新疆某干渠填筑工法及其穩(wěn)定性研究

姜寶瑩，李登華，袁高軍，張 威，刁東輝，劉春勇，龐永生，李小龍

(1.南京水利科學(xué)研究院，江蘇 南京 210029；2.新疆水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，新疆 烏魯木齊 830000；3.浙江省第一水電建設(shè)集團(tuán)股份有限公司，浙江 杭州 310051）

風(fēng)積砂是沙漠地區(qū)地表分布最廣泛的物質(zhì),大量的試驗(yàn)研究和工程實(shí)踐表明,風(fēng)積砂具有良好的工程性質(zhì),現(xiàn)已在路基、渠道填筑等領(lǐng)域得到應(yīng)用。曹強(qiáng)強(qiáng)［1］研究處理蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運(yùn)通道工程MHTJ-1 標(biāo)段二工區(qū)浸水路基,發(fā)現(xiàn)將風(fēng)積砂作為換填料能夠有效增加工程項(xiàng)目的產(chǎn)值及利潤(rùn)。王海林［2］分析了風(fēng)積砂的壓實(shí)施工工藝及填筑后路基邊坡穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)應(yīng)用壓實(shí)度90%～96%的風(fēng)積砂填筑路基能夠滿足規(guī)范要求。馬振洲［3］通過顆粒級(jí)配試驗(yàn)和擊實(shí)試驗(yàn),確定了風(fēng)積砂填筑明渠的相關(guān)指標(biāo),認(rèn)為應(yīng)用濕壓法壓實(shí)后,相對(duì)密度Dr≥0.7、含水率為16%～18%的風(fēng)積砂能夠滿足規(guī)范要求。李江等［4］認(rèn)為碾壓5～8 遍,干密度1.63～1.79 g/cm3、相對(duì)密度Dr＝0.75的風(fēng)積砂能夠滿足規(guī)范要求。鄧銘江等［5］發(fā)現(xiàn)當(dāng)穿越古爾班通古特沙漠的明渠風(fēng)積砂含水量為1%～2%時(shí),其干密度主要受振動(dòng)頻率、碾壓遍數(shù)和松鋪厚度等影響,當(dāng)相對(duì)密度達(dá)到0.75 時(shí),風(fēng)積砂的相關(guān)指標(biāo)滿足規(guī)范要求,但當(dāng)干密度大于1.73 g/cm3時(shí),過度碾壓會(huì)導(dǎo)致干密度下降。雍國(guó)強(qiáng)等［6］對(duì)寧夏月牙湖揚(yáng)水工程風(fēng)積砂進(jìn)行試驗(yàn),并分析該風(fēng)積砂填筑渠道的穩(wěn)定性,發(fā)現(xiàn)當(dāng)風(fēng)積砂的相對(duì)密度Dr＝2/3、孔隙比為0.67、干密度為1.59 g/cm3時(shí),能夠滿足工程穩(wěn)定性。趙碧雄等［7］為防止渠道凍脹,用風(fēng)積砂進(jìn)行換填處理,并控制風(fēng)積砂的含泥量,滿足了渠道的穩(wěn)定性要求。

目前對(duì)風(fēng)積砂渠道的研究主要集中在風(fēng)積砂的施工參數(shù)選取和渠道穩(wěn)定性分析等方面,但填筑工法比選研究尚顯不足?；诖?筆者以新疆某干渠工程為依托,確定該干渠工程的填筑工法和施工參數(shù),并分析該干渠穩(wěn)定性,研究成果對(duì)風(fēng)積砂的填筑工法選擇具有參考意義。

1 工程概況及施工工藝

新疆某干渠左、右邊坡受料源的限制,均由風(fēng)積砂填筑,其最大橫斷面如圖1 所示。該干渠橫斷面高3.1 m,渠堤底部寬為15.125 m,頂部寬為3.5 m,左、右邊坡坡比分別為1 ∶1.75 和1 ∶2.0,渠底寬為4 m。渠道底部和道路路基的填筑材料均為粉土,粉土層厚約6 m。該渠道的正常水位距渠底2 m,當(dāng)?shù)?00 a 內(nèi)的最大日降雨量約為60 mm/d,最大連續(xù)降雨時(shí)長(zhǎng)約為3 d,渠道與其他重要構(gòu)筑物相距較近。

