南水北调工程高填方渠堤沉降变形分析

崔铁军，何国伟，马洪亮，蔡云波

（1.南水北调中线干线工程建设管理局河北分局，河北石家庄050035；2.中水东北勘测设计研究有限责任公司，吉林长春130061）

1 工程概况

南水北调中线一期工程，从加高扩容后的丹江口水库陶岔渠首闸引水，沿线开挖渠道，经唐白河流域西部过长江流域与淮河流域的分水岭方城垭口，沿黄淮海平原西部边缘，在郑州以西李村附近穿过黄河，沿京广铁路西侧北上，可基本自流到北京、天津。

南水北调中线为Ⅰ等工程，总干渠渠道按1 级建筑物设计，输水干线全长1432.493 km。磁县管理处是干线重要组成部分，位于河北省磁县境内，起点桩号0+000，终点桩号40+056，该段长度40.056 km，其中，渠道长38.986 km。磁县段填方段长度为5.152 km，填筑高度在10～16 m 之间。下面我们从设计、施工、监测效果等方面，来对磁县段高填方渠堤的工程性态进行分析研究。

2 渠堤填筑设计

磁县段渠道采用明渠自流输水方案，高填方渠段设计底宽为17.5～24.0 m，设计水深6 m，堤顶宽5 m。边坡系数为2.0～3.5，设计纵坡为1/23000～1/26000。

经过经济技术比较，高填方渠堤的填筑材料选择土料场土料或可利用的渠道挖方土料。填筑的土料需要达到一定的密实度，主要为了使土料能得到预计的抗剪强度、一定的渗透系数和较小的沉陷变形，减小粘性土的表面裂缝，减少其在填筑过程中的孔隙压力，并使碾压时所花费的压实功能为最小，消除非粘性土液化的可能性。

2.1 土料填筑设计

2.1.1 填筑设计干容重

渠堤各段设计填筑干容重，按下式计算：

式中：γd——设计填筑干容重；p——填筑土料压实度，取0.98；γdmax——标准击实试验最大干容重。

根据土料场击实试验成果，大部分料场土质较好，最大击实干容重较高。考虑填筑土料的不均匀性以及施工条件与试验条件的差异，设计填筑干容重取16.2 kN/m3。

2.1.2 设计填筑含水量

填筑含水量应控制在最优含水量附近，其上、下限偏离最优含水量不超过±（2%～3%），渠道设计填筑含水量取填土的击实试验最优含水量的平均值，公式如下：

式中：ω0——设计填筑含水量；——标准击实试验最优含水量的平均值。

根据料场勘察成果，大部分料场天然含水量与最优含水量接近，可直接填筑，部分料场差别5%左右，考虑到开挖和储运过程中含水量有可能降低，施工过程中按现场试验指标取用。

2.1.3 颗粒组成

土料的力学性质是由其颗粒组成、颗粒形状、矿物成分所决定的，颗粒组成是影响土的力学性质的主要因素。土的级配好，则压实性能好，可以得到较高的干容重、较小的渗透系数及较大的抗剪强度。选择级配良好的土料可以得到优良的物理力学性质。

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，土块不易分散，含水量不易均匀，施工操作困难。用高粘性土筑堤，若填筑后含水量降低，则表面容易干缩，出现裂缝。

2）水溶盐、有机质含量。水溶盐含量（指易溶盐和中溶盐，按质量计）不大于3%；有机质含量（按质量计）不大于5%。

3）塑性指数。塑性指数10～20，且不得含有植物根茎、垃圾等杂质。

2.2 高填方渠堤沉降量计算

2.2.1 计算参数

沉降计算参数参考渠道沿线的岩性资料选取，所有填筑土的压缩模量Es参考取8.9 MPa，容重取19.3 kN/m3。

2.2.2 渠堤沉降量计算

渠道沉降采用分层总和法计算土渠渠堤和渠基的沉降量。

1）渠堤和渠基分层原则。①渠堤分层厚度不大于1/5 堤高；②均质渠基分层厚度不大于渠堤底宽的1/4；③非均质堤基，按渠基土的性质和类别划分计算层，但每层厚度不大于渠堤底宽的1/4。

2）压缩层厚度确定。堤基压缩层厚度，按下式计算：

式中：σZ——堤基计算层面处土的自重应力，kPa；σB——堤基计算层面处土的附加应力，kPa。

实际压缩层的厚度小于上式计算值时，按实际压缩层的厚度计算其沉降量。

3）附加应力计算。堤身的边界条件以及堤基的变形条件对堤身或堤基的应力均有影响，堤身能够适应堤基的变形，属柔性基础，其基底压力为梯形分布，因此，堤身对地基中任意点引起的附加应力，可将竖向梯形分布压力分解为两个三角形分布压力和一个均布压力，利用角点法计算，然后叠加得到地基的附加应力。

