董曉燕

（水利部河北水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

1 概述

南水北調(diào)中線工程是一項跨流域、跨省市的特大型水利工程，全線以自流輸水為主。中線一期工程年均調(diào)水規(guī)模95億m3。為確保首都供水、緩解水資源危機，先期開工建設南水北調(diào)中線京石段應急供水工程，通過石津渠、沙河總干渠、唐河總干渠，將河北省崗南、黃壁莊、王快和西大洋4座大型水庫的水資源先期輸送到北京，有效緩解了北京市的缺水狀況。

京石段應急供水工程河北段渠線總長227.375km，其中渠道長200.430 km。砂土筑堤段渠道為京石段渠道工程的一部分，分別位于滹沱河、沙河和唐河的河灘地段：其中，滹沱河渠道倒虹吸進口段總長度3.381 km，累計樁號分別為3+831.83-7+212.954（滹沱河右灘地）；沙河渠道倒虹吸進出口段總長度2.730 km，進口段累計樁號為42+621.69－44+986.7（沙河右灘地）、出口段累計樁號47+216.7-47+ 581.48（沙河左灘地）；唐河渠道倒虹吸進口段總長度1.206 km，累計樁號71+797.931-72+397.89（唐河右灘地）、72+897.856－73+497.815（唐河右灘地）；累計砂土筑堤段渠道總長度7.317 km。

上述渠段地層巖性均以砂性土為主，壤土稀少，而且渠道斷面以填方型式為主，缺少筑堤土料。為了解決該問題，考慮采用渠道棄土或土料場砂土進行填筑設計。

2 填筑方案擬定

在保證工程安全的前提下，本著利用現(xiàn)有征地、節(jié)省投資及保護環(huán)境的原則，根據(jù)各段渠道的填筑型式、已填筑情況和實際征地情況，初定3個方案進行比選。

方案1：壤土填筑方案。即清基線以上部分采用壤土填筑。

方案2：中細砂加筋填筑方案。即在現(xiàn)有已填筑渠道基礎上，利用中細砂加土工格柵加筋填筑。

方案3：黏性土斜墻及中細砂加筋填筑方案。即內(nèi)坡采用黏土斜墻、外坡利用渠道開挖或料場開挖的砂性土加土工格柵筑堤。

3 各河灘地段填筑方案比選

3.1 滹沱河河灘地段

該河灘地段渠道距石家莊市區(qū)較近，土地資源稀缺，土料場選取、征占困難，若采用就近取用壤土或遠距離調(diào)運土料填筑方案，一是土料場選取困難，二是因運距較遠投資巨大。而與之相鄰的石家莊市郊段部分渠道又有超過28萬m3中細砂棄土無處可棄。

經(jīng)計算，采用中細砂加筋填筑方案，附近的28萬m3的中細砂棄料能夠滿足該段渠道的筑堤土料需求。若采用壤土填筑方案或黏土斜墻及中細砂加筋等其他填筑方案，既需要增加壤土土料場占地，又要考慮開挖的中細砂棄土再處理。

采用中細砂加筋填筑方案，既能減少筑堤土料場征地，又能減少開挖棄土的占地和投資，節(jié)約寶貴的土地資源。從施工、投資及環(huán)境保護方面綜合比較，該段渠道選取中細砂加筋填筑方案。

3.2 沙河河灘地段

該段渠道位于新樂市境內(nèi)，地層巖性表層約有0.4～2 m厚壤土或砂壤土，下部為中細砂?？偢汕谏?～2 m，填筑高度為5～6 m，開挖量遠遠低于填筑方量，而且該渠段附近的其他總干渠施工段也沒有多余土料可用。

鑒于該區(qū)域壤土稀少，在總干渠渠道設計中，既要考慮筑堤土料選取滿足總干渠設計指標要求，又要盡量減少征占過多的土地資源。為此，對筑堤土料的選取進行了多方案比選，并經(jīng)過對各方案投資、施工工藝、質(zhì)量控制及工程征地等方面比較，最終選用壤土斜墻與中細砂填筑相結(jié)合方式，即內(nèi)坡采用壤土斜墻、外坡利用料場或沙河（北）灘地砂土。

