南水北调渠道填筑质量与安全监测方法

艾明明，王珍萍，马洪亮，何香凝

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）



南水北调渠道填筑质量与安全监测方法

艾明明，王珍萍，马洪亮，何香凝

（中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林 长春 130021）

［摘 要］南水北调中线干线工程输水明渠沿线所经地质条件复杂，高填方渠道全长137.1 km，最大填方高度达到23.2 m，渠道土方填筑施工质量将直接影响工程的安全平稳运行。施工过程中和完工后，工程采用了多种质量检测方法对土方填筑施工质量进行了检测和隐患排查。同时，设计选取了典型监测断面和一般监测断面布设变形和渗流监测设施，既可作为检验工程施工质量的辅助手段，又可监控渠道工程在施工期和运行期的安全状况。

［关键词］南水北调；渠道填筑；质量检测；隐患排查；安全监测

南水北调工程是实现我国水资源优化配置、促进经济社会可持续发展、保障和改善民生的重大战略性基础设施。南水北调中线一期工程输水干线全长1 432 km，主要采用明渠输水，要穿越煤矿采空区、膨胀土（岩）区、湿陷性黄土区、砂质土区等特殊地质条件地区，其中填方高度大于6 m的高填方渠道全长137.1 km，最大填方高度达到23.2 m。因此渠堤土方填筑施工的质量控制尤其重要，将直接影响工程的安全平稳运行。

施工期，渠道填筑施工采取了多种手段进行质量控制与检测，层层管控。通水前，建设单位又委托了第三方检测机构对高填方渠道分批开展了一次独立系统全面的质量检测和隐患排查工作。此外，设计布设的变形和渗流监测设施既可作为检验工程施工质量的辅助手段，又可监控渠道工程在施工期和运行期的安全状况。

1　土方填筑施工质量标准和检查方法［1］

南水北调中线干线工程渠道土方填筑主控项目施工质量标准和方法见表1。

一般项目施工质量标准和方法见表2。

2　质量检测方法

土方填筑施工过程中在渠底清基碾压完成后按500 m2一次且不少于3个点进行压实度检测，以渠道中心线和左、右边线，间距10～15 m布设高程控制线，用测量仪器、2 m靠尺等工具检验高程、渠底平整度等指标。对渠道与交叉建筑物结合部位，如墩柱周围和排水建筑物两侧部位，每层压实度检测点应均匀分布且不少于3点［2］。

表1　土方填筑主控项目施工质量标准和方法

表2　土方填筑主一般项目施工质量标准和方法

2.1环刀法检测压实度［3］

粘性土填筑土料的压实度使用环刀法进行检测，这是测量现场密度的传统方法。国内习惯采用的环刀容积通常为200 cm3，环刀高度通常约5 cm。用环刀法测得的密度是环刀内土样所在深度范围内的平均密度，它不能代表整个碾压层的平均密度。由于碾压土层的密度一般是从上到下逐渐减小，为了得到整个碾压层的平均压实度，在用环刀法测定土的密度时，应使环刀所取的土恰好是碾压层中间的土，这样环刀法所得的结果才可能与灌砂法的结果大致相同。

环刀法使用的仪器设备包括环刀、天平、切土刀或钢丝锯等，操作步骤包括取样、称重和计算。

2.2灌水法检测压实度

灌水法检测压实度试验方法适用于现场测定粗粒土和巨粒土的密度。主要检测设备包括：直径均匀并附有刻度的储水筒；方形或圆形的套环；水准仪及台秤等。灌水法相比于灌砂法优点在于适用于巨粒土的检测，费用低，但其缺点在于误差较灌砂法更大。

南水北调中线一期工程总干渠邯邢段分布着范围较广的泥砾层，粒径含量不满足规范对堤防防渗体填筑的要求。经试验研究和技术经济分析比较，该渠段采用泥砾作为填筑土料。施工过程中，泥砾填筑渠段压实度检测采用了灌水法，最小坑深为单层碾压厚度，套环直径150 cm、高20 cm［4，5］。

2.3灌砂法检测压实度

灌砂法适用于现场测定细粒土、砂类土和砾类土的密度。试样最大粒径一般不得超过15 mm。测定密度层的厚度为150～200 mm。

其基本原理是利用粒径0.30～0.60mm或0.25～0.50 mm清洁干净的均匀砂，从一定高度自由下落到试洞内，按其单位重不变的原理来测量试洞的容积（即用标准砂来置换试洞中的集料），并根据集料的含水量来推算出试样的实测干密度。

主要检测设备包括：密度测定器、天平。

2.4探地雷达探测隐患

探地雷达属于快速无损物探设备，可用于对渠堤内洞穴、松散体、砂层、渗水段、护坡或建筑物闸室底板脱空以及其它与建筑材料有介电常数差异的异常体进行隐患详查。其工作原理是根据电磁波在不同介质中传播特性不同而进行探测的，由探地雷达发射天线发出的电磁脉冲向地下传播，在存在电性差异的界面产生反射，反射波被雷达接收天线接收并被仪器记录下来。通过分析研究反射波的振幅及相位等波形特征，可对地下目标体的性状作出一定程度的判别。探测时，可根据具体情况选用剖面法、透射法、宽角法或共中心点法等探测方法［6］。

