泥砾开挖料用于南水北调中线工程渠堤填筑的试验研究
车传金，雷宇 白振江 贾文利
（南水北调中线干线工程建设管理局河北直管项目建设管理部，石家庄 050035）
作者简介：车传金 （1973-），山东肥城人，高级工程师，主要从事水工建筑结构设计的研究。
摘要：南水北调中线一期工程邯邢渠段分布大量的泥砾，粒径含量不满足规范对堤防防渗体填筑的要求，如果将其弃掉，将占用大量的土地，并且还需另外征收大量的耕地取土筑堤，为此开展了泥砾开挖料筑堤的试验研究。试验通过对剔除150mm以上和300mm以上超大粒径料的剔除法，以及立体开挖掺加上覆壤土的掺土法的研究，并结合室内压缩试验和渗变试验结果，初步确定了采用掺土法筑堤的可行性，并初步确定了碾压参数和最大干密度等指标，作为施工的参考。
关键词：南水北调 泥砾开挖料 筑堤 除法 土法
1 引言
1.1 研究背景
南水北调中线一期工程总干渠邯邢渠段的低丘垄岗分布着范围较广的第四系下更新统（Q1）和中更新统（Q2）泥砾层，主要分布在磁县段、沙河市段、临城县段和高邑至元氏段，在总干渠渠底以上出露的长度约38km，总开挖量约1540万m3。
泥砾开挖料若用于渠堤填筑，除临城段个别土样满足规范对粒径的要求外，其余土样粗颗粒最大粒径均超过150mm，且级配不连续，粒径大于5mm和0.075mm以下的颗粒含量均不满足规范要求。若将开挖的大部分泥砾料弃掉，需要的弃渣场面积约为160hm2，投资约需0.8亿元。而上述四个渠段筑堤需要的土方量为1630万m3，需要征用的取土场占地约273hm2，投资约需1.2亿元。南水北调中线工程河北段所处的太行山东麓土地贫瘠，耕地资源有限，所以从保护耕地，减少占地和经济合理的角度，我们开展了泥砾料填筑利用试验研究，分别在磁县段和临城县段进行。由于磁县段开挖料更具代表性，本文结合磁县段试验成果，对泥砾开挖料筑堤问题进行探讨。
1.2 试验情况简介
根据颗分试验成果和施工进展等情况，磁县段试验地点选择在K10+850处。天然级配泥砾料分层填筑碾压后，经测定其渗透系数不满足抗渗要求，试验又尝试了采用剔除300mm以上大粒径颗粒的剔除级配，和掺加泥砾层上覆壤土的掺土级配（泥砾层与上覆壤土立面开挖，卸车自行混合）作为填筑料的可行性。为了分析、解读现场试验数据，尝试建立d≤5mm土的击实试验、d≤60mm粗颗粒击实试验与碾压原位干密度试验数据的相关关系，原位渗透试验与室内渗变试验数据相关关系，以及原位剪切试验与d≤60mm粗颗粒室内直剪试验数据相关关系，室内试验针对不同级配采用剔除法和替代法制样。剔除法就是将泥砾开挖料中粒径d>60mm的粗颗粒剔除；替代法是将开挖料中d>60mm的超大粒径组分，按比例压缩到到5～60mm各级粒径上，用窄级配试样模拟宽级配泥砾全料试样。泥砾开挖料（原级配）及不同试验方法的粒径级配见表1。
表1 不同试验级配粒径级配表
2 泥砾开挖料的基本物理性质及压实性能研究
2.1 基本物理性质
开挖揭露的泥砾层致密沉积，巨粒组构成堆积骨架，粗粒组为细粒组包裹，充填骨架间隙；细粒组多呈棕红色、手捻滑腻但含砂；偶见薄层红色黏土，暴露面易风干、现龟裂；土、石界面多见白色结膜；卵石、粗砾以砂岩为主，粗砾、中砾含风化软弱组分，可人工碾碎。开挖料干密度为2.0g/cm3，采用双环法测得原位渗透系数为7.23×10-3cm/s，d≤60mm平均最大干密度为1.987g/cm3，最优含水为13.1%。开挖料的粒径组成见表1中的原级配项。
2.2 泥砾料压实性能的试验研究
（1）沉降观测与碾压参数确定。各种级配单层铺料厚度均控制为60cm，沉降、密度试验区碾压组合为静碾2遍、动碾4、8、10、12遍（掺土级配10遍），渗透试验区碾压组合为静碾2遍、动碾10遍。沉降试验随碾压分层取样，静碾2遍后起测沉降量，密度和渗透试验待填筑完成后取样或进行原位试验。试验测得各种级配的土料沉降性能见表2。
表2 碾压遍数与沉降量、干密度对照表
