南水北调中线工程京石段渠道砂土筑堤设计

董晓燕

（水利部河北水利水电勘测设计研究院，天津 300250）

1 概述

南水北调中线工程是一项跨流域、跨省市的特大型水利工程，全线以自流输水为主。中线一期工程年均调水规模95亿m3。为确保首都供水、缓解水资源危机，先期开工建设南水北调中线京石段应急供水工程，通过石津渠、沙河总干渠、唐河总干渠，将河北省岗南、黄壁庄、王快和西大洋4座大型水库的水资源先期输送到北京，有效缓解了北京市的缺水状况。

京石段应急供水工程河北段渠线总长227.375km，其中渠道长200.430 km。砂土筑堤段渠道为京石段渠道工程的一部分，分别位于滹沱河、沙河和唐河的河滩地段：其中，滹沱河渠道倒虹吸进口段总长度3.381 km，累计桩号分别为3+831.83-7+212.954（滹沱河右滩地）；沙河渠道倒虹吸进出口段总长度2.730 km，进口段累计桩号为42+621.69－44+986.7（沙河右滩地）、出口段累计桩号47+216.7-47+ 581.48（沙河左滩地）；唐河渠道倒虹吸进口段总长度1.206 km，累计桩号71+797.931-72+397.89（唐河右滩地）、72+897.856－73+497.815（唐河右滩地）；累计砂土筑堤段渠道总长度7.317 km。

上述渠段地层岩性均以砂性土为主，壤土稀少，而且渠道断面以填方型式为主，缺少筑堤土料。为了解决该问题，考虑采用渠道弃土或土料场砂土进行填筑设计。

2 填筑方案拟定

在保证工程安全的前提下，本着利用现有征地、节省投资及保护环境的原则，根据各段渠道的填筑型式、已填筑情况和实际征地情况，初定3个方案进行比选。

方案1：壤土填筑方案。即清基线以上部分采用壤土填筑。

方案2：中细砂加筋填筑方案。即在现有已填筑渠道基础上，利用中细砂加土工格栅加筋填筑。

方案3：黏性土斜墙及中细砂加筋填筑方案。即内坡采用黏土斜墙、外坡利用渠道开挖或料场开挖的砂性土加土工格栅筑堤。

3 各河滩地段填筑方案比选

3.1 滹沱河河滩地段

该河滩地段渠道距石家庄市区较近，土地资源稀缺，土料场选取、征占困难，若采用就近取用壤土或远距离调运土料填筑方案，一是土料场选取困难，二是因运距较远投资巨大。而与之相邻的石家庄市郊段部分渠道又有超过28万m3中细砂弃土无处可弃。

经计算，采用中细砂加筋填筑方案，附近的28万m3的中细砂弃料能够满足该段渠道的筑堤土料需求。若采用壤土填筑方案或黏土斜墙及中细砂加筋等其他填筑方案，既需要增加壤土土料场占地，又要考虑开挖的中细砂弃土再处理。

采用中细砂加筋填筑方案，既能减少筑堤土料场征地，又能减少开挖弃土的占地和投资，节约宝贵的土地资源。从施工、投资及环境保护方面综合比较，该段渠道选取中细砂加筋填筑方案。

3.2 沙河河滩地段

该段渠道位于新乐市境内，地层岩性表层约有0.4～2 m厚壤土或砂壤土，下部为中细砂。总干渠挖深1～2 m，填筑高度为5～6 m，开挖量远远低于填筑方量，而且该渠段附近的其他总干渠施工段也没有多余土料可用。

鉴于该区域壤土稀少，在总干渠渠道设计中，既要考虑筑堤土料选取满足总干渠设计指标要求，又要尽量减少征占过多的土地资源。为此，对筑堤土料的选取进行了多方案比选，并经过对各方案投资、施工工艺、质量控制及工程征地等方面比较，最终选用壤土斜墙与中细砂填筑相结合方式，即内坡采用壤土斜墙、外坡利用料场或沙河（北）滩地砂土。

该方案将土料场上部壤土用于填筑壤土斜墙，其余堤身采用砂性土料填筑。这样，既保证了渠道工程的质量，又避免了挖除过多地表壤土造成对当地环境的大面积破坏，减少了对当地土地资源的征占。

3.3 唐河河滩地段

该段渠道地层岩性均以砂性土为主，壤土稀少。经土料场调查，满足要求且能够征占的土料场距离该渠段距离达26 km。如采用壤土填筑方案，需征占土料场用地66.7 hm2；而采用黏性土斜墙及中细砂加筋填筑方案，需进行远距离土料场征占和运输，以上两方案工程投资均较高。

考虑该段渠道挖方较多且开挖量大于填筑所需方量，因此该段渠道考虑全断面采用开挖的砂土料筑堤，即中细砂加筋填筑方案。这样，既充分利用了渠道开挖弃土，解决了土料问题，又大大减少了土料场占地，同时也减少了弃土对当地环境的破坏和土地占用。

4 填筑设计

4.1 滹沱河河滩地段

渠道采用中细砂加筋填筑，内外边坡与上下游渠道相同分别为1∶3.0和1∶2.5。根据边坡稳定计算成果，其中内坡安全系数能够满足规范要求，因外坡安全系数相对较低，采用加筋土工格栅设计，方案如下。

