極細(xì)、級配不良粉細(xì)砂填筑技術(shù)在BA干渠工程中的應(yīng)用分析

王恩輝

(新疆水利水電勘測設(shè)計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 項目概況

新疆BA干渠末端17.4km渠道布置于基本農(nóng)田內(nèi)，多為填方渠道，最大填高近8.0m，其中填筑高度大于4.0m的渠道長5.34km，半挖半填渠段8.4km，設(shè)計引水規(guī)模為18.3～29m3/s，加大流量為24～34m3/s。渠道斷面底寬4.0m，渠深3.3～3.1m，內(nèi)坡采用厚10cm現(xiàn)澆混凝土板襯砌，坡比1∶2.0，渠頂左側(cè)寬6.5m，渠頂右側(cè)寬3.5m，外邊坡1∶1.75，填筑方量為146萬m3。初步設(shè)計批復(fù)采用低液限粉土填筑，但項目實施階段渠線周邊地表附著物變化較大，附近除級配不良沙漠粉細(xì)砂料外再無開采的土料場作為渠堤填筑料。由于工程末端渠道穿行于基本農(nóng)田內(nèi)，項目立項時對該段渠線的征地范圍已進行了嚴(yán)格控制，無法按常規(guī)沙漠渠道采用放緩邊坡的方式滿足邊坡穩(wěn)定和滲流要求。為此，如采用極細(xì)、級配不良粉細(xì)砂作為渠道填筑料，在充分驗證填筑粉細(xì)砂料碾壓控制標(biāo)準(zhǔn)的同時，還需對粉細(xì)砂填方渠堤內(nèi)外坡抗滑和滲透穩(wěn)定進行充分計算論證。

沙漠粉細(xì)砂顆分試驗成果：粒徑2～0.5mm粗砂含量為0.1%～1.4%，粒徑 0.5～0.25mm中砂含量為0.1%～5.7%，粒徑0.25～0.075mm細(xì)砂含量為88.2%～96.9%(平均值為91.2%)，粒徑0.075～0.005mm含量3.1%～11.1%(平均7.8%)，粒徑<0.005mm的黏粒含量為0.3%～1.4%，砂有效粒徑0.066～0.100mm，不均勻系數(shù)為1.4～2.4，曲率系數(shù)為1.2～1.7。按SL237—1999定名為級配不良含細(xì)粒土砂(SF)。

沙漠粉細(xì)砂物理特征為：天然干密度為1.46～1.53g/cm3，平均值為1.50g/cm3；天然含水率為0.8%～4.2%，平均值為2.1%。料場砂料最小干密度為1.38～1.41g/cm3，平均值為1.40g/cm3；砂料最大干密度為1.70～1.71g/cm3，平均值為1.71g/cm3；砂料含泥量為4.4%～11.8%，平均值為7.1%。輕型擊實試驗結(jié)果：最優(yōu)含水率為13.5%～15.5%，平均值為14.7%。飽和狀態(tài)下φ值27.5°～30°，平均值28.8°，c值 9.1～19.6kPa，平均值13.65kPa。壓實后滲透系數(shù)K20達10-3cm/s量級。

2 渠道斷面型式及粉細(xì)砂碾壓控制標(biāo)準(zhǔn)的確定

鑒于我國將沙漠粉細(xì)砂應(yīng)用于填筑土料已有多個項目成功實例，如新疆的YEJW沙漠明渠工程、塔克拉瑪干沙漠公路等。因此本項目就附近沙漠粉細(xì)砂應(yīng)用于渠道填筑的可行性開展了專項研究，從斷面型式復(fù)核、施工機械的選定、填筑料含水率控制、鋪層厚度、碾壓工藝等各方面進行現(xiàn)場碾壓試驗和分析研究。

