南水北調中線工程京石段渠道砂土筑堤設計

董曉燕

（水利部河北水利水電勘測設計研究院，天津 300250）

1 概述

南水北調中線工程是一項跨流域、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水規模95億m3。為確保首都供水、緩解水資源危機，先期開工建設南水北調中線京石段應急供水工程，通過石津渠、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。

京石段應急供水工程河北段渠線總長227.375km，其中渠道長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口段總長度3.381 km，累計樁號分別為3+831.83-7+212.954（滹沱河右灘地）；沙河渠道倒虹吸進出口段總長度2.730 km，進口段累計樁號為42+621.69－44+986.7（沙河右灘地）、出口段累計樁號47+216.7-47+ 581.48（沙河左灘地）；唐河渠道倒虹吸進口段總長度1.206 km，累計樁號71+797.931-72+397.89（唐河右灘地）、72+897.856－73+497.815（唐河右灘地）；累計砂土筑堤段渠道總長度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。為了解決該問題，考慮采用渠道棄土或土料場砂土進行填筑設計。

2 填筑方案擬定

在保證工程安全的前提下，本著利用現有征地、節省投資及保護環境的原則，根據各段渠道的填筑型式、已填筑情況和實際征地情況，初定3個方案進行比選。

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：中細砂加筋填筑方案。即在現有已填筑渠道基礎上，利用中細砂加土工格柵加筋填筑。

方案3：黏性土斜墻及中細砂加筋填筑方案。即內坡采用黏土斜墻、外坡利用渠道開挖或料場開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較近，土地資源稀缺，土料場選取、征占困難，若采用就近取用壤土或遠距離調運土料填筑方案，一是土料場選取困難，二是因運距較遠投資巨大。而與之相鄰的石家莊市郊段部分渠道又有超過28萬m3中細砂棄土無處可棄。

經計算，采用中細砂加筋填筑方案，附近的28萬m3的中細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砂加筋等其他填筑方案，既需要增加壤土土料場占地，又要考慮開挖的中細砂棄土再處理。

采用中細砂加筋填筑方案，既能減少筑堤土料場征地，又能減少開挖棄土的占地和投資，節約寶貴的土地資源。從施工、投資及環境保護方面綜合比較，該段渠道選取中細砂加筋填筑方案。

3.2 沙河河灘地段

該段渠道位于新樂市境內，地層巖性表層約有0.4～2 m厚壤土或砂壤土，下部為中細砂。總干渠挖深1～2 m，填筑高度為5～6 m，開挖量遠遠低于填筑方量，而且該渠段附近的其他總干渠施工段也沒有多余土料可用。

鑒于該區域壤土稀少，在總干渠渠道設計中，既要考慮筑堤土料選取滿足總干渠設計指標要求，又要盡量減少征占過多的土地資源。為此，對筑堤土料的選取進行了多方案比選，并經過對各方案投資、施工工藝、質量控制及工程征地等方面比較，最終選用壤土斜墻與中細砂填筑相結合方式，即內坡采用壤土斜墻、外坡利用料場或沙河（北）灘地砂土。

該方案將土料場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量，又避免了挖除過多地表壤土造成對當地環境的大面積破壞，減少了對當地土地資源的征占。

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。經土料場調查，滿足要求且能夠征占的土料場距離該渠段距離達26 km。如采用壤土填筑方案，需征占土料場用地66.7 hm2；而采用黏性土斜墻及中細砂加筋填筑方案，需進行遠距離土料場征占和運輸，以上兩方案工程投資均較高。

考慮該段渠道挖方較多且開挖量大于填筑所需方量，因此該段渠道考慮全斷面采用開挖的砂土料筑堤，即中細砂加筋填筑方案。這樣，既充分利用了渠道開挖棄土，解決了土料問題，又大大減少了土料場占地，同時也減少了棄土對當地環境的破壞和土地占用。

