南水北調工程高填方渠堤沉降變形分析

崔鐵軍，何國偉，馬洪亮，蔡云波

（1.南水北調中線干線工程建設管理局河北分局，河北石家莊050035；2.中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130061）

1 工程概況

南水北調中線一期工程，從加高擴容后的丹江口水庫陶岔渠首閘引水，沿線開挖渠道，經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，沿京廣鐵路西側北上，可基本自流到北京、天津。

南水北調中線為Ⅰ等工程，總干渠渠道按1 級建筑物設計，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，起點樁號0+000，終點樁號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。下面我們從設計、施工、監測效果等方面，來對磁縣段高填方渠堤的工程性態進行分析研究。

2 渠堤填筑設計

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

經過經濟技術比較，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。填筑的土料需要達到一定的密實度，主要為了使土料能得到預計的抗剪強度、一定的滲透系數和較小的沉陷變形，減小粘性土的表面裂縫，減少其在填筑過程中的孔隙壓力，并使碾壓時所花費的壓實功能為最小，消除非粘性土液化的可能性。

2.1 土料填筑設計

2.1.1 填筑設計干容重

渠堤各段設計填筑干容重，按下式計算：

式中：γd——設計填筑干容重；p——填筑土料壓實度，取0.98；γdmax——標準擊實試驗最大干容重。

根據土料場擊實試驗成果，大部分料場土質較好，最大擊實干容重較高。考慮填筑土料的不均勻性以及施工條件與試驗條件的差異，設計填筑干容重取16.2 kN/m3。

2.1.2 設計填筑含水量

填筑含水量應控制在最優含水量附近，其上、下限偏離最優含水量不超過±（2%～3%），渠道設計填筑含水量取填土的擊實試驗最優含水量的平均值，公式如下：

式中：ω0——設計填筑含水量；——標準擊實試驗最優含水量的平均值。

根據料場勘察成果，大部分料場天然含水量與最優含水量接近，可直接填筑，部分料場差別5%左右，考慮到開挖和儲運過程中含水量有可能降低，施工過程中按現場試驗指標取用。

2.1.3 顆粒組成

土料的力學性質是由其顆粒組成、顆粒形狀、礦物成分所決定的，顆粒組成是影響土的力學性質的主要因素。土的級配好，則壓實性能好，可以得到較高的干容重、較小的滲透系數及較大的抗剪強度。選擇級配良好的土料可以得到優良的物理力學性質。

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，出現裂縫。

2）水溶鹽、有機質含量。水溶鹽含量（指易溶鹽和中溶鹽，按質量計）不大于3%；有機質含量（按質量計）不大于5%。

3）塑性指數。塑性指數10～20，且不得含有植物根莖、垃圾等雜質。

2.2 高填方渠堤沉降量計算

2.2.1 計算參數

沉降計算參數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均質渠基分層厚度不大于渠堤底寬的1/4；③非均質堤基，按渠基土的性質和類別劃分計算層，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力，kPa；σB——堤基計算層面處土的附加應力，kPa。

實際壓縮層的厚度小于上式計算值時，按實際壓縮層的厚度計算其沉降量。

3）附加應力計算。堤身的邊界條件以及堤基的變形條件對堤身或堤基的應力均有影響，堤身能夠適應堤基的變形，屬柔性基礎，其基底壓力為梯形分布，因此，堤身對地基中任意點引起的附加應力，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，利用角點法計算，然后疊加得到地基的附加應力。

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 監測設施布置

高填方渠段布設的監測項目包括：巡視檢查、變形監測、滲流監測及凍脹監測等，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行分析研究。

高填方0+420～1+800 渠段每間隔90 m 布設1個一般監測斷面，每個斷面各布設一個垂直位移觀測點，位于堤頂外側。區間包括兩個重點監測斷面：0+600 和1+000，其中0+600 斷面除堤頂垂直位移測點外，還設有沉降管，1+000 斷面除堤頂垂直位移測點外，還設有多點位移計，沉降管和多點位移計用來監測渠堤內部分層沉降變形監測。

4 變形監測成果分析

4.1 渠堤內部變形監測

0+600 斷面左側堤頂安裝1 根沉降管，1+000斷面右側堤頂安裝1 套多點位移計，用于監測渠堤內部分層沉降變形情況。

通過對監測資料的整理可知，沉降磁環整體沉降規律正常，符合高填方渠堤沉降變形一般規律，靠近渠堤堤頂測點沉降量較大，隨著測點安裝高程降低，測點沉降變形量逐漸減小。

從變形過程可知，多點位移計的各測點絕對位移值在18.23 mm 以內，測值變化平穩，且在設計限值（30 mm）范圍內。靠近堤頂測值沉降變形量最大，隨著測點安裝高程降低其沉降變形量相應變小，各測點沉降變形規律和趨勢具有一致性和合理性，與沉降管變形結果相互印證。

4.2 渠坡表面變形監測

1）重點監測斷面。0+600 斷面、1+000 斷面堤頂各布置4個垂直位移測點。監測成果顯示，兩個重點監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（小于設計允許值157 mm），1+000 斷面沉降量為36.83 mm（小于設計允許值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定。

2）其他一般斷面。高填方渠段沿線每間隔90 m布設1個一般監測斷面，兩側對稱布置，共計布置29個垂直位移測點，測點均位于渠堤路外側。

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，堤頂各測點的累計沉降變形監測成果進行分析研究。

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沉降變形最大，主要發生在2016年度。經調查獲知，2016年汛期（7月份）發生過強降雨，最大降雨量達到207.3～221.1 mm；受2016年汛期強降雨影響，1+270 斷面及所屬渠段在該時段下沉變形明顯，期間也對工作基點進行了復核，復測結果顯示，所用工作基點高程未見異常。當前累計沉降量達到152.76 mm 和114.76 mm，其中左岸沉降變形已超過設計允許值147 mm。除1+270 斷面外，其他斷面測點累計沉降量均在設計允許值范圍內，且各測點累計沉降變形已基本穩定。

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2018年年底開始趨于穩定。其中，樁號1+270 斷面左右側沉降變形最大，其次是1+270 斷面下游側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 斷面上游側沉降變形小于下游側，上游側左堤累計沉降在29.21～36.34 mm 之間，右堤累計沉降在28.37～44.23 mm 之間，目前沉降變形已穩定。

5 結論

通過對兩個重點監測斷面的沉降管、多點位移計及表面垂直位移的監測成果分析可知，各監測項目總體變形趨勢相互吻合，變形規律具有一致性，且實測沉降量在設計允許沉降變形值范圍內。靠近堤頂測點沉降變形量值最大，隨著測點安裝高程降低，其沉降變形量相應變小，各測點沉降變形規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測成果顯示，結合施工資料、環境量變化情況可知，由于1+270～1+440 渠段為橋梁占壓缺口，該部位回填較晚，2016年汛期受強降雨影響，致使出現下沉速率增大現象，從而導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，實測累計沉降量在設計理論沉降量范圍內。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計允許值，目前渠堤沉降變形已基本穩定，不影響高填方渠堤通水運行安全要求。