王恩辉

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 项目概况

新疆BA干渠末端17.4km渠道布置于基本农田内，多为填方渠道，最大填高近8.0m，其中填筑高度大于4.0m的渠道长5.34km，半挖半填渠段8.4km，设计引水规模为18.3～29m3/s，加大流量为24～34m3/s。渠道断面底宽4.0m，渠深3.3～3.1m，内坡采用厚10cm现浇混凝土板衬砌，坡比1∶2.0，渠顶左侧宽6.5m，渠顶右侧宽3.5m，外边坡1∶1.75，填筑方量为146万m3。初步设计批复采用低液限粉土填筑，但项目实施阶段渠线周边地表附着物变化较大，附近除级配不良沙漠粉细砂料外再无开采的土料场作为渠堤填筑料。由于工程末端渠道穿行于基本农田内，项目立项时对该段渠线的征地范围已进行了严格控制，无法按常规沙漠渠道采用放缓边坡的方式满足边坡稳定和渗流要求。为此，如采用极细、级配不良粉细砂作为渠道填筑料，在充分验证填筑粉细砂料碾压控制标准的同时，还需对粉细砂填方渠堤内外坡抗滑和渗透稳定进行充分计算论证。

沙漠粉细砂颗分试验成果：粒径2～0.5mm粗砂含量为0.1%～1.4%，粒径 0.5～0.25mm中砂含量为0.1%～5.7%，粒径0.25～0.075mm细砂含量为88.2%～96.9%(平均值为91.2%)，粒径0.075～0.005mm含量3.1%～11.1%(平均7.8%)，粒径<0.005mm的黏粒含量为0.3%～1.4%，砂有效粒径0.066～0.100mm，不均匀系数为1.4～2.4，曲率系数为1.2～1.7。按SL237—1999定名为级配不良含细粒土砂(SF)。

沙漠粉细砂物理特征为：天然干密度为1.46～1.53g/cm3，平均值为1.50g/cm3；天然含水率为0.8%～4.2%，平均值为2.1%。料场砂料最小干密度为1.38～1.41g/cm3，平均值为1.40g/cm3；砂料最大干密度为1.70～1.71g/cm3，平均值为1.71g/cm3；砂料含泥量为4.4%～11.8%，平均值为7.1%。轻型击实试验结果：最优含水率为13.5%～15.5%，平均值为14.7%。饱和状态下φ值27.5°～30°，平均值28.8°，c值 9.1～19.6kPa，平均值13.65kPa。压实后渗透系数K20达10-3cm/s量级。

2 渠道断面型式及粉细砂碾压控制标准的确定

鉴于我国将沙漠粉细砂应用于填筑土料已有多个项目成功实例，如新疆的YEJW沙漠明渠工程、塔克拉玛干沙漠公路等。因此本项目就附近沙漠粉细砂应用于渠道填筑的可行性开展了专项研究，从断面型式复核、施工机械的选定、填筑料含水率控制、铺层厚度、碾压工艺等各方面进行现场碾压试验和分析研究。

2.1 渠道断面型式复核

实施阶段，对该段渠道采用粉细砂填筑料进行了多种方案的边坡稳定和渗流，在充分利用已定占地范围的基础上，结合施工安排和设计复核计算成果，最终确定渠道底宽、内边坡及防渗型式均维持原设计。对渠道填筑型式和外边坡调整如下：对填高超过4m渠段自渠顶以下2～3m设置厚80cm砂砾石反滤排水兼护坡料，自渠顶以下3m设置宽1.4～2.4m砂砾石戗台，外边坡1∶1.75。另外结合国内沙漠公路建设经验，对渠道填高超过4.0m渠段，自渠底至渠顶每隔1.2m铺设1层塑料扁丝土工布作为增强粉细砂填筑料抗剪强度、整体稳定性的安全储备。

2.2 渠道填筑标准确定

引水渠道相关规范还没有关于干密度方面的要求，国内相关规程、规范对无黏性土料的设计指标要求见表1。

表1 国内相关规范针对无黏性土相对密度规定

由表1可以看出，水利行业采用相对密度控制，公路行业采用压实度控制，2种控制方式均可以满足实际需要。一般而言，颗粒较粗的土料采用相对密度(Dr)指标控制，控制干密度利用相对密度获得；颗粒较细的土料采用压实度(D)指标控制，控制干密度利用击实试验获得。

根据YEJW沙漠渠道研究成果及行业要求，确定粉细砂填筑标准为相对密度Dr≥0.75，根据相对密度获得控制干密度1.65g/cm3，作为施工控制标准。

3 粉细砂施工工艺研究

3.1 碾压设备的选定

渠道填筑压实是控制施工质量的关键工序，由于砂料的离散特性，必须充分考虑满足粉细砂特性的施工压实及运输机械。

考虑到自行式振动碾运行灵活，对深层砂基影响较深，在振动情况下，砂基密实程度大幅度提高。考虑到工程区气候影响，应优先采用前后驱动、密封装置良好的自行式光轮振动碾。结合施工现场设备，20t轮式振动碾，型号为LT220B，额定功率132kN，振动轮宽度为2100mm，60t非公路自卸车。

