南水北調(diào)工程高填方渠堤沉降變形分析

崔鐵軍，何國(guó)偉，馬洪亮，蔡云波

（1.南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局河北分局，河北石家莊050035；2.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130061）

1 工程概況

南水北調(diào)中線一期工程，從加高擴(kuò)容后的丹江口水庫(kù)陶岔渠首閘引水，沿線開(kāi)挖渠道，經(jīng)唐白河流域西部過(guò)長(zhǎng)江流域與淮河流域的分水嶺方城埡口，沿黃淮海平原西部邊緣，在鄭州以西李村附近穿過(guò)黃河，沿京廣鐵路西側(cè)北上，可基本自流到北京、天津。

南水北調(diào)中線為Ⅰ等工程，總干渠渠道按1 級(jí)建筑物設(shè)計(jì)，輸水干線全長(zhǎng)1432.493 km。磁縣管理處是干線重要組成部分，位于河北省磁縣境內(nèi)，起點(diǎn)樁號(hào)0+000，終點(diǎn)樁號(hào)40+056，該段長(zhǎng)度40.056 km，其中，渠道長(zhǎng)38.986 km。磁縣段填方段長(zhǎng)度為5.152 km，填筑高度在10～16 m 之間。下面我們從設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)效果等方面，來(lái)對(duì)磁縣段高填方渠堤的工程性態(tài)進(jìn)行分析研究。

2 渠堤填筑設(shè)計(jì)

磁縣段渠道采用明渠自流輸水方案，高填方渠段設(shè)計(jì)底寬為17.5～24.0 m，設(shè)計(jì)水深6 m，堤頂寬5 m。邊坡系數(shù)為2.0～3.5，設(shè)計(jì)縱坡為1/23000～1/26000。

經(jīng)過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，高填方渠堤的填筑材料選擇土料場(chǎng)土料或可利用的渠道挖方土料。填筑的土料需要達(dá)到一定的密實(shí)度，主要為了使土料能得到預(yù)計(jì)的抗剪強(qiáng)度、一定的滲透系數(shù)和較小的沉陷變形，減小粘性土的表面裂縫，減少其在填筑過(guò)程中的孔隙壓力，并使碾壓時(shí)所花費(fèi)的壓實(shí)功能為最小，消除非粘性土液化的可能性。

2.1 土料填筑設(shè)計(jì)

2.1.1 填筑設(shè)計(jì)干容重

渠堤各段設(shè)計(jì)填筑干容重，按下式計(jì)算：

式中：γd——設(shè)計(jì)填筑干容重；p——填筑土料壓實(shí)度，取0.98；γdmax——標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)最大干容重。

根據(jù)土料場(chǎng)擊實(shí)試驗(yàn)成果，大部分料場(chǎng)土質(zhì)較好，最大擊實(shí)干容重較高?？紤]填筑土料的不均勻性以及施工條件與試驗(yàn)條件的差異，設(shè)計(jì)填筑干容重取16.2 kN/m3。

2.1.2 設(shè)計(jì)填筑含水量

填筑含水量應(yīng)控制在最優(yōu)含水量附近，其上、下限偏離最優(yōu)含水量不超過(guò)±（2%～3%），渠道設(shè)計(jì)填筑含水量取填土的擊實(shí)試驗(yàn)最優(yōu)含水量的平均值，公式如下：

式中：ω0——設(shè)計(jì)填筑含水量；——標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)最優(yōu)含水量的平均值。

根據(jù)料場(chǎng)勘察成果，大部分料場(chǎng)天然含水量與最優(yōu)含水量接近，可直接填筑，部分料場(chǎng)差別5%左右，考慮到開(kāi)挖和儲(chǔ)運(yùn)過(guò)程中含水量有可能降低，施工過(guò)程中按現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)指標(biāo)取用。

2.1.3 顆粒組成

土料的力學(xué)性質(zhì)是由其顆粒組成、顆粒形狀、礦物成分所決定的，顆粒組成是影響土的力學(xué)性質(zhì)的主要因素。土的級(jí)配好，則壓實(shí)性能好，可以得到較高的干容重、較小的滲透系數(shù)及較大的抗剪強(qiáng)度。選擇級(jí)配良好的土料可以得到優(yōu)良的物理力學(xué)性質(zhì)。

1）粘粒含量。渠堤填筑的土料要求粘粒含量15%～30%。如果粘粒含量高，土塊不易分散，含水量不易均勻，施工操作困難。用高粘性土筑堤，若填筑后含水量降低，則表面容易干縮，出現(xiàn)裂縫。

2）水溶鹽、有機(jī)質(zhì)含量。水溶鹽含量（指易溶鹽和中溶鹽，按質(zhì)量計(jì)）不大于3%；有機(jī)質(zhì)含量（按質(zhì)量計(jì)）不大于5%。

