南水北調(diào)中線工程京石段渠道砂土筑堤設(shè)計(jì)

董曉燕

（水利部河北水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，天津 300250）

1 概述

南水北調(diào)中線工程是一項(xiàng)跨流域、跨省市的特大型水利工程，全線以自流輸水為主。中線一期工程年均調(diào)水規(guī)模95億m3。為確保首都供水、緩解水資源危機(jī)，先期開(kāi)工建設(shè)南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程，通過(guò)石津渠、沙河總干渠、唐河總干渠，將河北省崗南、黃壁莊、王快和西大洋4座大型水庫(kù)的水資源先期輸送到北京，有效緩解了北京市的缺水狀況。

京石段應(yīng)急供水工程河北段渠線總長(zhǎng)227.375km，其中渠道長(zhǎng)200.430 km。砂土筑堤段渠道為京石段渠道工程的一部分，分別位于滹沱河、沙河和唐河的河灘地段：其中，滹沱河渠道倒虹吸進(jìn)口段總長(zhǎng)度3.381 km，累計(jì)樁號(hào)分別為3+831.83-7+212.954（滹沱河右灘地）；沙河渠道倒虹吸進(jìn)出口段總長(zhǎng)度2.730 km，進(jìn)口段累計(jì)樁號(hào)為42+621.69－44+986.7（沙河右灘地）、出口段累計(jì)樁號(hào)47+216.7-47+ 581.48（沙河左灘地）；唐河渠道倒虹吸進(jìn)口段總長(zhǎng)度1.206 km，累計(jì)樁號(hào)71+797.931-72+397.89（唐河右灘地）、72+897.856－73+497.815（唐河右灘地）；累計(jì)砂土筑堤段渠道總長(zhǎng)度7.317 km。

上述渠段地層巖性均以砂性土為主，壤土稀少，而且渠道斷面以填方型式為主，缺少筑堤土料。為了解決該問(wèn)題，考慮采用渠道棄土或土料場(chǎng)砂土進(jìn)行填筑設(shè)計(jì)。

2 填筑方案擬定

在保證工程安全的前提下，本著利用現(xiàn)有征地、節(jié)省投資及保護(hù)環(huán)境的原則，根據(jù)各段渠道的填筑型式、已填筑情況和實(shí)際征地情況，初定3個(gè)方案進(jìn)行比選。

方案1：壤土填筑方案。即清基線以上部分采用壤土填筑。

方案2：中細(xì)砂加筋填筑方案。即在現(xiàn)有已填筑渠道基礎(chǔ)上，利用中細(xì)砂加土工格柵加筋填筑。

方案3：黏性土斜墻及中細(xì)砂加筋填筑方案。即內(nèi)坡采用黏土斜墻、外坡利用渠道開(kāi)挖或料場(chǎng)開(kāi)挖的砂性土加土工格柵筑堤。

3 各河灘地段填筑方案比選

3.1 滹沱河河灘地段

該河灘地段渠道距石家莊市區(qū)較近，土地資源稀缺，土料場(chǎng)選取、征占困難，若采用就近取用壤土或遠(yuǎn)距離調(diào)運(yùn)土料填筑方案，一是土料場(chǎng)選取困難，二是因運(yùn)距較遠(yuǎn)投資巨大。而與之相鄰的石家莊市郊段部分渠道又有超過(guò)28萬(wàn)m3中細(xì)砂棄土無(wú)處可棄。

經(jīng)計(jì)算，采用中細(xì)砂加筋填筑方案，附近的28萬(wàn)m3的中細(xì)砂棄料能夠滿足該段渠道的筑堤土料需求。若采用壤土填筑方案或黏土斜墻及中細(xì)砂加筋等其他填筑方案，既需要增加壤土土料場(chǎng)占地，又要考慮開(kāi)挖的中細(xì)砂棄土再處理。

采用中細(xì)砂加筋填筑方案，既能減少筑堤土料場(chǎng)征地，又能減少開(kāi)挖棄土的占地和投資，節(jié)約寶貴的土地資源。從施工、投資及環(huán)境保護(hù)方面綜合比較，該段渠道選取中細(xì)砂加筋填筑方案。