4 填筑設計

4.1 滹沱河河灘地段

渠道采用中細砂加筋填筑，內外邊坡與上下游渠道相同分別為1∶3.0和1∶2.5。根據邊坡穩定計算成果，其中內坡安全系數能夠滿足規范要求，因外坡安全系數相對較低，采用加筋土工格柵設計，方案如下。

4.1.1 不加筋情況下邊坡穩定分析

設計工況為：渠內設計水位、渠外無水。不加筋情況下，采用簡化畢肖普法計算外坡安全系數為1.34，小于設計要求的安全系數1.5；采用瑞典圓弧法計算外坡安全系數為1.33，小于設計要求的安全系數1.38。

4.1.2 加筋土邊坡計算

加筋土計算方法有兩種，一是準黏聚力原理，二是考慮筋材拉力的瑞典圓弧法。

（1）準黏聚力原理。填筑材料加筋后折算c值計算公式為：

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。為了使邊坡的穩定安全系數滿足要求，在土坡內水平鋪設若干層加筋材料以增加穩定。穩定計算一般按瑞典條分法核算其安全系數（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（m）；R為最危險滑動圓弧的半徑（m）；Tni為第i層筋材的抗拉強度（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為邊坡填土的內摩擦角（°）；n為劃分的土條總數；m為布置的加筋材料總層數。

按式（2）算得的安全系數，如不滿足要求，應調整筋材及其布置間距。

4.1.3 設計容許抗拉強度計算

其計算公式為：

式中：Ta為設計容許抗拉強度（N/mm2）；T為加筋材料極限抗拉強度（N/mm2）；F為綜合影響系數，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，經過單向拉伸使原來分布散亂的鏈形分子重新定向排列呈線性狀態的高強度土工合成材料。

塑料土工格柵根據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，故在拉伸方向強度很高，抗拉強度達到100～200 MPa，屈服伸長率只有4%～10%，接近低碳鋼的水平，大大優于傳統的或現有的加筋材料，是非常理想的土木工程加固、加筋增強體合成材料。

加筋材料要求抗拉強度大，變形小，易于施工。綜合上述要求，選用型號為TGDG80（HDPE）土工格柵，其技術參數見表1。

表1 單向拉伸塑料土工格柵（HDPE）技術參數

4.1.5 筋材錨固長度計算

其計算公式為：

式中：Lm為最小錨固長度（m），一般不小于2.0；Ta為設計容許抗拉強度（N/mm2）；Fm為錨固安全系數，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，取f＝0.44。

根據式（4）計算，筋材錨固長度為2.0 m。

采用準黏聚力原理，經邊坡穩定分析計算，當加筋砂性土黏聚力達到2 kPa（不考慮加筋時為0）時，外坡穩定安全系數為1.56（簡化畢肖普法），土工格柵（TGDG80）極限抗拉強度為80 kN/m，折算后設計容許抗拉強度為16 kN/m；當加筋分層厚度為0.8 m時，加筋后填筑材料黏聚力增加值為4.5 kPa，滿足邊坡穩定要求。

采用考慮筋材拉力的瑞典圓弧法，經邊坡穩定分析計算，當筋材抗拉強度為16 kN/m時，砂土底部加2層筋材后，外坡穩定安全系數為1.56（瑞典圓弧法），滿足邊坡穩定要求。

根據邊坡穩定分析成果，外坡砂土不穩定滑弧基本在淺層，不滿足滑弧水平最大寬度為4 m的穩定安全系數要求。本次處理措施為：增加長度不小于2.0 m抗拔錨固和水平鋪設寬度為6 m加筋材料。通過瑞典圓弧法進行邊坡穩定分析計算，危險滑弧加2層底筋后能滿足整體穩定要求，但不能保證砂土上層不加筋部位的穩定，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，加筋長度為6.0 m。考慮到規范要求的筋材間距不宜大于0.6 m，2層筋材中間加設3.0 m長的短筋。

