陸渾灌區(qū)填方壩沉陷變形原因的分析研究

【摘要】填方壩是陸渾灌區(qū)渠道工程的重要組成部分。在工程安全日益重視的今天，填方壩的安危凸顯重要，它關乎整個工程的安全、經(jīng)濟和正常使用。陸渾灌區(qū)的填方壩存在數(shù)量多、規(guī)模大、質(zhì)量差、問題多、治理和管理難等特點。導致填方壩沉陷變形的原因及機理呈多樣性、復雜性和不確定性。今日填方壩的管理尚缺乏資料、經(jīng)驗和規(guī)范，只有找到找準填方壩沉陷變形產(chǎn)生的真正原因，才會有預見性地采取一些防范措施，這也是本文分析研究的目的所在。

【關鍵詞】填方壩；沉陷；原因；安全；發(fā)展

1、概述

陸渾灌區(qū)是河南省大型灌區(qū)之一，地跨黃、淮兩大流域，歷經(jīng)近半個世紀的建設，至今工程已具備一定的規(guī)模效益。

2、填方壩

陸渾灌區(qū)上的填方壩就是指遍布在陸渾灌區(qū)大大小小渠道上的填方土渠。是渠道從堤頂中央軸線通過的輸水土工結(jié)構。

2.1 填方壩數(shù)量多

陸渾灌區(qū)填方壩數(shù)量多是有其客觀原因的，上一世紀七、八十年代，國家三材奇缺，過溝工程絕大部分采用土方工程代替渡槽工程，另外尚有節(jié)約水頭因素的考慮。在陸渾灌區(qū)長達377KM的干渠上建有填方壩400余座。

2.2 陸渾灌渠填方壩質(zhì)量差

陸渾灌區(qū)工程自1970年2月20日動工至今，已歷45個冬春。填方壩先采取“人民戰(zhàn)爭”的辦法質(zhì)量很差，后為“民辦公助的形式”質(zhì)量也欠佳，直到上一世紀八十年代后期對一些較大填方承包給專業(yè)隊和國家隊施工，質(zhì)量方有保障。從填方壩建成后多次取樣試驗來看，大部分填方壩干么重一般低于設計標準1.6t/m3。今天填方壩建設采用的是招投標制，也并非萬全之策。

2.3 填方壩問題多

填方壩工程從建成以來各種問題就伴隨而至。有填方壩的沉陷變形，縱橫向裂縫等。特別是在通水運用中的洇水、滲水、滴水、漏水、管涌、渠堤內(nèi)外的滑坡脫坡，甚至堤頂?shù)臎Q口、漫壩、潰壩等事件多有發(fā)生。其危害和損失甚重。

2.4 采取的措施多

針對陸渾灌渠填方壩在運行中暴露出來的問題，每條渠道都嘗試了多種工程措施。如總干渠的加高培厚，植物護坡，混凝土護砌；東一干上、中段的塑膜防滲、灌水濕陷等；東二干渠的灌漿。上述措施和辦法可能在一座壩上混合使用，有的限于施工條件，質(zhì)量不盡如人意。

2.5 填方建設周期長管理難度大

填方工程伴隨陸渾灌區(qū)工程已歷45載，至今干渠上的填方壩工程仍存在新修、重修和搶修的情形。就填方壩的規(guī)模而言，最大的填方壩如東一干渠上段的螞蜂溝填方工程，壩長117m，壩高33m，填方量達30萬m3，相當于一座一般中型水庫的土壩。

陸渾灌區(qū)填方壩的管理至今沿襲過去的專管群管相結(jié)合的辦法。在通水期采取“一日三查渠”的辦法。對一些病險壩采取專人24小時的看護，加大了管理成本。陸渾灌區(qū)各條渠道從建成以來都沒達到按設計流量標準運行，填方壩的沉陷變形預判就顯得更為重要。

3、填方壩普查結(jié)果

3.1 總干渠填方工程

總干渠工程1970年2月動工，1971年底基本完成。1972年對工程進行了普查，大多填方壩質(zhì)量較差，裂縫沉陷嚴重，以后又對部分填方壩進行了返修加固，浸水灌漿（人工灌漿）。1980年對填方壩再普查，結(jié)果有35座沉陷，最大沉陷量達1.4m。

