砂砾料回填在南水北调青兰渡槽工程中应用

霍 燚

（河北省水利工程局，河北 保定071051）

1 工程概况

南水北调中线一期总干渠与青兰高速连接线交叉工程位于邯郸市南环路、西环路及青兰高速连接线互通立交桥处，总干渠桩号为42+912～42+986，是南水北调中线总干渠上的大型交叉工程。槽身型式为分离式扶壁梯形渡槽，渡槽由下部基础灌注桩工程、承台及墩柱支撑结构、平板连续梁承载结构、槽身挡水结构组成。过水断面底宽22.5m，侧墙高7.55m。结构型式如图1。

图1 青兰高速交叉工程断面图

渡槽槽身段、连接段等主要建筑物级别为1级建筑物。该渡槽设计流量为235m3/s，加大流量为265m3/s。主要工程量：土方开挖16万m3，土方回填10万m3，混凝土浇筑5.63万m3，钢筋制安6000t。

因工程开工最晚，形成了事实上的整个南水北调中线总干渠通水的节点工程，所以工期要求很紧迫。工程2013年2月底开工，要求2013年10月底完工。比工期定额压缩了一倍多 （工期定额计算工期为22个月）。

主体工程完成后，进出口段各形成一个深10m，长20m，宽90m的大坑，需要回填后在上面做渠道建筑物。

根据建筑地基等相关规范要求，这样的深坑回填要经过2年或2个雨季的沉降期，按照公路路基规范及南水北调相关要求回填至少保证6个月的沉降期，且经过一个雨季，由于工期极度压缩，没有沉降时间，所以必须通过技术方法解决沉降问题。

2 方案比较

2.1 回填方案选择

砂砾料回填与其他方案的优劣比较如表1。

表1 砂砾料回填与其他技术方案比较

2.2 优选方案

经过周围环境调查、理论计算与经济比较，确定使用砂砾料进行回填。利用砂砾料的水稳定性好、压实密度大、沉降量小、透水性好、节约工期、减少耕地占用、价格低廉、雨季施工不受影响等特性［1］，压缩沉降期，同时采用土工格栅加筋的技术方案解决砂砾料本身的松散无黏结性的缺点。

依据SL274—2001《碾压式土石坝设计规范》［2］和JTJ015—91《公路加筋土工程设计规范》［3］计算基底应力、抗滑稳定及沉降稳定等。经计算，基底最大应力为487.3kPa，基底最小应力为231.9kPa。因加筋土挡墙位于槽体下部承台上，可以认为地基承载力满足要求。加筋体滑移稳定安全系数为KC=1.84>［KC］=1.30，加筋体滑移稳定安全；加筋体抗倾覆稳定安全系数为K0=8.5>［K0］=1.50，加筋体抗倾覆稳定安全。

采用应力面积法计算沉降，无水荷载工况进出口连接段渠堤沉降量为（37.94+45.61）×1.1=91.91 mm。加大水位荷载工况进出口连接段渠堤沉降量为（0.91+51.37+45.61）×1.1=107.68mm。

按照施工期沉降85%计算，无水工况下91.91×85%=78.12mm，剩余沉降量91.91-78.12=13.79mm；按照加大水位工况计算107.69×85%=91.53mm，剩余沉降量107.6878-91.53=16.1516mm。这种情况下，无沉降期能满足设计要求。

2.3 优选方案的技术指标

按照技术可行，经济合理的原则选择了砂砾料回填方案，设计单位提出了砂砾料技术指标为：粒径控制在100mm内，颗粒级配良好、质地坚硬的粗砂或砾石，不得含有杂草、树根等有机杂质，针片状含量应控制在10%内，粒径小于0.1mm的颗粒不得大于10%，含泥量不得超过5%，渗透系数不小于10cm-3/s。填筑压实相对密度不小于0.75。

