南水北调中线工程磁县段泥砾开挖料填筑应用

2017-04-07马述江

水利规划与设计 2017年3期

马述江

马述江

(河北省水利水电第二勘测设计研究院，河北石家庄050021)

南水北调中线工程磁县段有大量泥砾开挖料，本文通过试验研究，认为利用泥砾开挖料替代壤土进行渠堤填筑是可行的，但需要根据泥砾组成情况确定其填筑部位。泥砾开挖料的应用，减少了大量取土场和弃土场占地，节约了工程投资，加快了工程建设进度，产生了巨大的经济效益和显著的社会效益。

南水北调；渠堤填筑；泥砾

南水北调中线一期工程总干渠磁县段，位于邯郸市磁县以西，大致沿京广铁路走向。该渠段渠道填筑总土方量723万m3；总挖方量1036万m3，其中壤土198万m3，泥砾、粉砂、砂砾岩、膨胀土岩等其它料838万m3。

由于南水北调工程的重要性，以及渠道对防渗的严格要求，渠堤填筑一般选用合格壤土。磁县段开挖壤土方量仅为渠堤填筑量的27%，远远不能满足回填需要。如果将泥砾弃料加以利用，作为回填土替代料，不但可以减少弃土占地，而且可以减少取土占地，又可减少运输成本。因此，充分利用渠道开挖弃土中的泥砾做为筑堤土料，不但具有巨大的经济价值，而且具有显著的社会效益。

1 泥砾的分布及特征

磁县渠段泥砾主要分布在桩号9+400～10+ 600、12+100～13+400、17+400～28+800渠段，或出露于地表，或掩埋于薄层黄土状壤土之下。一般开挖厚度2～5m，局部大于10m。

该段泥砾属第四纪中更新世冰碛物，地貌呈缓坡低丘垄岗，地势开阔。泥砾呈棕红色～浅紫红色，由砾卵石与红色粘土混杂组成，具有不均匀性。泥砾组成：砾卵石含量61.5%～79.3%，粉粒含量7.1%～14.0%，粘粒含量2.7%～7.1%。砾卵石由棕红色～浅紫红色粘性土、砂土包裹或充填。卵石直径多为60～200mm，呈滚圆～半滚圆状，磨圆度好，其成分以石英砂岩为主，稍有风化。卵石间棕红色～浅紫红色粘性土充填密实，局部有一定胶结［1］。

2 初步设计阶段对泥砾料的试验研究

泥砾作为回填土替代料，20世纪60～70年代在河北省已有少量应用，由于仅了解到早年在黄壁庄水库溢洪道进行过少量试验，但未收集到相关试验资料，国内外相近资料也比较匮乏。因此，在南水北调总干渠设计初期，就开展了泥砾作为替代料的试验研究工作。

1998年，开展了磁县渠段泥砾替代料的地质勘察工作，完成了探井开挖和现场天然密度、含水量、筛分测试工作，查明了该渠段泥砾的颗粒组成、天然密度及分布范围等情况。

2001年，为了论证上述渠段泥砾作为筑堤替代料的可行性，为工程设计提供物理力学参数，又对磁县段泥砾进行了补充勘察试验研究。

这次勘察和试验工作，除现场筛分和含水量、密度测试外，还在室内完成了超粒径泥砾大型击实、压缩、三轴剪切及渗透试验，并对泥砾细粒部分的比重、胀缩性、液塑限、有机质含量、水溶盐含量、SiO2/R2O3进行了测试［2］。

泥砾属于巨粒混合土，试验规程要求此类土的击实、压缩、渗透、三轴试验所用料的最大粒径不能超过60mm［2］。磁县泥砾大于60mm卵石平均含量42.7%，由于试验仪器尺寸的限制，实验室根据现场泥砾筛分曲线，求出其特征颗分曲线上包线、平均线、下包线，按照文献［2］采用等量替代法，即将泥砾大于5mm粒径含量换算为5～60mm之间的颗粒，小于5mm粒径含量不变，重新配土进行以上试验。

根据试验结果，并经综合分析认为：邯郸磁县段泥砾绝大部分可以作为土料代替料，但大于20cm的漂石应剔除。粒径大于5mm粗粒径含量应控制在70%之内，粗粒径含量大于或等于70%的泥砾，应剔除部分80mm以上粒径的粗粒后方可使用。泥砾要铺土均匀，不可使砾卵石集中，以免形成架空结构［3-6］。

虽然本渠段可以采用泥砾作为填筑料，但对于开挖的泥砾料在施工中如何选择合适的施工工艺填筑碾压，才能够满足设计要求，尚需在施工前进行现场试验。

3 施工期间现场试验

为了在泥砾填筑施工中选择合适的施工工艺和检验方法，泥砾填筑前进行了现场试验。试验依据《碾压式土石坝施工规范》(DL/T5129-2001)、《堤防工程施工规范》(SL260-98)、文献［2］、《泥砾填筑试验大纲》等进行。