圖1 新疆某干渠橫斷面示意

風(fēng)積砂擊實(shí)曲線易出現(xiàn)雙峰值［8］,即在含水率為0和在最佳含水率時(shí)均能得到較高的壓實(shí)密度,因此可將風(fēng)積砂填筑施工工藝分為干壓法和濕壓法(水墜法)。干壓法即在施工過程中不加水,直接碾壓,其適用于沙漠地區(qū)蒸發(fā)量大、環(huán)境濕度小的區(qū)域,經(jīng)過運(yùn)輸、攤鋪等流程,能夠保證碾壓用風(fēng)積砂料含水率趨于0,配合適當(dāng)?shù)哪雺悍绞郊纯色@得較好的碾壓指標(biāo)。濕壓法即在碾壓過程中保持風(fēng)積砂料處于最優(yōu)含水率附近,通過相應(yīng)的碾壓方式獲得較高的碾壓指標(biāo)。

(1)干壓法。該干渠在設(shè)計(jì)之初,選擇風(fēng)積砂填筑渠道時(shí),借鑒了新疆地區(qū)類似工程項(xiàng)目沙漠明渠段的施工經(jīng)驗(yàn)和施工參數(shù),最終確定此干渠施工的設(shè)計(jì)方案采用干壓法施工,風(fēng)積砂的設(shè)計(jì)相對(duì)密度為0.8,但在實(shí)際施工過程中發(fā)現(xiàn):①碾壓過程中,碾壓機(jī)械對(duì)碾壓面施工干擾大；②碾壓后的風(fēng)積砂承載力小,碾壓面無法進(jìn)行后續(xù)施工作業(yè)；③通過不同層厚、不同碾壓遍數(shù)、不同碾壓機(jī)械及振動(dòng)頻率調(diào)整的多種碾壓方式嘗試,相對(duì)密度Dr僅為0.70～0.75,壓實(shí)度指標(biāo)無法滿足設(shè)計(jì)要求。繼而對(duì)料場(chǎng)風(fēng)積砂進(jìn)行調(diào)研、取樣分析和數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn),當(dāng)Dr＝0.8 時(shí),碾壓風(fēng)積砂含水率w必須不大于0.845%,比料場(chǎng)平均含水率低1.255%。原因是該干渠位于降水量大、空氣濕度高的地區(qū),導(dǎo)致風(fēng)積砂料在取料、攤鋪等干壓法常規(guī)施工流程中不易完全干燥,碾壓時(shí)風(fēng)積砂的含水率無法達(dá)到或接近相對(duì)密度為0.8 時(shí)的含水率要求,導(dǎo)致其壓實(shí)指標(biāo)一直無法滿足設(shè)計(jì)要求,故為滿足施工要求,必須嘗試采用濕壓法。

(2)濕壓法。為了獲得最優(yōu)碾壓干密度,濕壓法施工要求風(fēng)積砂碾壓過程中含水率在最優(yōu)含水率附近,因此如何保水是濕壓法施工的關(guān)鍵。在風(fēng)積砂料場(chǎng)通過堆土牛泡水方式進(jìn)行含水率配制,采用4 m3挖掘機(jī)挖裝、額定載重37 t 自卸車運(yùn)至施工部位,采用推土機(jī)推平,人工補(bǔ)水后使用平地機(jī)平整,20 t 自行式振動(dòng)碾靜壓6 遍(往返為一遍),在施工過程中共補(bǔ)水4次(分別為料場(chǎng)制備及料場(chǎng)二次補(bǔ)水,填筑層上料前采用20 m3灑水車補(bǔ)水,平整后人工補(bǔ)水及碾壓過程中水車補(bǔ)水)。現(xiàn)場(chǎng)取樣數(shù)據(jù)表明,配制的風(fēng)積砂料含水率為10%～17%,但經(jīng)過不同層厚、不同碾壓遍數(shù)、不同碾壓機(jī)械及不同振動(dòng)頻率的組合碾壓后的風(fēng)積砂相對(duì)密度在0.75～0.80 范圍內(nèi),仍然無法達(dá)到0.80的碾壓指標(biāo)。為滿足工程要求,仍需調(diào)整碾壓參數(shù),故開展擊實(shí)試驗(yàn)研究風(fēng)積砂的最佳含水率和最大干密度。

