極細、級配不良粉細砂填筑技術在BA干渠工程中的應用分析

王恩輝

(新疆水利水電勘測設計研究院，新疆 烏魯木齊 830000)

1 項目概況

新疆BA干渠末端17.4km渠道布置于基本農田內，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，設計引水規模為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，內坡采用厚10cm現澆混凝土板襯砌，坡比1∶2.0，渠頂左側寬6.5m，渠頂右側寬3.5m，外邊坡1∶1.75，填筑方量為146萬m3。初步設計批復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田內，項目立項時對該段渠線的征地范圍已進行了嚴格控制，無法按常規沙漠渠道采用放緩邊坡的方式滿足邊坡穩定和滲流要求。為此，如采用極細、級配不良粉細砂作為渠道填筑料，在充分驗證填筑粉細砂料碾壓控制標準的同時，還需對粉細砂填方渠堤內外坡抗滑和滲透穩定進行充分計算論證。

沙漠粉細砂顆分試驗成果：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，不均勻系數為1.4～2.4，曲率系數為1.2～1.7。按SL237—1999定名為級配不良含細粒土砂(SF)。

沙漠粉細砂物理特征為：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%。輕型擊實試驗結果：最優含水率為13.5%～15.5%，平均值為14.7%。飽和狀態下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K20達10-3cm/s量級。

2 渠道斷面型式及粉細砂碾壓控制標準的確定

鑒于我國將沙漠粉細砂應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砂應用于渠道填筑的可行性開展了專項研究，從斷面型式復核、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場碾壓試驗和分析研究。

2.1 渠道斷面型式復核

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

2.2 渠道填筑標準確定

引水渠道相關規范還沒有關于干密度方面的要求，國內相關規程、規范對無黏性土料的設計指標要求見表1。

表1 國內相關規范針對無黏性土相對密度規定

由表1可以看出，水利行業采用相對密度控制，公路行業采用壓實度控制，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)指標控制，控制干密度利用相對密度獲得；顆粒較細的土料采用壓實度(D)指標控制，控制干密度利用擊實試驗獲得。

根據YEJW沙漠渠道研究成果及行業要求，確定粉細砂填筑標準為相對密度Dr≥0.75，根據相對密度獲得控制干密度1.65g/cm3，作為施工控制標準。

3 粉細砂施工工藝研究

3.1 碾壓設備的選定

渠道填筑壓實是控制施工質量的關鍵工序，由于砂料的離散特性，必須充分考慮滿足粉細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。考慮到工程區氣候影響，應優先采用前后驅動、密封裝置良好的自行式光輪振動碾。結合施工現場設備，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沙漠明渠經驗，結合施工現場水源情況，為盡量提高沙漠砂的碾壓質量，現場對30、40、50cm 3個不同碾壓厚度在干燥或最優含水率狀態下，通過優化碾壓參數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。現場選取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，大多數數據離散型較大，仔細對比發現在鋪土厚度為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。根據第一階段試驗結果，在現場布置一個50mm×11m試驗段，按每層攤鋪厚度40cm鋪設2層，只對第二層進行檢測。采用初始靜碾1遍、結束靜碾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調整粉細砂含水率碾壓試驗

結合之前試驗數據，對進行粉細砂填筑料配制增水后碾壓試驗，將砂料增濕至最優含水率附近。現場選取30m×8m試驗區，鋪設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提高相對密度的可行性試驗，另取一塊試驗區域，攤鋪增濕至最優含水率附近的砂料，每層鋪土厚度40cm，進行不同靜碾遍數試驗，只檢測第二層，試驗成果見表5。

表4 增濕至最優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計要求外，中部及底部結合部位均能滿足設計要求。

因此，工程區域的粉細砂料通過調整含水率至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的設計要求。

4 現場實施及效果檢查

BA干渠尾部填方渠道于2015年初開始采用附近粉細砂料進行填筑，填筑過程中為有效增加渠基碾壓質量和減少邊坡削坡量，對填高超過4m的粉細砂填筑渠段內設置扁絲編織布增強渠體抗剪強度和穩定性，自渠底往上每隔1.2m設置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建基面外邊線向內15m，中間層加筋布最大寬度不超過15.0m，渠道內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計指標。

5 結束語

本項目針對極細、級配不良，粉細砂難以壓實的特點，通過調整鋪層厚度、對砂料增濕、優化碾壓遍數，成功的將砂料壓實指標達到Dr≥0.75，實施了極細、級配不良粉細砂應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量和減少邊坡削坡量，對填高超過4m的粉細砂填筑渠段內設置扁絲編織布增強渠體抗剪強度和穩定性。填筑完成后經渠體原樣檢測，無論是壓實相對密度還是壓實干密度均滿足設計指標。極細、級配不良粉細砂在本工程的成功應用，不僅解決了渠體填筑料源問題，也為西北沙漠地區及沿海地區粉細砂的工程應用提供很好的借鑒。