南水北調中線工程磁縣段泥礫開挖料填筑應用

馬述江

南水北調中線工程磁縣段泥礫開挖料填筑應用

馬述江

(河北省水利水電第二勘測設計研究院，河北石家莊050021)

南水北調中線工程磁縣段有大量泥礫開挖料，本文通過試驗研究，認為利用泥礫開挖料替代壤土進行渠堤填筑是可行的，但需要根據泥礫組成情況確定其填筑部位。泥礫開挖料的應用，減少了大量取土場和棄土場占地，節約了工程投資，加快了工程建設進度，產生了巨大的經濟效益和顯著的社會效益。

南水北調；渠堤填筑；泥礫

南水北調中線一期工程總干渠磁縣段，位于邯鄲市磁縣以西，大致沿京廣鐵路走向。該渠段渠道填筑總土方量723萬m3；總挖方量1036萬m3，其中壤土198萬m3，泥礫、粉砂、砂礫巖、膨脹土巖等其它料838萬m3。

由于南水北調工程的重要性，以及渠道對防滲的嚴格要求，渠堤填筑一般選用合格壤土。磁縣段開挖壤土方量僅為渠堤填筑量的27%，遠遠不能滿足回填需要。如果將泥礫棄料加以利用，作為回填土替代料，不但可以減少棄土占地，而且可以減少取土占地，又可減少運輸成本。因此，充分利用渠道開挖棄土中的泥礫做為筑堤土料，不但具有巨大的經濟價值，而且具有顯著的社會效益。

1 泥礫的分布及特征

磁縣渠段泥礫主要分布在樁號9+400～10+ 600、12+100～13+400、17+400～28+800渠段，或出露于地表，或掩埋于薄層黃土狀壤土之下。一般開挖厚度2～5m，局部大于10m。

該段泥礫屬第四紀中更新世冰磧物，地貌呈緩坡低丘壟崗，地勢開闊。泥礫呈棕紅色～淺紫紅色，由礫卵石與紅色粘土混雜組成，具有不均勻性。泥礫組成：礫卵石含量61.5%～79.3%，粉粒含量7.1%～14.0%，粘粒含量2.7%～7.1%。礫卵石由棕紅色～淺紫紅色粘性土、砂土包裹或充填。卵石直徑多為60～200mm，呈滾圓～半滾圓狀，磨圓度好，其成分以石英砂巖為主，稍有風化。卵石間棕紅色～淺紫紅色粘性土充填密實，局部有一定膠結［1］。

2 初步設計階段對泥礫料的試驗研究

泥礫作為回填土替代料，20世紀60～70年代在河北省已有少量應用，由于僅了解到早年在黃壁莊水庫溢洪道進行過少量試驗，但未收集到相關試驗資料，國內外相近資料也比較匱乏。因此，在南水北調總干渠設計初期，就開展了泥礫作為替代料的試驗研究工作。

1998年，開展了磁縣渠段泥礫替代料的地質勘察工作，完成了探井開挖和現場天然密度、含水量、篩分測試工作，查明了該渠段泥礫的顆粒組成、天然密度及分布范圍等情況。

2001年，為了論證上述渠段泥礫作為筑堤替代料的可行性，為工程設計提供物理力學參數，又對磁縣段泥礫進行了補充勘察試驗研究。

這次勘察和試驗工作，除現場篩分和含水量、密度測試外，還在室內完成了超粒徑泥礫大型擊實、壓縮、三軸剪切及滲透試驗，并對泥礫細粒部分的比重、脹縮性、液塑限、有機質含量、水溶鹽含量、SiO2/R2O3進行了測試［2］。