2 風(fēng)積砂的擊實(shí)試驗(yàn)

風(fēng)積砂的天然干密度為1.46～1.53 g/cm3,平均值為1.50 g/cm3。風(fēng)積砂的天然含水率為0.8%～4.2%,平均值為2.1%。從土質(zhì)分類角度分析,此干渠風(fēng)積砂為細(xì)砂,其最大干密度(1.67 g/cm3)與最小干密度(1.39 g/cm3)的差值為0.28 g/cm3,差值較小,且其不均勻系數(shù)較小(1.7),表明該風(fēng)積砂的壓實(shí)特性較差,為使壓實(shí)風(fēng)積砂有利于保證渠道的穩(wěn)定性,需保證風(fēng)積砂達(dá)到最大干密度。w＝16.9%時(shí),風(fēng)積砂的干密度達(dá)到1.64 g/cm3,但在實(shí)際工程中難以控制風(fēng)積砂的含水率保持一致,干渠附近夏季多雨,且當(dāng)w＞17.6%時(shí)風(fēng)積砂的干密度保持不變［9］,故認(rèn)為在實(shí)際工程中風(fēng)積砂的最佳含水率為17.6%,最大干密度為1.63 g/cm3。繼而對(duì)現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)積砂再次進(jìn)行多組現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn),最終選擇采用濕壓法施工,施工工藝采用現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)第四階段碾壓工法,壓實(shí)指標(biāo)Dr≥0.75。

雖已確定現(xiàn)場(chǎng)填筑干渠的施工方法(濕壓法)、施工工藝(現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)第四階段碾壓工法)、風(fēng)積砂的壓實(shí)指標(biāo)(相對(duì)密度Dr≥0.75、最佳含水率為17.6%、最大干密度為1.63 g/cm3),但仍需確認(rèn)該干渠的穩(wěn)定性能是否滿足要求。

3 干渠穩(wěn)定性分析

依據(jù)干渠的實(shí)際建設(shè)情況,應(yīng)用有限元分析軟件GEO STUDIO 2018 R2 中的SLOPE/W 和SEEP/W 模塊,確定不同工況下渠道岸坡穩(wěn)定性。取干渠的最大橫斷面為計(jì)算模型,通過現(xiàn)場(chǎng)勘察和室內(nèi)試驗(yàn)確定材料物理力學(xué)參數(shù)(見表1)。因該干渠的穩(wěn)定性受靜水壓力和降雨作用的影響,故選取3 種工況對(duì)該渠道的穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算,分別為靜水壓力作用、降雨作用、二者聯(lián)合作用(編號(hào)分別為1、2、3,見表2)。

表1 干渠物理力學(xué)參數(shù)

表2 干渠穩(wěn)定性分析工況

3.1 滲流穩(wěn)定分析

根據(jù)《水利水電工程地質(zhì)勘查規(guī)范》(GB 50487—2008),該干渠的滲透坡降計(jì)算公式為

式中:Gs為渠基土相對(duì)密度,根據(jù)該渠道的設(shè)計(jì)資料,Gs＝2.70；n為渠基土的孔隙率,n＝40%；kp為折減系數(shù),本計(jì)算中取2。

