新疆某干渠填筑工法及其稳定性研究

姜宝莹，李登华，袁高军，张 威，刁东辉，刘春勇，庞永生，李小龙

(1.南京水利科学研究院，江苏 南京 210029；2.新疆水利水电勘测设计研究院有限责任公司，新疆 乌鲁木齐 830000；3.浙江省第一水电建设集团股份有限公司，浙江 杭州 310051）

风积砂是沙漠地区地表分布最广泛的物质,大量的试验研究和工程实践表明,风积砂具有良好的工程性质,现已在路基、渠道填筑等领域得到应用。曹强强［1］研究处理蒙西至华中地区铁路煤运通道工程MHTJ-1 标段二工区浸水路基,发现将风积砂作为换填料能够有效增加工程项目的产值及利润。王海林［2］分析了风积砂的压实施工工艺及填筑后路基边坡稳定性,发现应用压实度90%～96%的风积砂填筑路基能够满足规范要求。马振洲［3］通过颗粒级配试验和击实试验,确定了风积砂填筑明渠的相关指标,认为应用湿压法压实后,相对密度Dr≥0.7、含水率为16%～18%的风积砂能够满足规范要求。李江等［4］认为碾压5～8 遍,干密度1.63～1.79 g/cm3、相对密度Dr＝0.75的风积砂能够满足规范要求。邓铭江等［5］发现当穿越古尔班通古特沙漠的明渠风积砂含水量为1%～2%时,其干密度主要受振动频率、碾压遍数和松铺厚度等影响,当相对密度达到0.75 时,风积砂的相关指标满足规范要求,但当干密度大于1.73 g/cm3时,过度碾压会导致干密度下降。雍国强等［6］对宁夏月牙湖扬水工程风积砂进行试验,并分析该风积砂填筑渠道的稳定性,发现当风积砂的相对密度Dr＝2/3、孔隙比为0.67、干密度为1.59 g/cm3时,能够满足工程稳定性。赵碧雄等［7］为防止渠道冻胀,用风积砂进行换填处理,并控制风积砂的含泥量,满足了渠道的稳定性要求。

目前对风积砂渠道的研究主要集中在风积砂的施工参数选取和渠道稳定性分析等方面,但填筑工法比选研究尚显不足。基于此,笔者以新疆某干渠工程为依托,确定该干渠工程的填筑工法和施工参数,并分析该干渠稳定性,研究成果对风积砂的填筑工法选择具有参考意义。

1 工程概况及施工工艺

新疆某干渠左、右边坡受料源的限制,均由风积砂填筑,其最大横断面如图1 所示。该干渠横断面高3.1 m,渠堤底部宽为15.125 m,顶部宽为3.5 m,左、右边坡坡比分别为1 ∶1.75 和1 ∶2.0,渠底宽为4 m。渠道底部和道路路基的填筑材料均为粉土,粉土层厚约6 m。该渠道的正常水位距渠底2 m,当地100 a 内的最大日降雨量约为60 mm/d,最大连续降雨时长约为3 d,渠道与其他重要构筑物相距较近。

图1 新疆某干渠横断面示意

风积砂击实曲线易出现双峰值［8］,即在含水率为0和在最佳含水率时均能得到较高的压实密度,因此可将风积砂填筑施工工艺分为干压法和湿压法(水坠法)。干压法即在施工过程中不加水,直接碾压,其适用于沙漠地区蒸发量大、环境湿度小的区域,经过运输、摊铺等流程,能够保证碾压用风积砂料含水率趋于0,配合适当的碾压方式即可获得较好的碾压指标。湿压法即在碾压过程中保持风积砂料处于最优含水率附近,通过相应的碾压方式获得较高的碾压指标。

(1)干压法。该干渠在设计之初,选择风积砂填筑渠道时,借鉴了新疆地区类似工程项目沙漠明渠段的施工经验和施工参数,最终确定此干渠施工的设计方案采用干压法施工,风积砂的设计相对密度为0.8,但在实际施工过程中发现:①碾压过程中,碾压机械对碾压面施工干扰大；②碾压后的风积砂承载力小,碾压面无法进行后续施工作业；③通过不同层厚、不同碾压遍数、不同碾压机械及振动频率调整的多种碾压方式尝试,相对密度Dr仅为0.70～0.75,压实度指标无法满足设计要求。继而对料场风积砂进行调研、取样分析和数值计算发现,当Dr＝0.8 时,碾压风积砂含水率w必须不大于0.845%,比料场平均含水率低1.255%。原因是该干渠位于降水量大、空气湿度高的地区,导致风积砂料在取料、摊铺等干压法常规施工流程中不易完全干燥,碾压时风积砂的含水率无法达到或接近相对密度为0.8 时的含水率要求,导致其压实指标一直无法满足设计要求,故为满足施工要求,必须尝试采用湿压法。

