南水北调中线工程填方渠段沉降期影响研究

2012-02-28单旭辉

水科学与工程技术 2012年2期

付燕，单旭辉

（1.河北省水电第二勘测设计研究院，石家庄 050021；2.河北省南水北调工程建设管理局，石家庄 050021）

南水北调中线工程总干渠漳古段施工中，部分渠道尚未衬砌，填方渠道填筑后才能进行混凝土衬砌施工。为保证2013年3月主体完工的建设目标，结合已完工的工程观测数据，对现有填方渠段沉降期研究是非常有前瞻性和必要性的。

1 工程概况

漳古段SG12标位于邢台市临城县，太行山东麓与华北平原接壤地带，通过的地貌单元有岗地和平原，以岗地为主。渠道设计横断面为梯形断面，按挖填类型分为全挖方、全填方、半挖半填3种断面型式，其中全挖方渠段长2.35km，占35%，一般挖深8～10m，最大挖深12m；全填方渠段长1.887km，占28%，填方高为8m以上，最高达16.41m；半挖半填渠段长2.498km，占37%。渠道总长6.736km，均为土质渠段。

渠道过水断面采用混凝土衬砌减糙，土质渠段渠底、渠坡衬砌混凝土厚度分别为8cm、10cm，分缝间距一般为4.0m。伸缩缝上部临水侧2cm采用聚硫密封膏封闭的填缝材料，下部采用闭孔塑料板填充，沉降缝填缝材料选用聚乙烯胶泥，填满整个半缝，强渗漏、膨胀土、全填方等特殊渠段，混凝土衬砌板下铺设防渗材料加强防渗。全渠段均铺设保温板防冻胀。

2 填方渠段沉降量分析方法

2.1 规范的规定

交通行业标准JTG D30—2004《公路路基设计规范》中有关施工沉降期的规定：“7特殊路基7.6软土地区路基 7.6.5地基加固措施排水固结法：应根据软土性质、筑路材料及施工工艺等选定袋装砂井、塑料排水板或其他材料作为竖向排水体。竖向排水体宜按等边三角形布置，其长度由路基对地基的稳定性和变形要求确定，对于较薄的软土层，宜贯穿软土层。预压期不宜小于6个月。”这个规定是针对软土路基的，一般的路基也未作规定。

2.2 填方渠段施工期沉降量分析方法

一般认为填方渠堤的沉降由三部分组成，即瞬时沉降、固结沉降（也称主固结沉降）和次固结沉降。

实际操作中，可利用施工前期观测得到的沉降资料，找出沉降规律，利用有限时间内的沉降观测资料预测沉降的发展趋势并推测未来沉降规律和总沉降量。常用的观测曲线拟合方法有三点法、指数曲线法、时间对数法、双曲线法和修正双曲线法等。

河海大学徐永明等提出一种抛物线形的时间对数法方程来确定最终沉降量的方法。其公式

式中参数a，b，c可用优化方法求得；s为最终沉降量（cm）；t为填筑至渠顶后的监测时间（d）；h为渠堤填筑高度（m）。

此整体函数模拟，反映了渠堤填筑完成时间至监测起始时间内发生的沉降量，也反映了沉降量与渠堤填筑高度的关系。对于填筑材料压实特性、地下水情况等均未考虑。

2.3 监测资料的整体函数模拟

各断面基本情况见表1、图1～图2。

表1 京石段部分填筑渠道施工情况

图1 京石段2标沉降变形过程线

图2 京石段9标沉降变形过程线

由于无其他更合理的资料，本工程依据上述资料进行数值拟合。因监测初期的沉降变形值有一定波动，拟合时要考虑整体数据的特性进行整体函数模拟。

从各个断面监测资料来看，填筑至渠顶后，在比较短的时间（90d）时段内，其沉降变形与时间的增加近似线性变化。因此在断面无监测资料时，可采用与监测起始段相同的沉降速率进行往前延伸估算。整体数据按沉降速率的快慢设置分界线t=200d比较合适，200d以内沉降速率虽有所波动，但平均沉降速率较大；200d以后，沉降速率明显变缓。为使拟合曲线更符合实际，根据估算的数据系列，用改进抛物线公式进行拟合，拟合后的公式：

