砂礫料回填在南水北調青蘭渡槽工程中應用

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路、西環路及青蘭高速連接線互通立交橋處，總干渠樁號為42+912～42+986，是南水北調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，渡槽由下部基礎灌注樁工程、承臺及墩柱支撐結構、平板連續梁承載結構、槽身擋水結構組成。過水斷面底寬22.5m，側墻高7.55m。結構型式如圖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別為1級建筑物。該渡槽設計流量為235m3/s，加大流量為265m3/s。主要工程量：土方開挖16萬m3，土方回填10萬m3，混凝土澆筑5.63萬m3，鋼筋制安6000t。

因工程開工最晚，形成了事實上的整個南水北調中線總干渠通水的節點工程，所以工期要求很緊迫。工程2013年2月底開工，要求2013年10月底完工。比工期定額壓縮了一倍多 （工期定額計算工期為22個月）。

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

根據建筑地基等相關規范要求，這樣的深坑回填要經過2年或2個雨季的沉降期，按照公路路基規范及南水北調相關要求回填至少保證6個月的沉降期，且經過一個雨季，由于工期極度壓縮，沒有沉降時間，所以必須通過技術方法解決沉降問題。

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劣比較如表1。

表1 砂礫料回填與其他技術方案比較

2.2 優選方案

經過周圍環境調查、理論計算與經濟比較，確定使用砂礫料進行回填。利用砂礫料的水穩定性好、壓實密度大、沉降量小、透水性好、節約工期、減少耕地占用、價格低廉、雨季施工不受影響等特性［1］，壓縮沉降期，同時采用土工格柵加筋的技術方案解決砂礫料本身的松散無黏結性的缺點。

依據SL274—2001《碾壓式土石壩設計規范》［2］和JTJ015—91《公路加筋土工程設計規范》［3］計算基底應力、抗滑穩定及沉降穩定等。經計算，基底最大應力為487.3kPa，基底最小應力為231.9kPa。因加筋土擋墻位于槽體下部承臺上，可以認為地基承載力滿足要求。加筋體滑移穩定安全系數為KC=1.84>［KC］=1.30，加筋體滑移穩定安全；加筋體抗傾覆穩定安全系數為K0=8.5>［K0］=1.50，加筋體抗傾覆穩定安全。

采用應力面積法計算沉降，無水荷載工況進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%計算，無水工況下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算107.69×85%=91.53mm，剩余沉降量107.6878-91.53=16.1516mm。這種情況下，無沉降期能滿足設計要求。

2.3 優選方案的技術指標

按照技術可行，經濟合理的原則選擇了砂礫料回填方案，設計單位提出了砂礫料技術指標為：粒徑控制在100mm內，顆粒級配良好、質地堅硬的粗砂或礫石，不得含有雜草、樹根等有機雜質，針片狀含量應控制在10%內，粒徑小于0.1mm的顆粒不得大于10%，含泥量不得超過5%，滲透系數不小于10cm-3/s。填筑壓實相對密度不小于0.75。

3 技術指標分析

3.1 最大干密度

砂礫料這樣的無黏質粗顆粒土，室內確定其最大干密度的較適宜方法為表面振動壓實儀法。SL237—1999《土工實驗規程》［4］規定，表面振動壓實儀法的粗顆粒土試驗規程適用于“最大粒徑為60mm，且不能自由排水的含黏質粒的粗顆粒土”，所以不適用于本工程最大粒徑100mm無黏質粗顆粒的天然砂礫料。

但是公路規范JTG E40—2007《公路土工試驗規程》［5］規定對于粒徑大于60mm的巨粒土，因受試筒允許最大粒徑的限制，應按下相似級配法制備縮小粒徑的系列模型試料。相似級配法粒徑及級配按式（1）～式（3）及圖2計算。

圖2 原型料與模型料級配關系

相似級配模型試料粒徑：

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

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

相似級配模型試料級配組成與原型級配組成相同即：

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

本工程按照相似級配法，用表面振動壓實儀法測定了最大干密度。

3.2 滲透系數

根據SL237—1999《土工實驗規程》對滲透系數的要求，超粒徑試驗按照儀器直徑大于土樣粒徑的5倍選擇儀器，當常規試驗儀器不能滿足要求時應設計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的土粒按比例等質量替換超粒徑顆粒；③相似級配法：根據原級配曲線的粒徑，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，縮小后的土樣級配應保持不均勻系數不變；④混合法：同時采用②、③兩種方法。

實際操作中，由于這種替代法不能真實地反映實際情況，為了簡便易行，本工程采用第1種剔除法做滲透系數試驗［6］，要求滲透系數指標不小于10cm-3/s。盡管剔除法不能完全真實地反映實際情況，但是由于剔除了大直徑的顆粒，滲透系數偏于保守［7］，對保證工程質量是有利的。

