段泥礫開(kāi)挖料填筑利用試驗(yàn)［J］.南水北調(diào)與水利科技，2013（6）：217—222.

［5］付明軍，勞道安.南水北調(diào)中線工程河北省磁縣段泥礫土筑堤方案研究［J］.南水北調(diào)與水利科技，2011（2）：9—11.

［6］岳松濤，李益.快速無(wú)損檢測(cè)設(shè)備在南水北調(diào)工程渠道邊坡檢測(cè)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代儀器，2009（1）：73—75.

［7］靳國(guó)禮，劉洋.瑞利波測(cè)試技術(shù)及其應(yīng)用［J］.山西建筑，2010（2）：155—156.

［中圖分類號(hào)］TV52+3；TV551.1+1

［文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼］A

［文章編號(hào)］1002—0624（2016）07—0063—03

［收稿日期］2015-12-11