采砂坑對南水北調中線工程渡槽安全運行的影響

張啟義　丁留謙　解家畢　姚秋玲

摘要：南水北調中線工程的運行實踐表明，采砂坑對工程的安全運行存在一定的影響。采用定量的方法評估采砂坑對梁式輸水渡槽安全運行的影響：① 通過采砂坑溯源沖刷等經驗計算公式，確定對渡槽影響較大的采砂坑主要分布在交叉斷面上游1 000 m至下游3 000 m范圍內;② 調查發現，約52.6%的渡槽在上述范圍內存在采砂坑，并且個別渡槽交叉斷面已經出現下切的情況;③ 從樁基承載力和進出口建筑物穩定性兩方面入手，提出以樁基承載力的降低量和采砂坑距進出口建筑物的距離作為采砂坑影響嚴重程度的評估指標，制訂了相應估計標準，并對所有梁式輸水渡槽進行定量評估，發現無論從受影響的渡槽數量還是從影響的嚴重程度看，采砂坑對南水北調中線工程梁式輸水渡槽的整體影響都不嚴重。根據評估成果，提出了采砂坑的應對措施。

關鍵詞：渡槽安全運行; 采砂坑; 溯源沖刷; 樁基承載力; 南水北調中線工程

中圖法分類號： N8

文獻標志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.035

0引 言

南水北調中線工程是從漢江丹江口水庫取水向京、津及華北地區城市提供生活、工業用水的一項跨流域、大流量、長距離的特大型調水工程，是緩解中國華北水資源嚴重短缺、優化水資源配置、改善生態環境的重大戰略性基礎設施。工程全長1 432.493 km，多年平均調出水量95億m3，陶岔渠首設計流量為350 m3/s，加大流量為420 m3/s。

南水北調中線工程共穿/跨過大小河流705條，所穿/跨河流均為北方河流，常年少水，很多大型河道采砂嚴重，對交叉建筑物的安全運行造成一定影響，比較典型的如北京“7·21”暴雨期間的北拒馬河暗渠險情[1]。當時交叉斷面處水深僅1.8 m，洪峰流量約為800 m3/s，洪水重現期接近10 a一遇，然而，這場遠低于暗渠100 a一遇設計標準的洪水，造成北防洪堤下游堤腳沖刷深度達3 m，危及北防洪堤安全。同時，暗渠下游最大沖刷深度達5 m，沖坑距暗渠基底僅約2.3 m，格柵石籠護砌被沖毀，暗渠下游邊墻結構外露，暗渠結構面臨失穩的重大險情，如圖1所示。造成此次重大險情的根源是緊臨暗渠附近的河道存在規模巨大、連續成片的大型采砂坑，坑深達30 m，最近處距暗渠僅130 m，如圖2所示。采砂坑的存在破壞了天然河床的平衡狀態，在河道洪水動水剪應力作用下形成溯源沖刷，造成暗渠下游側臨空，誘發暗渠扭曲斷裂的風險。

南水北調中線工程的梁式輸水渡槽均為大型河渠交叉建筑物，所跨河流（即交叉河流）交叉斷面以上集水面積大于20 km2，不少河道也存在采砂行為，個別交叉河流采砂嚴重。采砂坑引起河床下切可能造成渡槽樁基礎埋深減小，承載力降低，輕者可引起沉降增加、槽身漏水，重者可誘發裹頭坍塌、工程損毀斷水的嚴重險情。自中線工程全線通水以來，梁式輸水渡槽雖未出現過重大險情，但與北拒馬河暗渠類似，個別渡槽也出現了“小流量大沖刷”的情況，若發生設計標準的洪水，后果不堪設想，因此，有必要對梁式輸水渡槽受采砂坑影響的嚴重程度作進一步研究，查清梁式輸水渡槽運行面臨的風險。

1梁式輸水渡槽的典型設計

1.1渡槽的典型布設方式

南水北調中線工程梁式輸水渡槽在校核洪水位情況下，渡槽梁底與校核洪水位的高差必須滿足相應的凈空要求，且槽身不作擋水的結構物，按100 a一遇洪水設計，300 a一遇洪水校核。渡槽一般由右岸渠道連接段、進口漸變段、進口閘室段、進口連接段、槽身段、出口連接段、出口閘室段、出口漸變段、左岸渠道連接段等9段組成，其中渠道主要建筑物包括進出口漸變段、槽身、槽墩及其基礎等按1級建筑物設計，河道防護等次要建筑物按3級建筑物設計。渡槽的典型布置如圖3所示。