4 施工過程中的技術指標應用

滲透系數指標在施工過程中一般不做檢測要求，但壓實度是必檢項目，壓實度是以相對密度指標反映的，即實測干密度與最大干密度的比值反映。

指標應當小于1（設計要求大于0.75），一般采用灌水法或灌砂法檢測壓實干密度。檢測人員的實測數據“超密”，即相對密度大于1。

“超密”［8］的產生原因是天然砂礫料不像混凝土那樣均勻，實驗室采用的“相似級配法”測得的最大干密度數據不能完全反映真實情況。也就是說灌砂（水）法檢測砂礫密實度時沒有考慮砂礫中礫石含量不均勻性對砂礫料密度的影響。

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。因礫石內部結構致密，其本身是密實的；對于礫石顆粒來說，無論如何施工如夯實、碾壓、振動等，都無法增大其自身密度，所以礫石本身已達到了最大密度。

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

經過分析，可以把求砂礫的最大干密度轉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計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地解決砂礫料回填“超密”問題，使檢測數據趨于合理［10］。

5 砂礫料回填施工效果

本工程采用砂礫料回填，在保證施工質量的前提下，大幅度地節約了工期［9］，為整個南水北調中線總干渠的順利通水做出了突出貢獻，經濟、社會效益顯著。

青蘭渡槽自2013年8月9日開始回填，11月20日完成回填后立即進行上部結構施工，12月9日工程完工后，12月22日進行第1次充水實驗。第1次充水過程中：渡槽擋土墻頂部布置8個沉降測點，槽身頂部布置26個沉降測點。渡槽各沉降點累計變形量較小，變形趨勢逐漸趨于平緩。進、出口擋墻頂部各沉降測點累計沉降量在0.36～2.08mm之間，槽身頂部各沉降測點累計沉降量在0.87～3.43mm之間。

2014年4月26 日進行第2次充水實驗，截止2014年5月19日充水試驗完成。二次充水過程中渡槽進、出口擋墻頂部各沉降測點沉降量最大為3.3mm，槽身頂部各沉降測點變形量最大為4.21mm，與第1次充水相比變化不明顯。

沉降變形監測均符合設計要求，上部結構未發現沉降帶來的不良影響，通水試驗正常，回填分部工程已通過相關驗收，工程質量優良，說明采用砂粒料加筋回填施工方法減少沉降期，安全可靠，達到了預期的效果。

6 回填施工注意事項

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

砂礫石料在裝卸時特別注意避免分離，不允許從高坡向下卸料?？拷哆叺貛б暂^細砂礫料鋪筑，嚴防架空現象。

自卸汽車卸料時，采用“進占法”卸料，堆料高度不大于1.5m。填料的縱橫坡部位，優先用臺階收坡法，碾壓搭接長度不小于1.5m，如無條件時，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，用較細砂礫料（d＜200mm）填筑。

碾壓前對砂礫料加水濕潤，加水量0.1～0.2t/m3；碾壓作業采用進退錯距法，碾跡搭壓寬度不小于10cm。

砂礫石料碾壓質量重在過程控制，重點監控碾壓遍數、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，再按布點測量其高程，以控制壓實厚度。碾壓后的表面平整度按0～±5 cm控制，為了反映真實回填情況，砂礫料回填全程錄像監控。

嚴禁直接碾壓土工格柵，嚴禁沿拉筋鋪設 （受力）方向推土，施工機械在拉筋上行走或碾壓填土時，筋上填料厚度不應小于0.2m。

7 結語

砂礫料一般取自河灘，在保證工程質量的前提下，比黏土回填減少了耕地占用，比灰土回填減少了環境污染，比混凝土回填降低了工程造價。在目前國家保護耕地、保護環境的大背景下，經濟和社會效益是巨大的，砂礫料以獨特的優越性，在工程上應用必將越來越廣泛。

［1］劉洪，韓文喜，張倬元.砂礫石土料的壓實特性［J］.三峽大學學報，2002，24（4）.

［2］DL/T5129—2001，碾壓式土石壩施工規范［S］.

［3］JTJ015—91，公路加筋土工程設計規范［S］.

［4］SL237—1999，土工實驗規程［S］.

［5］JTG E40—2007，公路土工試驗規程［S］，

［6］吉青克.大孔隙材料滲透系數的室內測定［J］.公路交通科技，2002（2）：31-34.

［7］吉青克.基于面層滲透系數的路表滲入率設計［J］.巖土工程學報，2005，27（9）：1045-1049.

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

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

［10］河南省水利勘測設計有限公司，三峽大學.南水北調中線干線工程總干渠填方渠段沉降問題研究中間成果報告［R］.2013.