3 技术指标分析

3.1 最大干密度

砂砾料这样的无黏质粗颗粒土，室内确定其最大干密度的较适宜方法为表面振动压实仪法。SL237—1999《土工实验规程》［4］规定，表面振动压实仪法的粗颗粒土试验规程适用于“最大粒径为60mm，且不能自由排水的含黏质粒的粗颗粒土”，所以不适用于本工程最大粒径100mm无黏质粗颗粒的天然砂砾料。

但是公路规范JTG E40—2007《公路土工试验规程》［5］规定对于粒径大于60mm的巨粒土，因受试筒允许最大粒径的限制，应按下相似级配法制备缩小粒径的系列模型试料。相似级配法粒径及级配按式（1）～式（3）及图2计算。

图2 原型料与模型料级配关系

相似级配模型试料粒径：

式中 d为原型试料级配某粒径缩小后的粒径，即模型试料相应粒径（mm）；D为原型试料级配某粒径（mm）；Mt为粒径缩小倍数，通常称为相似级配模比。

式中 Dmax为原型试料级配最大粒径（mm）；dmax为试样允许或设定的最大粒径。

相似级配模型试料级配组成与原型级配组成相同即：

式中 PMT为原型试料粒径缩小Mt倍后，（即模型试料）相应的小于某粒径d含量百分数（%）原型试料级配小于某粒径D的含量百分数（%）。

本工程按照相似级配法，用表面振动压实仪法测定了最大干密度。

3.2 渗透系数

根据SL237—1999《土工实验规程》对渗透系数的要求，超粒径试验按照仪器直径大于土样粒径的5倍选择仪器，当常规试验仪器不能满足要求时应设计加大直径的渗透变形仪，或者按照以下4种方法处理：①剔除法:将超粒径颗粒剔除；②等量替代法：按照仪器允许的最大粒径以下和粒径大于5mm的土粒按比例等质量替换超粒径颗粒；③相似级配法：根据原级配曲线的粒径，分别按照几何相似条件等比例地将原样粒径缩小至仪器允许的粒径，缩小后的土样级配应保持不均匀系数不变；④混合法：同时采用②、③两种方法。

实际操作中，由于这种替代法不能真实地反映实际情况，为了简便易行，本工程采用第1种剔除法做渗透系数试验［6］，要求渗透系数指标不小于10cm-3/s。尽管剔除法不能完全真实地反映实际情况，但是由于剔除了大直径的颗粒，渗透系数偏于保守［7］，对保证工程质量是有利的。

4 施工过程中的技术指标应用

渗透系数指标在施工过程中一般不做检测要求，但压实度是必检项目，压实度是以相对密度指标反映的，即实测干密度与最大干密度的比值反映。

指标应当小于1（设计要求大于0.75），一般采用灌水法或灌砂法检测压实干密度。检测人员的实测数据“超密”，即相对密度大于1。

“超密”［8］的产生原因是天然砂砾料不像混凝土那样均匀，实验室采用的“相似级配法”测得的最大干密度数据不能完全反映真实情况。也就是说灌砂（水）法检测砂砾密实度时没有考虑砂砾中砾石含量不均匀性对砂砾料密度的影响。

砂砾材料是由两部分组成的，一部分是粒径大于5mm的砂，另一部分是粒径大于5mm的砾石。因砾石内部结构致密，其本身是密实的；对于砾石颗粒来说，无论如何施工如夯实、碾压、振动等，都无法增大其自身密度，所以砾石本身已达到了最大密度。

砂是用来填充砾石相互间空隙的材料，在砾石密度已定的情况下，砂的密实程度决定了砂砾材料的密实程度。因此，施工过程是通过增大砂的密度，使得整个砂砾料的密度增大，以提高填筑的强度和稳定性［9］。

经过分析，可以把求砂砾的最大干密度转换成求砂的最大干密度，然后按砂砾中砂与砾石体积比例来计算砂砾材料的最大干密度。这样换算出的最大干密度能真实地解决砂砾料回填“超密”问题，使检测数据趋于合理［10］。

