砂礫料回填在南水北調(diào)青蘭渡槽工程中應(yīng)用

霍 燚

（河北省水利工程局，河北 保定071051）

1 工程概況

南水北調(diào)中線一期總干渠與青蘭高速連接線交叉工程位于邯鄲市南環(huán)路、西環(huán)路及青蘭高速連接線互通立交橋處，總干渠樁號(hào)為42+912～42+986，是南水北調(diào)中線總干渠上的大型交叉工程。槽身型式為分離式扶壁梯形渡槽，渡槽由下部基礎(chǔ)灌注樁工程、承臺(tái)及墩柱支撐結(jié)構(gòu)、平板連續(xù)梁承載結(jié)構(gòu)、槽身?yè)跛Y(jié)構(gòu)組成。過(guò)水?dāng)嗝娴讓?2.5m，側(cè)墻高7.55m。結(jié)構(gòu)型式如圖1。

圖1 青蘭高速交叉工程斷面圖

渡槽槽身段、連接段等主要建筑物級(jí)別為1級(jí)建筑物。該渡槽設(shè)計(jì)流量為235m3/s，加大流量為265m3/s。主要工程量：土方開(kāi)挖16萬(wàn)m3，土方回填10萬(wàn)m3，混凝土澆筑5.63萬(wàn)m3，鋼筋制安6000t。

因工程開(kāi)工最晚，形成了事實(shí)上的整個(gè)南水北調(diào)中線總干渠通水的節(jié)點(diǎn)工程，所以工期要求很緊迫。工程2013年2月底開(kāi)工，要求2013年10月底完工。比工期定額壓縮了一倍多 （工期定額計(jì)算工期為22個(gè)月）。

主體工程完成后，進(jìn)出口段各形成一個(gè)深10m，長(zhǎng)20m，寬90m的大坑，需要回填后在上面做渠道建筑物。

根據(jù)建筑地基等相關(guān)規(guī)范要求，這樣的深坑回填要經(jīng)過(guò)2年或2個(gè)雨季的沉降期，按照公路路基規(guī)范及南水北調(diào)相關(guān)要求回填至少保證6個(gè)月的沉降期，且經(jīng)過(guò)一個(gè)雨季，由于工期極度壓縮，沒(méi)有沉降時(shí)間，所以必須通過(guò)技術(shù)方法解決沉降問(wèn)題。

2 方案比較

2.1 回填方案選擇

砂礫料回填與其他方案的優(yōu)劣比較如表1。

表1 砂礫料回填與其他技術(shù)方案比較

2.2 優(yōu)選方案

經(jīng)過(guò)周圍環(huán)境調(diào)查、理論計(jì)算與經(jīng)濟(jì)比較，確定使用砂礫料進(jìn)行回填。利用砂礫料的水穩(wěn)定性好、壓實(shí)密度大、沉降量小、透水性好、節(jié)約工期、減少耕地占用、價(jià)格低廉、雨季施工不受影響等特性［1］，壓縮沉降期，同時(shí)采用土工格柵加筋的技術(shù)方案解決砂礫料本身的松散無(wú)黏結(jié)性的缺點(diǎn)。

依據(jù)SL274—2001《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》［2］和JTJ015—91《公路加筋土工程設(shè)計(jì)規(guī)范》［3］計(jì)算基底應(yīng)力、抗滑穩(wěn)定及沉降穩(wěn)定等。經(jīng)計(jì)算，基底最大應(yīng)力為487.3kPa，基底最小應(yīng)力為231.9kPa。因加筋土擋墻位于槽體下部承臺(tái)上，可以認(rèn)為地基承載力滿足要求。加筋體滑移穩(wěn)定安全系數(shù)為KC=1.84>［KC］=1.30，加筋體滑移穩(wěn)定安全；加筋體抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為K0=8.5>［K0］=1.50，加筋體抗傾覆穩(wěn)定安全。

采用應(yīng)力面積法計(jì)算沉降，無(wú)水荷載工況進(jìn)出口連接段渠堤沉降量為（37.94+45.61）×1.1=91.91 mm。加大水位荷載工況進(jìn)出口連接段渠堤沉降量為（0.91+51.37+45.61）×1.1=107.68mm。

