沙漠明渠渠床加固砂砾石垫层施工

全永威

(新疆额尔齐斯河流域开发工程建设管理局，乌鲁木齐 830000)

1 工程概况

1.1 地理位置

沙漠渠道位于吉拉沟以南，五个沙疙瘩以北的古尔班通古特沙漠，以三个泉倒虹吸出口为沙漠渠道起点，到阜康市东北五个沙疙瘩，沙漠南部边缘出口，全长166.49km。

1.2 地质概况

沙漠渠道从北向南穿越古尔班通古特沙漠，除沙漠进口(三个泉倒虹吸出口)2.2km属第四系更新统)冲洪积砂层外，其他均由沙漠风积砂、沙漠砂颗粒粒径组成，北部粒径大于中部，中部略大于南部，粒径组成由北向南逐渐变细。

1.3 渠道基本水力参数

过水断面为梯形，底宽6m，边坡1∶2.5，渠深3.6～4.1m，纵坡1/8000～1/5000，设计流量42.5～47.5m3/s，加大流量49～55m3/s。

1.4 渠道结构形式

自下而上按施工顺序为:精修松散渠床砂基;换填渠床加固垫层;铺筑3cm厚当地砂找平砂浆;铺设0.6mm厚的聚乙烯土工防渗塑膜;铺筑3cm厚水洗砂衬砌砂浆和六边形预制混凝土板。

2 渠道垫层材料和施工方法的选择

2.1 对渠床砂基进行加固的必要性

沙漠渠道穿越古尔班通古特沙漠，而古尔班通古特沙漠是风成类型沙漠，渠道开挖形成后不管是挖方渠床还是填方渠床，在渠床建基面均为松散砂基，为保证渠床砂基稳定和便于之后衬砌防渗结构层的施工，必须进行加固。

2.2 垫层材料的选择

选择经济合适的垫层材料，应从施工可操作性、排水性能、协调变形、加固效果、工程造价等多方面分别对砂砾石基层、固化体基层、当地砂砂浆基层、土工格室基层、橡胶膜沙袋基层、土工膜袋基层、当地砂和水洗砂混合砂浆基层进行对比试验。通过对不同垫层的施工试验对比，从结构可靠性、施工可操作性、经济合理性等多方面综合比较后选择砂砾石作为渠道垫层。

2.3 砂砾石垫层材料厚度的选择

根据砂砾石垫层材料的试验情况，结合检测取样分析，从施工机械的可操作性、渠基改造加固的可行性、施工效率等多个角度进行了厚度的选择试验。通过对20cm、30cm、40cm三种不同厚度的材料的对比试验，并结合斜坡碾压、水平碾压两种不同碾压方式的压实效果，决定采用40cm厚度。

2.4 施工方法的研究

通过对水平直接碾压试验、斜坡碾压试验和水平同起碾压试验三种不同的施工方法进行试验，研究、分析三种试验方式。通过对渠基和砂砾石碾压效果对比，从技术、经济、施工等方面综合研究，最终确定换填40cm厚砂砾石垫层，采用水平同起的施工方法。该方案在对砂砾石碾压过程中直接和间接碾压了渠床松散砂基，消除了渠床表层湿陷变形，减少了对渠床砂基的渗透冲蚀破坏。

3 砂砾石垫层料加固施工组织措施

合理的施工组织措施是提高各种机械施工效率，最大限度减少施工成本，在较短的工期内完成砂砾石垫层料施工任务的重要保证。通过现场试验确定砂砾石垫层料在施工中的步骤为:准备工作→测量放线→渠基清理→设置下渠道路→分层填筑→刷坡成型。

3.1 准备工作

在砂砾石垫层料正式开工前要准备好运输车辆、挖掘设备、碾压设备、人力必备的条件。要在填挖地段分别做试验段，用以确定碾压遍数、松铺厚度等施工参数。

3.1.1 确定碾压遍数

通过对100m渠床碾压试验段检测数据分析，采用16t(最大激振力不小于290kN)的双频自行式振动碾沿渠道轴线方向进行碾压，碾压8遍即可满足要求，其中静压1遍、高频碾压3遍、低频碾压4遍。行车速度控制在1.5km/h。

3.1.2 确定松铺厚度

在砂砾石垫层料铺筑时，砂基面与砂砾石垫层面要有一定高差;经过现场碾压试验取得砂与砂砾石料碾压后各自的沉降量，确定砂砾石松铺比砂基面高5cm左右，这样碾压完成后砂砾石垫层面和砂基面在一个水平面上，且两个基面经碾压后都能到达设计指标要求。

3.2 测量放样

先从复测后的加密控制网点上引点，采用全站仪进行拐点及边线放样控制，用加工好的钢筋桩做好定位标识;采用自动水平安平水准仪来控制基面及各填筑层的高层。

垫层料填筑前复测现渠床砂基。进行砂砾石垫层料铺设前，应对渠床断面进行测量复核。由于风积、风蚀等现象的影响，极易造成现断面与原断面中心线有所偏差;根据图纸设计参数，确定渠道中心线位置、渠底高程，找出左右渠床因风积、风蚀影响造成的偏差，在边坡上打桩挂线标识层厚，以便准确控制填筑厚度。