1.2渡槽基礎設計

渡槽基礎設計主要參考JTG D60-2004《公路橋涵設計通用規范》、GB 50007-2002《建筑地基基礎設計規范》、JTJ 024-85《公路橋涵地基與基礎設計規范》、TB 10017-99《鐵路工程水文勘測設計規范》等規范執行，除少數河床基巖條件較好的采用擴大基礎和端承樁外，其余主要采用摩擦樁。承臺主要采用高樁承臺的型式，允許最大沖刷線越過承臺底部。

摩擦樁的長度主要受承受的荷載控制，單樁的強度條件為

N<[P]

（1）

式中：N為樁頂軸力;[P]為樁的承載力，[P]=min{[P1]，[P2]}，[P1]為按樁周摩擦力與端承力計算的承載力，[P2]為按樁材料計算的承載力。在計算[P1]時，只計算最大沖刷線以下部分的樁周摩擦力。

交叉河道最大沖刷線由沖刷總深度控制，沖刷總深度為自河床地面算起的一般沖刷深度和局部沖刷深度之和。

1.3河道防護

梁式輸水渡槽在基礎設計時，考慮了河床的一般沖刷和槽墩處的局部沖刷，樁基承載力只計算最大沖刷線以下部分的樁周摩擦力，由于樁長設計已充分考慮了河道沖刷的影響，故大部分渡槽均不對交叉河道的河床進行防護。

渡槽的建成可使交叉斷面水流流速增加，并且流態受到明顯擾動，這加劇了兩岸岸坡的沖刷，故所有梁式輸水渡槽均對交叉斷面處的河岸進行嚴密防護。交叉斷面附近的河道邊坡主要采用漿砌石襯砌，最大襯砌高度一般在校核洪水位以上0.5 m，護坡齒腳一般深至地面下1.0 m，或者在坡腳修一定寬度的水平防護，以防止洪水淘刷坡腳。對位于填方渠段的梁式輸水渡槽，在渡槽進出口一般均采用裹頭進行防護[2]，裹頭處的局部沖刷按GB 50286-98《堤防工程設計規范》的非淹沒丁壩沖刷公式計算，在裹頭坡腳處，設置防沖槽抗沖。

2梁式輸水渡槽受采砂坑影響的范圍

本次研究涵蓋南水北調中線工程全部19座梁式輸水渡槽，但不宜對交叉河流全河道的采砂坑均展開

調查和研究，以往的大量研究表明[3-9]，采砂坑僅對其附近的局部河道產生影響，主要表現為采砂坑上游的溯源沖刷和下游的淤積，同時，隨著沖淤的發展，采砂坑會向下游遷移，從而引起采砂坑下游一定距離的河床下切，但總的來說，采砂坑對上游河床影響的距離比下游要大得多。因此，梁式輸水渡槽受采砂坑影響的范圍即為以交叉斷面為中心點，上下游限定在采砂坑的最大影響距離內。

梁式輸水渡槽受交叉斷面下游采砂坑影響的最大范圍，主要取決于采砂坑溯源沖刷的最大距離，超過此距離的采砂坑，不會造成交叉斷面河床下切，可以認為對渡槽不構成影響。關于采砂坑的溯源沖刷，國內外很多學者進行了廣泛而深入的研究[10-13]，提出了很多經驗公式，其中，Wu等[12]提出的采砂坑最大溯源沖刷距離經驗公式對經驗參數的要求少，用于一般河道采砂坑最大溯源沖刷距離的估算比較方便：

對于公式（2），采用某典型交叉河道的參數，Lp取為2 000 m，Wr取為1，計算得到采砂坑最大溯源沖刷距離與采砂坑深度的關系曲線如圖4所示。從圖4中可以看出，當采砂坑最大深度達20 m時，最大溯源沖刷距離接近3 000 m，但實際采砂坑很難達到此規模，因此，從安全的角度出發，可將梁式輸水渡槽受下游采砂坑影響的范圍大致限定在交叉斷面下游3 000 m以內。