5 砂砾料回填施工效果

本工程采用砂砾料回填，在保证施工质量的前提下，大幅度地节约了工期［9］，为整个南水北调中线总干渠的顺利通水做出了突出贡献，经济、社会效益显著。

青兰渡槽自2013年8月9日开始回填，11月20日完成回填后立即进行上部结构施工，12月9日工程完工后，12月22日进行第1次充水实验。第1次充水过程中：渡槽挡土墙顶部布置8个沉降测点，槽身顶部布置26个沉降测点。渡槽各沉降点累计变形量较小，变形趋势逐渐趋于平缓。进、出口挡墙顶部各沉降测点累计沉降量在0.36～2.08mm之间，槽身顶部各沉降测点累计沉降量在0.87～3.43mm之间。

2014年4月26 日进行第2次充水实验，截止2014年5月19日充水试验完成。二次充水过程中渡槽进、出口挡墙顶部各沉降测点沉降量最大为3.3mm，槽身顶部各沉降测点变形量最大为4.21mm，与第1次充水相比变化不明显。

沉降变形监测均符合设计要求，上部结构未发现沉降带来的不良影响，通水试验正常，回填分部工程已通过相关验收，工程质量优良，说明采用砂粒料加筋回填施工方法减少沉降期，安全可靠，达到了预期的效果。

6 回填施工注意事项

为了保证砂砾料与基坑土方分界面不出现集中渗流，回填区分界线界面及坡面铺设反滤土工布，土工布嵌入黏土性回填区不小于10cm。

砂砾石料在装卸时特别注意避免分离，不允许从高坡向下卸料。靠近岸边地带以较细砂砾料铺筑，严防架空现象。

自卸汽车卸料时，采用“进占法”卸料，堆料高度不大于1.5m。填料的纵横坡部位，优先用台阶收坡法，碾压搭接长度不小于1.5m，如无条件时，接缝坡度不陡于1∶3。

岸坡处不允许有倒坡，防止大径料集中，其2m范围内，用较细砂砾料（d＜200mm）填筑。

碾压前对砂砾料加水湿润，加水量0.1～0.2t/m3；碾压作业采用进退错距法，碾迹搭压宽度不小于10cm。

砂砾石料碾压质量重在过程控制，重点监控碾压遍数、振幅、行驶速度、碾轮搭接宽度。碾压方向一般平行于堤轴线。碾压完成后，再按布点测量其高程，以控制压实厚度。碾压后的表面平整度按0～±5 cm控制，为了反映真实回填情况，砂砾料回填全程录像监控。

严禁直接碾压土工格栅，严禁沿拉筋铺设 （受力）方向推土，施工机械在拉筋上行走或碾压填土时，筋上填料厚度不应小于0.2m。

7 结语

砂砾料一般取自河滩，在保证工程质量的前提下，比黏土回填减少了耕地占用，比灰土回填减少了环境污染，比混凝土回填降低了工程造价。在目前国家保护耕地、保护环境的大背景下，经济和社会效益是巨大的，砂砾料以独特的优越性，在工程上应用必将越来越广泛。

［1］刘洪，韩文喜，张倬元.砂砾石土料的压实特性［J］.三峡大学学报，2002，24（4）.

［2］DL/T5129—2001，碾压式土石坝施工规范［S］.

［3］JTJ015—91，公路加筋土工程设计规范［S］.

［4］SL237—1999，土工实验规程［S］.

［5］JTG E40—2007，公路土工试验规程［S］，

［6］吉青克.大孔隙材料渗透系数的室内测定［J］.公路交通科技，2002（2）：31-34.

［7］吉青克.基于面层渗透系数的路表渗入率设计［J］.岩土工程学报，2005，27（9）：1045-1049.

［8］毛学珍.砂砾材料最大干密度的确定及压实度检测方法［J］.广东土木与建筑杂志，2001（1）:29-33.

［9］南水北调中线干线工程建设管理局.（NSBD-ZGJ-1-38）南水北调中线一期工程总干渠填方渠道缺口填筑施工技术规定［R］.2013.

［10］河南省水利勘测设计有限公司，三峡大学.南水北调中线干线工程总干渠填方渠段沉降问题研究中间成果报告［R］.2013.