3.2 沙河河灘地段

該段渠道位于新樂(lè)市境內(nèi)，地層巖性表層約有0.4～2 m厚壤土或砂壤土，下部為中細(xì)砂?？偢汕谏?～2 m，填筑高度為5～6 m，開(kāi)挖量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于填筑方量，而且該渠段附近的其他總干渠施工段也沒(méi)有多余土料可用。

鑒于該區(qū)域壤土稀少，在總干渠渠道設(shè)計(jì)中，既要考慮筑堤土料選取滿足總干渠設(shè)計(jì)指標(biāo)要求，又要盡量減少征占過(guò)多的土地資源。為此，對(duì)筑堤土料的選取進(jìn)行了多方案比選，并經(jīng)過(guò)對(duì)各方案投資、施工工藝、質(zhì)量控制及工程征地等方面比較，最終選用壤土斜墻與中細(xì)砂填筑相結(jié)合方式，即內(nèi)坡采用壤土斜墻、外坡利用料場(chǎng)或沙河（北）灘地砂土。

該方案將土料場(chǎng)上部壤土用于填筑壤土斜墻，其余堤身采用砂性土料填筑。這樣，既保證了渠道工程的質(zhì)量，又避免了挖除過(guò)多地表壤土造成對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的大面積破壞，減少了對(duì)當(dāng)?shù)赝恋刭Y源的征占。

3.3 唐河河灘地段

該段渠道地層巖性均以砂性土為主，壤土稀少。經(jīng)土料場(chǎng)調(diào)查，滿足要求且能夠征占的土料場(chǎng)距離該渠段距離達(dá)26 km。如采用壤土填筑方案，需征占土料場(chǎng)用地66.7 hm2；而采用黏性土斜墻及中細(xì)砂加筋填筑方案，需進(jìn)行遠(yuǎn)距離土料場(chǎng)征占和運(yùn)輸，以上兩方案工程投資均較高。

考慮該段渠道挖方較多且開(kāi)挖量大于填筑所需方量，因此該段渠道考慮全斷面采用開(kāi)挖的砂土料筑堤，即中細(xì)砂加筋填筑方案。這樣，既充分利用了渠道開(kāi)挖棄土，解決了土料問(wèn)題，又大大減少了土料場(chǎng)占地，同時(shí)也減少了棄土對(duì)當(dāng)?shù)丨h(huán)境的破壞和土地占用。

4 填筑設(shè)計(jì)

4.1 滹沱河河灘地段

渠道采用中細(xì)砂加筋填筑，內(nèi)外邊坡與上下游渠道相同分別為1∶3.0和1∶2.5。根據(jù)邊坡穩(wěn)定計(jì)算成果，其中內(nèi)坡安全系數(shù)能夠滿足規(guī)范要求，因外坡安全系數(shù)相對(duì)較低，采用加筋土工格柵設(shè)計(jì)，方案如下。

4.1.1 不加筋情況下邊坡穩(wěn)定分析

設(shè)計(jì)工況為：渠內(nèi)設(shè)計(jì)水位、渠外無(wú)水。不加筋情況下，采用簡(jiǎn)化畢肖普法計(jì)算外坡安全系數(shù)為1.34，小于設(shè)計(jì)要求的安全系數(shù)1.5；采用瑞典圓弧法計(jì)算外坡安全系數(shù)為1.33，小于設(shè)計(jì)要求的安全系數(shù)1.38。

4.1.2 加筋土邊坡計(jì)算

加筋土計(jì)算方法有兩種，一是準(zhǔn)黏聚力原理，二是考慮筋材拉力的瑞典圓弧法。

（1）準(zhǔn)黏聚力原理。填筑材料加筋后折算c值計(jì)算公式為：

式中：θ為滑弧半徑與垂線夾角（°）；t為加筋材料分層厚度（m）；c為加筋后填筑材料黏聚力增加值（kPa）。

（2）考慮筋材拉力的瑞典圓弧法。為了使邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)滿足要求，在土坡內(nèi)水平鋪設(shè)若干層加筋材料以增加穩(wěn)定。穩(wěn)定計(jì)算一般按瑞典條分法核算其安全系數(shù)（Ks）。