該方案將土料場上部壤土用于填筑壤土斜墻，其余堤身采用砂性土料填筑。這樣，既保證了渠道工程的質(zhì)量，又避免了挖除過多地表壤土造成對當?shù)丨h(huán)境的大面積破壞，減少了對當?shù)赝恋刭Y源的征占。

3.3 唐河河灘地段

該段渠道地層巖性均以砂性土為主，壤土稀少。經(jīng)土料場調(diào)查，滿足要求且能夠征占的土料場距離該渠段距離達26 km。如采用壤土填筑方案，需征占土料場用地66.7 hm2；而采用黏性土斜墻及中細砂加筋填筑方案，需進行遠距離土料場征占和運輸，以上兩方案工程投資均較高。

考慮該段渠道挖方較多且開挖量大于填筑所需方量，因此該段渠道考慮全斷面采用開挖的砂土料筑堤，即中細砂加筋填筑方案。這樣，既充分利用了渠道開挖棄土，解決了土料問題，又大大減少了土料場占地，同時也減少了棄土對當?shù)丨h(huán)境的破壞和土地占用。

4 填筑設計

4.1 滹沱河河灘地段

渠道采用中細砂加筋填筑，內(nèi)外邊坡與上下游渠道相同分別為1∶3.0和1∶2.5。根據(jù)邊坡穩(wěn)定計算成果，其中內(nèi)坡安全系數(shù)能夠滿足規(guī)范要求，因外坡安全系數(shù)相對較低，采用加筋土工格柵設計，方案如下。

4.1.1 不加筋情況下邊坡穩(wěn)定分析

設計工況為：渠內(nèi)設計水位、渠外無水。不加筋情況下，采用簡化畢肖普法計算外坡安全系數(shù)為1.34，小于設計要求的安全系數(shù)1.5；采用瑞典圓弧法計算外坡安全系數(shù)為1.33，小于設計要求的安全系數(shù)1.38。

4.1.2 加筋土邊坡計算

加筋土計算方法有兩種，一是準黏聚力原理，二是考慮筋材拉力的瑞典圓弧法。

（1）準黏聚力原理。填筑材料加筋后折算c值計算公式為：

式中：θ為滑弧半徑與垂線夾角（°）；t為加筋材料分層厚度（m）；c為加筋后填筑材料黏聚力增加值（kPa）。

（2）考慮筋材拉力的瑞典圓弧法。為了使邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)滿足要求，在土坡內(nèi)水平鋪設若干層加筋材料以增加穩(wěn)定。穩(wěn)定計算一般按瑞典條分法核算其安全系數(shù)（Ks）。

式中：Wi為第i土條重力（kN）；θi為第i土條底弧的仰角（°）；Δli為第i土條底弧長（m）；R為最危險滑動圓弧的半徑（m）；Tni為第i層筋材的抗拉強度（N/ mm2）；yi為第i層筋材距滑弧圓心的距離（m）；c為邊坡填土的黏聚力（kPa）；φ為邊坡填土的內(nèi)摩擦角（°）；n為劃分的土條總數(shù)；m為布置的加筋材料總層數(shù)。

按式（2）算得的安全系數(shù)，如不滿足要求，應調(diào)整筋材及其布置間距。

4.1.3 設計容許抗拉強度計算

其計算公式為：

式中：Ta為設計容許抗拉強度（N/mm2）；T為加筋材料極限抗拉強度（N/mm2）；F為綜合影響系數(shù)，范圍為2.5～5，取F＝5。

4.1.4 加筋材料選擇

土工格柵選用單向塑料土工格柵，這是一種以高分子聚合物為主要原料，加入一定的防紫外線、抗老化助劑，經(jīng)過單向拉伸使原來分布散亂的鏈形分子重新定向排列呈線性狀態(tài)的高強度土工合成材料。

塑料土工格柵根據(jù)高分子聚合物的物理特性，在一定的溫控條件下作定向拉伸，故在拉伸方向強度很高，抗拉強度達到100～200 MPa，屈服伸長率只有4%～10%，接近低碳鋼的水平，大大優(yōu)于傳統(tǒng)的或現(xiàn)有的加筋材料，是非常理想的土木工程加固、加筋增強體合成材料。

加筋材料要求抗拉強度大，變形小，易于施工。綜合上述要求，選用型號為TGDG80（HDPE）土工格柵，其技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 單向拉伸塑料土工格柵（HDPE）技術(shù)參數(shù)