2.1 渠道斷面型式復(fù)核

實施階段，對該段渠道采用粉細(xì)砂填筑料進行了多種方案的邊坡穩(wěn)定和滲流，在充分利用已定占地范圍的基礎(chǔ)上，結(jié)合施工安排和設(shè)計復(fù)核計算成果，最終確定渠道底寬、內(nèi)邊坡及防滲型式均維持原設(shè)計。對渠道填筑型式和外邊坡調(diào)整如下：對填高超過4m渠段自渠頂以下2～3m設(shè)置厚80cm砂礫石反濾排水兼護坡料，自渠頂以下3m設(shè)置寬1.4～2.4m砂礫石戧臺，外邊坡1∶1.75。另外結(jié)合國內(nèi)沙漠公路建設(shè)經(jīng)驗，對渠道填高超過4.0m渠段，自渠底至渠頂每隔1.2m鋪設(shè)1層塑料扁絲土工布作為增強粉細(xì)砂填筑料抗剪強度、整體穩(wěn)定性的安全儲備。

2.2 渠道填筑標(biāo)準(zhǔn)確定

引水渠道相關(guān)規(guī)范還沒有關(guān)于干密度方面的要求，國內(nèi)相關(guān)規(guī)程、規(guī)范對無黏性土料的設(shè)計指標(biāo)要求見表1。

表1 國內(nèi)相關(guān)規(guī)范針對無黏性土相對密度規(guī)定

由表1可以看出，水利行業(yè)采用相對密度控制，公路行業(yè)采用壓實度控制，2種控制方式均可以滿足實際需要。一般而言，顆粒較粗的土料采用相對密度(Dr)指標(biāo)控制，控制干密度利用相對密度獲得；顆粒較細(xì)的土料采用壓實度(D)指標(biāo)控制，控制干密度利用擊實試驗獲得。

根據(jù)YEJW沙漠渠道研究成果及行業(yè)要求，確定粉細(xì)砂填筑標(biāo)準(zhǔn)為相對密度Dr≥0.75，根據(jù)相對密度獲得控制干密度1.65g/cm3，作為施工控制標(biāo)準(zhǔn)。

3 粉細(xì)砂施工工藝研究

3.1 碾壓設(shè)備的選定

渠道填筑壓實是控制施工質(zhì)量的關(guān)鍵工序，由于砂料的離散特性，必須充分考慮滿足粉細(xì)砂特性的施工壓實及運輸機械。

考慮到自行式振動碾運行靈活，對深層砂基影響較深，在振動情況下，砂基密實程度大幅度提高?？紤]到工程區(qū)氣候影響，應(yīng)優(yōu)先采用前后驅(qū)動、密封裝置良好的自行式光輪振動碾。結(jié)合施工現(xiàn)場設(shè)備，20t輪式振動碾，型號為LT220B，額定功率132kN，振動輪寬度為2100mm，60t非公路自卸車。

3.2 碾壓工藝試驗

鑒于卡拉瑪依沙漠公路和YEJW沙漠明渠經(jīng)驗，結(jié)合施工現(xiàn)場水源情況，為盡量提高沙漠砂的碾壓質(zhì)量，現(xiàn)場對30、40、50cm 3個不同碾壓厚度在干燥或最優(yōu)含水率狀態(tài)下，通過優(yōu)化碾壓參數(shù)對碾壓層和下部一層的壓實密度進行了大量的專項試驗。

3.2.1天然含水率碾壓試驗

(1)鋪土厚度試驗?，F(xiàn)場選取3段長100m、寬11m試驗場地，初選鋪土厚度30、40、50cm和靜動碾壓不同組合方案進行現(xiàn)場碾壓試驗，試驗成果見表2。

表2 天然含水率鋪土厚度確定試驗成果

由以上試驗檢測成果可知，大多數(shù)數(shù)據(jù)離散型較大，仔細(xì)對比發(fā)現(xiàn)在鋪土厚度為40cm時，相對離散性較小，但綜合各碾壓方式僅有4個測試點相對密度達到0.75，相比較而言增加強振可能有效提高中部和下部相對密度，但仍需進一步試驗。

(2)鋪土厚度40cm碾壓方式試驗。根據(jù)第一階段試驗結(jié)果，在現(xiàn)場布置一個50mm×11m試驗段，按每層攤鋪厚度40cm鋪設(shè)2層，只對第二層進行檢測。采用初始靜碾1遍、結(jié)束靜碾1遍、中間強振3～8遍進行檢測。詳見表3。