按照施工期沉降85%計(jì)算，無(wú)水工況下91.91×85%=78.12mm，剩余沉降量91.91-78.12=13.79mm；按照加大水位工況計(jì)算107.69×85%=91.53mm，剩余沉降量107.6878-91.53=16.1516mm。這種情況下，無(wú)沉降期能滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 優(yōu)選方案的技術(shù)指標(biāo)

按照技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)合理的原則選擇了砂礫料回填方案，設(shè)計(jì)單位提出了砂礫料技術(shù)指標(biāo)為：粒徑控制在100mm內(nèi)，顆粒級(jí)配良好、質(zhì)地堅(jiān)硬的粗砂或礫石，不得含有雜草、樹(shù)根等有機(jī)雜質(zhì)，針片狀含量應(yīng)控制在10%內(nèi)，粒徑小于0.1mm的顆粒不得大于10%，含泥量不得超過(guò)5%，滲透系數(shù)不小于10cm-3/s。填筑壓實(shí)相對(duì)密度不小于0.75。

3 技術(shù)指標(biāo)分析

3.1 最大干密度

砂礫料這樣的無(wú)黏質(zhì)粗顆粒土，室內(nèi)確定其最大干密度的較適宜方法為表面振動(dòng)壓實(shí)儀法。SL237—1999《土工實(shí)驗(yàn)規(guī)程》［4］規(guī)定，表面振動(dòng)壓實(shí)儀法的粗顆粒土試驗(yàn)規(guī)程適用于“最大粒徑為60mm，且不能自由排水的含黏質(zhì)粒的粗顆粒土”，所以不適用于本工程最大粒徑100mm無(wú)黏質(zhì)粗顆粒的天然砂礫料。

但是公路規(guī)范JTG E40—2007《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》［5］規(guī)定對(duì)于粒徑大于60mm的巨粒土，因受試筒允許最大粒徑的限制，應(yīng)按下相似級(jí)配法制備縮小粒徑的系列模型試料。相似級(jí)配法粒徑及級(jí)配按式（1）～式（3）及圖2計(jì)算。

圖2 原型料與模型料級(jí)配關(guān)系

相似級(jí)配模型試料粒徑：

式中 d為原型試料級(jí)配某粒徑縮小后的粒徑，即模型試料相應(yīng)粒徑（mm）；D為原型試料級(jí)配某粒徑（mm）；Mt為粒徑縮小倍數(shù)，通常稱為相似級(jí)配模比。

式中 Dmax為原型試料級(jí)配最大粒徑（mm）；dmax為試樣允許或設(shè)定的最大粒徑。

相似級(jí)配模型試料級(jí)配組成與原型級(jí)配組成相同即：

式中 PMT為原型試料粒徑縮小Mt倍后，（即模型試料）相應(yīng)的小于某粒徑d含量百分?jǐn)?shù)（%）原型試料級(jí)配小于某粒徑D的含量百分?jǐn)?shù)（%）。

本工程按照相似級(jí)配法，用表面振動(dòng)壓實(shí)儀法測(cè)定了最大干密度。

3.2 滲透系數(shù)

根據(jù)SL237—1999《土工實(shí)驗(yàn)規(guī)程》對(duì)滲透系數(shù)的要求，超粒徑試驗(yàn)按照儀器直徑大于土樣粒徑的5倍選擇儀器，當(dāng)常規(guī)試驗(yàn)儀器不能滿足要求時(shí)應(yīng)設(shè)計(jì)加大直徑的滲透變形儀，或者按照以下4種方法處理：①剔除法:將超粒徑顆粒剔除；②等量替代法：按照儀器允許的最大粒徑以下和粒徑大于5mm的土粒按比例等質(zhì)量替換超粒徑顆粒；③相似級(jí)配法：根據(jù)原級(jí)配曲線的粒徑，分別按照幾何相似條件等比例地將原樣粒徑縮小至儀器允許的粒徑，縮小后的土樣級(jí)配應(yīng)保持不均勻系數(shù)不變；④混合法：同時(shí)采用②、③兩種方法。