4）最终沉降量计算。堤身和堤基的最终沉降量按下式计算：

式中：s∞——渠堤和渠基的最终沉降量，cm；pi——第i计算层渠基或渠堤由上部荷载引起的附加应力，kPa；Esi——第i计算层土料的压缩模量；n——渠堤和渠基的分层总数目；hi——第i层土层厚度，cm。

渠堤和渠基分别计算最终沉降量，两者相加即为总沉降量。

3 监测设施布置

高填方渠段布设的监测项目包括：巡视检查、变形监测、渗流监测及冻胀监测等，文中选取磁县管理处高填方0+420～1+800 渠段，对高填方渠堤沉降变形进行分析研究。

高填方0+420～1+800 渠段每间隔90 m 布设1个一般监测断面，每个断面各布设一个垂直位移观测点，位于堤顶外侧。区间包括两个重点监测断面：0+600 和1+000，其中0+600 断面除堤顶垂直位移测点外，还设有沉降管，1+000 断面除堤顶垂直位移测点外，还设有多点位移计，沉降管和多点位移计用来监测渠堤内部分层沉降变形监测。

4 变形监测成果分析

4.1 渠堤内部变形监测

0+600 断面左侧堤顶安装1 根沉降管，1+000断面右侧堤顶安装1 套多点位移计，用于监测渠堤内部分层沉降变形情况。

通过对监测资料的整理可知，沉降磁环整体沉降规律正常，符合高填方渠堤沉降变形一般规律，靠近渠堤堤顶测点沉降量较大，随着测点安装高程降低，测点沉降变形量逐渐减小。

从变形过程可知，多点位移计的各测点绝对位移值在18.23 mm 以内，测值变化平稳，且在设计限值（30 mm）范围内。靠近堤顶测值沉降变形量最大，随着测点安装高程降低其沉降变形量相应变小，各测点沉降变形规律和趋势具有一致性和合理性，与沉降管变形结果相互印证。

4.2 渠坡表面变形监测

1）重点监测断面。0+600 断面、1+000 断面堤顶各布置4个垂直位移测点。监测成果显示，两个重点监测断面堤顶表面垂直位移以下沉为主；0+600 断面沉降量为74.41 mm（小于设计允许值157 mm），1+000 断面沉降量为36.83 mm（小于设计允许值149 mm），从观测开始时间来看，0+600断面起测时间早于1+000 断面，致使总沉降量0+600 断面大于1+000 断面。目前沉降变形已趋于稳定。

2）其他一般断面。高填方渠段沿线每间隔90 m布设1个一般监测断面，两侧对称布置，共计布置29个垂直位移测点，测点均位于渠堤路外侧。

从量值上来看，1+270 断面及所在渠段沉降变形量较大，对此，文中对1+270 断面所在1+090～1+800 渠段内，堤顶各测点的累计沉降变形监测成果进行分析研究。

从绘制的累计沉降量过程线（图略）可以看出，位于1+270 断面左右岸垂直位移测点沉降变形最大，主要发生在2016年度。经调查获知，2016年汛期（7月份）发生过强降雨，最大降雨量达到207.3～221.1 mm；受2016年汛期强降雨影响，1+270 断面及所属渠段在该时段下沉变形明显，期间也对工作基点进行了复核，复测结果显示，所用工作基点高程未见异常。当前累计沉降量达到152.76 mm 和114.76 mm，其中左岸沉降变形已超过设计允许值147 mm。除1+270 断面外，其他断面测点累计沉降量均在设计允许值范围内，且各测点累计沉降变形已基本稳定。

综上可知，高填方渠段的沉降变形，自观测之日起逐渐增大，各测点2018年年底开始趋于稳定。其中，桩号1+270 断面左右侧沉降变形最大，其次是1+270 断面下游侧1+350 至1+710 渠段，左堤累计沉降变形在40.13～84.57 mm 之间，右堤累计沉降变形在13.89～62.43 mm 之间，左堤沉降大于右堤。1+270 断面上游侧沉降变形小于下游侧，上游侧左堤累计沉降在29.21～36.34 mm 之间，右堤累计沉降在28.37～44.23 mm 之间，目前沉降变形已稳定。

5 结论

通过对两个重点监测断面的沉降管、多点位移计及表面垂直位移的监测成果分析可知，各监测项目总体变形趋势相互吻合，变形规律具有一致性，且实测沉降量在设计允许沉降变形值范围内。靠近堤顶测点沉降变形量值最大，随着测点安装高程降低，其沉降变形量相应变小，各测点沉降变形规律和趋势具有一致性和合理性。

其他渠堤一般断面表面垂直位移监测成果显示，结合施工资料、环境量变化情况可知，由于1+270～1+440 渠段为桥梁占压缺口，该部位回填较晚，2016年汛期受强降雨影响，致使出现下沉速率增大现象，从而导致该渠段沉降变形较大。

综合判定，高填方渠堤沉降变形与填筑高度有关，实测累计沉降量在设计理论沉降量范围内。局部施工缺口渠段的填筑时间较晚，累计沉降变形量略超设计允许值，目前渠堤沉降变形已基本稳定，不影响高填方渠堤通水运行安全要求。