式中：Wi為第i土條重力（kN）；θi為第i土條底弧的仰角（°）；Δli為第i土條底弧長(zhǎng)（m）；R為最危險(xiǎn)滑動(dòng)圓弧的半徑（m）；Tni為第i層筋材的抗拉強(qiáng)度（N/ mm2）；yi為第i層筋材距滑弧圓心的距離（m）；c為邊坡填土的黏聚力（kPa）；φ為邊坡填土的內(nèi)摩擦角（°）；n為劃分的土條總數(shù)；m為布置的加筋材料總層數(shù)。

按式（2）算得的安全系數(shù)，如不滿足要求，應(yīng)調(diào)整筋材及其布置間距。

4.1.3 設(shè)計(jì)容許抗拉強(qiáng)度計(jì)算

其計(jì)算公式為：

式中：Ta為設(shè)計(jì)容許抗拉強(qiáng)度（N/mm2）；T為加筋材料極限抗拉強(qiáng)度（N/mm2）；F為綜合影響系數(shù)，范圍為2.5～5，取F＝5。

4.1.4 加筋材料選擇

土工格柵選用單向塑料土工格柵，這是一種以高分子聚合物為主要原料，加入一定的防紫外線、抗老化助劑，經(jīng)過(guò)單向拉伸使原來(lái)分布散亂的鏈形分子重新定向排列呈線性狀態(tài)的高強(qiáng)度土工合成材料。

塑料土工格柵根據(jù)高分子聚合物的物理特性，在一定的溫控條件下作定向拉伸，故在拉伸方向強(qiáng)度很高，抗拉強(qiáng)度達(dá)到100～200 MPa，屈服伸長(zhǎng)率只有4%～10%，接近低碳鋼的水平，大大優(yōu)于傳統(tǒng)的或現(xiàn)有的加筋材料，是非常理想的土木工程加固、加筋增強(qiáng)體合成材料。

加筋材料要求抗拉強(qiáng)度大，變形小，易于施工。綜合上述要求，選用型號(hào)為T(mén)GDG80（HDPE）土工格柵，其技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 單向拉伸塑料土工格柵（HDPE）技術(shù)參數(shù)

4.1.5 筋材錨固長(zhǎng)度計(jì)算

其計(jì)算公式為：

式中：Lm為最小錨固長(zhǎng)度（m），一般不小于2.0；Ta為設(shè)計(jì)容許抗拉強(qiáng)度（N/mm2）；Fm為錨固安全系數(shù)，取Fm＝1.3；σ0為錨固在每層筋材上的覆土壓力（kPa）；f為摩擦系數(shù)，取f＝0.44。

根據(jù)式（4）計(jì)算，筋材錨固長(zhǎng)度為2.0 m。

采用準(zhǔn)黏聚力原理，經(jīng)邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算，當(dāng)加筋砂性土黏聚力達(dá)到2 kPa（不考慮加筋時(shí)為0）時(shí)，外坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.56（簡(jiǎn)化畢肖普法），土工格柵（TGDG80）極限抗拉強(qiáng)度為80 kN/m，折算后設(shè)計(jì)容許抗拉強(qiáng)度為16 kN/m；當(dāng)加筋分層厚度為0.8 m時(shí)，加筋后填筑材料黏聚力增加值為4.5 kPa，滿足邊坡穩(wěn)定要求。

采用考慮筋材拉力的瑞典圓弧法，經(jīng)邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算，當(dāng)筋材抗拉強(qiáng)度為16 kN/m時(shí)，砂土底部加2層筋材后，外坡穩(wěn)定安全系數(shù)為1.56（瑞典圓弧法），滿足邊坡穩(wěn)定要求。