泥礫屬于巨粒混合土，試驗規程要求此類土的擊實、壓縮、滲透、三軸試驗所用料的最大粒徑不能超過60mm［2］。磁縣泥礫大于60mm卵石平均含量42.7%，由于試驗儀器尺寸的限制，實驗室根據現場泥礫篩分曲線，求出其特征顆分曲線上包線、平均線、下包線，按照文獻［2］采用等量替代法，即將泥礫大于5mm粒徑含量換算為5～60mm之間的顆粒，小于5mm粒徑含量不變，重新配土進行以上試驗。

根據試驗結果，并經綜合分析認為：邯鄲磁縣段泥礫絕大部分可以作為土料代替料，但大于20cm的漂石應剔除。粒徑大于5mm粗粒徑含量應控制在70%之內，粗粒徑含量大于或等于70%的泥礫，應剔除部分80mm以上粒徑的粗粒后方可使用。泥礫要鋪土均勻，不可使礫卵石集中，以免形成架空結構［3-6］。

雖然本渠段可以采用泥礫作為填筑料，但對于開挖的泥礫料在施工中如何選擇合適的施工工藝填筑碾壓，才能夠滿足設計要求，尚需在施工前進行現場試驗。

3 施工期間現場試驗

為了在泥礫填筑施工中選擇合適的施工工藝和檢驗方法，泥礫填筑前進行了現場試驗。試驗依據《碾壓式土石壩施工規范》(DL/T5129-2001)、《堤防工程施工規范》(SL260-98)、文獻［2］、《泥礫填筑試驗大綱》等進行。

(1)樁號0+000～15+190渠段。利用刻槽法取樣進行篩分試驗，并結合其它部位泥礫層揭露情況，確定泥礫開挖料典型級配。經過比較，選定樁號10+850泥礫段作為填筑試驗段。

現場試驗完成的主要項目有：篩分試驗、碾壓試驗、原位滲透試驗、原位剪切試驗、擊實試驗、滲透變形試驗等。

經過試驗，得出如下結論：①樁號10+850處泥礫開挖料粒徑大于5mm的顆粒含量為79.1%，粗顆粒已構成完全骨架，0.075mm以下顆粒含量為10.2%；②現場篩分取樣點未發現粒徑大于400mm以上顆粒，施工中如存在，應予剔除，開挖過程中宜同時剔除紅粘土夾層；③用于壩殼料填筑料，控制粒徑為400mm，碾壓鋪料最大層厚為60cm，采用22 t振動平碾，靜碾2遍振碾10遍，最大干密度可達2.23g/cm3，原位滲透系數為1.6×10-3cm/s，飽和固結強度指標建議值為Ccq= 22.9kPa、φcq=32.7°；④用于防滲體填筑料，可采用外摻法，在泥礫開挖料中摻入24%的上覆壤土后，粒徑大于5mm的顆粒含量為63.8%，粗顆粒起部分骨架作用，0.075mm以下顆粒含量為26.6%；限制粒徑為400mm，碾壓鋪料最大層厚為55cm，采用22t振動平碾，靜碾2遍振碾8遍，最大干密度可達2.19g/cm3，碾壓后的原位滲透系數均值為6.5×10-5cm/s，飽和固結強度指標建議值為Ccq=27.8kPa、φcq=23.7°。

依據現場大型剪切試驗確定的力學指標重新復核渠道邊坡，邊坡穩定滿足規范要求。對于其滲透系數不能滿足均質斷面渠堤填筑要求的問題，采取斜墻壩分區填筑，迎水側填筑2m厚粘性土的輔助防滲層，可滿足滲透穩定要求。

(2)樁號15+190～29+056渠段。試驗采用樁號25+400～25+500段渠道開挖泥礫，人工剔除大于15cm的卵石。料場勘探泥礫中土的天然含水率在16%～22%，部分土含水率過高不能直接用于填筑，選擇就地晾曬至最優含水率附近時開始填筑碾壓。

