采砂坑对南水北调中线工程渡槽安全运行的影响

张启义　丁留谦　解家毕　姚秋玲

摘要：南水北调中线工程的运行实践表明，采砂坑对工程的安全运行存在一定的影响。采用定量的方法评估采砂坑对梁式输水渡槽安全运行的影响：① 通过采砂坑溯源冲刷等经验计算公式，确定对渡槽影响较大的采砂坑主要分布在交叉断面上游1 000 m至下游3 000 m范围内;② 调查发现，约52.6%的渡槽在上述范围内存在采砂坑，并且个别渡槽交叉断面已经出现下切的情况;③ 从桩基承载力和进出口建筑物稳定性两方面入手，提出以桩基承载力的降低量和采砂坑距进出口建筑物的距离作为采砂坑影响严重程度的评估指标，制订了相应估计标准，并对所有梁式输水渡槽进行定量评估，发现无论从受影响的渡槽数量还是从影响的严重程度看，采砂坑对南水北调中线工程梁式输水渡槽的整体影响都不严重。根据评估成果，提出了采砂坑的应对措施。

关键词：渡槽安全运行; 采砂坑; 溯源冲刷; 桩基承载力; 南水北调中线工程

中图法分类号： N8

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2021.11.035

0引 言

南水北调中线工程是从汉江丹江口水库取水向京、津及华北地区城市提供生活、工业用水的一项跨流域、大流量、长距离的特大型调水工程，是缓解中国华北水资源严重短缺、优化水资源配置、改善生态环境的重大战略性基础设施。工程全长1 432.493 km，多年平均调出水量95亿m3，陶岔渠首设计流量为350 m3/s，加大流量为420 m3/s。

南水北调中线工程共穿/跨过大小河流705条，所穿/跨河流均为北方河流，常年少水，很多大型河道采砂严重，对交叉建筑物的安全运行造成一定影响，比较典型的如北京“7·21”暴雨期间的北拒马河暗渠险情[1]。当时交叉断面处水深仅1.8 m，洪峰流量约为800 m3/s，洪水重现期接近10 a一遇，然而，这场远低于暗渠100 a一遇设计标準的洪水，造成北防洪堤下游堤脚冲刷深度达3 m，危及北防洪堤安全。同时，暗渠下游最大冲刷深度达5 m，冲坑距暗渠基底仅约2.3 m，格栅石笼护砌被冲毁，暗渠下游边墙结构外露，暗渠结构面临失稳的重大险情，如图1所示。造成此次重大险情的根源是紧临暗渠附近的河道存在规模巨大、连续成片的大型采砂坑，坑深达30 m，最近处距暗渠仅130 m，如图2所示。采砂坑的存在破坏了天然河床的平衡状态，在河道洪水动水剪应力作用下形成溯源冲刷，造成暗渠下游侧临空，诱发暗渠扭曲断裂的风险。

南水北调中线工程的梁式输水渡槽均为大型河渠交叉建筑物，所跨河流（即交叉河流）交叉断面以上集水面积大于20 km2，不少河道也存在采砂行为，个别交叉河流采砂严重。采砂坑引起河床下切可能造成渡槽桩基础埋深减小，承载力降低，轻者可引起沉降增加、槽身漏水，重者可诱发裹头坍塌、工程损毁断水的严重险情。自中线工程全线通水以来，梁式输水渡槽虽未出现过重大险情，但与北拒马河暗渠类似，个别渡槽也出现了“小流量大冲刷”的情况，若发生设计标准的洪水，后果不堪设想，因此，有必要对梁式输水渡槽受采砂坑影响的严重程度作进一步研究，查清梁式输水渡槽运行面临的风险。

1梁式输水渡槽的典型设计

1.1渡槽的典型布设方式

南水北调中线工程梁式输水渡槽在校核洪水位情况下，渡槽梁底与校核洪水位的高差必须满足相应的净空要求，且槽身不作挡水的结构物，按100 a一遇洪水设计，300 a一遇洪水校核。渡槽一般由右岸渠道连接段、进口渐变段、进口闸室段、进口连接段、槽身段、出口连接段、出口闸室段、出口渐变段、左岸渠道连接段等9段组成，其中渠道主要建筑物包括进出口渐变段、槽身、槽墩及其基础等按1级建筑物设计，河道防护等次要建筑物按3级建筑物设计。渡槽的典型布置如图3所示。

1.2渡槽基础设计

渡槽基础设计主要参考JTG D60-2004《公路桥涵设计通用规范》、GB 50007-2002《建筑地基基础设计规范》、JTJ 024-85《公路桥涵地基与基础设计规范》、TB 10017-99《铁路工程水文勘测设计规范》等规范执行，除少数河床基岩条件较好的采用扩大基础和端承桩外，其余主要采用摩擦桩。承台主要采用高桩承台的型式，允许最大冲刷线越过承台底部。