表3、圖2 和圖3 為不同工況下干渠的滲流分析結(jié)果(圖中虛線為浸潤(rùn)線)。不同工況下,出逸點(diǎn)距渠底高度相同,均為0.52 m,出逸點(diǎn)坡降均小于坡降容許值。在靜水壓力作用下,背水坡和渠基的最大滲透坡降均小于坡降容許值,但工況2 與工況3 渠基的最大滲透坡降遠(yuǎn)大于坡降容許值,不滿足渠道的滲透穩(wěn)定性要求。這是因?yàn)榉弁翝B透系數(shù)較小,處于雨期時(shí),渠基易積水,且風(fēng)積砂與粉土的滲透系數(shù)相差較大,沿風(fēng)積砂邊坡內(nèi)部滲流通道流入粉土渠基的水無法正常排出,造成渠基的滲透坡降較大,尤其是風(fēng)積砂邊坡坡腳的滲透坡降較大,易使渠基出現(xiàn)滲透破壞現(xiàn)象,所以在實(shí)際施工中在渠道表面需鋪設(shè)防滲層,以預(yù)防干渠發(fā)生滲透破壞。

表3 不同工況干渠的滲流計(jì)算結(jié)果

圖2 不同工況下干渠的浸潤(rùn)線和等勢(shì)線分布

圖3 不同工況下干渠的孔隙水壓力

干渠浸潤(rùn)線分布不受工況影響。工況2 和工況3干渠的等勢(shì)線分布情況相近,等勢(shì)線從干渠底部中心至干渠兩側(cè)、從干渠底部至渠基底部由密變疏,對(duì)稱分布,且均比靜水壓力單獨(dú)作用的干渠等勢(shì)線分布密集,表明降雨作用會(huì)使干渠的滲流速度變快。

該干渠的最大正孔隙水壓力(簡(jiǎn)稱最大正孔壓)均位于渠基底部中心,3 種工況最大正孔壓值分別為77.1、100.1、99.9 kPa,工況2 和工況3 最大孔壓值相近,約比靜水壓力作用下的最大孔壓大23 kPa。最大負(fù)孔隙水壓力(最大負(fù)孔壓)均對(duì)稱分布于干渠兩側(cè)邊坡頂部,在3 種工況下,該值分別為17.1、18.6、18.8 kPa,降雨作用下干渠的最大負(fù)孔壓略大于靜水壓力作用下的最大負(fù)孔壓,表明降雨作用對(duì)干渠的最大負(fù)孔壓影響不大。

3.2 靜力穩(wěn)定計(jì)算分析

圖4 為不同工況下干渠的靜力穩(wěn)定計(jì)算分析結(jié)果(FS為安全系數(shù))。根據(jù)《堤防工程設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB 50286—2013),渠道的安全系數(shù)應(yīng)不小于1.30。在靜水壓力作用、降雨作用及二者聯(lián)合作用下,干渠的安全系數(shù)分別為1.33、1.57 和1.57,表明在不同工況下干渠的穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。因?yàn)榉弁恋目辜魪?qiáng)度較高,所以滑動(dòng)面僅位于風(fēng)積砂邊坡上。工況1 干渠的安全系數(shù)最小,滑動(dòng)面范圍最大,表明降雨作用有利于保證干渠的穩(wěn)定性,原因是風(fēng)積砂的滲透系數(shù)較大,與粉土的滲透系數(shù)相差較大,且風(fēng)積砂的黏聚力較小,降雨作用使顆粒發(fā)生錯(cuò)動(dòng),壓密風(fēng)積砂,提高風(fēng)積砂的抗剪強(qiáng)度。

圖4 不同工況下干渠的穩(wěn)定性分析結(jié)果

經(jīng)滲流分析和靜力分析發(fā)現(xiàn):在不同工況下干渠的靜力穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求；在靜水壓力作用下其滲流穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求,但工況2 和工況3 滲流穩(wěn)定性不滿足規(guī)范要求,需采取相應(yīng)措施。