(2)湿压法。为了获得最优碾压干密度,湿压法施工要求风积砂碾压过程中含水率在最优含水率附近,因此如何保水是湿压法施工的关键。在风积砂料场通过堆土牛泡水方式进行含水率配制,采用4 m3挖掘机挖装、额定载重37 t 自卸车运至施工部位,采用推土机推平,人工补水后使用平地机平整,20 t 自行式振动碾静压6 遍(往返为一遍),在施工过程中共补水4次(分别为料场制备及料场二次补水,填筑层上料前采用20 m3洒水车补水,平整后人工补水及碾压过程中水车补水)。现场取样数据表明,配制的风积砂料含水率为10%～17%,但经过不同层厚、不同碾压遍数、不同碾压机械及不同振动频率的组合碾压后的风积砂相对密度在0.75～0.80 范围内,仍然无法达到0.80的碾压指标。为满足工程要求,仍需调整碾压参数,故开展击实试验研究风积砂的最佳含水率和最大干密度。

2 风积砂的击实试验

风积砂的天然干密度为1.46～1.53 g/cm3,平均值为1.50 g/cm3。风积砂的天然含水率为0.8%～4.2%,平均值为2.1%。从土质分类角度分析,此干渠风积砂为细砂,其最大干密度(1.67 g/cm3)与最小干密度(1.39 g/cm3)的差值为0.28 g/cm3,差值较小,且其不均匀系数较小(1.7),表明该风积砂的压实特性较差,为使压实风积砂有利于保证渠道的稳定性,需保证风积砂达到最大干密度。w＝16.9%时,风积砂的干密度达到1.64 g/cm3,但在实际工程中难以控制风积砂的含水率保持一致,干渠附近夏季多雨,且当w＞17.6%时风积砂的干密度保持不变［9］,故认为在实际工程中风积砂的最佳含水率为17.6%,最大干密度为1.63 g/cm3。继而对现场风积砂再次进行多组现场试验,最终选择采用湿压法施工,施工工艺采用现场碾压试验第四阶段碾压工法,压实指标Dr≥0.75。

虽已确定现场填筑干渠的施工方法(湿压法)、施工工艺(现场碾压试验第四阶段碾压工法)、风积砂的压实指标(相对密度Dr≥0.75、最佳含水率为17.6%、最大干密度为1.63 g/cm3),但仍需确认该干渠的稳定性能是否满足要求。

3 干渠稳定性分析

依据干渠的实际建设情况,应用有限元分析软件GEO STUDIO 2018 R2 中的SLOPE/W 和SEEP/W 模块,确定不同工况下渠道岸坡稳定性。取干渠的最大横断面为计算模型,通过现场勘察和室内试验确定材料物理力学参数(见表1)。因该干渠的稳定性受静水压力和降雨作用的影响,故选取3 种工况对该渠道的稳定性进行计算,分别为静水压力作用、降雨作用、二者联合作用(编号分别为1、2、3,见表2)。

表1 干渠物理力学参数

表2 干渠稳定性分析工况

3.1 渗流稳定分析

根据《水利水电工程地质勘查规范》(GB 50487—2008),该干渠的渗透坡降计算公式为

式中:Gs为渠基土相对密度,根据该渠道的设计资料,Gs＝2.70；n为渠基土的孔隙率,n＝40%；kp为折减系数,本计算中取2。

表3、图2 和图3 为不同工况下干渠的渗流分析结果(图中虚线为浸润线)。不同工况下,出逸点距渠底高度相同,均为0.52 m,出逸点坡降均小于坡降容许值。在静水压力作用下,背水坡和渠基的最大渗透坡降均小于坡降容许值,但工况2 与工况3 渠基的最大渗透坡降远大于坡降容许值,不满足渠道的渗透稳定性要求。这是因为粉土渗透系数较小,处于雨期时,渠基易积水,且风积砂与粉土的渗透系数相差较大,沿风积砂边坡内部渗流通道流入粉土渠基的水无法正常排出,造成渠基的渗透坡降较大,尤其是风积砂边坡坡脚的渗透坡降较大,易使渠基出现渗透破坏现象,所以在实际施工中在渠道表面需铺设防渗层,以预防干渠发生渗透破坏。

表3 不同工况干渠的渗流计算结果

图2 不同工况下干渠的浸润线和等势线分布

图3 不同工况下干渠的孔隙水压力

干渠浸润线分布不受工况影响。工况2 和工况3干渠的等势线分布情况相近,等势线从干渠底部中心至干渠两侧、从干渠底部至渠基底部由密变疏,对称分布,且均比静水压力单独作用的干渠等势线分布密集,表明降雨作用会使干渠的渗流速度变快。

