崔鐵軍，何國偉，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.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林長春130061）

1 工程概況

南水北調(diào)中線一期工程，從加高擴(kuò)容后的丹江口水庫陶岔渠首閘引水，沿線開挖渠道，經(jīng)唐白河流域西部過長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 級建筑物設(shè)計，輸水干線全長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0+000，終點(diǎn)樁號40+056，該段長度40.056 km，其中，渠道長38.986 km。磁縣段填方段長度為5.152 km，填筑高度在10～16 m 之間。下面我們從設(shè)計、施工、監(jiān)測效果等方面，來對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

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

經(jīng)過經(jīng)濟(jì)技術(shù)比較，高填方渠堤的填筑材料選擇土料場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，減少其在填筑過程中的孔隙壓力，并使碾壓時所花費(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

2.1.1 填筑設(shè)計干容重

渠堤各段設(shè)計填筑干容重，按下式計算：

式中：γd——設(shè)計填筑干容重；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)土料場擊實(shí)試驗(yàn)成果，大部分料場土質(zhì)較好，最大擊實(shí)干容重較高。考慮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)計填筑干容重取16.2 kN/m3。

2.1.2 設(shè)計填筑含水量

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±（2%～3%），渠道設(shè)計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)料場勘察成果，大部分料場天然含水量與最優(yōu)含水量接近，可直接填筑，部分料場差別5%左右，考慮到開挖和儲運(yùn)過程中含水量有可能降低，施工過程中按現(xiàn)場試驗(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）不大于3%；有機(jī)質(zhì)含量（按質(zhì)量計）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算

2.2.1 計算參數(shù)

沉降計算參數(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 渠堤沉降量計算

渠道沉降采用分層總和法計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)和類別劃分計算層，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，按下式計算：

式中：σZ——堤基計算層面處土的自重應(yīng)力，kPa；σB——堤基計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算值時，按實(shí)際壓縮層的厚度計算其沉降量。

3）附加應(yīng)力計算。堤身的邊界條件以及堤基的變形條件對堤身或堤基的應(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，堤身對地基中任意點(diǎn)引起的附加應(yīng)力，可將豎向梯形分布壓力分解為兩個三角形分布壓力和一個均布壓力，利用角點(diǎn)法計算，然后疊加得到地基的附加應(yīng)力。

4）最終沉降量計算。堤身和堤基的最終沉降量按下式計算：

式中：s∞——渠堤和渠基的最終沉降量，cm；pi——第i計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。

渠堤和渠基分別計算最終沉降量，兩者相加即為總沉降量。

3 監(jiān)測設(shè)施布置

高填方渠段布設(shè)的監(jiān)測項(xiàng)目包括：巡視檢查、變形監(jiān)測、滲流監(jiān)測及凍脹監(jiān)測等，文中選取磁縣管理處高填方0+420～1+800 渠段，對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個一般監(jiān)測斷面，每個斷面各布設(shè)一個垂直位移觀測點(diǎn)，位于堤頂外側(cè)。區(qū)間包括兩個重點(diǎn)監(jiān)測斷面：0+600 和1+000，其中0+600 斷面除堤頂垂直位移測點(diǎn)外，還設(shè)有沉降管，1+000 斷面除堤頂垂直位移測點(diǎn)外，還設(shè)有多點(diǎn)位移計，沉降管和多點(diǎn)位移計用來監(jiān)測渠堤內(nèi)部分層沉降變形監(jiān)測。

4 變形監(jiān)測成果分析

4.1 渠堤內(nèi)部變形監(jiān)測

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，用于監(jiān)測渠堤內(nèi)部分層沉降變形情況。

通過對監(jiān)測資料的整理可知，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，靠近渠堤堤頂測點(diǎn)沉降量較大，隨著測點(diǎn)安裝高程降低，測點(diǎn)沉降變形量逐漸減小。

從變形過程可知，多點(diǎn)位移計的各測點(diǎn)絕對位移值在18.23 mm 以內(nèi)，測值變化平穩(wěn)，且在設(shè)計限值（30 mm）范圍內(nèi)?？拷添敎y值沉降變形量最大，隨著測點(diǎn)安裝高程降低其沉降變形量相應(yīng)變小，各測點(diǎn)沉降變形規(guī)律和趨勢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

1）重點(diǎn)監(jiān)測斷面。0+600 斷面、1+000 斷面堤頂各布置4個垂直位移測點(diǎn)。監(jiān)測成果顯示，兩個重點(diǎn)監(jiān)測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)計允許值157 mm），1+000 斷面沉降量為36.83 mm（小于設(shè)計允許值149 mm），從觀測開始時間來看，0+600斷面起測時間早于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個一般監(jiān)測斷面，兩側(cè)對稱布置，共計布置29個垂直位移測點(diǎn)，測點(diǎn)均位于渠堤路外側(cè)。

從量值上來看，1+270 斷面及所在渠段沉降變形量較大，對此，文中對1+270 斷面所在1+090～1+800 渠段內(nèi)，堤頂各測點(diǎn)的累計沉降變形監(jiān)測成果進(jìn)行分析研究。

從繪制的累計沉降量過程線（圖略）可以看出，位于1+270 斷面左右岸垂直位移測點(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段下沉變形明顯，期間也對工作基點(diǎn)進(jìn)行了復(fù)核，復(fù)測結(jié)果顯示，所用工作基點(diǎn)高程未見異常。當(dāng)前累計沉降量達(dá)到152.76 mm 和114.76 mm，其中左岸沉降變形已超過設(shè)計允許值147 mm。除1+270 斷面外，其他斷面測點(diǎn)累計沉降量均在設(shè)計允許值范圍內(nèi)，且各測點(diǎn)累計沉降變形已基本穩(wěn)定。

綜上可知，高填方渠段的沉降變形，自觀測之日起逐漸增大，各測點(diǎn)2018年年底開始趨于穩(wěn)定。其中，樁號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，左堤累計沉降變形在40.13～84.57 mm 之間，右堤累計沉降變形在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)左堤累計沉降在29.21～36.34 mm 之間，右堤累計沉降在28.37～44.23 mm 之間，目前沉降變形已穩(wěn)定。

5 結(jié)論

通過對兩個重點(diǎn)監(jiān)測斷面的沉降管、多點(diǎn)位移計及表面垂直位移的監(jiān)測成果分析可知，各監(jiān)測項(xiàng)目總體變形趨勢相互吻合，變形規(guī)律具有一致性，且實(shí)測沉降量在設(shè)計允許沉降變形值范圍內(nèi)?？拷添敎y點(diǎn)沉降變形量值最大，隨著測點(diǎn)安裝高程降低，其沉降變形量相應(yīng)變小，各測點(diǎn)沉降變形規(guī)律和趨勢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 渠段為橋梁占壓缺口，該部位回填較晚，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)測累計沉降量在設(shè)計理論沉降量范圍內(nèi)。局部施工缺口渠段的填筑時間較晚，累計沉降變形量略超設(shè)計允許值，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。