s=0.057h（lgt）2+0.27lgt+0.03h

2.4 类似工程施工期沉降过程及最终沉降量

填筑渠堤的施工沉降过程和最终沉降量与填筑土料、地下水情况、填筑高度等密切相关。收集到类似工程的沉降变形监测资料和预测数值见图3。

从图3中可以看出：①施工竣工后的观测初期的一个时间段内，沉降速率较大，该时段一般为200～300d；②初期沉降量一般占总沉降量的80%；③沉降过程与实际观测有不可忽略的差值。

图3 福宁高速公路某断面沉降预测与实测曲线

2.5 施工期沉降量分析

综合分析，采用拟合的沉降曲线公式对未进行施工的填筑渠堤进行施工期沉降预测，并与设计计算的沉降量进行对比。沉降预测公式为s=0.057h（lgt）2+0.27lgt+0.03h。按该公式预测计算时，90d以前的不采用上述公式预测，最终沉降量按720d的沉降量进行估算。

3 不同沉降变形对衬砌板的影响

3.1 计算工况

渠堤沉降变形从数值上来说不是很大，而且渠堤高度不超过20m，渠堤变形量对渠堤本身一般不会造成破坏。但是渠堤的沉降变形对混凝土衬砌板的安全有一定影响。为了分析不同沉降变形量对渠道混凝土衬砌板的影响，采取有限元程序法进行计算。本次分析采用Ansys程序。选取SG12标桩号167+397断面作为计算断面，渠堤高16.4m，混凝土衬砌板厚10cm，沿坡面和顺水流方向每4m设一道缝，靠近坡顶3.6m处为一道横缝。基础为主要为壤土、沙壤土、砂土和砾卵石，渠堤为粉质壤土回填，压实度为98%。

渠堤有限元分析属于典型的平面应变问题，选取典型的渠堤断面，进行全断面分析。为了模拟衬砌板与填筑土之间的工作性状，对土工膜单元进行拉或压判别，土工膜受压时，采用与土单元级数相同的弹性模量；土工膜受拉时，单元弹性模量取值为10N/m2，这样可以较为真实的模拟衬砌板与填筑土之间的挤压与脱空现象。

3.2 计算成果汇总及分析

随堤顶沉降量的增加，衬砌板应力及开裂深度的计算结果见表2。

表2 成果汇总

在填筑土变形较大时，堤顶的混凝土封顶板出现局部完全“悬浮”脱空现象，这是不合理的。可能是程序计算中未能真实模拟实际变形情况而导致的不合理结果。为此，对不考虑混凝土板封顶板重力作用的情况进行了计算，典型计算结果见表3。

由表2和表3得出：各计算工况下，衬砌板均出现有拉应力；随着沉降量的增加，混凝土板出现的最大拉应力及其范围均逐渐增大，且最大拉应力愈靠近坡顶；假定封顶板与衬砌板之间刚性连接时，堤顶2cm的沉降即可导致混凝土板上出现大于1.1MPa的拉应力；在不考虑封顶板重力作用时，堤顶出现4cm沉降，衬砌板上部的最大拉应力略超过其抗拉强度，堤顶沉降超过5cm时，衬砌板的拉应力大于其抗拉强度；堤顶均匀沉降时，坡顶局部范围衬砌板和封顶板存在底部脱空的可能。如果堤顶沉降5cm时，考虑封顶板重力作用情况下衬砌板顶部及封顶板最大沉降量为4.2cm，与渠堤土体之间可能会出现约0.8cm的间隙；当堤顶沉降10cm时，大于1.1MPa拉应力范围自衬砌板表层以下深度3.7cm，在此范围内，混凝土板表层可能产生裂缝。