摩擦桩的长度主要受承受的荷载控制，单桩的强度条件为

N<[P]

（1）

式中：N为桩顶轴力;[P]为桩的承载力，[P]=min{[P1]，[P2]}，[P1]为按桩周摩擦力与端承力计算的承载力，[P2]为按桩材料计算的承载力。在计算[P1]时，只计算最大冲刷线以下部分的桩周摩擦力。

交叉河道最大冲刷线由冲刷总深度控制，冲刷总深度为自河床地面算起的一般冲刷深度和局部冲刷深度之和。

1.3河道防护

梁式输水渡槽在基础设计时，考虑了河床的一般冲刷和槽墩处的局部冲刷，桩基承载力只计算最大冲刷线以下部分的桩周摩擦力，由于桩长设计已充分考虑了河道冲刷的影响，故大部分渡槽均不对交叉河道的河床进行防护。

渡槽的建成可使交叉断面水流流速增加，并且流态受到明显扰动，这加剧了两岸岸坡的冲刷，故所有梁式输水渡槽均对交叉断面处的河岸进行严密防护。交叉断面附近的河道边坡主要采用浆砌石衬砌，最大衬砌高度一般在校核洪水位以上0.5 m，护坡齿脚一般深至地面下1.0 m，或者在坡脚修一定宽度的水平防护，以防止洪水淘刷坡脚。对位于填方渠段的梁式输水渡槽，在渡槽进出口一般均采用裹头进行防护[2]，裹头处的局部冲刷按GB 50286-98《堤防工程设计规范》的非淹没丁坝冲刷公式计算，在裹头坡脚处，设置防冲槽抗冲。

2梁式输水渡槽受采砂坑影响的范围

本次研究涵盖南水北调中线工程全部19座梁式输水渡槽，但不宜对交叉河流全河道的采砂坑均展开

调查和研究，以往的大量研究表明[3-9]，采砂坑仅对其附近的局部河道产生影响，主要表现为采砂坑上游的溯源冲刷和下游的淤积，同时，随着冲淤的发展，采砂坑会向下游迁移，从而引起采砂坑下游一定距离的河床下切，但总的来说，采砂坑对上游河床影响的距离比下游要大得多。因此，梁式输水渡槽受采砂坑影响的范围即为以交叉断面为中心点，上下游限定在采砂坑的最大影响距离内。

梁式输水渡槽受交叉断面下游采砂坑影响的最大范围，主要取决于采砂坑溯源冲刷的最大距离，超过此距离的采砂坑，不会造成交叉断面河床下切，可以认为对渡槽不构成影响。关于采砂坑的溯源冲刷，国内外很多学者进行了广泛而深入的研究[10-13]，提出了很多经验公式，其中，Wu等[12]提出的采砂坑最大溯源冲刷距离经验公式对经验参数的要求少，用于一般河道采砂坑最大溯源冲刷距离的估算比较方便：

对于公式（2），采用某典型交叉河道的参数，Lp取为2 000 m，Wr取为1，计算得到采砂坑最大溯源冲刷距离与采砂坑深度的关系曲线如图4所示。從图4中可以看出，当采砂坑最大深度达20 m时，最大溯源冲刷距离接近3 000 m，但实际采砂坑很难达到此规模，因此，从安全的角度出发，可将梁式输水渡槽受下游采砂坑影响的范围大致限定在交叉断面下游3 000 m以内。

梁式输水渡槽受交叉断面上游采砂坑影响的最大范围主要取决于采砂坑向下游迁移的最大距离，对此，司鹏飞等[13]结合前人的相关理论研究及物理实验研究结果，提出了计算建筑物上游安全采砂距离的公式。根据该公式，他计算得到安阳河倒虹吸上游采砂安全距离范围为283.9～2 821.4 m，其中，大部分工况的安全距离范围为1 000 m以下。考虑到采砂坑溯源冲刷的距离比向下游迁移的距离要大得多，因此，将梁式输水渡槽受交叉断面上游采砂坑影响的范围限定在采砂坑最大溯源冲刷距离的1/3即1 000 m是合适的。

根据《南水北调工程供用水管理条例》（国务院令第647号）的规定，倒虹吸、渡槽、暗渠等交叉工程的保护范围为“从管理范围边线向交叉河道上游延伸至不少于500 m不超过1 000 m、向交叉河道下游延伸至不少于1 000 m不超过3 000 m以内的区域”，因此，本文提出的梁式输水渡槽受采砂坑影响的范围为交叉断面上游1 000 m至交叉断面下游3 000 m是与上述条例相吻合的。

