南水北調渠道砂墊層壓實技術

□宋維俠 □陳學才 □張全才 □李永強

（中國水利水電第十一工程局有限公司）

1.前言

南水北調中線一期工程總干渠安陽段渠道襯砌中，采用了5 cm厚粗砂墊層結構，在1：2坡比的坡面上要求其相對密度不低于0.7，目前國內尚無先例。但如果不能很好解決此問題，不僅影響工程進度，更影響渠道襯砌整體質量。安陽段第五施工標段為最先進行渠道襯砌的工程實體，經過反復研究和實踐，最終較好的解決了此難題。

2.工程概況

安陽段V標渠段長5428.1 m，渠道采用明渠設計，梯形斷面，上口寬 52.6～54.1 m，底寬 17～18.5 m，邊坡 1：2，渠深 8.9 m，坡面長20 m。正常水深7 m，加大水深7.384 m。渠道結構型式自下而上為：基面削坡、5 cm粗砂墊層、2 cm厚的保溫板、防滲復合土工膜、8 cm、10 cm厚混凝土面層。渠道設計典型斷面見圖1。

圖1 渠道設計典型斷面示意圖

3.渠道砂墊層（5 cm厚）的技術難點

由于5 cm厚砂墊層渠道結構設計在安陽段是第一次采用，沒有經驗可供借鑒，沒有成熟的機械設備可供選擇，施工方法及工藝更需要摸索。

主要的技術難點可以歸納為：實現設計要求的平整度、坡比和厚度；達到設計要求的0.7相對密度指標；保證施工質量的施工方法和工藝。

4.渠道襯砌機械應用現狀

目前市場上主要的大型渠道襯砌機械為振動滑模式襯砌機和振動碾壓式襯砌機。

振動滑模式襯砌機由行走裝置、升降裝置、布料系統、振動裝置、滑模成型裝置、電控系統、框架結構等部分組成，核心設備是落料倉內均勻布置著高頻低幅振搗棒和料倉后部的滑模裝置。布料系統可以完成砂墊層布料，滑模裝置可以完成平整度、厚度及坡比控制，但由于砂墊層只有5cm厚，高頻低幅振搗棒難以完成壓實要求。

振動碾壓式襯砌機由自動行走系統、框架結構、自動布料系統、自動控制系統、升降系統、傳動系統和振搗系統等組成，關鍵設備攤鋪小車擁有螺旋攤鋪機、深層插入振動棒、震動壓光輥。按功能分析，自動布料系統可完成砂墊層布料，螺旋攤鋪機可完成均勻攤鋪，震動壓光輥可嘗試壓實砂墊層。

5.試驗過程

實驗目的：根據現有的襯砌設備，壓實度達到0.7相對密度指標。

首先進行了試驗性施工，虛鋪系數采用1.30，對應的虛鋪厚度為6.5 cm；碾壓含水率按4%～5%控制；碾壓遍數按1～2遍控制。

5.1 單獨運用振動碾壓式襯砌機直接施工

結合已有的渠道混凝土襯砌方法，用自卸汽車將粗砂堆存于施工段的一級馬道上，人工上料，通過自動布料系統完成砂墊層布料。轉動螺旋完成整平和多余料的轉移，振動壓光輥完成壓實作業。壓實后的相對密度見表1。

表1 壓實后的相對密度表

從碾壓第一遍到第七遍實測數據，均不能達到0.7相對密度指標，第四遍達到峰值；實測平整度、厚度、坡比均能達到設計要求，外觀平整，但部分試驗區段出現鱗片狀波紋。

原因：壓光輥和粗砂墊層接觸面小，砂墊層較薄，振動碾壓時，砂子會向輥子的兩側壅起，最終達不到預期效果。為解決此問題，在此基礎上增設了自制平板振動器方案。

5.2 運用振動碾壓式襯砌機和配置自行設計生產的平板振動器施工

為提高襯砌機械使用效率，用人工直接把粗砂攤鋪于基面上并初平，替代襯砌機布料；用轉動螺旋完成整平和多余料的轉移，振動壓光輥初壓；安裝的壓實裝置實現終壓。此方案重點解決壓實設備問題。以尋求合理的振幅及擊振力為出發點，利用1.2 kW、1.5 kW、2.0 kW 3種平板振動電機與不同面積及不同重量的自制面板進行組合，共組合出9種不同型式的平板振動器進行碾壓試驗。

結果顯示：以1.2 kW振動電機配以60 cm寬、100 cm長、厚3 mm的加筋板效果最佳;其次是1.5 kW振動電機配以60 cm寬、100 cm長、厚5 mm的加筋板，也能達到預期目的。

壓實自下而上進行，壓痕重疊按10 cm控制。試驗過程中粗砂（天然河沙）的虛鋪系數為1.252，其對應虛鋪厚度為6.26 cm，現場試驗攤鋪按6.0～6.4 cm控制。試驗結果如表2、圖2。

表2 粗砂墊層不同含水率和壓實遍數的相對密度統計表

圖2 不同含水率和壓實遍數的相對密度曲線圖

數據顯示：第一遍，當含水率為9.1%時，干密度達到1.78 g/cm3，相對密度≥0.7的要求。其余含水率均不能滿足相對密度按0.7控制的要求；第二遍時，干密度值較第一遍上升幅度較大。數據顯示，含水率在7.4%～10.8%時，干密度值均≥1.77 g/cm3，相對密度≥0.7，可滿足相對密度按0.7控制的要求；第三遍時，干密度值有所下降。數據顯示，含水率在8.4%～10.4%時，干密度值均≥1.77 g/cm3，相對密度≥0.7，可滿足相對密度0.7控制的要求。依此確定碾壓遍數為2遍。

5.3 砂墊層壓實質量

采用人工攤鋪粗砂層，振動碾壓式攤鋪機精平和預壓，懸掛壓實裝置終壓的組合方式。振動碾壓式攤鋪機型號為中水十一局有限公司生產的“銀河”牌或QDCQ650系列多功能襯砌機。自行研制生產的壓實裝置：1.5 kW振動器，振動頻率48 Hz，平板托盤，60 cm寬、100 cm長、5 mm厚普通鋼板。施工時粗砂含水率控制在9%～11%之間，壓實兩遍，施工后檢測相對密度、平整度、厚度、坡比等指標，均滿足設計要求。

6.結語

通過5 cm厚砂墊層壓實機械的研制與施工實踐，取得了可靠的渠道砂墊層施工機械組合，解決了設計要求的砂墊層的平整度、坡比和厚度方法。經對施工完成后的砂墊層成品工程檢測，達到了設計要求的0.7相對密度指標，并總結出了一套砂墊層的施工方法和施工工藝，在南水北調安陽段得到推廣運用。