由上表可以看出，剔除级配因剔除比例较小，与原级配沉降过程相似，于振碾10遍后达到最大沉降量；掺土级配可压缩性增强，在同样碾压遍数的情况下沉降量比原级配和剔除级配偏大，在振碾6遍后，碾压沉降增量相对稳定，观察碾压面，振碾10遍试验区团粒散布，平整度差，局部发现龟裂，相比之下，6遍碾压面最优，8遍碾压面尚可，振碾10遍趋近超碾状态。
（2）最大干密度测定。在原级配、剔除级配和掺土级配的碾压区内，依不同最大碾压遍数分别布点，采用注水法测试碾压体原位密度，共进行了36点原位密度检测，每级配各选取3个测点进行碾压后筛分试验，按界限粒径d=60mm上、下组分的含量计算碾压试点全样含水率，进而求取碾压体最大干密度，结果见表2。
结合碾压后的土体性状，经23吨振动平碾静压2遍、动碾10遍，泥砾开挖料碾压体的最大干密度为2.23g/cm3，剔除级配的最大干密度为2.24g/cm3，掺土级配平碾静压2遍、动碾8遍的最大干密度为2.19g/cm3。
（3）压实性能。室内试验采用剔除法和替代法制样的粒径级配见表3。
表3 不同制样方法的粒径级配表
采用小型击实、大型击实和振动平碾进行压实，经实测获取相应压实功能下的最大干密度。按下列计算式逆运算，求得泥砾间d≤5mm组分在不同压实方法的干密度，代表该压实方法下，试样中d≤5mm组分的相应压实状态；按下列计算式推算，如果要使全样试样中的相应组分，达到相应击实方法测取的最大干密度，全样的最大干密度理论上应达到的数值。相关数据和结果见表4。
式中：ρmax为全样最大干密度，g/cm3；ρn为各级干密度，g/cm3。
表4 典型级配不同压实方法的最大干密度对比表
就以上实测与计算数据进行分析，可以得出：
（1）原级配碾压体中d≤5mm组分的干密度推算值为1.48g/cm3，是小型击实最大干密度1.78g/cm3的83%，说明典型级配粗粒组分已构成骨架，泥砾间d≤5mm组分难以压实。
（2）采用剔除法制样，试样中d≤5mm组分最大干密度的计算值为1.76g/cm3，与d≤5mm击实实测值几近相同；等量替代法制样，并未改变d>5mm以上组分的含量，试样中d≤5mm的压实干密度推算值低于碾压体的对应值，远低于d≤5mm击实实测最大干密度。
3 泥砾料渗透性能的试验研究
桩号K10+850处泥砾开挖料P60=67.7%，d＞60mm巨粒组多为坚硬砂岩，完全构成填筑骨架，以d≤60mm粗粒组和细粒组作为子样，其P5=35.3%，d≤0.075mm含量为31.6%，自身满足规程对防渗体填筑材料的级配要求，因此，碾压填筑体的防渗性能，主要取决于巨粒组骨架中充填土的压实状态和其抵抗渗透变形的能力。泥砾开挖料的原位渗透及室内渗变试验仍采用压实性能的碾压参数，主要结果汇总见表5。
表5 渗透试验主要成果数据汇总表
由表5可以看出，粗粒土的抗渗性能主要由细粒组（d≤0.075mm）的含量及其压实程度决定。
（1）从细粒组的压实程度看：泥砾层、碾压体和原级配等量替代试验中细粒组含量没有改变，不同的仅是细粒组含量的压实程度，按泥砾层、原级配等量替代法试样和碾压体顺序依次升高，都低于剔除法d≤5mm组分击实最大干密度1.78g/cm3，上述四种试样的渗透系数相应依次降低，说明细粒组级配和含量相近，压实度相对较低时，试样的渗透系数与密度成反比，当密度大到一定程度后，试件的抗渗能力大幅提升，试验值符合一般规律。掺土级配的碾压体和等量替代试验的渗透系数与细粒压实度关系也符合这一规律。
（2）从细粒组压实程度提高空间看：试样的最大干密度是相对一定压实功而言的，提高试件单位体积压实功，可以提高试验的最大干密度。等量替代法d≤60mm击实试验细粒组的有效压实功仅是d≤5mm击实试验的71%（1.26∶1.78），而两种室内试验的单位体积压实功几乎相同，说明粗粒组分压实功消耗过高。一般认为P5含量大于70%时，粗粒土中粗颗粒构成完全骨架，试验场泥砾开挖料，控制粒径为400mm、300mm、200mm和150mm时，相应各级配中P5含量为79.1%、78.7%、75.8%和69.7%（见表1），可见，只有控制粒径为150mm时，碾压体粗颗粒起部分骨架作用，细粒组有进一步的压实空间。当控制粒径大于200mm及以上粒径时，因粗颗粒构成完全骨架，需压碎部分粗颗粒后，才可能进一步提高细粒组的压实程度，但砾石压碎后成粗砂后，如同原级配采用等量替代法制样，增大了比表面积，砂粒间并无粉粒、黏粒充填，碾压体的渗透系数反而将会提高。