同時，考慮到內坡安全系數接近規范允許值。為加強內坡穩定性，內坡填筑底部設2層筋，筋材水平鋪設寬度為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砂填筑。壤土斜墻的形式為：左側堤防壤土斜墻底寬6.026 m、右側為5.675 m，斜墻迎水側邊坡坡比（內坡坡比）為1∶2.5、背水側向上以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，加筋長度為6.0 m，2層筋材中間加設3.0 m長的短筋。

4.3 唐河河灘地段

該段渠道采用全斷面中細砂填筑。根據抗滑穩定分析計算成果，堤體內坡坡比采用1∶3.0能夠滿足規范要求，但考慮到內坡臨空面較高（8～10 m），設計布設4層構造筋。左側內坡土工格柵筋長14 m，右側長12 m，垂直間距40 cm。

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

5 中細砂填筑施工技術要求

砂性土筑堤在施工前應進行濕碾（灑水碾壓）和天然含水量條件下碾壓2種試驗，根據試驗結果研究確定施工工藝參數，包括鋪土厚度、最優含水率、灑水量、碾壓機械類型、壓實遍數、碾壓速度等。

5.1 填筑標準

砂土（中細砂）填筑設計相對密度Dr≥0.75。

5.2 填筑砂料

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

5.3 填筑工藝和要求

（1）采用推土機平倉，16 t以上自行式光面振動碾碾壓。

（2）施工程序為上料堆砂、分層攤鋪、灑水、碾壓等，宜先靜碾1遍，再采用振動碾壓7～9遍。

（3）鋪填作業應從最底處開始，按水平層次進行，不得順坡鋪填。分段作業面最少長度人工作業不應小于50 m，機械作業不應小于100 m。

（4）為保證渠堤坡壓實標準，超填寬度宜為30～50 cm。

（5）作業面應分層統一鋪蓋，統一碾壓，嚴禁出現界溝。

（6）碾壓機械的行走方向應平行于渠堤軸線。相鄰作業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小于3 m。機械碾壓不到的部位應輔以夯具（人工或機械），宜采用連環套打法夯實，夯跡雙向套壓，夯跡搭壓寬度不小于1/3夯徑。

（7）每一填筑層按規定的施工工藝施工完畢后，經檢查合格才能繼續鋪填新土。

（8）壓實體不應出現松砂、剪切破壞等不良現象。

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

（10）斜墻壤土料與下游砂料堤體宜分區同時填筑，同時必須始終保證壤土斜墻的有效設計厚度。

5.4 加筋材料鋪設

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

（2）第一層土工格柵鋪設在清基、壓實、驗收合格后的基面上，筋材應垂直堤軸線方向鋪展平整，長度按設計要求裁制，宜用寬幅規格，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，土工格柵至少搭接1個方格，并以細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，填土碾壓時不得發生移動。

6 結語

本次設計采用的砂土填筑既能充分利用渠道開挖的棄砂、棄土，又能夠減少土料場征地和棄土占地，不僅節約了寶貴的土地資源和工程投資，還對保護當地生態環境起到了重要的作用。

砂土筑堤段渠道工程已運行5年多，運行狀況一直良好。本次砂土筑堤的成功經驗不僅為南水北調中線總干渠的后續工程拓展了設計思路，還為其他工程設計提供了寶貴的設計和實踐經驗。

[1]水利部河北水利水電勘測設計研究院.南水北調中線京石段應急供水工程初步設計報告[R].天津：水利部河北水利水電勘測設計研究院，2004.

[2]水利部河北水利水電勘測設計研究院.南水北調中線京石段應急供水工程總干渠第S3標段土方填筑設計方案比選專題報告[R].天津：水利部河北水利水電勘測設計研究院，2007.

[3]水利部河北水利水電勘測設計研究院.南水北調中線京石段應急供水工程總干渠第S12標段土方填筑設計方案比選專題報告[R].天津：水利部河北水利水電勘測設計研究院，2007.

[4]水利部河北水利水電勘測設計研究院.南水北調中線京石段應急供水工程總干渠第S19標段土方填筑設計方案比選專題報告[R].天津：水利部河北水利水電勘測設計研究院，2007.

[5]SL274-2001，碾壓式土石壩設計規范[S].