4.1.1 不加筋情况下边坡稳定分析

设计工况为：渠内设计水位、渠外无水。不加筋情况下，采用简化毕肖普法计算外坡安全系数为1.34，小于设计要求的安全系数1.5；采用瑞典圆弧法计算外坡安全系数为1.33，小于设计要求的安全系数1.38。

4.1.2 加筋土边坡计算

加筋土计算方法有两种，一是准黏聚力原理，二是考虑筋材拉力的瑞典圆弧法。

（1）准黏聚力原理。填筑材料加筋后折算c值计算公式为：

式中：θ为滑弧半径与垂线夹角（°）；t为加筋材料分层厚度（m）；c为加筋后填筑材料黏聚力增加值（kPa）。

（2）考虑筋材拉力的瑞典圆弧法。为了使边坡的稳定安全系数满足要求，在土坡内水平铺设若干层加筋材料以增加稳定。稳定计算一般按瑞典条分法核算其安全系数（Ks）。

式中：Wi为第i土条重力（kN）；θi为第i土条底弧的仰角（°）；Δli为第i土条底弧长（m）；R为最危险滑动圆弧的半径（m）；Tni为第i层筋材的抗拉强度（N/ mm2）；yi为第i层筋材距滑弧圆心的距离（m）；c为边坡填土的黏聚力（kPa）；φ为边坡填土的内摩擦角（°）；n为划分的土条总数；m为布置的加筋材料总层数。

按式（2）算得的安全系数，如不满足要求，应调整筋材及其布置间距。

4.1.3 设计容许抗拉强度计算

其计算公式为：

式中：Ta为设计容许抗拉强度（N/mm2）；T为加筋材料极限抗拉强度（N/mm2）；F为综合影响系数，范围为2.5～5，取F＝5。

4.1.4 加筋材料选择

土工格栅选用单向塑料土工格栅，这是一种以高分子聚合物为主要原料，加入一定的防紫外线、抗老化助剂，经过单向拉伸使原来分布散乱的链形分子重新定向排列呈线性状态的高强度土工合成材料。

塑料土工格栅根据高分子聚合物的物理特性，在一定的温控条件下作定向拉伸，故在拉伸方向强度很高，抗拉强度达到100～200 MPa，屈服伸长率只有4%～10%，接近低碳钢的水平，大大优于传统的或现有的加筋材料，是非常理想的土木工程加固、加筋增强体合成材料。

加筋材料要求抗拉强度大，变形小，易于施工。综合上述要求，选用型号为TGDG80（HDPE）土工格栅，其技术参数见表1。

表1 单向拉伸塑料土工格栅（HDPE）技术参数

4.1.5 筋材锚固长度计算

其计算公式为：

式中：Lm为最小锚固长度（m），一般不小于2.0；Ta为设计容许抗拉强度（N/mm2）；Fm为锚固安全系数，取Fm＝1.3；σ0为锚固在每层筋材上的覆土压力（kPa）；f为摩擦系数，取f＝0.44。

根据式（4）计算，筋材锚固长度为2.0 m。

采用准黏聚力原理，经边坡稳定分析计算，当加筋砂性土黏聚力达到2 kPa（不考虑加筋时为0）时，外坡稳定安全系数为1.56（简化毕肖普法），土工格栅（TGDG80）极限抗拉强度为80 kN/m，折算后设计容许抗拉强度为16 kN/m；当加筋分层厚度为0.8 m时，加筋后填筑材料黏聚力增加值为4.5 kPa，满足边坡稳定要求。

采用考虑筋材拉力的瑞典圆弧法，经边坡稳定分析计算，当筋材抗拉强度为16 kN/m时，砂土底部加2层筋材后，外坡稳定安全系数为1.56（瑞典圆弧法），满足边坡稳定要求。

根据边坡稳定分析成果，外坡砂土不稳定滑弧基本在浅层，不满足滑弧水平最大宽度为4 m的稳定安全系数要求。本次处理措施为：增加长度不小于2.0 m抗拔锚固和水平铺设宽度为6 m加筋材料。通过瑞典圆弧法进行边坡稳定分析计算，危险滑弧加2层底筋后能满足整体稳定要求，但不能保证砂土上层不加筋部位的稳定，为此砂土加筋宜均匀布置。综上所述，外坡砂土填筑部位加筋间距为0.8 m，加筋长度为6.0 m。考虑到规范要求的筋材间距不宜大于0.6 m，2层筋材中间加设3.0 m长的短筋。

同时，考虑到内坡安全系数接近规范允许值。为加强内坡稳定性，内坡填筑底部设2层筋，筋材水平铺设宽度为12 m，垂直间距0.4 m。

4.2 沙河河滩地段

该段渠道采用壤土斜墙及墙后中细砂填筑。壤土斜墙的形式为：左侧堤防壤土斜墙底宽6.026 m、右侧为5.675 m，斜墙迎水侧边坡坡比（内坡坡比）为1∶2.5、背水侧向上以1∶2的坡度延伸至堤顶以下路面基层，斜墙厚度为1.79～3.10 m，斜墙底部与盲沟底齐平。壤土斜墙后填筑砂性土，为满足渠道外坡砂性土的边坡稳定要求，外边坡坡比由1∶2.5放缓至1∶3.0。与相邻渠段衔接的部位外坡采用土工格栅加筋填筑，型式基本同滹沱河滩地，加筋间距为0.6 m，加筋长度为6.0 m，2层筋材中间加设3.0 m长的短筋。

