南水北調(diào)中線工程磁縣段泥礫開挖料填筑應(yīng)用

馬述江

南水北調(diào)中線工程磁縣段泥礫開挖料填筑應(yīng)用

馬述江

(河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河北石家莊050021)

南水北調(diào)中線工程磁縣段有大量泥礫開挖料，本文通過試驗(yàn)研究，認(rèn)為利用泥礫開挖料替代壤土進(jìn)行渠堤填筑是可行的，但需要根據(jù)泥礫組成情況確定其填筑部位。泥礫開挖料的應(yīng)用，減少了大量取土場(chǎng)和棄土場(chǎng)占地，節(jié)約了工程投資，加快了工程建設(shè)進(jìn)度，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益和顯著的社會(huì)效益。

南水北調(diào)；渠堤填筑；泥礫

南水北調(diào)中線一期工程總干渠磁縣段，位于邯鄲市磁縣以西，大致沿京廣鐵路走向。該渠段渠道填筑總土方量723萬m3；總挖方量1036萬m3，其中壤土198萬m3，泥礫、粉砂、砂礫巖、膨脹土巖等其它料838萬m3。

由于南水北調(diào)工程的重要性，以及渠道對(duì)防滲的嚴(yán)格要求，渠堤填筑一般選用合格壤土。磁縣段開挖壤土方量?jī)H為渠堤填筑量的27%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足回填需要。如果將泥礫棄料加以利用，作為回填土替代料，不但可以減少棄土占地，而且可以減少取土占地，又可減少運(yùn)輸成本。因此，充分利用渠道開挖棄土中的泥礫做為筑堤土料，不但具有巨大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，而且具有顯著的社會(huì)效益。

1 泥礫的分布及特征

磁縣渠段泥礫主要分布在樁號(hào)9+400～10+ 600、12+100～13+400、17+400～28+800渠段，或出露于地表，或掩埋于薄層黃土狀壤土之下。一般開挖厚度2～5m，局部大于10m。

該段泥礫屬第四紀(jì)中更新世冰磧物，地貌呈緩坡低丘壟崗，地勢(shì)開闊。泥礫呈棕紅色～淺紫紅色，由礫卵石與紅色粘土混雜組成，具有不均勻性。泥礫組成：礫卵石含量61.5%～79.3%，粉粒含量7.1%～14.0%，粘粒含量2.7%～7.1%。礫卵石由棕紅色～淺紫紅色粘性土、砂土包裹或充填。卵石直徑多為60～200mm，呈滾圓～半滾圓狀，磨圓度好，其成分以石英砂巖為主，稍有風(fēng)化。卵石間棕紅色～淺紫紅色粘性土充填密實(shí)，局部有一定膠結(jié)［1］。

2 初步設(shè)計(jì)階段對(duì)泥礫料的試驗(yàn)研究

泥礫作為回填土替代料，20世紀(jì)60～70年代在河北省已有少量應(yīng)用，由于僅了解到早年在黃壁莊水庫(kù)溢洪道進(jìn)行過少量試驗(yàn)，但未收集到相關(guān)試驗(yàn)資料，國(guó)內(nèi)外相近資料也比較匱乏。因此，在南水北調(diào)總干渠設(shè)計(jì)初期，就開展了泥礫作為替代料的試驗(yàn)研究工作。

1998年，開展了磁縣渠段泥礫替代料的地質(zhì)勘察工作，完成了探井開挖和現(xiàn)場(chǎng)天然密度、含水量、篩分測(cè)試工作，查明了該渠段泥礫的顆粒組成、天然密度及分布范圍等情況。

2001年，為了論證上述渠段泥礫作為筑堤替代料的可行性，為工程設(shè)計(jì)提供物理力學(xué)參數(shù)，又對(duì)磁縣段泥礫進(jìn)行了補(bǔ)充勘察試驗(yàn)研究。

這次勘察和試驗(yàn)工作，除現(xiàn)場(chǎng)篩分和含水量、密度測(cè)試外，還在室內(nèi)完成了超粒徑泥礫大型擊實(shí)、壓縮、三軸剪切及滲透試驗(yàn)，并對(duì)泥礫細(xì)粒部分的比重、脹縮性、液塑限、有機(jī)質(zhì)含量、水溶鹽含量、SiO2/R2O3進(jìn)行了測(cè)試［2］。