根據(jù)邊坡穩(wěn)定分析成果，外坡砂土不穩(wěn)定滑弧基本在淺層，不滿足滑弧水平最大寬度為4 m的穩(wěn)定安全系數(shù)要求。本次處理措施為：增加長(zhǎng)度不小于2.0 m抗拔錨固和水平鋪設(shè)寬度為6 m加筋材料。通過(guò)瑞典圓弧法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定分析計(jì)算，危險(xiǎn)滑弧加2層底筋后能滿足整體穩(wěn)定要求，但不能保證砂土上層不加筋部位的穩(wěn)定，為此砂土加筋宜均勻布置。綜上所述，外坡砂土填筑部位加筋間距為0.8 m，加筋長(zhǎng)度為6.0 m?？紤]到規(guī)范要求的筋材間距不宜大于0.6 m，2層筋材中間加設(shè)3.0 m長(zhǎng)的短筋。

同時(shí)，考慮到內(nèi)坡安全系數(shù)接近規(guī)范允許值。為加強(qiáng)內(nèi)坡穩(wěn)定性，內(nèi)坡填筑底部設(shè)2層筋，筋材水平鋪設(shè)寬度為12 m，垂直間距0.4 m。

4.2 沙河河灘地段

該段渠道采用壤土斜墻及墻后中細(xì)砂填筑。壤土斜墻的形式為：左側(cè)堤防壤土斜墻底寬6.026 m、右側(cè)為5.675 m，斜墻迎水側(cè)邊坡坡比（內(nèi)坡坡比）為1∶2.5、背水側(cè)向上以1∶2的坡度延伸至堤頂以下路面基層，斜墻厚度為1.79～3.10 m，斜墻底部與盲溝底齊平。壤土斜墻后填筑砂性土，為滿足渠道外坡砂性土的邊坡穩(wěn)定要求，外邊坡坡比由1∶2.5放緩至1∶3.0。與相鄰渠段銜接的部位外坡采用土工格柵加筋填筑，型式基本同滹沱河灘地，加筋間距為0.6 m，加筋長(zhǎng)度為6.0 m，2層筋材中間加設(shè)3.0 m長(zhǎng)的短筋。

4.3 唐河河灘地段

該段渠道采用全斷面中細(xì)砂填筑。根據(jù)抗滑穩(wěn)定分析計(jì)算成果，堤體內(nèi)坡坡比采用1∶3.0能夠滿足規(guī)范要求，但考慮到內(nèi)坡臨空面較高（8～10 m），設(shè)計(jì)布設(shè)4層構(gòu)造筋。左側(cè)內(nèi)坡土工格柵筋長(zhǎng)14 m，右側(cè)長(zhǎng)12 m，垂直間距40 cm。

渠道外坡坡比根據(jù)邊坡抗滑穩(wěn)定分析成果放緩至1∶3.0，考慮構(gòu)造要求，底部加設(shè)2層構(gòu)造筋，寬度8 m，垂直間距40 cm。

5 中細(xì)砂填筑施工技術(shù)要求

砂性土筑堤在施工前應(yīng)進(jìn)行濕碾（灑水碾壓）和天然含水量條件下碾壓2種試驗(yàn)，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果研究確定施工工藝參數(shù)，包括鋪土厚度、最優(yōu)含水率、灑水量、碾壓機(jī)械類(lèi)型、壓實(shí)遍數(shù)、碾壓速度等。

5.1 填筑標(biāo)準(zhǔn)

砂土（中細(xì)砂）填筑設(shè)計(jì)相對(duì)密度Dr≥0.75。

5.2 填筑砂料

填筑砂料利用本渠段挖方砂土料、料場(chǎng)或其他施工標(biāo)段砂土料，不宜采用粉砂，不得含植物根莖、有機(jī)質(zhì)、磚瓦垃圾、泥塊等雜質(zhì)。