(1)桩号0+000～15+190渠段。利用刻槽法取样进行筛分试验，并结合其它部位泥砾层揭露情况，确定泥砾开挖料典型级配。经过比较，选定桩号10+850泥砾段作为填筑试验段。

现场试验完成的主要项目有：筛分试验、碾压试验、原位渗透试验、原位剪切试验、击实试验、渗透变形试验等。

经过试验，得出如下结论：①桩号10+850处泥砾开挖料粒径大于5mm的颗粒含量为79.1%，粗颗粒已构成完全骨架，0.075mm以下颗粒含量为10.2%；②现场筛分取样点未发现粒径大于400mm以上颗粒，施工中如存在，应予剔除，开挖过程中宜同时剔除红粘土夹层；③用于坝壳料填筑料，控制粒径为400mm，碾压铺料最大层厚为60cm，采用22 t振动平碾，静碾2遍振碾10遍，最大干密度可达2.23g/cm3，原位渗透系数为1.6×10-3cm/s，饱和固结强度指标建议值为Ccq= 22.9kPa、φcq=32.7°；④用于防渗体填筑料，可采用外掺法，在泥砾开挖料中掺入24%的上覆壤土后，粒径大于5mm的颗粒含量为63.8%，粗颗粒起部分骨架作用，0.075mm以下颗粒含量为26.6%；限制粒径为400mm，碾压铺料最大层厚为55cm，采用22t振动平碾，静碾2遍振碾8遍，最大干密度可达2.19g/cm3，碾压后的原位渗透系数均值为6.5×10-5cm/s，饱和固结强度指标建议值为Ccq=27.8kPa、φcq=23.7°。

依据现场大型剪切试验确定的力学指标重新复核渠道边坡，边坡稳定满足规范要求。对于其渗透系数不能满足均质断面渠堤填筑要求的问题，采取斜墙坝分区填筑，迎水侧填筑2m厚粘性土的辅助防渗层，可满足渗透稳定要求。

(2)桩号15+190～29+056渠段。试验采用桩号25+400～25+500段渠道开挖泥砾，人工剔除大于15cm的卵石。料场勘探泥砾中土的天然含水率在16%～22%，部分土含水率过高不能直接用于填筑，选择就地晾晒至最优含水率附近时开始填筑碾压。

设备选用18t振动平碾及18t凸块振动碾，振动频率28Hz，行驶速度控制为1速2km/h，激振力(高/低)340/240kN。

经过现场试验，结论如下：①本段泥砾料粒径大于5mm的颗粒含量为65.1%，最大干密度值2.12g/cm3，最优含水率8.2%左右；②铺料厚度45cm厚度，8 t振动平碾静压2遍，18 t凸块振动碾动压10遍，或18 t振动平碾静压2遍后再动压8遍，最后再18 t凸块振动碾动压2遍，泥砾铺土层干密度2.07～2.14g/cm3，达到填筑压实度要求。压实后泥砾料的渗透系数为9.9×10-5cm3/s，符合均质坝的填筑料渗透系数指标要求［7-10］。

4 实际应用

施工过程中，磁县段共开挖泥砾241万m3，根据实验成果，对开挖的泥砾料进行了最大限度的利用。

(1)分布在桩号0+000～15+190之间的开挖泥砾85万m3，该部分泥砾粒径较大，经现场试验，不满足渗透要求，但可填筑地基或作为坝壳料进行渠堤填筑，其具体利用情况为：①渠道地基填筑，总干渠桩号0+580～1+180渠段“大深坑”部位，该段填高最高达16m，依据泥砾现场试验成果，确定采用泥砾填筑渠底2m以下部位的堤基部分。现场施工按干密度不小于2.18g/cm3进行质量控制，碾压工艺按照现场试验确定，该段共利用泥砾45万m3；②斜墙坝分区填筑，泥砾料作为坝壳料填筑在渠堤的外侧，内侧填筑2.0m厚的粘性土防渗层。粘性土与相邻泥砾平起填筑、跨缝碾压，内侧粘性土填筑时，要保证粘性土的厚度，然后再铺设泥砾料。桩号13+483～14+268渠段，采用斜墙坝分区填筑，共利用泥砾30万m3。

(2)分布在15+190～29+056渠段之间的开挖泥砾156万m3，粒径较均匀，可直接用于筑堤。桩号18+400～29+056渠段的填方渠道，全部采用泥砾进行均质坝填筑方案，利用泥砾110万m3。