泥礫屬于巨?；旌贤粒囼?yàn)規(guī)程要求此類土的擊實(shí)、壓縮、滲透、三軸試驗(yàn)所用料的最大粒徑不能超過60mm［2］。磁縣泥礫大于60mm卵石平均含量42.7%，由于試驗(yàn)儀器尺寸的限制，實(shí)驗(yàn)室根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)泥礫篩分曲線，求出其特征顆分曲線上包線、平均線、下包線，按照文獻(xiàn)［2］采用等量替代法，即將泥礫大于5mm粒徑含量換算為5～60mm之間的顆粒，小于5mm粒徑含量不變，重新配土進(jìn)行以上試驗(yàn)。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，并經(jīng)綜合分析認(rèn)為：邯鄲磁縣段泥礫絕大部分可以作為土料代替料，但大于20cm的漂石應(yīng)剔除。粒徑大于5mm粗粒徑含量應(yīng)控制在70%之內(nèi)，粗粒徑含量大于或等于70%的泥礫，應(yīng)剔除部分80mm以上粒徑的粗粒后方可使用。泥礫要鋪土均勻，不可使礫卵石集中，以免形成架空結(jié)構(gòu)［3-6］。

雖然本渠段可以采用泥礫作為填筑料，但對(duì)于開挖的泥礫料在施工中如何選擇合適的施工工藝填筑碾壓，才能夠滿足設(shè)計(jì)要求，尚需在施工前進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

3 施工期間現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

為了在泥礫填筑施工中選擇合適的施工工藝和檢驗(yàn)方法，泥礫填筑前進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。試驗(yàn)依據(jù)《碾壓式土石壩施工規(guī)范》(DL/T5129-2001)、《堤防工程施工規(guī)范》(SL260-98)、文獻(xiàn)［2］、《泥礫填筑試驗(yàn)大綱》等進(jìn)行。

(1)樁號(hào)0+000～15+190渠段。利用刻槽法取樣進(jìn)行篩分試驗(yàn)，并結(jié)合其它部位泥礫層揭露情況，確定泥礫開挖料典型級(jí)配。經(jīng)過比較，選定樁號(hào)10+850泥礫段作為填筑試驗(yàn)段。

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)完成的主要項(xiàng)目有：篩分試驗(yàn)、碾壓試驗(yàn)、原位滲透試驗(yàn)、原位剪切試驗(yàn)、擊實(shí)試驗(yàn)、滲透變形試驗(yàn)等。

經(jīng)過試驗(yàn)，得出如下結(jié)論：①樁號(hào)10+850處泥礫開挖料粒徑大于5mm的顆粒含量為79.1%，粗顆粒已構(gòu)成完全骨架，0.075mm以下顆粒含量為10.2%；②現(xiàn)場(chǎng)篩分取樣點(diǎn)未發(fā)現(xiàn)粒徑大于400mm以上顆粒，施工中如存在，應(yīng)予剔除，開挖過程中宜同時(shí)剔除紅粘土夾層；③用于壩殼料填筑料，控制粒徑為400mm，碾壓鋪料最大層厚為60cm，采用22 t振動(dòng)平碾，靜碾2遍振碾10遍，最大干密度可達(dá)2.23g/cm3，原位滲透系數(shù)為1.6×10-3cm/s，飽和固結(jié)強(qiáng)度指標(biāo)建議值為Ccq= 22.9kPa、φcq=32.7°；④用于防滲體填筑料，可采用外摻法，在泥礫開挖料中摻入24%的上覆壤土后，粒徑大于5mm的顆粒含量為63.8%，粗顆粒起部分骨架作用，0.075mm以下顆粒含量為26.6%；限制粒徑為400mm，碾壓鋪料最大層厚為55cm，采用22t振動(dòng)平碾，靜碾2遍振碾8遍，最大干密度可達(dá)2.19g/cm3，碾壓后的原位滲透系數(shù)均值為6.5×10-5cm/s，飽和固結(jié)強(qiáng)度指標(biāo)建議值為Ccq=27.8kPa、φcq=23.7°。

依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)大型剪切試驗(yàn)確定的力學(xué)指標(biāo)重新復(fù)核渠道邊坡，邊坡穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。對(duì)于其滲透系數(shù)不能滿足均質(zhì)斷面渠堤填筑要求的問題，采取斜墻壩分區(qū)填筑，迎水側(cè)填筑2m厚粘性土的輔助防滲層，可滿足滲透穩(wěn)定要求。

(2)樁號(hào)15+190～29+056渠段。試驗(yàn)采用樁號(hào)25+400～25+500段渠道開挖泥礫，人工剔除大于15cm的卵石。料場(chǎng)勘探泥礫中土的天然含水率在16%～22%，部分土含水率過高不能直接用于填筑，選擇就地晾曬至最優(yōu)含水率附近時(shí)開始填筑碾壓。

設(shè)備選用18t振動(dòng)平碾及18t凸塊振動(dòng)碾，振動(dòng)頻率28Hz，行駛速度控制為1速2km/h，激振力(高/低)340/240kN。