5.3 填筑工藝和要求

（1）采用推土機(jī)平倉(cāng)，16 t以上自行式光面振動(dòng)碾碾壓。

（2）施工程序?yàn)樯狭隙焉啊⒎謱訑備?、灑水、碾壓等，宜先靜碾1遍，再采用振動(dòng)碾壓7～9遍。

（3）鋪填作業(yè)應(yīng)從最底處開(kāi)始，按水平層次進(jìn)行，不得順坡鋪填。分段作業(yè)面最少長(zhǎng)度人工作業(yè)不應(yīng)小于50 m，機(jī)械作業(yè)不應(yīng)小于100 m。

（4）為保證渠堤坡壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，超填寬度宜為30～50 cm。

（5）作業(yè)面應(yīng)分層統(tǒng)一鋪蓋，統(tǒng)一碾壓，嚴(yán)禁出現(xiàn)界溝。

（6）碾壓機(jī)械的行走方向應(yīng)平行于渠堤軸線。相鄰作業(yè)面碾跡搭接寬度平行堤軸線方向不小于0.5 m，垂直堤軸線方向不應(yīng)小于3 m。機(jī)械碾壓不到的部位應(yīng)輔以夯具（人工或機(jī)械），宜采用連環(huán)套打法夯實(shí)，夯跡雙向套壓，夯跡搭壓寬度不小于1/3夯徑。

（7）每一填筑層按規(guī)定的施工工藝施工完畢后，經(jīng)檢查合格才能繼續(xù)鋪填新土。

（8）壓實(shí)體不應(yīng)出現(xiàn)松砂、剪切破壞等不良現(xiàn)象。

（9）相臨作業(yè)面宜均衡上升，避免形成陡坎，宜以不陡于1∶3.0的坡比平順過(guò)渡，以減少施工接縫。

（10）斜墻壤土料與下游砂料堤體宜分區(qū)同時(shí)填筑，同時(shí)必須始終保證壤土斜墻的有效設(shè)計(jì)厚度。

5.4 加筋材料鋪設(shè)

（1）加筋材料采用高密度聚乙烯（HDPE）單向拉伸土工格柵，垂直鋪設(shè)間距0.4（0.3）m。

（2）第一層土工格柵鋪設(shè)在清基、壓實(shí)、驗(yàn)收合格后的基面上，筋材應(yīng)垂直堤軸線方向鋪展平整，長(zhǎng)度按設(shè)計(jì)要求裁制，宜用寬幅規(guī)格，選用寬度不宜小于2 m；一般不宜有拼接縫；如筋材必須拼接時(shí)，土工格柵至少搭接1個(gè)方格，并以細(xì)尼龍繩在連接處綁扎牢固。

（3）鋪放筋材不允許有褶皺，并盡量用人工拉緊，以U形釘定位于填筑土面上，填土碾壓時(shí)不得發(fā)生移動(dòng)。

6 結(jié)語(yǔ)

本次設(shè)計(jì)采用的砂土填筑既能充分利用渠道開(kāi)挖的棄砂、棄土，又能夠減少土料場(chǎng)征地和棄土占地，不僅節(jié)約了寶貴的土地資源和工程投資，還對(duì)保護(hù)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境起到了重要的作用。

砂土筑堤段渠道工程已運(yùn)行5年多，運(yùn)行狀況一直良好。本次砂土筑堤的成功經(jīng)驗(yàn)不僅為南水北調(diào)中線總干渠的后續(xù)工程拓展了設(shè)計(jì)思路，還為其他工程設(shè)計(jì)提供了寶貴的設(shè)計(jì)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。

[1]水利部河北水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告[R].天津：水利部河北水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2004.

[2]水利部河北水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程總干渠第S3標(biāo)段土方填筑設(shè)計(jì)方案比選專題報(bào)告[R].天津：水利部河北水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2007.

[3]水利部河北水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程總干渠第S12標(biāo)段土方填筑設(shè)計(jì)方案比選專題報(bào)告[R].天津：水利部河北水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2007.

[4]水利部河北水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.南水北調(diào)中線京石段應(yīng)急供水工程總干渠第S19標(biāo)段土方填筑設(shè)計(jì)方案比選專題報(bào)告[R].天津：水利部河北水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，2007.

[5]SL274-2001，碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].