實(shí)際操作中，由于這種替代法不能真實(shí)地反映實(shí)際情況，為了簡(jiǎn)便易行，本工程采用第1種剔除法做滲透系數(shù)試驗(yàn)［6］，要求滲透系數(shù)指標(biāo)不小于10cm-3/s。盡管剔除法不能完全真實(shí)地反映實(shí)際情況，但是由于剔除了大直徑的顆粒，滲透系數(shù)偏于保守［7］，對(duì)保證工程質(zhì)量是有利的。

4 施工過(guò)程中的技術(shù)指標(biāo)應(yīng)用

滲透系數(shù)指標(biāo)在施工過(guò)程中一般不做檢測(cè)要求，但壓實(shí)度是必檢項(xiàng)目，壓實(shí)度是以相對(duì)密度指標(biāo)反映的，即實(shí)測(cè)干密度與最大干密度的比值反映。

指標(biāo)應(yīng)當(dāng)小于1（設(shè)計(jì)要求大于0.75），一般采用灌水法或灌砂法檢測(cè)壓實(shí)干密度。檢測(cè)人員的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)“超密”，即相對(duì)密度大于1。

“超密”［8］的產(chǎn)生原因是天然砂礫料不像混凝土那樣均勻，實(shí)驗(yàn)室采用的“相似級(jí)配法”測(cè)得的最大干密度數(shù)據(jù)不能完全反映真實(shí)情況。也就是說(shuō)灌砂（水）法檢測(cè)砂礫密實(shí)度時(shí)沒(méi)有考慮砂礫中礫石含量不均勻性對(duì)砂礫料密度的影響。

砂礫材料是由兩部分組成的，一部分是粒徑大于5mm的砂，另一部分是粒徑大于5mm的礫石。因礫石內(nèi)部結(jié)構(gòu)致密，其本身是密實(shí)的；對(duì)于礫石顆粒來(lái)說(shuō)，無(wú)論如何施工如夯實(shí)、碾壓、振動(dòng)等，都無(wú)法增大其自身密度，所以礫石本身已達(dá)到了最大密度。

砂是用來(lái)填充礫石相互間空隙的材料，在礫石密度已定的情況下，砂的密實(shí)程度決定了砂礫材料的密實(shí)程度。因此，施工過(guò)程是通過(guò)增大砂的密度，使得整個(gè)砂礫料的密度增大，以提高填筑的強(qiáng)度和穩(wěn)定性［9］。

經(jīng)過(guò)分析，可以把求砂礫的最大干密度轉(zhuǎn)換成求砂的最大干密度，然后按砂礫中砂與礫石體積比例來(lái)計(jì)算砂礫材料的最大干密度。這樣換算出的最大干密度能真實(shí)地解決砂礫料回填“超密”問(wèn)題，使檢測(cè)數(shù)據(jù)趨于合理［10］。

5 砂礫料回填施工效果

本工程采用砂礫料回填，在保證施工質(zhì)量的前提下，大幅度地節(jié)約了工期［9］，為整個(gè)南水北調(diào)中線總干渠的順利通水做出了突出貢獻(xiàn)，經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益顯著。

青蘭渡槽自2013年8月9日開(kāi)始回填，11月20日完成回填后立即進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)施工，12月9日工程完工后，12月22日進(jìn)行第1次充水實(shí)驗(yàn)。第1次充水過(guò)程中：渡槽擋土墻頂部布置8個(gè)沉降測(cè)點(diǎn)，槽身頂部布置26個(gè)沉降測(cè)點(diǎn)。渡槽各沉降點(diǎn)累計(jì)變形量較小，變形趨勢(shì)逐漸趨于平緩。進(jìn)、出口擋墻頂部各沉降測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量在0.36～2.08mm之間，槽身頂部各沉降測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量在0.87～3.43mm之間。

2014年4月26 日進(jìn)行第2次充水實(shí)驗(yàn)，截止2014年5月19日充水試驗(yàn)完成。二次充水過(guò)程中渡槽進(jìn)、出口擋墻頂部各沉降測(cè)點(diǎn)沉降量最大為3.3mm，槽身頂部各沉降測(cè)點(diǎn)變形量最大為4.21mm，與第1次充水相比變化不明顯。