3.3 基础清理

在复测渠床建基面后，找出风积一侧和风蚀一侧。风积一侧要机械配合人工将多余砂土集中到渠底。然后将渠底砂土用挖掘机运送至风蚀面一侧，当运送的砂土还不能满足风蚀面一侧要求时，就要采用自卸车从取土区拉运砂土;挖掘机粗平整后，人工再精平，要保证修整后的渠床建基面与设计基面一致;这样在人工翻砂时就不会造成因砂土过多，导致翻砂难度加大，或由于缺少砂土，而导致多填砂砾石料，从而增加施工成本。

3.4 设置下渠道路

下渠便道是为垫层料、机械设备入渠及跨渠行走而设置的，下渠便道每一公里左右设置一条。便道采用砂砾石料填筑，最大限坡不大于8%，宽度不小于4m，道路填筑时要压实，要满足载重车辆行驶安全。每一条路开设上、下游两个道口。

3.5 分层填筑

3.5.1 分层填筑施工步骤

a.第一层平面的填筑碾压，也是渠底层平面的填筑碾压。施工时先按测量挂线及标识桩的位置进行人工翻砂，把图1(Ⅰ)所示三角形砂土顺渠上翻至第二层坡面上，同时将①三角区砂土翻至第二层坡面以上。碾压第一平面，取样合格后，铺筑砂砾石料，如图1(Ⅱ)所示。

图1 分层填筑第一层平面填筑碾压施工示意图

渠底砂砾石垫层料铺筑时采用“进占法”施工方法，自卸车卸料，用装载机或推土机将垫层料向已碾压好的建基面进行推进，直至此施工段落渠底全部铺筑完成后，再用振动碾进行碾压。

b.第二层平面的填筑碾压，人工将图2(Ⅰ)所示②三角区砂土挖除填至图示①三角区内，多余砂土翻至第三层坡面上。在翻砂时，采取左右渠床同时进行的施工方案。翻砂完成后，铺筑砂砾石料，第二层铺筑砂砾石料时采用“倒退法”施工，即自卸车从碾压好的第一层平面最内端开始卸料，直至进料口。挖掘机从最内端开始平料，方式同第一层平面。砂砾石料铺筑时将渠道全断面铺上，以加宽渠内工作面，考虑到中间料要挖除不必碾压，而两侧的碾压，除按设计结构断面将翻砂后的0.7m宽砂基和砂砾石料水平宽1.077m的垫层料压实宽度外，为保证设计砂砾石料垫层厚度范围内碾压的施工质量，还应考虑超宽填筑碾压0.5m，即碾压宽度为0.7+1.077+0.5=2.277m。

图2 分层填筑第二层平面填筑碾压施工示意图

碾压方式同第一层平面。

在进行人工将图2(Ⅱ)示②三角区砂土挖除填至①三角区内(也就是将上一三角区砂土填至下一三角区)施工时，要注意以下两点:

ⓐ人工挖除时要保证设计尺寸;ⓑ填至下一三角区的砂土要密实。在填筑时，人工应用脚或其他工具将填筑区夯实，这样就可以减少砂砾石料向砂土中的掺入量，检验标准以脚踩踏填筑区没有明显沉陷为准。

c.第三平面的填筑碾压，在翻砂时采用一侧渠床先进行施工的方案。为了充分利用机械，填筑时左右渠床分开进行，先填好一侧供碾压，再填筑另一侧，填筑、碾压、取样交替进行。即一侧渠床翻砂完成后就进行砂砾石料的铺筑，方法同第二平面，只是这一层面砂砾石垫层料的铺筑宽度控制在4m(见图3)。在砂砾石料铺筑的同时进行另一侧渠床的翻砂，翻砂结束后铺筑砂砾石，一侧砂砾石填筑好段落进行碾压。

d.第四层的填筑、碾压同第三层。

e.第五层的填筑碾压、翻砂和碾压方式同第三层，只是这一层的上料方式有所改变。在前四层自卸车可以到达所需铺筑层面上卸料，如果还按照自卸车行走宽度进行卸料，那么，给二次倒运增加很大困难，也增加了施工成本。经计算，在前四层上料，每层按4m宽度上料，可满足断面需量。然后挖掘机在第五层面将第一层面的多余沙砾石料填筑在第五层面上(见图3)，挖掘机采用“倒退法”进行施工，挖掘机在挖第一层面多余料时要控制好挖进宽度，以免破坏已填筑好的层面。举例如下:

以渠深4.1m的渠道垫层换填施工为例。设计断面每米垫层需要砂砾石料11.6951m3，一般一台320挖掘机的行走宽度为3.2m，而第四层面的总宽度为0.7+4=4.7m，满足挖掘机行走要求。而前四层上料加上渠底上料总计为15.88 m3，满足总填筑需要量。这样在进行刷坡时也不会因为富余量太多而造成二次倒运的困难，还可以最大限度地利用机械效率。挖掘机在一侧上料时，振动碾可以在另一侧展开碾压工作，等这一侧上料结束时，振动碾就可以继续进行碾压。如此往复，直至垫层料填筑完成，自卸车也不会因为工作面小，而耽误卸料进度。

图3 分层填筑第五层平面填筑碾压施工示意图

f.此后各层翻砂、上料和碾压方式同第五层，直至渠道边坡全部填筑完成。为了能及时给下道工序提供工作面，前期填筑分段控制在100m左右，在满足下道工序施工工作面时，砂砾石垫层填筑长度应以500m为一段，一是便于机械施工运转，二是减少段落间的施工接缝。

3.5.2 相邻作业面搭接要求

相邻作业面碾迹搭接宽度:平行渠道轴线方向不小于0.5m，垂直轴线方向不小于3m。相邻作业面宜均衡上升，避免形成陡坎，严格控制1∶3的坡面平顺过渡，以减少施工接缝。

3.5.3 入渠便道拆除要求

首先要计算此段渠道砂砾石垫层填筑需量，然后根据入渠便道砂砾石量，确定道路拆除后的外运量。因此拆路填筑时，先外运多余的砂砾石料，后用挖掘机把砂砾石料翻至一侧，把砂基面修整后，按分层填筑法把一侧填好，再把另一侧砂砾石料倒至已填筑好的段面上，把砂基面修整好后，也按分层填筑法把此侧填筑完成。

在拆除入渠便道段填筑时，一定要把砂砾石料翻整到位，从而使基面按要求进行修整，以保证填筑好的垫层料符合结构尺寸，保证砂砾石料及砂基各层面的碾压到位，真正使砂基承载力得到加强。

3.5.4 分层填筑质量控制和检测成果

砂砾石料的压实密度控制指标采用相对密度Dr≥0.85时对应的干密度，同时要满足在垂直渠道边坡40cm范围内砂基的压实密度不得小于相对密度Dr≥0.75时对应的干密度。且挖坑取样时每100m长每层取样点数不少于一组，以第三单位工程为例。

第三单位工程全长19.8km，其中渠道砂砾石垫层料填筑23.33万m3，取样检测4473组，合格率100%，最大干密度2.32g/cm3，最小干密度2.18g/cm3;压实密度满足设计要求。砂基干密度取样检测4893点，合格率 100%，最大干密度 1.83g/cm3，最小干密度1.66g/cm3。

3.6 刷坡成型

垫层料填筑到顶后，机械需要进行初削坡，在碾压好的平面上水平方向上预留20cm宽度，用挖掘机进行第一次削坡(见图4)。第一次削坡完成后，进行测量放样，间隔10m左右人工挖出精削坡标准坡面，挖掘机进行第二次削坡，此次削坡挖掘机斗齿处需焊接一平板，斗齿处不焊接平板在削坡时不好控制削坡深度，容易破坏已碾压好的砂砾石垫层。在进行第二次削坡时，在水平方向上要预留5cm左右宽度，以免机械削坡破坏填筑面。

图4 机械削坡示意图

机械修坡完成后，测量精确打桩挂线放样，以桩线为参考进行人工精修坡。人工精修坡后，会造成表面粗糙、松散，不利于砂浆面的施工。所以在人工精修坡结束后，要用平板振动夯对边坡进行夯实。对夯实后的坡面还有凸凹不平处，人工用铁锹铲平，然后拍实，这样就可以进入下道工序的施工了。

4 结语

沙漠施工自然条件恶劣，夏季高温，最高温度在40℃以上，冬季严寒，最低温度在-40℃以下;干燥少雨，多年平均降水量70～150mm，年蒸发量2000mm以上，以风沙大而著称，沙漠腹地 17m/s大风日数10天/年，大风主要集中在4～9月;交通极其不便，施工道路以简易砂石料路面为主;北疆供水工程沙漠渠道工程横穿整个古尔班通古特沙漠，全长166.49km，其中194万m3砂砾石垫层料是整个北疆调水工程中用量最大，换填施工难度最大的工程之一。砂砾石垫层施工是整个衬砌工程施工中的关键环节，砂砾石垫层施工进度的快慢决定着衬砌施工的进度。采用合理的施工组织措施，严格的检测手段和有力的质量控制是加快砂砾石垫层施工进度的重要保证。■

1 GBJ 202—83地基与基础工程施工及验收规范［S］.

2 DL/T 5129—2001碾压土石坝施工技术规范［S］.

3 SL 260—98堤防工程施工规范［S］.

4 SL 237—1999土工试验规程［S］.

5 SL 176—1996水利水电工程施工质量评定规程(试行)［S］.

6 张立德.沙漠明渠工程设计施工关键技术研究与实践［M］.北京:中国水利水电出版社，2007.