梁式輸水渡槽受交叉斷面上游采砂坑影響的最大范圍主要取決于采砂坑向下游遷移的最大距離，對此，司鵬飛等[13]結合前人的相關理論研究及物理實驗研究結果，提出了計算建筑物上游安全采砂距離的公式。根據該公式，他計算得到安陽河倒虹吸上游采砂安全距離范圍為283.9～2 821.4 m，其中，大部分工況的安全距離范圍為1 000 m以下。考慮到采砂坑溯源沖刷的距離比向下游遷移的距離要大得多，因此，將梁式輸水渡槽受交叉斷面上游采砂坑影響的范圍限定在采砂坑最大溯源沖刷距離的1/3即1 000 m是合適的。

根據《南水北調工程供用水管理條例》（國務院令第647號）的規定，倒虹吸、渡槽、暗渠等交叉工程的保護范圍為“從管理范圍邊線向交叉河道上游延伸至不少于500 m不超過1 000 m、向交叉河道下游延伸至不少于1 000 m不超過3 000 m以內的區域”，因此，本文提出的梁式輸水渡槽受采砂坑影響的范圍為交叉斷面上游1 000 m至交叉斷面下游3 000 m是與上述條例相吻合的。

3交叉河道采砂坑調查

3.1整體情況

對全部19座梁式輸水渡槽交叉斷面附近的河道均進行了現場調查，調查范圍限定在交叉斷面上游1 000 m至交叉斷面下游3 000 m以內。從調查的情況看，共有10座渡槽交叉斷面附近存在采砂坑，約占梁式輸水渡槽總數的52.6%。采砂坑在交叉斷面上下游均有分布，不存在僅在單側才有采砂坑的情況，采砂坑最大深度20 m。個別渡槽交叉斷面附近河道采砂特別嚴重，采砂坑不僅遍布整個河道，在河漫灘也存在相當數量且深度較大的采砂坑，如圖5所示。一些渡槽交叉斷面附近的單個采砂坑規模特別巨大，面積可達10萬m2以上，深度超過10 m，如圖6所示。

3.2采砂坑造成河床下切的典型案例

某渡槽交叉河流100 a一遇設計洪水約8 000 m3/s，渡槽基礎為摩擦樁，承臺采用高樁承臺，承臺埋深在設計洪水一般沖刷線附近，上部回填抗沖材料。2016年，該河發生了一場最大洪峰流量約為500 m3/s的洪水，洪水頻率遠不足5 a一遇，然而，由于渡槽交叉斷面上下游河道存在大量采砂坑，使得交叉斷面河床最大下切約3 m，槽墩處的抗沖材料也被沖毀，該流量下的沖刷深度已與設計洪水的一般沖刷深度相當，如圖7所示。

這是一例由采砂坑引起渡槽交叉斷面河床下切的典型案例，如果當時洪峰流量繼續增加，沖刷深度進一步加大，則最大沖刷線很可能超越承臺底高程，削弱樁基埋深，使基礎承載力下降，可能誘發重大險情。

4采砂坑對渡槽安全運行影響的定量評估

南水北調中線工程從可研到設計到最后建成通水，前后歷經十余年，在這段時間里，交叉河流的采砂一直沒有得到有效控制，所以，在工程設計階段是沒有嚴格考慮采砂坑的影響的，這使得梁式輸水渡槽的現狀運行條件與設計相比，發生了很大的變化，這給工程的安全運行帶來了很大的挑戰。因此，必須通過一定手段對采砂坑的影響進行定量評估，并藉此制定相應的應對措施。

4.1采砂坑影響程度的評價指標

采砂坑引起交叉斷面河床下切，使樁基礎埋深減小，承載力降低，沉降量增加，輕者導致槽身漏水，重者可能造成工程損毀。如果采砂坑靠近渡槽進出口建筑物，還可能引起邊坡淘刷失穩，造成進出口建筑物損壞的重大險情[14]。

梁式輸水渡槽的樁基承載力設計和沉降控制主要依據JTG D63-2007《公路橋涵地基與基礎設計規范》進行，但從各渡槽的設計資料看，與規范規定的控制指標相比，沉降量的富余度普遍達30%以上，而承載力的富余度則普遍不超過10%，考慮到沉降量的富余度比承載力的富余度要大得多，因此，采砂坑對渡槽樁基礎影響的嚴重程度可采用樁基承載力降低量的大小作為評價指標。