表3 鋪土厚度40cm碾壓工藝試驗成果

隨著強振次數(shù)的增加，擊實功能逐漸增加，試驗面各部位干密度值逐漸增大，在強振7遍時達到最大值，但表層和底層相對密度大部分仍不滿足要求，需考慮對填筑砂料進行增濕碾壓。

3.2.2調(diào)整粉細(xì)砂含水率碾壓試驗

結(jié)合之前試驗數(shù)據(jù)，對進行粉細(xì)砂填筑料配制增水后碾壓試驗，將砂料增濕至最優(yōu)含水率附近?，F(xiàn)場選取30m×8m試驗區(qū)，鋪設(shè)2層，每層厚40cm，采用“靜碾+強振+靜碾”和靜碾2種方式分別碾壓，第一層不檢測，只對第二層進行檢測，見表4。

由表4得出，采用增加強振遍數(shù)并不能使砂層相對密度得到有效提高，且各層相對密度離散型較大，需研究加大靜碾遍數(shù)提高相對密度的可行性試驗，另取一塊試驗區(qū)域，攤鋪增濕至最優(yōu)含水率附近的砂料，每層鋪土厚度40cm，進行不同靜碾遍數(shù)試驗，只檢測第二層，試驗成果見表5。

表4 增濕至最優(yōu)含水率附近碾壓試驗成果

表5 配制含水后靜碾試驗相對密度匯總

由表5得出，粉細(xì)砂增濕至10%～17%，鋪土厚度40cm，采用靜碾4～6遍，除表層局部不能滿足設(shè)計要求外，中部及底部結(jié)合部位均能滿足設(shè)計要求。

因此，工程區(qū)域的粉細(xì)砂料通過調(diào)整含水率至10%～17%時，可以作為渠道工程的填筑料，填筑層厚40cm，采用LT220B型20T輪式振動碾，靜碾4～6遍，局部區(qū)域可提高至靜碾8遍，可達到相對密度≥0.75，干密度≥1.65g/cm3的設(shè)計要求。

4 現(xiàn)場實施及效果檢查

BA干渠尾部填方渠道于2015年初開始采用附近粉細(xì)砂料進行填筑，填筑過程中為有效增加渠基碾壓質(zhì)量和減少邊坡削坡量，對填高超過4m的粉細(xì)砂填筑渠段內(nèi)設(shè)置扁絲編織布增強渠體抗剪強度和穩(wěn)定性，自渠底往上每隔1.2m設(shè)置1層，每層向上層包裹長度不小于2.0m。底部扁絲編織布寬度為兩側(cè)建基面外邊線向內(nèi)15m，中間層加筋布最大寬度不超過15.0m，渠道內(nèi)邊不超過砂礫石墊層料，外邊坡至渠道填筑外邊線。扁絲編織布設(shè)計徑向斷裂強力≥30kN/m，緯向斷裂強力≥22kN/m。截至2017年底已基本完成填筑，同年在填筑渠堤上原狀取樣進行了物理力學(xué)實驗，渠堤填筑料無論是壓實相對密度還是壓實干密度均滿足設(shè)計指標(biāo)。

5 結(jié)束語

本項目針對極細(xì)、級配不良，粉細(xì)砂難以壓實的特點，通過調(diào)整鋪層厚度、對砂料增濕、優(yōu)化碾壓遍數(shù)，成功的將砂料壓實指標(biāo)達到Dr≥0.75，實施了極細(xì)、級配不良粉細(xì)砂應(yīng)用于工程填筑的可行性。施工過程中為有效增加渠基碾壓質(zhì)量和減少邊坡削坡量，對填高超過4m的粉細(xì)砂填筑渠段內(nèi)設(shè)置扁絲編織布增強渠體抗剪強度和穩(wěn)定性。填筑完成后經(jīng)渠體原樣檢測，無論是壓實相對密度還是壓實干密度均滿足設(shè)計指標(biāo)。極細(xì)、級配不良粉細(xì)砂在本工程的成功應(yīng)用，不僅解決了渠體填筑料源問題，也為西北沙漠地區(qū)及沿海地區(qū)粉細(xì)砂的工程應(yīng)用提供很好的借鑒。