3）塑性指數(shù)。塑性指數(shù)10～20，且不得含有植物根莖、垃圾等雜質(zhì)。

2.2 高填方渠堤沉降量計(jì)算

2.2.1 計(jì)算參數(shù)

沉降計(jì)算參數(shù)參考渠道沿線的巖性資料選取，所有填筑土的壓縮模量Es參考取8.9 MPa，容重取19.3 kN/m3。

2.2.2 渠堤沉降量計(jì)算

渠道沉降采用分層總和法計(jì)算土渠渠堤和渠基的沉降量。

1）渠堤和渠基分層原則。①渠堤分層厚度不大于1/5 堤高；②均質(zhì)渠基分層厚度不大于渠堤底寬的1/4；③非均質(zhì)堤基，按渠基土的性質(zhì)和類(lèi)別劃分計(jì)算層，但每層厚度不大于渠堤底寬的1/4。

2）壓縮層厚度確定。堤基壓縮層厚度，按下式計(jì)算：

式中：σZ——堤基計(jì)算層面處土的自重應(yīng)力，kPa；σB——堤基計(jì)算層面處土的附加應(yīng)力，kPa。

實(shí)際壓縮層的厚度小于上式計(jì)算值時(shí)，按實(shí)際壓縮層的厚度計(jì)算其沉降量。

3）附加應(yīng)力計(jì)算。堤身的邊界條件以及堤基的變形條件對(duì)堤身或堤基的應(yīng)力均有影響，堤身能夠適應(yīng)堤基的變形，屬柔性基礎(chǔ)，其基底壓力為梯形分布，因此，堤身對(duì)地基中任意點(diǎn)引起的附加應(yīng)力，可將豎向梯形分布?jí)毫Ψ纸鉃閮蓚€(gè)三角形分布?jí)毫鸵粋€(gè)均布?jí)毫?，利用角點(diǎn)法計(jì)算，然后疊加得到地基的附加應(yīng)力。

4）最終沉降量計(jì)算。堤身和堤基的最終沉降量按下式計(jì)算：

式中：s∞——渠堤和渠基的最終沉降量，cm；pi——第i計(jì)算層渠基或渠堤由上部荷載引起的附加應(yīng)力，kPa；Esi——第i計(jì)算層土料的壓縮模量；n——渠堤和渠基的分層總數(shù)目；hi——第i層土層厚度，cm。

渠堤和渠基分別計(jì)算最終沉降量，兩者相加即為總沉降量。

3 監(jiān)測(cè)設(shè)施布置

高填方渠段布設(shè)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括：巡視檢查、變形監(jiān)測(cè)、滲流監(jiān)測(cè)及凍脹監(jiān)測(cè)等，文中選取磁縣管理處高填方0+420～1+800 渠段，對(duì)高填方渠堤沉降變形進(jìn)行分析研究。

高填方0+420～1+800 渠段每間隔90 m 布設(shè)1個(gè)一般監(jiān)測(cè)斷面，每個(gè)斷面各布設(shè)一個(gè)垂直位移觀測(cè)點(diǎn)，位于堤頂外側(cè)。區(qū)間包括兩個(gè)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面：0+600 和1+000，其中0+600 斷面除堤頂垂直位移測(cè)點(diǎn)外，還設(shè)有沉降管，1+000 斷面除堤頂垂直位移測(cè)點(diǎn)外，還設(shè)有多點(diǎn)位移計(jì)，沉降管和多點(diǎn)位移計(jì)用來(lái)監(jiān)測(cè)渠堤內(nèi)部分層沉降變形監(jiān)測(cè)。

4 變形監(jiān)測(cè)成果分析

4.1 渠堤內(nèi)部變形監(jiān)測(cè)

0+600 斷面左側(cè)堤頂安裝1 根沉降管，1+000斷面右側(cè)堤頂安裝1 套多點(diǎn)位移計(jì)，用于監(jiān)測(cè)渠堤內(nèi)部分層沉降變形情況。

通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)資料的整理可知，沉降磁環(huán)整體沉降規(guī)律正常，符合高填方渠堤沉降變形一般規(guī)律，靠近渠堤堤頂測(cè)點(diǎn)沉降量較大，隨著測(cè)點(diǎn)安裝高程降低，測(cè)點(diǎn)沉降變形量逐漸減小。

從變形過(guò)程可知，多點(diǎn)位移計(jì)的各測(cè)點(diǎn)絕對(duì)位移值在18.23 mm 以內(nèi)，測(cè)值變化平穩(wěn)，且在設(shè)計(jì)限值（30 mm）范圍內(nèi)。靠近堤頂測(cè)值沉降變形量最大，隨著測(cè)點(diǎn)安裝高程降低其沉降變形量相應(yīng)變小，各測(cè)點(diǎn)沉降變形規(guī)律和趨勢(shì)具有一致性和合理性，與沉降管變形結(jié)果相互印證。