3.2 東一干渠工程

東一干渠上段工程，1974年至1982年建設，填方壩質(zhì)量很差。據(jù)80年51座填方壩挖坑檢查，結(jié)果表明，干么重不能達到設計1.6t/m3的占90%以上，大部分干么重在1.4～1.5t/m3之間。東一干中、下段工程，質(zhì)量略好，也不容樂觀。

3.3 東二干渠工程

東二干渠工程于1974年7月完成，1982年8月對主要土壩含水率、干么重作了抽查測試，測試成果為：干么重大于1.6t/m3以上的占15%；1.5～1.55的占40%；1.43～1.49的占45%。東二干渠1975年至1989年的試運行期，有13座壩發(fā)生過22次跨壩決堤事故，危害和損失甚大。其中三次為渠水鉆孔沖壩。

4、填方壩沉陷的表象分析

4.1 填方壩沉陷的外部直觀與分析

一座填方壩沉陷從縱向看基本表現(xiàn)在填方壩中部凹下去的多，兩邊少，壩與壩只是程度不同略有差異，但大致情形如此。

今舉例說明：

在圖1示意圖中，梯形上口寬長150m、高20m、下口寬50m，填方壩沉降后的曲線近似橢圓形，為方便計算現(xiàn)簡化為圖中虛線三角形。

圖1 A點和D點為新老土結(jié)合部位，基本無沉降。B、C兩點分別為填方壩沉陷前后的位置點，這樣A、B、C三點和B、C、D三點分別構成一個直角三角形。B點到C點的沉降量就是BC的長度，現(xiàn)假設BC的長度值若干個，則有如下計算結(jié)果：如下表。

從圖1和表1我們可以清晰的看到，當填方壩縱斷面中間點B無沉陷或沉陷到達3米時，斜邊BC或CD的長度僅有不足6cm的變化。這就是說這一變化過程中，B點的橫向位移非常小，幾近可以忽略，而豎向位移就相對很大了，這對工程安全是十分不利的。在實際工作中，填方壩頂面的沉降往往是一曲線或橢圓形，這應比圖1中理想化的直角三角形的長度有所增加，但增加量不會太多。

4.2 填方壩沉陷方量的估算

填方壩沉陷后其形狀會發(fā)生一定的變化，包括縱向、橫向和豎向三個方向。在縱向因受原溝坡的影響，不會有太大的變形；在橫向因填方壩多為“下寬上窄”，陸渾灌渠沒有實施詳細的現(xiàn)測，普遍認為變化不大。因此填方壩的沉陷最直接最突出的問題就是豎向沉陷，尤以填方壩中部為甚。

參見圖1，在填方壩沉陷縱斷面示意圖上，梯形的斷面積為A梯=（50+150）x20x=2000m2，現(xiàn)假設由B點沉陷到C點沉陷量為1m，則沉陷部分的面積為A沉=150x1x=75m2。沉陷面積占原斷面積的百分比為：A沉/A原=75/2000=3.75%。從這個計算結(jié)果看，填方壩沉陷的部分占有一定的比例，在不同的截面上可能多少不一致。實際上許多填方壩的壩頂比壩底的沉陷量大。另外沉陷也不是以壩中心對稱分布的。

5、填方壩沉陷的內(nèi)在原因分析

5.1 填方壩沉陷的影響因素

填方壩的沉陷是現(xiàn)實存在的，具體到某個填方壩上只是表現(xiàn)形式和程度不同罷了。從目前的觀測資料和掌握到的情況來看，填方壩的沉陷與填方壩的填筑質(zhì)量有關，與填方壩的建成時間有關，與其運用方式有關，也與土壤的組成、性質(zhì)和結(jié)構有關。填方壩的沉陷從嚴格意義上來說是非均勻沉陷。或說是不對稱不均勻沉陷，在具體一座壩上的表現(xiàn)也是不一致的。