3交叉河道采砂坑调查

3.1整体情况

对全部19座梁式输水渡槽交叉断面附近的河道均进行了现场调查，调查范围限定在交叉断面上游1 000 m至交叉断面下游3 000 m以内。从调查的情况看，共有10座渡槽交叉断面附近存在采砂坑，约占梁式输水渡槽总数的52.6%。采砂坑在交叉断面上下游均有分布，不存在仅在单侧才有采砂坑的情况，采砂坑最大深度20 m。个别渡槽交叉断面附近河道采砂特别严重，采砂坑不仅遍布整个河道，在河漫滩也存在相当数量且深度较大的采砂坑，如图5所示。一些渡槽交叉断面附近的单个采砂坑规模特别巨大，面积可达10万m2以上，深度超过10 m，如图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一遇设计洪水约8 000 m3/s，渡槽基础为摩擦桩，承台采用高桩承台，承台埋深在设计洪水一般冲刷线附近，上部回填抗冲材料。2016年，该河发生了一场最大洪峰流量约为500 m3/s的洪水，洪水频率远不足5 a一遇，然而，由于渡槽交叉断面上下游河道存在大量采砂坑，使得交叉断面河床最大下切约3 m，槽墩处的抗冲材料也被冲毁，该流量下的冲刷深度已与设计洪水的一般冲刷深度相当，如图7所示。

这是一例由采砂坑引起渡槽交叉断面河床下切的典型案例，如果当时洪峰流量继续增加，冲刷深度进一步加大，则最大冲刷线很可能超越承台底高程，削弱桩基埋深，使基础承载力下降，可能诱发重大险情。

4采砂坑对渡槽安全运行影响的定量评估

南水北调中线工程从可研到设计到最后建成通水，前后历经十余年，在这段时间里，交叉河流的采砂一直没有得到有效控制，所以，在工程设计阶段是没有严格考虑采砂坑的影响的，这使得梁式输水渡槽的现状运行条件与设计相比，发生了很大的变化，这给工程的安全运行带来了很大的挑战。因此，必须通过一定手段对采砂坑的影响进行定量评估，并藉此制定相应的应对措施。

4.1采砂坑影响程度的评价指标

采砂坑引起交叉断面河床下切，使桩基础埋深减小，承载力降低，沉降量增加，轻者导致槽身漏水，重者可能造成工程损毁。如果采砂坑靠近渡槽进出口建筑物，还可能引起边坡淘刷失稳，造成进出口建筑物损坏的重大险情[14]。

梁式输水渡槽的桩基承载力设计和沉降控制主要依据JTG D63-2007《公路桥涵地基与基础设计规范》进行，但从各渡槽的设计资料看，与规范规定的控制指标相比，沉降量的富余度普遍达30%以上，而承载力的富余度则普遍不超过10%，考虑到沉降量的富余度比承载力的富余度要大得多，因此，采砂坑对渡槽桩基础影响的严重程度可采用桩基承载力降低量的大小作为评价指标。

从调查的资料看，大部分采砂坑距渡槽进出口建筑物均较远，这些采砂坑主要引起交叉断面中心部位的河床下切，对进出口建筑物的影响相对较小，但也有个别渡槽进出口建筑物附近存在大量采砂坑，如图8所示。这些采砂坑在大洪水作用下可能在汛期出现剧烈淘刷，从而可能诱发边坡失稳，危及到进出口建筑物的安全。采砂坑是否可引起进出口建筑物失稳，主要受采砂坑与进出口建筑物的距离控制，因此，评估采砂坑对渡槽进出口建筑物安全影响的严重程度，可近似采用采砂坑距进出口建筑物距离的大小作为评价指标。

4.2采砂坑对渡槽桩基承载力的影响评估

梁式输水渡槽桩基础的长度是按式（1）控制的，但纵观南水北调中线工程所有梁式输水渡槽的设计资料可以发现，各渡槽桩基承载力的富余度R（R=（[P]-N）/N×100%）是不相同的，富余度最大的达7.65%，而最小的仅0.01%。很显然，桩基承载力富余度大的渡槽允许河床出现一定程度的下切，只要式（1）的条件得到满足，渡槽仍是满足规范要求的，也是相对安全的，这种渡槽可承受更大的风险。但承载力富余度小的渡槽，式（1）则很容易被突破，其可承受的风险也更小。

如果式（1）的条件被突破，那么梁式输水渡槽将面临何种风险，根据JTG D63-2007《公路桥涵地基与基础设计规范》的规定[15]，“地基承载力基本容许值应首先考虑由载荷试验或其他原位测试取得，其值不应大于地基极限承载力的1/2”，即容许承载力≤1/2极限承载力。同时，JGJ 94-2008《建筑桩基技术规范》也规定[16]，单桩竖向承载力特征值Ra应按下式确定：