設備選用18t振動平碾及18t凸塊振動碾，振動頻率28Hz，行駛速度控制為1速2km/h，激振力(高/低)340/240kN。

經過現場試驗，結論如下：①本段泥礫料粒徑大于5mm的顆粒含量為65.1%，最大干密度值2.12g/cm3，最優含水率8.2%左右；②鋪料厚度45cm厚度，8 t振動平碾靜壓2遍，18 t凸塊振動碾動壓10遍，或18 t振動平碾靜壓2遍后再動壓8遍，最后再18 t凸塊振動碾動壓2遍，泥礫鋪土層干密度2.07～2.14g/cm3，達到填筑壓實度要求。壓實后泥礫料的滲透系數為9.9×10-5cm3/s，符合均質壩的填筑料滲透系數指標要求［7-10］。

4 實際應用

施工過程中，磁縣段共開挖泥礫241萬m3，根據實驗成果，對開挖的泥礫料進行了最大限度的利用。

(1)分布在樁號0+000～15+190之間的開挖泥礫85萬m3，該部分泥礫粒徑較大，經現場試驗，不滿足滲透要求，但可填筑地基或作為壩殼料進行渠堤填筑，其具體利用情況為：①渠道地基填筑，總干渠樁號0+580～1+180渠段“大深坑”部位，該段填高最高達16m，依據泥礫現場試驗成果，確定采用泥礫填筑渠底2m以下部位的堤基部分。現場施工按干密度不小于2.18g/cm3進行質量控制，碾壓工藝按照現場試驗確定，該段共利用泥礫45萬m3；②斜墻壩分區填筑，泥礫料作為壩殼料填筑在渠堤的外側，內側填筑2.0m厚的粘性土防滲層。粘性土與相鄰泥礫平起填筑、跨縫碾壓，內側粘性土填筑時，要保證粘性土的厚度，然后再鋪設泥礫料。樁號13+483～14+268渠段，采用斜墻壩分區填筑，共利用泥礫30萬m3。

(2)分布在15+190～29+056渠段之間的開挖泥礫156萬m3，粒徑較均勻，可直接用于筑堤。樁號18+400～29+056渠段的填方渠道，全部采用泥礫進行均質壩填筑方案，利用泥礫110萬m3。

5 結束語

磁縣渠段實際利用泥礫料共約185萬m3，利用泥礫開挖料替代壤土，進行渠堤填筑試驗及應用，不但減少了大量取土場、棄土場征地，節約了工程投資，而且加快了工程建設進度，為保證工程順利通水創造了條件。

經過近2年的通水運行，采用泥礫填筑渠段狀況良好。

［1］河北省水利水電第二勘測設計研究院.南水北調中線工程總干渠河北省南段泥礫替代回填土料試驗研究報告［R］.2002.

［2］SL237-1999.土工試驗規程［S］.

［3］黃河水利委員會勘測規劃設計研究院實驗中心.檢測報告［R］. 2001.

［4］GB50286-98.堤防工程設計規范［S］.

［5］SL251-2000.水利水電工程天然建筑材料勘察規程［S］.

［6］付明軍，勞道邦.南水北調中線工程河北省磁縣段泥礫土筑堤方案研究［J］.南水北調與水利科技，2011(04).

［7］中水北方勘測設計研究有限責任公司.南水北調中線一期工程總干渠邯邢渠段泥礫開挖料填筑利用試驗研究-磁縣段階段性成果報告［R］.2010.

［8］李聚興，韓勝杰，周鵬程，等.土體抗剪強度指標的確定方法［J］.水利規劃與設計，2014(12).

［9］中國水利水電第十三工程局有限公司南水北調中線直管工程磁縣段二標項目部.泥礫填筑試驗總結報告［R］.2010.

［10］趙繼成.土石壩粗粒料碾壓前后級配變化試驗研究［J］.水利技術監督，2013(05) .

TV68

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1672-2469(2017)03-0060-03

DO I：10.3969/j.issn.1672-2469.2017.03.023

2017-01-17

馬述江(1965年—)，男，教授級高級工程師。