沉降變形監(jiān)測(cè)均符合設(shè)計(jì)要求，上部結(jié)構(gòu)未發(fā)現(xiàn)沉降帶來(lái)的不良影響，通水試驗(yàn)正常，回填分部工程已通過(guò)相關(guān)驗(yàn)收，工程質(zhì)量?jī)?yōu)良，說(shuō)明采用砂粒料加筋回填施工方法減少沉降期，安全可靠，達(dá)到了預(yù)期的效果。

6 回填施工注意事項(xiàng)

為了保證砂礫料與基坑土方分界面不出現(xiàn)集中滲流，回填區(qū)分界線界面及坡面鋪設(shè)反濾土工布，土工布嵌入黏土性回填區(qū)不小于10cm。

砂礫石料在裝卸時(shí)特別注意避免分離，不允許從高坡向下卸料?？拷哆叺貛б暂^細(xì)砂礫料鋪筑，嚴(yán)防架空現(xiàn)象。

自卸汽車卸料時(shí)，采用“進(jìn)占法”卸料，堆料高度不大于1.5m。填料的縱橫坡部位，優(yōu)先用臺(tái)階收坡法，碾壓搭接長(zhǎng)度不小于1.5m，如無(wú)條件時(shí)，接縫坡度不陡于1∶3。

岸坡處不允許有倒坡，防止大徑料集中，其2m范圍內(nèi)，用較細(xì)砂礫料（d＜200mm）填筑。

碾壓前對(duì)砂礫料加水濕潤(rùn)，加水量0.1～0.2t/m3；碾壓作業(yè)采用進(jìn)退錯(cuò)距法，碾跡搭壓寬度不小于10cm。

砂礫石料碾壓質(zhì)量重在過(guò)程控制，重點(diǎn)監(jiān)控碾壓遍數(shù)、振幅、行駛速度、碾輪搭接寬度。碾壓方向一般平行于堤軸線。碾壓完成后，再按布點(diǎn)測(cè)量其高程，以控制壓實(shí)厚度。碾壓后的表面平整度按0～±5 cm控制，為了反映真實(shí)回填情況，砂礫料回填全程錄像監(jiān)控。

嚴(yán)禁直接碾壓土工格柵，嚴(yán)禁沿拉筋鋪設(shè) （受力）方向推土，施工機(jī)械在拉筋上行走或碾壓填土?xí)r，筋上填料厚度不應(yīng)小于0.2m。

7 結(jié)語(yǔ)

砂礫料一般取自河灘，在保證工程質(zhì)量的前提下，比黏土回填減少了耕地占用，比灰土回填減少了環(huán)境污染，比混凝土回填降低了工程造價(jià)。在目前國(guó)家保護(hù)耕地、保護(hù)環(huán)境的大背景下，經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益是巨大的，砂礫料以獨(dú)特的優(yōu)越性，在工程上應(yīng)用必將越來(lái)越廣泛。

［1］劉洪，韓文喜，張倬元.砂礫石土料的壓實(shí)特性［J］.三峽大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，24（4）.

［2］DL/T5129—2001，碾壓式土石壩施工規(guī)范［S］.

［3］JTJ015—91，公路加筋土工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］SL237—1999，土工實(shí)驗(yàn)規(guī)程［S］.

［5］JTG E40—2007，公路土工試驗(yàn)規(guī)程［S］，

［6］吉青克.大孔隙材料滲透系數(shù)的室內(nèi)測(cè)定［J］.公路交通科技，2002（2）：31-34.

［7］吉青克.基于面層滲透系數(shù)的路表滲入率設(shè)計(jì)［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27（9）：1045-1049.

［8］毛學(xué)珍.砂礫材料最大干密度的確定及壓實(shí)度檢測(cè)方法［J］.廣東土木與建筑雜志，2001（1）:29-33.

［9］南水北調(diào)中線干線工程建設(shè)管理局.（NSBD-ZGJ-1-38）南水北調(diào)中線一期工程總干渠填方渠道缺口填筑施工技術(shù)規(guī)定［R］.2013.

［10］河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)有限公司，三峽大學(xué).南水北調(diào)中線干線工程總干渠填方渠段沉降問(wèn)題研究中間成果報(bào)告［R］.2013.