從調查的資料看，大部分采砂坑距渡槽進出口建筑物均較遠，這些采砂坑主要引起交叉斷面中心部位的河床下切，對進出口建筑物的影響相對較小，但也有個別渡槽進出口建筑物附近存在大量采砂坑，如圖8所示。這些采砂坑在大洪水作用下可能在汛期出現劇烈淘刷，從而可能誘發邊坡失穩，危及到進出口建筑物的安全。采砂坑是否可引起進出口建筑物失穩，主要受采砂坑與進出口建筑物的距離控制，因此，評估采砂坑對渡槽進出口建筑物安全影響的嚴重程度，可近似采用采砂坑距進出口建筑物距離的大小作為評價指標。

4.2采砂坑對渡槽樁基承載力的影響評估

梁式輸水渡槽樁基礎的長度是按式（1）控制的，但縱觀南水北調中線工程所有梁式輸水渡槽的設計資料可以發現，各渡槽樁基承載力的富余度R（R=（[P]-N）/N×100%）是不相同的，富余度最大的達7.65%，而最小的僅0.01%。很顯然，樁基承載力富余度大的渡槽允許河床出現一定程度的下切，只要式（1）的條件得到滿足，渡槽仍是滿足規范要求的，也是相對安全的，這種渡槽可承受更大的風險。但承載力富余度小的渡槽，式（1）則很容易被突破，其可承受的風險也更小。

如果式（1）的條件被突破，那么梁式輸水渡槽將面臨何種風險，根據JTG D63-2007《公路橋涵地基與基礎設計規范》的規定[15]，“地基承載力基本容許值應首先考慮由載荷試驗或其他原位測試取得，其值不應大于地基極限承載力的1/2”，即容許承載力≤1/2極限承載力。同時，JGJ 94-2008《建筑樁基技術規范》也規定[16]，單樁豎向承載力特征值Ra應按下式確定：

式中：Quk為單樁豎向極限承載力標準值;K為安全系數，K取2。

由此可知，設計中采用的樁基容許承載力大致為極限承載力的一半，也就是說，相對于極限承載力而言，容許承載力保留了50%的富余度，而這50%的富余度應為防止工程設計和運行過程中出現某些未知風險，故式（1）的條件被突破即意味著保留的這50%的富余度開始被削弱，工程抵御未知風險的能力降低，這種認識對制訂采砂坑對渡槽樁基影響嚴重程度的評價標準有借鑒意義。為安全起見，制訂采砂坑對渡槽樁基影響嚴重程度的評估標準如表1所列。該標準的基本思想是：以規范規定的樁基承載力為標準，當R≥0時，樁基承載力滿足規范要求，渡槽運行是無風險的;但當樁基受采砂坑削弱后，若樁基礎的承載力低于其承受的荷載即R<0，則渡槽運行是有風險的，并且低得越多，風險等級越高。

對所有渡槽考慮采砂坑引起河床下切后的樁基承載力進行復核后發現：有15座渡槽樁基承載力的富余度R≥0，仍然滿足規范要求，屬無風險，采砂坑對渡槽運行沒有影響;有2座渡槽-5%

4.3采砂坑對渡槽進出口建筑物的影響評估

嚴格地說，應對現狀條件下的邊坡穩定進行定量分析以確定采砂坑是否對渡槽進出口建筑物造成影響，然而，受資料限制，這項工作是難以實現的，只能采用其他方法近似評估。根據GB 50286-98《堤防工程設計規范》，1，2級土堤的堤坡不宜陡于1∶3[18]，故根據該規范，認為坡度緩于1∶3的土坡是相對安全的。因此，參考此標準并保留一定的安全裕度制訂的采砂坑對渡槽進出口建筑物影響嚴重程度的評估標準如表2所列，該標準的基本思想仍然是以規范規定的基準為基本出發點，當采砂坑距渡槽進出口建筑物的距離低于規范規定的標準時，有可能造成建筑物失穩，為高風險。相反，采砂坑距渡槽進出口建筑物越遠，風險越小。