4.3 唐河河滩地段

该段渠道采用全断面中细砂填筑。根据抗滑稳定分析计算成果，堤体内坡坡比采用1∶3.0能够满足规范要求，但考虑到内坡临空面较高（8～10 m），设计布设4层构造筋。左侧内坡土工格栅筋长14 m，右侧长12 m，垂直间距40 cm。

渠道外坡坡比根据边坡抗滑稳定分析成果放缓至1∶3.0，考虑构造要求，底部加设2层构造筋，宽度8 m，垂直间距40 cm。

5 中细砂填筑施工技术要求

砂性土筑堤在施工前应进行湿碾（洒水碾压）和天然含水量条件下碾压2种试验，根据试验结果研究确定施工工艺参数，包括铺土厚度、最优含水率、洒水量、碾压机械类型、压实遍数、碾压速度等。

5.1 填筑标准

砂土（中细砂）填筑设计相对密度Dr≥0.75。

5.2 填筑砂料

填筑砂料利用本渠段挖方砂土料、料场或其他施工标段砂土料，不宜采用粉砂，不得含植物根茎、有机质、砖瓦垃圾、泥块等杂质。

5.3 填筑工艺和要求

（1）采用推土机平仓，16 t以上自行式光面振动碾碾压。

（2）施工程序为上料堆砂、分层摊铺、洒水、碾压等，宜先静碾1遍，再采用振动碾压7～9遍。

（3）铺填作业应从最底处开始，按水平层次进行，不得顺坡铺填。分段作业面最少长度人工作业不应小于50 m，机械作业不应小于100 m。

（4）为保证渠堤坡压实标准，超填宽度宜为30～50 cm。

（5）作业面应分层统一铺盖，统一碾压，严禁出现界沟。

（6）碾压机械的行走方向应平行于渠堤轴线。相邻作业面碾迹搭接宽度平行堤轴线方向不小于0.5 m，垂直堤轴线方向不应小于3 m。机械碾压不到的部位应辅以夯具（人工或机械），宜采用连环套打法夯实，夯迹双向套压，夯迹搭压宽度不小于1/3夯径。

（7）每一填筑层按规定的施工工艺施工完毕后，经检查合格才能继续铺填新土。

（8）压实体不应出现松砂、剪切破坏等不良现象。

（9）相临作业面宜均衡上升，避免形成陡坎，宜以不陡于1∶3.0的坡比平顺过渡，以减少施工接缝。

（10）斜墙壤土料与下游砂料堤体宜分区同时填筑，同时必须始终保证壤土斜墙的有效设计厚度。

5.4 加筋材料铺设

（1）加筋材料采用高密度聚乙烯（HDPE）单向拉伸土工格栅，垂直铺设间距0.4（0.3）m。

（2）第一层土工格栅铺设在清基、压实、验收合格后的基面上，筋材应垂直堤轴线方向铺展平整，长度按设计要求裁制，宜用宽幅规格，选用宽度不宜小于2 m；一般不宜有拼接缝；如筋材必须拼接时，土工格栅至少搭接1个方格，并以细尼龙绳在连接处绑扎牢固。

（3）铺放筋材不允许有褶皱，并尽量用人工拉紧，以U形钉定位于填筑土面上，填土碾压时不得发生移动。

6 结语

本次设计采用的砂土填筑既能充分利用渠道开挖的弃砂、弃土，又能够减少土料场征地和弃土占地，不仅节约了宝贵的土地资源和工程投资，还对保护当地生态环境起到了重要的作用。

砂土筑堤段渠道工程已运行5年多，运行状况一直良好。本次砂土筑堤的成功经验不仅为南水北调中线总干渠的后续工程拓展了设计思路，还为其他工程设计提供了宝贵的设计和实践经验。

[1]水利部河北水利水电勘测设计研究院.南水北调中线京石段应急供水工程初步设计报告[R].天津：水利部河北水利水电勘测设计研究院，2004.

[2]水利部河北水利水电勘测设计研究院.南水北调中线京石段应急供水工程总干渠第S3标段土方填筑设计方案比选专题报告[R].天津：水利部河北水利水电勘测设计研究院，2007.

[3]水利部河北水利水电勘测设计研究院.南水北调中线京石段应急供水工程总干渠第S12标段土方填筑设计方案比选专题报告[R].天津：水利部河北水利水电勘测设计研究院，2007.

[4]水利部河北水利水电勘测设计研究院.南水北调中线京石段应急供水工程总干渠第S19标段土方填筑设计方案比选专题报告[R].天津：水利部河北水利水电勘测设计研究院，2007.

[5]SL274-2001，碾压式土石坝设计规范[S].