5.2 填方壩沉陷的具體分析

陸渾灌區(qū)的填方壩普遍沉陷，它既沒有埋設觀測設施，也沒有實施具體觀測行為。所能做到的就是基層管理人員的平時目測和通水期的“一日三查渠”，主要通過眼看、耳聽和手觸摸來獲得具體表象東西，這些感知僅是定性的。填方壩的沉陷是一個長期過程，它涉及的因素很多，也受外界因素影響，填方壩從建成起就因原始含水量的不同而發(fā)生土體的細微變化。如填方壩兩端新老結(jié)合處在通水中易出現(xiàn)滲漏，我們認為：即筑壩前原有土體已經(jīng)千百年的沉積變性很小，稱為原狀土，而新土即新填筑土是經(jīng)過人為因素影響，即擾動土。本來新老土接觸面未處理或處理不徹底，這就造成新老土結(jié)合部易出現(xiàn)滲漏水現(xiàn)象。再就是接縫處的擾動土在實際運用中是會發(fā)生豎向和背縫縱向位移，間或有橫向位移，直接導致新老結(jié)合縫致密性進一步減弱，滲漏水問題就難以避免。上述原因就是導致填方壩接縫處滲漏水的主要原因。

5.3 填方壩沉陷的影響過程。

填方壩沉陷有內(nèi)在和外在原因，其沉陷變形應從壩頂開始，因填方壩的壩頂和渠底先接觸雨水或渠水，而實際情況也有例外，沉陷變形從壩的底部開始，這和填方壩的質(zhì)量密切相關這在陸渾灌區(qū)上的填方壩多有表現(xiàn)。填方壩的沉陷也有從填方壩的其它部位開始。這就是說填方壩的沉陷在填方壩縱橫各個剖面上的沉陷是不一致的，這也是人們常說的不均勻沉陷。具體到某一點有縱向、橫向或任意向的位移。

填方壩內(nèi)某點的沉陷值應是累積的，沉陷值的多少應是累積沉陷量，填方壩的沉陷是一個動態(tài)過程，是不斷變化的。填方壩的不均勻沉陷改變了填方壩體的內(nèi)部結(jié)構及其整體性，也帶來了一系列危及工程安全的問題。如塑膜防滲的渠道造成塑膜拉伸，抗拉強度減弱。如果混凝土護砌的渠道，可在雨水或渠水等因素多重影響下，造成混凝土裂縫甚至破碎，增加填方壩的不安全因素。如一些小渠道上的土料壓實防滲，僅解決填方壩的部分土層土體問題，不均勻沉陷會破壞防滲層或影響到防滲層的結(jié)實耐用等問題。

5.4 填方壩沉陷變形的定量分析問題的思考

填方壩的沉陷變形就是填方壩內(nèi)部因素的外在表現(xiàn)。其本質(zhì)就是填方壩土體結(jié)構的變化，具體來講就是土粒結(jié)構的重新排列組合。這是填方壩從理論上定量分析的依據(jù)所在。至于某一座填方壩的沉陷程度和沉陷量的多少，取決于填方壩的工程質(zhì)量和填方壩體的土質(zhì)情況。如高聚性土質(zhì)（粘土、壤土、黃土、黑土等）的填方渠道，如施工質(zhì)量好其變形沉陷小及防滲效果好。

自然界中的土絕大部分是由幾種粒組混合而成，很難遇到單一粒組的土，填方壩也概莫能外。

為了定量說明問題，工程常用不均系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Ce來反映土顆粒級配的不均勻程度。另外土又分為無黏性土和黏性土，其工程地質(zhì)情況及遇水情況又截然不同。具體到陸渾灌區(qū)某一座填方壩，在土源已知，土的種類已知的情況下，土粒越不均勻，級配越良好。當然填方壩質(zhì)量的好壞與填方壩施工的壓實方法和運用情況及含水量有一定關系，這也是填方壩定量分析需考慮的方方面面因素。另外填方壩的定量分析應緊密結(jié)合工程實際狀況，具體問題具體分析，這樣才有可以在填方壩定量分析的問題上做出科學的判斷和正確的解釋。