4 鋪設(shè)防滲層的干渠穩(wěn)定性分析

在實(shí)際工程中,渠道表面鋪設(shè)防滲層能有效預(yù)防渠基發(fā)生滲透破壞,根據(jù)設(shè)計(jì)資料,該渠道防滲層由C20 現(xiàn)澆混凝土板、兩布一膜和M10 水泥砂漿組成,其厚度為15 cm,分析時(shí)假設(shè)該防滲層為高強(qiáng)度材料,密度為2.2 g/cm3,滲透系數(shù)為10-9cm/s。防滲層鋪設(shè)砂礫石墊層,該墊層厚度為40 cm,密度為2.2 g/cm3,黏聚力為78.7 kPa,內(nèi)摩擦角為42.6°,滲透系數(shù)為10-3cm/s。因在靜水壓力作用下,未鋪設(shè)防滲層的干渠穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求,故僅分析降雨作用、靜水壓力及降雨聯(lián)合作用下干渠的滲流穩(wěn)定性和靜力穩(wěn)定性。

4.1 鋪設(shè)防滲層的干渠滲流穩(wěn)定分析

表4 和圖5 為鋪設(shè)防滲層干渠的滲流穩(wěn)定分析結(jié)果(圖中虛線為浸潤(rùn)線)。在降雨作用、靜水壓力與降雨聯(lián)合作用下,鋪設(shè)防滲層后出逸點(diǎn)距渠底的高度比未鋪設(shè)防滲層時(shí)的高度小,最大滲透坡降和出逸點(diǎn)坡降均滿足要求。等勢(shì)線僅在防滲層內(nèi)密集分布,可見干渠邊坡和渠基內(nèi)滲流速度變化不大。背水坡和渠基在降雨作用、靜水壓力與降雨聯(lián)合作用下的最大滲透坡降幾乎相同,約為0.7。然而,在靜水壓力與降雨聯(lián)合作用下,出逸點(diǎn)距渠底的高度比僅有降雨作用時(shí)的小,渠道的出逸點(diǎn)坡降略大于降雨作用的滲透坡降,表明聯(lián)合作用與降雨作用對(duì)渠道出逸點(diǎn)高度的影響不同,聯(lián)合作用能夠增大出逸點(diǎn)坡降,從而影響渠道的滲流穩(wěn)定性。

表4 不同工況鋪設(shè)防滲層的干渠滲流計(jì)算結(jié)果

圖5 不同工況鋪設(shè)防滲層的干渠浸潤(rùn)線

4.2 鋪設(shè)防滲層的干渠靜力穩(wěn)定分析

圖6 為降雨作用、靜水壓力與降雨聯(lián)合作用下鋪設(shè)防滲層的干渠靜力穩(wěn)定分析結(jié)果。在這兩種工況下干渠的安全系數(shù)均為1.54,與未鋪設(shè)防滲層的干渠安全系數(shù)相近,但滑動(dòng)范圍略大于未鋪設(shè)防滲層時(shí)的,原因是防滲層本身具有較大的質(zhì)量,增大了干渠的下滑力。

圖6 不同工況鋪設(shè)防滲層的干渠穩(wěn)定性分析結(jié)果

經(jīng)滲流穩(wěn)定分析和靜力穩(wěn)定分析發(fā)現(xiàn),鋪設(shè)防滲層的干渠在不同工況下的穩(wěn)定性均滿足要求。

5 結(jié)論

通過分析新疆某干渠填筑工法及其在不同工況下的穩(wěn)定性,得到如下結(jié)論:

(1)因干渠所在地區(qū)氣候濕潤(rùn),風(fēng)積砂料場(chǎng)的含水率較大,故可采用濕壓法填筑干渠。

(2)為滿足工程要求,以相對(duì)密度≥0.75、最佳含水率17.6%、最大干密度1.63 g/cm3為風(fēng)積砂的壓實(shí)指標(biāo)。

(3)在靜水壓力作用下,該干渠的滲流穩(wěn)定性和靜力穩(wěn)定性均滿足要求,但在降雨作用及二者聯(lián)合作用下,其滲流穩(wěn)定性不滿足要求,需在渠道內(nèi)鋪設(shè)防滲層。

(4)在不同工況下,鋪設(shè)防滲層后干渠的滲流穩(wěn)定性和靜力穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。