采用探地雷达法探测渠道隐患的前提条件是隐患与周边介质之间有明显的介电常数差异，这种差异越大，探测效果越好。隐患的埋设及规模需达到探测设备保证的探测距离范围、分辨能力要求。探测时一般沿渠道布设测线，施测时点测间距一般选择0.1～1.0 m之间，或采用连续测试方法。在探测隐患时，要尽量考虑保证探测距离和分辨率，并结合实际情况选择中心频率。

2.5瑞利波电磁测试仪检测隐患

瑞利波测试技术在工程中已应用于岩土物理力学参数原位测试、工程勘察及地基土类型的划分、强夯法处理软弱地基效果的评价、饱和砂土层的液化判别和工程质量检测等方面［7］。

进行隐患探测时，一般沿渠道布设测线，电极距一般等于测点距，其距离不大于2 m。探测过程中MN保持不变，其距离等于1个电极距。探测深度应保证至少深入渠基4 m。

3　安全监测方法

3.1表面变形监测

表面变形监测包括垂直位移监测和水平位移监测。

1）垂直位移监测

垂直位移监测系统包括水准基点、水准工作基点、垂直位移测点。水准基点用来校测水准工作基点的稳定情况，位于稳定区域；水准工作基点用来测定垂直位移测点的垂直位移，位于相对稳定区域且便于观测垂直位移测点。

该工程渠道垂直位移监测采用国家二等水准要求施测。

2）水平位移监测

水平位移监测系统包括水平位移工作基点和位移测点。工作基点本身结构应该稳定、坚固，埋设在稳定的原状土或基岩上，墩顶安装强制对中底盘。位于测点结构形式与工作基点接近，或采用与垂直位移测点公用的综合测点。

水平位移监测方法包括前方交会法、视准线法、极坐标法、GPS法。

3.2内部变形监测

1）内部垂直位移监测

南水北调中线干线工程多采用电磁式沉降仪监测渠道内部垂直位移。其工作原理是：在填方渠堤内部钻孔安装埋设沉降管，在套管外壁隔一定间距布设沉降感应磁环，用沉降探头感应并确定每个磁环的位置，以此计算渠堤内部不同深度处的沉降量。

2）内部水平位移监测

南水北调中线干线工程使用的内部水平位移监测仪器设备有多点位移计、单点位移计、活动测斜仪和固定测斜仪。

3.3渗流监测

渗流监测内容主要包括渗流压力监测、渗流量监测。其中渗流压力通过安装埋设渗压计和测压管进行监测，渠道渗流量监测常采用容积法。

3.4安全监控指标

南水北调中线干线工程总干渠设计涉及到多家设计单位，对渠道沉降、边坡水平位移和渗流提出的监控指标不一致，总体情况概述如下：

1）渠道沉降监控指标

渠道填筑最终沉降量设计采用分层综合法进行计算，施工期沉降量按最终沉降量的80%估算，渠道预留沉降量为最终沉降量的20%。

2）渠道边坡水平位移监控指标

各级马道以下水平位移不超过0.2%H（H为自渠底计算的挖深），水平位移速率不大于2mm/d。

3）渠道渗流监控指标

渠道各监测断面渗压计的警戒值，根据渠道不同运行情况，采用渠外水位与渠内水位联合分析制定：为保证渠道混凝土衬砌板的抗浮稳定，设计要求渠外水位高于渠内水位（或检修期高于渠底）不大于一定限值（按渠段分为8，10，11 cm）；逆止阀内排渠段，若发现渠外水位高于渠内水位5 cm以上，则说明逆止阀排水通道不畅，需检修、清淤。

4　结语

南水北调中线干线工程输水明渠沿线所经地质条件复杂，渠道土方填筑施工质量直接影响着工程的安全平稳运行。在工程建设的不同阶段，结合实际采用多种方法进行了质量检测和隐患排查，辅助进行工程安全监测，既可达到控制渠道土方填筑施工质量的目的，又可监控渠道工程在不同时期的安全状况，对国内引调水工程的施工和运行具有十分重要的指导和借鉴意义。

［参考文献］

［1］NSBD7-2007，南水北调中线一期工程渠道工程施工质量评定验收标准（试行）［S］.

［2］南水北调中线干线工程渠道混凝土衬砌施工操作指南（试行）［S］.

［3］SL237-1999，土工试验规程［S］.

［4］张同颖，贾文利.南水北调中线邯邢渠段泥砾开挖料填筑利用试验［J］.南水北调与水利科技，2013（6）：217—222.

［5］付明军，劳道安.南水北调中线工程河北省磁县段泥砾土筑堤方案研究［J］.南水北调与水利科技，2011（2）：9—11.

［6］岳松涛，李益.快速无损检测设备在南水北调工程渠道边坡检测中的应用［J］.现代仪器，2009（1）：73—75.

［7］靳国礼，刘洋.瑞利波测试技术及其应用［J］.山西建筑，2010（2）：155—156.

［中图分类号］TV52+3；TV551.1+1

［文献标识码］A

［文章编号］1002—0624（2016）07—0063—03

［收稿日期］2015-12-11