根據調查資料，所有梁式輸水渡槽交叉斷面附近的采砂坑距渡槽進出口建筑物的距離都在10H以上，如圖8所示的距渡槽出口建筑物較近的采砂坑，其距渡槽出口建筑物的距離也有70 m，最大深度約5 m，距離深度比達到14倍以上，因此，采砂坑對所有渡槽進出口建筑物均沒有影響，屬無風險，不需采取額外的應對措施。

4.4采砂坑對渡槽影響的整體評價

綜合以上兩項評估成果可以看出，僅有4座梁式輸水渡槽受采砂坑影響存在一定的安全運行風險，其中：一般風險2座，占總數的10.5%;低風險2座，占10.5%;其他無風險的15座，占79.0%，如表3所列。從表中可以看出，無論從受采砂坑影響的絕對數量還是從受影響的嚴重程度均可以得出結論：南水北調中線工程梁式輸水渡槽受采砂坑影響不嚴重。

5采砂坑的應對措施

南水北調中線工程是一項重要的民生工程，已成為北京、天津、鄭州、石家莊等大中城市的主要生活水源，供水效益和戰略基礎設施地位突出[19]，因此，必須保障安全運行，不容有失。針對本文的分析成果，結合南水北調中線工程建成以來的成功運行管理經驗，對梁式輸水渡槽交叉河流的采砂坑提出以下幾點應對措施：① 對一般風險以上的渡槽，應盡快采取工程措施如設置防沖墻[20]、整治河道等，防止采砂坑造成河床大幅下切，以確保工程的安全運行;② 對低風險的渡槽，密切關注渡槽的沉降、裂縫滲漏等狀態指標，若出現異常，應進一步論證采砂坑的影響;③ 嚴格執行《南水北調工程供用水管理條例》，在交叉斷面上游1 km至下游3 km的保護區范圍內，杜絕采砂活動;④ 交叉河流管理部門應科學制訂河道采砂計劃，防止保護區以外的河道出現嚴重下切，堅決制止“濫開亂采”現象;⑤ 建立南水北調中線工程管理部門與各屬地水利管理部門的聯動機制，為工程的安全運行夯實制度保障。

6結 語

研究認為，對南水北調中線工程梁式輸水渡槽影響較大的采砂坑主要分布在交叉斷面上游1 000 m至交叉斷面下游3 000 m范圍內。調查發現，共有10座渡槽在上述范圍內存在采砂坑，約占總數的52.6%，但經定量評估后發現，受采砂坑削弱后，僅有4座渡槽存在一定的安全運行風險，其余15座渡槽仍能滿足規范要求。按照本文制訂的評估標準，4座有風險的渡槽中，僅有2座渡槽屬于一般風險，其余2座為低風險，受采砂坑影響輕微，因此，從受影響的渡槽數量和影響的嚴重程度可以判斷，采砂坑對南水北調中線工程梁式輸水渡槽的整體影響并不嚴重。考慮到南水北調中線工程的重要性，應對不同風險的渡槽進行分類管理，采取相應的對策措施，確保工程的安全運行。

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（編輯：黃文晉）

Abstract：The practice shows that sand-pits have some influence on the safety operation of Middle Route of South-to-North Water Diversion Project.And this research mainly focuses on evaluating the influence of sand-pits on water conveyance beam aqueducts with quantitative methods.Firstly，the influence distance of sand-pits was studied through empirical formulas of headward erosion and the results showed that sand-pits with great impact on the aqueducts were mainly located in the range of 1 000 m upstream to 3 000 m downstream of the cross-section.Secondly，a comprehensive investigation was conducted and the results showed that about 52.6% of aqueducts have sand-pits in the above mentioned scope and some cross sections even had been under incised.Thirdly，risk assessment indices were proposed based on the reduction of bearing capacity of pile foundation as well as the distance between the sand-pits and the import or export structures，and the results of a quantitative assessment indicated that the overall impact of sand-pits on the water conveyance beam aqueducts in Middle Route of South-to-North Water Diversion Project was not serious.Finally，a series of countermeasures were put forward according to the assessment results.

Key words：safe operation of aqueducts;sand-pits;headward erosion;bearing capacity of pile foundation;Middle Route of South-to-North Water Diversion Project