南水北调中线工程磁县段泥砾开挖料填筑应用

马述江

南水北调中线工程磁县段泥砾开挖料填筑应用

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。

5 结束语

磁县渠段实际利用泥砾料共约185万m3，利用泥砾开挖料替代壤土，进行渠堤填筑试验及应用，不但减少了大量取土场、弃土场征地，节约了工程投资，而且加快了工程建设进度，为保证工程顺利通水创造了条件。

经过近2年的通水运行，采用泥砾填筑渠段状况良好。

［1］河北省水利水电第二勘测设计研究院.南水北调中线工程总干渠河北省南段泥砾替代回填土料试验研究报告［R］.2002.

［2］SL237-1999.土工试验规程［S］.

［3］黄河水利委员会勘测规划设计研究院实验中心.检测报告［R］. 2001.

［4］GB50286-98.堤防工程设计规范［S］.

［5］SL251-2000.水利水电工程天然建筑材料勘察规程［S］.

［6］付明军，劳道邦.南水北调中线工程河北省磁县段泥砾土筑堤方案研究［J］.南水北调与水利科技，2011(04).

［7］中水北方勘测设计研究有限责任公司.南水北调中线一期工程总干渠邯邢渠段泥砾开挖料填筑利用试验研究-磁县段阶段性成果报告［R］.2010.

［8］李聚兴，韩胜杰，周鹏程，等.土体抗剪强度指标的确定方法［J］.水利规划与设计，2014(12).

［9］中国水利水电第十三工程局有限公司南水北调中线直管工程磁县段二标项目部.泥砾填筑试验总结报告［R］.2010.

［10］赵继成.土石坝粗粒料碾压前后级配变化试验研究［J］.水利技术监督，2013(05) .

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1672-2469(2017)03-0060-03

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

2017-01-17

马述江(1965年—)，男，教授级高级工程师。