（3）d≤60mm剔除法的抗渗性能优于d≤5mm试样抗渗性能，说明如能保证细组分颗粒充分压实，增加粗粒含量，能降低试件有效渗水面积，从而可以提高整体抗渗性能。
（4）当壤土掺加率为24%时，经2遍振碾和8遍振碾后，碾压体的抗渗性能最优，接近规程要求的1.0E-04，试验通过降低铺料厚度（降低为55cm），增强碾压密实度（最大干密度达2.19g/cm3），碾压体渗透系数降低为6.45E-05cm/s，符合《碾压式土石坝设计规范》（SL274-2001）相关要求，可以作为防渗体筑堤。
综上所述，K10+850处泥砾开挖料，剔除150mm以上组分后，碾压体的抗渗性能可以满足规范对防渗体材料的要求，但剔除率高达30.8%，且泥砾料主要由黏性土充填包裹，胶结较紧密，部分已胶结成岩，施工难度极大。而掺土级配合理控制碾压层厚和碾压参数，碾压后渗透系数满足规范要求，且操作简单。
4 泥砾料强度性能的试验研究
在2.5m高试验区，进行1组4点原位大型剪力试验，各试件的最大垂直应力分别为90、180、270和360kPa，测得典型级配碾压体天然含水率快剪强度指标为：凝聚力C=36.6kPa，摩擦角φ=31°。因国内在粗粒土大型原位剪力试验方面研究探索较少，科研资料匮乏，宜结合室内剪力试验数据分析评价泥砾碾压体强度指标。因碾压体原位难以实现饱和固结状态，进行室内天然含水率快剪、饱和快剪和饱和固结快剪，分析其抗剪强度变化规律，为判定碾压体的相应强度指标提供参考。
表6 典型级配抗剪强度成果汇总表
以替代法天然含水率快剪为换算基础，估算原位剪切试验不同工况的强度指标如下：
表7 碾压体不同工况抗剪强度估算表
5 结论
（1）设计单位根据《碾压式土石坝设计规范》（SL 274-2001）4.1.10规定，要求泥砾料中粒径大于5mm的颗粒含量不能超过50%，最大粒径不得大于150mm，0.075mm以下颗粒含量不应小于15%。根据实验结果，在增加0.075mm以下颗粒含量至26.6%的情况下，粒径大于5mm的颗粒含量可以提高到63.8%，且只要级配合理，填筑料的最大粒径按不大于填土厚度的2/3控制是可行的，最大粒径可以控制为30cm。
（2）粗粒土的抗渗性能主要取决于细粒土的含量及其压实程度，在技术方案的选择上，如果泥砾料中粗颗粒含量较低（通常为5%左右）的情况下，采用剔除部分超大粒径料的方法是经济的。如果粗颗粒含量较大，细颗粒含量不足（本试验为10.2%），应考虑采用在泥砾料中掺加适当比例（本试验为24%）细粒土的方法，或者经经济比较后采用心墙或斜墙防渗形式。对于含有风化严重，碾压容易破碎砾石的泥砾料，不宜采用掺土的方法。
（3）泥砾开挖料通过合理的方案设计和适当的施工工艺是可以利用的，而且能够减少弃渣场和取土场占地，节约工程投资和工期，一举多得，利国利民。
（4）由于采用自卸汽车卸料时易发生大粒径砾石集中堆积架空现象，直接影响压实效果并可能形成渗流薄弱环节。施工时应加强卸料位置管控，必要时采用推土机将粗大砾石摊铺均匀。
参考文献
［1］ SL 274-2001碾压式土石坝设计规范［S］.
［2］ GB 50286-98堤防工程施工规范［S］.
［3］ GB/T 50145-2007土的工程分类标准［S］.
［4］ GB/T50123-1999土工试验方法标准［S］.
［5］ 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成果报告［R］.中水北方勘测设计研究有限责任公司，2010.