4.1.5 筋材錨固長度計算

其計算公式為：

式中：Lm為最小錨固長度（m），一般不小于2.0；Ta為設計容許抗拉強度（N/mm2）；Fm為錨固安全系數(shù)，取Fm＝1.3；σ0為錨固在每層筋材上的覆土壓力（kPa）；f為摩擦系數(shù)，取f＝0.44。

根據(jù)式（4）計算，筋材錨固長度為2.0 m。

采用準黏聚力原理，經(jīng)邊坡穩(wěn)定分析計算，當加筋砂性土黏聚力達到2 kPa（不考慮加筋時為0）時，外坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.56（簡化畢肖普法），土工格柵（TGDG80）極限抗拉強度為80 kN/m，折算后設計容許抗拉強度為16 kN/m；當加筋分層厚度為0.8 m時，加筋后填筑材料黏聚力增加值為4.5 kPa，滿足邊坡穩(wěn)定要求。

采用考慮筋材拉力的瑞典圓弧法，經(jīng)邊坡穩(wěn)定分析計算，當筋材抗拉強度為16 kN/m時，砂土底部加2層筋材后，外坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.56（瑞典圓弧法），滿足邊坡穩(wěn)定要求。

根據(jù)邊坡穩(wěn)定分析成果，外坡砂土不穩(wěn)定滑弧基本在淺層，不滿足滑弧水平最大寬度為4 m的穩(wěn)定安全系數(shù)要求。本次處理措施為：增加長度不小于2.0 m抗拔錨固和水平鋪設寬度為6 m加筋材料。通過瑞典圓弧法進行邊坡穩(wěn)定分析計算，危險滑弧加2層底筋后能滿足整體穩(wěn)定要求，但不能保證砂土上層不加筋部位的穩(wěn)定，為此砂土加筋宜均勻布置。綜上所述，外坡砂土填筑部位加筋間距為0.8 m，加筋長度為6.0 m。考慮到規(guī)范要求的筋材間距不宜大于0.6 m，2層筋材中間加設3.0 m長的短筋。

同時，考慮到內(nèi)坡安全系數(shù)接近規(guī)范允許值。為加強內(nèi)坡穩(wěn)定性，內(nèi)坡填筑底部設2層筋，筋材水平鋪設寬度為12 m，垂直間距0.4 m。

4.2 沙河河灘地段

該段渠道采用壤土斜墻及墻后中細砂填筑。壤土斜墻的形式為：左側(cè)堤防壤土斜墻底寬6.026 m、右側(cè)為5.675 m，斜墻迎水側(cè)邊坡坡比（內(nèi)坡坡比）為1∶2.5、背水側(cè)向上以1∶2的坡度延伸至堤頂以下路面基層，斜墻厚度為1.79～3.10 m，斜墻底部與盲溝底齊平。壤土斜墻后填筑砂性土，為滿足渠道外坡砂性土的邊坡穩(wěn)定要求，外邊坡坡比由1∶2.5放緩至1∶3.0。與相鄰渠段銜接的部位外坡采用土工格柵加筋填筑，型式基本同滹沱河灘地，加筋間距為0.6 m，加筋長度為6.0 m，2層筋材中間加設3.0 m長的短筋。

4.3 唐河河灘地段

該段渠道采用全斷面中細砂填筑。根據(jù)抗滑穩(wěn)定分析計算成果，堤體內(nèi)坡坡比采用1∶3.0能夠滿足規(guī)范要求，但考慮到內(nèi)坡臨空面較高（8～10 m），設計布設4層構(gòu)造筋。左側(cè)內(nèi)坡土工格柵筋長14 m，右側(cè)長12 m，垂直間距40 cm。

渠道外坡坡比根據(jù)邊坡抗滑穩(wěn)定分析成果放緩至1∶3.0，考慮構(gòu)造要求，底部加設2層構(gòu)造筋，寬度8 m，垂直間距40 cm。

5 中細砂填筑施工技術(shù)要求

砂性土筑堤在施工前應進行濕碾（灑水碾壓）和天然含水量條件下碾壓2種試驗，根據(jù)試驗結(jié)果研究確定施工工藝參數(shù)，包括鋪土厚度、最優(yōu)含水率、灑水量、碾壓機械類型、壓實遍數(shù)、碾壓速度等。