3.2 碾压工艺试验

鉴于卡拉玛依沙漠公路和YEJW沙漠明渠经验，结合施工现场水源情况，为尽量提高沙漠砂的碾压质量，现场对30、40、50cm 3个不同碾压厚度在干燥或最优含水率状态下，通过优化碾压参数对碾压层和下部一层的压实密度进行了大量的专项试验。

3.2.1天然含水率碾压试验

(1)铺土厚度试验。现场选取3段长100m、宽11m试验场地，初选铺土厚度30、40、50cm和静动碾压不同组合方案进行现场碾压试验，试验成果见表2。

表2 天然含水率铺土厚度确定试验成果

由以上试验检测成果可知，大多数数据离散型较大，仔细对比发现在铺土厚度为40cm时，相对离散性较小，但综合各碾压方式仅有4个测试点相对密度达到0.75，相比较而言增加强振可能有效提高中部和下部相对密度，但仍需进一步试验。

(2)铺土厚度40cm碾压方式试验。根据第一阶段试验结果，在现场布置一个50mm×11m试验段，按每层摊铺厚度40cm铺设2层，只对第二层进行检测。采用初始静碾1遍、结束静碾1遍、中间强振3～8遍进行检测。详见表3。

表3 铺土厚度40cm碾压工艺试验成果

随着强振次数的增加，击实功能逐渐增加，试验面各部位干密度值逐渐增大，在强振7遍时达到最大值，但表层和底层相对密度大部分仍不满足要求，需考虑对填筑砂料进行增湿碾压。

3.2.2调整粉细砂含水率碾压试验

结合之前试验数据，对进行粉细砂填筑料配制增水后碾压试验，将砂料增湿至最优含水率附近。现场选取30m×8m试验区，铺设2层，每层厚40cm，采用“静碾+强振+静碾”和静碾2种方式分别碾压，第一层不检测，只对第二层进行检测，见表4。

由表4得出，采用增加强振遍数并不能使砂层相对密度得到有效提高，且各层相对密度离散型较大，需研究加大静碾遍数提高相对密度的可行性试验，另取一块试验区域，摊铺增湿至最优含水率附近的砂料，每层铺土厚度40cm，进行不同静碾遍数试验，只检测第二层，试验成果见表5。

表4 增湿至最优含水率附近碾压试验成果

表5 配制含水后静碾试验相对密度汇总

由表5得出，粉细砂增湿至10%～17%，铺土厚度40cm，采用静碾4～6遍，除表层局部不能满足设计要求外，中部及底部结合部位均能满足设计要求。

因此，工程区域的粉细砂料通过调整含水率至10%～17%时，可以作为渠道工程的填筑料，填筑层厚40cm，采用LT220B型20T轮式振动碾，静碾4～6遍，局部区域可提高至静碾8遍，可达到相对密度≥0.75，干密度≥1.65g/cm3的设计要求。

4 现场实施及效果检查

BA干渠尾部填方渠道于2015年初开始采用附近粉细砂料进行填筑，填筑过程中为有效增加渠基碾压质量和减少边坡削坡量，对填高超过4m的粉细砂填筑渠段内设置扁丝编织布增强渠体抗剪强度和稳定性，自渠底往上每隔1.2m设置1层，每层向上层包裹长度不小于2.0m。底部扁丝编织布宽度为两侧建基面外边线向内15m，中间层加筋布最大宽度不超过15.0m，渠道内边不超过砂砾石垫层料，外边坡至渠道填筑外边线。扁丝编织布设计径向断裂强力≥30kN/m，纬向断裂强力≥22kN/m。截至2017年底已基本完成填筑，同年在填筑渠堤上原状取样进行了物理力学实验，渠堤填筑料无论是压实相对密度还是压实干密度均满足设计指标。

5 结束语

本项目针对极细、级配不良，粉细砂难以压实的特点，通过调整铺层厚度、对砂料增湿、优化碾压遍数，成功的将砂料压实指标达到Dr≥0.75，实施了极细、级配不良粉细砂应用于工程填筑的可行性。施工过程中为有效增加渠基碾压质量和减少边坡削坡量，对填高超过4m的粉细砂填筑渠段内设置扁丝编织布增强渠体抗剪强度和稳定性。填筑完成后经渠体原样检测，无论是压实相对密度还是压实干密度均满足设计指标。极细、级配不良粉细砂在本工程的成功应用，不仅解决了渠体填筑料源问题，也为西北沙漠地区及沿海地区粉细砂的工程应用提供很好的借鉴。