式中：Quk为单桩竖向极限承载力标准值;K为安全系数，K取2。

由此可知，设计中采用的桩基容许承载力大致为极限承载力的一半，也就是说，相对于极限承载力而言，容许承载力保留了50%的富余度，而这50%的富余度应为防止工程设计和运行过程中出现某些未知风险，故式（1）的条件被突破即意味着保留的这50%的富余度开始被削弱，工程抵御未知风险的能力降低，这种认识对制订采砂坑对渡槽桩基影响严重程度的评价标准有借鉴意义。为安全起见，制订采砂坑对渡槽桩基影响严重程度的评估标准如表1所列。该标准的基本思想是：以规范规定的桩基承载力为标准，当R≥0时，桩基承载力满足规范要求，渡槽运行是无风险的;但当桩基受采砂坑削弱后，若桩基础的承载力低于其承受的荷载即R<0，则渡槽运行是有风险的，并且低得越多，风险等级越高。

对所有渡槽考虑采砂坑引起河床下切后的桩基承载力进行复核后发现：有15座渡槽桩基承载力的富余度R≥0，仍然满足规范要求，属无风险，采砂坑对渡槽运行没有影响;有2座渡槽-5%

4.3采砂坑对渡槽进出口建筑物的影响评估

严格地说，应对现状条件下的边坡稳定进行定量分析以确定采砂坑是否对渡槽进出口建筑物造成影响，然而，受资料限制，这项工作是难以实现的，只能采用其他方法近似评估。根据GB 50286-98《堤防工程设计规范》，1，2级土堤的堤坡不宜陡于1∶3[18]，故根据该规范，认为坡度缓于1∶3的土坡是相对安全的。因此，参考此标准并保留一定的安全裕度制订的采砂坑对渡槽进出口建筑物影响严重程度的评估标准如表2所列，该标准的基本思想仍然是以规范规定的基准为基本出发点，当采砂坑距渡槽进出口建筑物的距离低于规范规定的标准时，有可能造成建筑物失稳，为高风险。相反，采砂坑距渡槽进出口建筑物越远，风险越小。

根据调查资料，所有梁式输水渡槽交叉断面附近的采砂坑距渡槽进出口建筑物的距离都在10H以上，如图8所示的距渡槽出口建筑物较近的采砂坑，其距渡槽出口建筑物的距离也有70 m，最大深度约5 m，距离深度比达到14倍以上，因此，采砂坑对所有渡槽进出口建筑物均没有影响，属无风险，不需采取额外的应对措施。

4.4采砂坑对渡槽影响的整体评价

综合以上两项评估成果可以看出，仅有4座梁式输水渡槽受采砂坑影响存在一定的安全运行风险，其中：一般风险2座，占总数的10.5%;低風险2座，占10.5%;其他无风险的15座，占79.0%，如表3所列。从表中可以看出，无论从受采砂坑影响的绝对数量还是从受影响的严重程度均可以得出结论：南水北调中线工程梁式输水渡槽受采砂坑影响不严重。

5采砂坑的应对措施

南水北调中线工程是一项重要的民生工程，已成为北京、天津、郑州、石家庄等大中城市的主要生活水源，供水效益和战略基础设施地位突出[19]，因此，必须保障安全运行，不容有失。针对本文的分析成果，结合南水北调中线工程建成以来的成功运行管理经验，对梁式输水渡槽交叉河流的采砂坑提出以下几点应对措施：① 对一般风险以上的渡槽，应尽快采取工程措施如设置防冲墙[20]、整治河道等，防止采砂坑造成河床大幅下切，以确保工程的安全运行;② 对低风险的渡槽，密切关注渡槽的沉降、裂缝渗漏等状态指标，若出现异常，应进一步论证采砂坑的影响;③ 严格执行《南水北调工程供用水管理条例》，在交叉断面上游1 km至下游3 km的保护区范围内，杜绝采砂活动;④ 交叉河流管理部门应科学制订河道采砂计划，防止保护区以外的河道出现严重下切，坚决制止“滥开乱采”现象;⑤ 建立南水北调中线工程管理部门与各属地水利管理部门的联动机制，为工程的安全运行夯实制度保障。

6结 语

研究认为，对南水北调中线工程梁式输水渡槽影响较大的采砂坑主要分布在交叉断面上游1 000 m至交叉断面下游3 000 m范围内。调查发现，共有10座渡槽在上述范围内存在采砂坑，约占总数的52.6%，但经定量评估后发现，受采砂坑削弱后，仅有4座渡槽存在一定的安全运行风险，其余15座渡槽仍能满足规范要求。按照本文制订的评估标准，4座有风险的渡槽中，仅有2座渡槽属于一般风险，其余2座为低风险，受采砂坑影响轻微，因此，从受影响的渡槽数量和影响的严重程度可以判断，采砂坑对南水北调中线工程梁式输水渡槽的整体影响并不严重。考虑到南水北调中线工程的重要性，应对不同风险的渡槽进行分类管理，采取相应的对策措施，确保工程的安全运行。

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（编辑：黄文晋）

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