该干渠的最大正孔隙水压力(简称最大正孔压)均位于渠基底部中心,3 种工况最大正孔压值分别为77.1、100.1、99.9 kPa,工况2 和工况3 最大孔压值相近,约比静水压力作用下的最大孔压大23 kPa。最大负孔隙水压力(最大负孔压)均对称分布于干渠两侧边坡顶部,在3 种工况下,该值分别为17.1、18.6、18.8 kPa,降雨作用下干渠的最大负孔压略大于静水压力作用下的最大负孔压,表明降雨作用对干渠的最大负孔压影响不大。

3.2 静力稳定计算分析

图4 为不同工况下干渠的静力稳定计算分析结果(FS为安全系数)。根据《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013),渠道的安全系数应不小于1.30。在静水压力作用、降雨作用及二者联合作用下,干渠的安全系数分别为1.33、1.57 和1.57,表明在不同工况下干渠的稳定性均满足规范要求。因为粉土的抗剪强度较高,所以滑动面仅位于风积砂边坡上。工况1 干渠的安全系数最小,滑动面范围最大,表明降雨作用有利于保证干渠的稳定性,原因是风积砂的渗透系数较大,与粉土的渗透系数相差较大,且风积砂的黏聚力较小,降雨作用使颗粒发生错动,压密风积砂,提高风积砂的抗剪强度。

图4 不同工况下干渠的稳定性分析结果

经渗流分析和静力分析发现:在不同工况下干渠的静力稳定性均满足规范要求；在静水压力作用下其渗流稳定性满足规范要求,但工况2 和工况3 渗流稳定性不满足规范要求,需采取相应措施。

4 铺设防渗层的干渠稳定性分析

在实际工程中,渠道表面铺设防渗层能有效预防渠基发生渗透破坏,根据设计资料,该渠道防渗层由C20 现浇混凝土板、两布一膜和M10 水泥砂浆组成,其厚度为15 cm,分析时假设该防渗层为高强度材料,密度为2.2 g/cm3,渗透系数为10-9cm/s。防渗层铺设砂砾石垫层,该垫层厚度为40 cm,密度为2.2 g/cm3,黏聚力为78.7 kPa,内摩擦角为42.6°,渗透系数为10-3cm/s。因在静水压力作用下,未铺设防渗层的干渠稳定性满足规范要求,故仅分析降雨作用、静水压力及降雨联合作用下干渠的渗流稳定性和静力稳定性。

4.1 铺设防渗层的干渠渗流稳定分析

表4 和图5 为铺设防渗层干渠的渗流稳定分析结果(图中虚线为浸润线)。在降雨作用、静水压力与降雨联合作用下,铺设防渗层后出逸点距渠底的高度比未铺设防渗层时的高度小,最大渗透坡降和出逸点坡降均满足要求。等势线仅在防渗层内密集分布,可见干渠边坡和渠基内渗流速度变化不大。背水坡和渠基在降雨作用、静水压力与降雨联合作用下的最大渗透坡降几乎相同,约为0.7。然而,在静水压力与降雨联合作用下,出逸点距渠底的高度比仅有降雨作用时的小,渠道的出逸点坡降略大于降雨作用的渗透坡降,表明联合作用与降雨作用对渠道出逸点高度的影响不同,联合作用能够增大出逸点坡降,从而影响渠道的渗流稳定性。

表4 不同工况铺设防渗层的干渠渗流计算结果

图5 不同工况铺设防渗层的干渠浸润线

4.2 铺设防渗层的干渠静力稳定分析

图6 为降雨作用、静水压力与降雨联合作用下铺设防渗层的干渠静力稳定分析结果。在这两种工况下干渠的安全系数均为1.54,与未铺设防渗层的干渠安全系数相近,但滑动范围略大于未铺设防渗层时的,原因是防渗层本身具有较大的质量,增大了干渠的下滑力。

图6 不同工况铺设防渗层的干渠稳定性分析结果

经渗流稳定分析和静力稳定分析发现,铺设防渗层的干渠在不同工况下的稳定性均满足要求。

5 结论

通过分析新疆某干渠填筑工法及其在不同工况下的稳定性,得到如下结论:

(1)因干渠所在地区气候湿润,风积砂料场的含水率较大,故可采用湿压法填筑干渠。

(2)为满足工程要求,以相对密度≥0.75、最佳含水率17.6%、最大干密度1.63 g/cm3为风积砂的压实指标。

(3)在静水压力作用下,该干渠的渗流稳定性和静力稳定性均满足要求,但在降雨作用及二者联合作用下,其渗流稳定性不满足要求,需在渠道内铺设防渗层。

(4)在不同工况下,铺设防渗层后干渠的渗流稳定性和静力稳定性均满足规范要求。