4.2 渠坡表面變形監(jiān)測(cè)

1）重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面。0+600 斷面、1+000 斷面堤頂各布置4個(gè)垂直位移測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)成果顯示，兩個(gè)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面堤頂表面垂直位移以下沉為主；0+600 斷面沉降量為74.41 mm（小于設(shè)計(jì)允許值157 mm），1+000 斷面沉降量為36.83 mm（小于設(shè)計(jì)允許值149 mm），從觀測(cè)開(kāi)始時(shí)間來(lái)看，0+600斷面起測(cè)時(shí)間早于1+000 斷面，致使總沉降量0+600 斷面大于1+000 斷面。目前沉降變形已趨于穩(wěn)定。

2）其他一般斷面。高填方渠段沿線每間隔90 m布設(shè)1個(gè)一般監(jiān)測(cè)斷面，兩側(cè)對(duì)稱(chēng)布置，共計(jì)布置29個(gè)垂直位移測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)均位于渠堤路外側(cè)。

從量值上來(lái)看，1+270 斷面及所在渠段沉降變形量較大，對(duì)此，文中對(duì)1+270 斷面所在1+090～1+800 渠段內(nèi)，堤頂各測(cè)點(diǎn)的累計(jì)沉降變形監(jiān)測(cè)成果進(jìn)行分析研究。

從繪制的累計(jì)沉降量過(guò)程線（圖略）可以看出，位于1+270 斷面左右岸垂直位移測(cè)點(diǎn)沉降變形最大，主要發(fā)生在2016年度。經(jīng)調(diào)查獲知，2016年汛期（7月份）發(fā)生過(guò)強(qiáng)降雨，最大降雨量達(dá)到207.3～221.1 mm；受2016年汛期強(qiáng)降雨影響，1+270 斷面及所屬渠段在該時(shí)段下沉變形明顯，期間也對(duì)工作基點(diǎn)進(jìn)行了復(fù)核，復(fù)測(cè)結(jié)果顯示，所用工作基點(diǎn)高程未見(jiàn)異常。當(dāng)前累計(jì)沉降量達(dá)到152.76 mm 和114.76 mm，其中左岸沉降變形已超過(guò)設(shè)計(jì)允許值147 mm。除1+270 斷面外，其他斷面測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量均在設(shè)計(jì)允許值范圍內(nèi)，且各測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降變形已基本穩(wěn)定。

綜上可知，高填方渠段的沉降變形，自觀測(cè)之日起逐漸增大，各測(cè)點(diǎn)2018年年底開(kāi)始趨于穩(wěn)定。其中，樁號(hào)1+270 斷面左右側(cè)沉降變形最大，其次是1+270 斷面下游側(cè)1+350 至1+710 渠段，左堤累計(jì)沉降變形在40.13～84.57 mm 之間，右堤累計(jì)沉降變形在13.89～62.43 mm 之間，左堤沉降大于右堤。1+270 斷面上游側(cè)沉降變形小于下游側(cè)，上游側(cè)左堤累計(jì)沉降在29.21～36.34 mm 之間，右堤累計(jì)沉降在28.37～44.23 mm 之間，目前沉降變形已穩(wěn)定。

5 結(jié)論

通過(guò)對(duì)兩個(gè)重點(diǎn)監(jiān)測(cè)斷面的沉降管、多點(diǎn)位移計(jì)及表面垂直位移的監(jiān)測(cè)成果分析可知，各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目總體變形趨勢(shì)相互吻合，變形規(guī)律具有一致性，且實(shí)測(cè)沉降量在設(shè)計(jì)允許沉降變形值范圍內(nèi)?？拷添敎y(cè)點(diǎn)沉降變形量值最大，隨著測(cè)點(diǎn)安裝高程降低，其沉降變形量相應(yīng)變小，各測(cè)點(diǎn)沉降變形規(guī)律和趨勢(shì)具有一致性和合理性。

其他渠堤一般斷面表面垂直位移監(jiān)測(cè)成果顯示，結(jié)合施工資料、環(huán)境量變化情況可知，由于1+270～1+440 渠段為橋梁占?jí)喝笨冢摬课换靥钶^晚，2016年汛期受強(qiáng)降雨影響，致使出現(xiàn)下沉速率增大現(xiàn)象，從而導(dǎo)致該渠段沉降變形較大。

綜合判定，高填方渠堤沉降變形與填筑高度有關(guān)，實(shí)測(cè)累計(jì)沉降量在設(shè)計(jì)理論沉降量范圍內(nèi)。局部施工缺口渠段的填筑時(shí)間較晚，累計(jì)沉降變形量略超設(shè)計(jì)允許值，目前渠堤沉降變形已基本穩(wěn)定，不影響高填方渠堤通水運(yùn)行安全要求。