5.1 填筑標準

砂土（中細砂）填筑設計相對密度Dr≥0.75。

5.2 填筑砂料

填筑砂料利用本渠段挖方砂土料、料場或其他施工標段砂土料，不宜采用粉砂，不得含植物根莖、有機質(zhì)、磚瓦垃圾、泥塊等雜質(zhì)。

5.3 填筑工藝和要求

（1）采用推土機平倉，16 t以上自行式光面振動碾碾壓。

（2）施工程序為上料堆砂、分層攤鋪、灑水、碾壓等，宜先靜碾1遍，再采用振動碾壓7～9遍。

（3）鋪填作業(yè)應從最底處開始，按水平層次進行，不得順坡鋪填。分段作業(yè)面最少長度人工作業(yè)不應小于50 m，機械作業(yè)不應小于100 m。

（4）為保證渠堤坡壓實標準，超填寬度宜為30～50 cm。

（5）作業(yè)面應分層統(tǒng)一鋪蓋，統(tǒng)一碾壓，嚴禁出現(xiàn)界溝。

（6）碾壓機械的行走方向應平行于渠堤軸線。相鄰作業(yè)面碾跡搭接寬度平行堤軸線方向不小于0.5 m，垂直堤軸線方向不應小于3 m。機械碾壓不到的部位應輔以夯具（人工或機械），宜采用連環(huán)套打法夯實，夯跡雙向套壓，夯跡搭壓寬度不小于1/3夯徑。

（7）每一填筑層按規(guī)定的施工工藝施工完畢后，經(jīng)檢查合格才能繼續(xù)鋪填新土。

（8）壓實體不應出現(xiàn)松砂、剪切破壞等不良現(xiàn)象。

（9）相臨作業(yè)面宜均衡上升，避免形成陡坎，宜以不陡于1∶3.0的坡比平順過渡，以減少施工接縫。

（10）斜墻壤土料與下游砂料堤體宜分區(qū)同時填筑，同時必須始終保證壤土斜墻的有效設計厚度。

5.4 加筋材料鋪設

（1）加筋材料采用高密度聚乙烯（HDPE）單向拉伸土工格柵，垂直鋪設間距0.4（0.3）m。

（2）第一層土工格柵鋪設在清基、壓實、驗收合格后的基面上，筋材應垂直堤軸線方向鋪展平整，長度按設計要求裁制，宜用寬幅規(guī)格，選用寬度不宜小于2 m；一般不宜有拼接縫；如筋材必須拼接時，土工格柵至少搭接1個方格，并以細尼龍繩在連接處綁扎牢固。

（3）鋪放筋材不允許有褶皺，并盡量用人工拉緊，以U形釘定位于填筑土面上，填土碾壓時不得發(fā)生移動。

6 結(jié)語

本次設計采用的砂土填筑既能充分利用渠道開挖的棄砂、棄土，又能夠減少土料場征地和棄土占地，不僅節(jié)約了寶貴的土地資源和工程投資，還對保護當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境起到了重要的作用。

砂土筑堤段渠道工程已運行5年多，運行狀況一直良好。本次砂土筑堤的成功經(jīng)驗不僅為南水北調(diào)中線總干渠的后續(xù)工程拓展了設計思路，還為其他工程設計提供了寶貴的設計和實踐經(jīng)驗。

[1]水利部河北水利水電勘測設計研究院.南水北調(diào)中線京石段應急供水工程初步設計報告[R].天津：水利部河北水利水電勘測設計研究院，2004.

[2]水利部河北水利水電勘測設計研究院.南水北調(diào)中線京石段應急供水工程總干渠第S3標段土方填筑設計方案比選專題報告[R].天津：水利部河北水利水電勘測設計研究院，2007.

[3]水利部河北水利水電勘測設計研究院.南水北調(diào)中線京石段應急供水工程總干渠第S12標段土方填筑設計方案比選專題報告[R].天津：水利部河北水利水電勘測設計研究院，2007.

[4]水利部河北水利水電勘測設計研究院.南水北調(diào)中線京石段應急供水工程總干渠第S19標段土方填筑設計方案比選專題報告[R].天津：水利部河北水利水電勘測設計研究院，2007.

[5]SL274-2001，碾壓式土石壩設計規(guī)范[S].