簡析砂巖作為渠道填筑料及換填料的利與弊

【摘要】本文以新疆某輸水總干渠工程為實例，通過對沿線砂巖填筑料場試驗資料的歸納分析，簡析砂巖作為渠道填筑料及換填料的利與弊，以期為相關類似工程提供經驗依據。

【關鍵詞】砂巖；最大干密度；最優含水率；滲透系數

1、工程概況

新疆某輸水工程是一項以解決烏魯木齊經濟區、北疆油田的城市供水和工業用水及沿線生態用水的跨流域、長距離調水工程，全長約134km，輸水方式主要以明渠輸水為主，工程等別為大（2）型Ⅱ等工程。本工程是在已建工程的基礎上對渠道進行加高擴建，以增大調水量，滿足受水區日益增長的用水需求。

工程區地處歐亞大陸腹地中心的新疆地區，遠離海洋，緯度高、氣溫低、少酷暑、多嚴寒，屬大陸性寒溫帶氣候，四季中春秋兩季不明顯，大致可分為冷半年和暖半年，區域內凍土層深度約1.5～2m。

2、基本地質條件

輸水工程沿線通過的主要地貌單元為干燥剝蝕起伏平原，其次為渠道尾部的沖洪積平原。剝蝕起伏平原發育在軟弱平緩的古近系地層之上，后期經臨時性的暴雨沖刷和風蝕等因素的作用，逐漸形成平臺與洼地相間的地形，還零星分布有風蝕殘丘和風積砂丘等。沖洪積平原，地形平坦開闊，與剝蝕起伏的平原的過渡帶上發育一系列的沖溝，沖溝切割深度不大。總地勢由北東向南西緩傾。

沿線僅渠首段分布有古生界泥盆系和石炭系地層，其余出露的地層主要為古近系（E2-3）地層，巖性多為砂巖、泥質砂巖、泥巖和砂質泥巖，夾少量含礫砂巖及砂礫巖，多呈巨厚層狀，局部為中～薄層狀或透鏡體，結構一般為弱膠結，少量無膠結或中等膠結，均屬于軟巖，強風化層厚度一般1～3m，弱風化層厚度10m左右。其次還分布有覆蓋于古近系地層之上的第四系中更新統沖洪積（Q2al+pl）含細粒土砂，一般厚度1～3m，少量4～6m，局部6～10m。

各類巖石均具有成巖作用差，弱膠結，強度低，抗風化能力差，砂巖遇水軟化、崩解，泥巖、砂質泥巖遇水膨脹、失水干縮等特點。

工程區內地下水類型可分為河谷第四系松散層內的孔隙水和渠道沿線古近系、新近系地層內的基巖裂隙潛水及承壓水。

3、砂巖作為渠道填筑料及換填料的技術指標

本工程主要的建設內容主要有兩項，一是對全線明渠的加高擴建，二是對中～強膨脹巖（如泥巖、砂質泥巖）基礎段渠道進行換填，并且在渠底設置縱橫向排水設施。其中中～強膨脹巖基礎換填的原理是采用砂巖等相對不透水性巖體對膨脹巖進行換填封閉隔水處理，再在渠底設置排水設施對渠道運行過程中的滲漏水進行抽排或自流排出，以保護渠道基礎不受破壞。

由于本工程屬于長距離跨流域調水工程，沿線古近系地層分布較廣，因此在確保工程質量的前提下，本著由近到遠的原則，選取了近50個砂巖填筑料場，對沿線渠道進行加高填筑及對渠基內中～強膨脹巖進行換填處理。

現就試驗資料結果歸納如下：

①從顆分資料以及凍脹試驗分析，各類砂巖均屬凍脹性土。其凍脹性特征： 隨著干密度和含水率的增加凍脹率也隨之增加；當干密度達1.85g/cm3時，不同含水率條件下的凍脹率均為最大值；當干密度大于1.85g/cm3以上，不同含水率條件下的凍脹率均逐漸減小，但在飽和狀態下，當干密度大于1.67g/cm3時，凍脹率在2.1～2.9%，屬弱凍脹土，凍脹等級為Ⅱ級。

②從各類砂巖擊實后的力學性質可以看出（見表3-1），在輕型功能擊實下中粗砂巖的最優含水率一般為9.0%～12.0%，最大干密度一般為1.87～2.10g/cm3，中細砂巖、細砂巖最優含水率一般為10.2%～13.8%，最大干密度一般為1.77～1.91g/cm3，在重型功能擊實下，粗砂巖的最優含水率一般為5.7%～9.7%，最大干密度一般為2.15～2.0g/cm3，中細砂巖、細砂巖最優含水率一般為6.6%～12.0%，最大干密度一般為1.91～2.08g/cm3。

③從各類砂巖不同壓實功能后的滲透系數分析（見表3-1）：粗砂巖滲透系數平均值K=2.8×10-4～7.3×10-5cm/s，為弱透水性；中粗砂巖在輕型功能擊實下，滲透系數K=6.7×10-5cm/s，屬弱透水性，在重型功能擊實下，滲透系數K=1.3×10-5～8.0×10-6cm/s，屬微透水性；中細砂巖、細砂巖在輕、重型功能擊實下，滲透系數平均值K=4×10-7～2.1×10-8cm/s，均屬微～極微透水性。

4、砂巖作為渠道填筑料及換填料的利與弊

通過上述試驗資料的歸納結果可以對砂巖作為渠道填筑料及換填料的利與弊分析如下：

①沿線分布的粗砂巖、中粗砂巖、中細砂巖、細砂巖料場，作為渠道填方料，各類工程性能較好。

②從砂巖作為分布于渠基內的中～強膨脹巖的換填料來看：粗砂巖透水性偏大，作為膨脹巖換填料來看不能完全起到隔水的作用，效果不理想；中粗砂巖須增大壓實功能條件下，滲透系數基本可滿足膨脹巖換填料要求，所以也不太理想；而中細砂巖及細砂巖在輕、重型擊實功能下滲透系數K<6.0×10-7，均可滿足膨脹巖換填料要求，并且隔水性能以中細砂巖良好，細砂巖優良。

③各類砂巖，只要控制一定的含水率，增大壓實功能，就有較好的壓實效果。

④砂巖具有遇水軟化的特性，作為渠道基礎，如果長期受水浸泡處于飽和狀態，會使砂巖強度下降，可能導致渠道產生滑坡，威脅渠道基礎安全。

5、結論

本文通過對各砂巖料場的試驗資料的歸納分析得出，砂巖作為填方渠道的填筑料，工程性能較好，作為渠道中～強膨脹巖的換填料，建議采用中細砂巖、細砂巖，但是中粗砂巖只要增大壓實功能，也可作為膨脹巖的換填料。此外，砂巖具有遇水軟化崩解的特性，所以以砂巖為基礎的填方、挖方渠道一定要對渠道設置相應的防滲及排水措施。