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，結(jié)論如下：①本段泥礫料粒徑大于5mm的顆粒含量為65.1%，最大干密度值2.12g/cm3，最優(yōu)含水率8.2%左右；②鋪料厚度45cm厚度，8 t振動(dòng)平碾靜壓2遍，18 t凸塊振動(dòng)碾動(dòng)壓10遍，或18 t振動(dòng)平碾靜壓2遍后再動(dòng)壓8遍，最后再18 t凸塊振動(dòng)碾動(dòng)壓2遍，泥礫鋪土層干密度2.07～2.14g/cm3，達(dá)到填筑壓實(shí)度要求。壓實(shí)后泥礫料的滲透系數(shù)為9.9×10-5cm3/s，符合均質(zhì)壩的填筑料滲透系數(shù)指標(biāo)要求［7-10］。

4 實(shí)際應(yīng)用

施工過程中，磁縣段共開挖泥礫241萬m3，根據(jù)實(shí)驗(yàn)成果，對(duì)開挖的泥礫料進(jìn)行了最大限度的利用。

(1)分布在樁號(hào)0+000～15+190之間的開挖泥礫85萬m3，該部分泥礫粒徑較大，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，不滿足滲透要求，但可填筑地基或作為壩殼料進(jìn)行渠堤填筑，其具體利用情況為：①渠道地基填筑，總干渠樁號(hào)0+580～1+180渠段“大深坑”部位，該段填高最高達(dá)16m，依據(jù)泥礫現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)成果，確定采用泥礫填筑渠底2m以下部位的堤基部分?，F(xiàn)場(chǎng)施工按干密度不小于2.18g/cm3進(jìn)行質(zhì)量控制，碾壓工藝按照現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定，該段共利用泥礫45萬m3；②斜墻壩分區(qū)填筑，泥礫料作為壩殼料填筑在渠堤的外側(cè)，內(nèi)側(cè)填筑2.0m厚的粘性土防滲層。粘性土與相鄰泥礫平起填筑、跨縫碾壓，內(nèi)側(cè)粘性土填筑時(shí)，要保證粘性土的厚度，然后再鋪設(shè)泥礫料。樁號(hào)13+483～14+268渠段，采用斜墻壩分區(qū)填筑，共利用泥礫30萬m3。

(2)分布在15+190～29+056渠段之間的開挖泥礫156萬m3，粒徑較均勻，可直接用于筑堤。樁號(hào)18+400～29+056渠段的填方渠道，全部采用泥礫進(jìn)行均質(zhì)壩填筑方案，利用泥礫110萬m3。

5 結(jié)束語

磁縣渠段實(shí)際利用泥礫料共約185萬m3，利用泥礫開挖料替代壤土，進(jìn)行渠堤填筑試驗(yàn)及應(yīng)用，不但減少了大量取土場(chǎng)、棄土場(chǎng)征地，節(jié)約了工程投資，而且加快了工程建設(shè)進(jìn)度，為保證工程順利通水創(chuàng)造了條件。

經(jīng)過近2年的通水運(yùn)行，采用泥礫填筑渠段狀況良好。

［1］河北省水利水電第二勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.南水北調(diào)中線工程總干渠河北省南段泥礫替代回填土料試驗(yàn)研究報(bào)告［R］.2002.

［2］SL237-1999.土工試驗(yàn)規(guī)程［S］.

［3］黃河水利委員會(huì)勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院實(shí)驗(yàn)中心.檢測(cè)報(bào)告［R］. 2001.

［4］GB50286-98.堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［5］SL251-2000.水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程［S］.

［6］付明軍，勞道邦.南水北調(diào)中線工程河北省磁縣段泥礫土筑堤方案研究［J］.南水北調(diào)與水利科技，2011(04).

［7］中水北方勘測(cè)設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司.南水北調(diào)中線一期工程總干渠邯邢渠段泥礫開挖料填筑利用試驗(yàn)研究-磁縣段階段性成果報(bào)告［R］.2010.

［8］李聚興，韓勝杰，周鵬程，等.土體抗剪強(qiáng)度指標(biāo)的確定方法［J］.水利規(guī)劃與設(shè)計(jì)，2014(12).

［9］中國(guó)水利水電第十三工程局有限公司南水北調(diào)中線直管工程磁縣段二標(biāo)項(xiàng)目部.泥礫填筑試驗(yàn)總結(jié)報(bào)告［R］.2010.

［10］趙繼成.土石壩粗粒料碾壓前后級(jí)配變化試驗(yàn)研究［J］.水利技術(shù)監(jiān)督，2013(05) .

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1672-2469(2017)03-0060-03

DO I：10.3969/j.issn.1672-2469.2017.03.023

2017-01-17

馬述江(1965年—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師。