1 工程概况

1.1 古尔班通古特沙漠基本情况

    古尔班通古特沙漠位于准噶尔盆地中部偏南部位，面积4.88万km²，是全国第二大沙漠，也是全国最大的固定、半固定沙漠。该区域地形复杂，为高低不等、形态不同的沙垄沙丘，一般高差10～20m，个别达40～70m，沙垄沙丘均为固定、半固定状态，仅在顶部存在一些厚度、宽度不大的流动沙层。沙漠区构造上处于准噶尔挤压坳陷南亚区，地震基本烈度6度或小于6度。

古尔班通古特沙漠深居大陆中心，远离海洋，为典型大陆性气候，根据观测资料统计，沙漠典型气象要素如下：

多年平均气温     2.7～9 ^oC      极端最高气温        40 ^oC以上

极端最低气温     - 45 ^oC以下   多年平均降水量      70～150mm

最大积雪深度     20cm          年蒸发量           2300～3000mm

最大冻土深度     可达2m以上

1.2 沙漠明渠设计概况

沙漠段渠道为Ⅱ等工程，渠道为2级建筑物，全长166.5km，明渠设计按一期2020年输水规模一次建成。设计流量47.5～42.5m³/s，加大流量55~49m³/s，渠道为梯形断面，底宽6m，渠深4.1～3.8m，纵坡1／7000～1／8000；采用一布一膜防渗，聚乙烯土工膜厚0.6mm布重150g/m²，预制砼板护面，底板7cm、边坡6cm，膜上、下均有3cm厚M10砂浆过渡层。膜下砂浆与砂基之间设40cm厚的砂砾石垫层，明渠两侧设有交通道路和防风固沙林草带。

沙漠明渠总体布置呈条带形布置断面，较为紧凑。过水断面渠顶平台左侧依次为5m宽缓冲带，8m宽巡渠道路；右侧依次为5m宽缓冲带，10m宽巡渠道路，9.8m绿化带；填方段渠顶平台宽度55～57m，挖方段渠顶平台宽度62～64m。

1.3 风积砂的基本特点

古尔班通古特沙漠区，渠线通过地层除沙漠进口（三个泉倒虹吸出口）2.2km的渠线属第四系更新统（Q₂^al+pl）冲洪积砂层外，其它均为上更新统－全新统风成砂层，室内外试验研究表明沙漠砂基本特点如下：

① 沙漠风积砂，颜色为淡黄色。矿物成份以石英砂为主，颗粒比较均一，沙漠砂颗粒粒径组成北部粒径大于中部、中部略大于南部，粒径组成由北向南逐渐变细。地层垂直深度在40m内，含水率及干密度变化不明显，含水率在1%左右，干密度在1.58～1.62g/cm³之间，相对密度0.49~0.60。天然状态下不同地层砂的各项物理、力学性指标变化不大，基本相近。控制粒径D₆₀变化范围0.25~0.12mm范围内，按土工试验规程（SL237－1999），北部定义为级配不良砂（SP），中部、南部砂为含细粒土砂（SF）

表1                    沙漠风积砂不同位置颗粒粒径组成

（注：位置划分：北部段0～49km，中部段49～130km，南部段130～166.5km）

图1    沙漠砂颗粒粒径曲线图

② 沙漠风积砂的含盐量低，易溶盐含量平均0.55%。

③ 沙漠风积砂最优含水量一般11.9～13.6%，孔隙比0.57～0.75，湿陷系数0.012～0.048，抗剪强度φ=32°，C=9Kpa，渗透系数10^-3cm/s左右。

2 风积砂筑堤土料设计标准问题

渠线设计不可避免要有挖方、填方，沙漠地区最丰富的填方材料是风积砂，且尽可能的做到挖填平衡，可以有效减少弃土区域，利于渠道的安全运行。沙漠明渠挖填总量10043万m³，其中挖方6000万m³、填筑4043万m³，最大挖方深度31m、填方高度32.2m，沙漠明渠填方段堤顶宽52～54m，最大填方段每米填方量为4800m³，且有长达6km连续填方段，该段平均填方高度达13m。

利用风积砂修建公路、石油平台等已经有十多年历史，而利用风积砂修建填方明渠，其设计标准还需要认真加以研究确定。

2.1 风积砂筑堤土料设计原则：

作为沙漠明渠利用风积砂筑堤，其填筑设计标准结合室内外试验研究成果重点应考虑以下几条原则：

① 风积砂属无粘性土料，应按相对密度指标控制。但沙漠中、南部风积砂细粒含量（≤0.075mm）有很多超过12％，属于含细粒土砂，其设计指标能否严格按相对密度控制需加以考虑；

② 渠道填方数量大，存在很多高填方段，高边坡的稳定与土料干密度、内摩擦角、凝聚力密切相关；

③ 渠道的湿陷变形、沉降变形与风积砂干密度密切相关；

④ 水在沙漠内是非常珍贵的资源，干燥状态下压实应作为重要的考虑因素；

⑤ 沙漠内荒无人烟，施工初期仅有4处可以利用的路口进入沙漠，而先期形成渠道条带及两侧道路才能保证后续衬砌工程的施工，有效施工期仅13个月，高效率的适应沙漠施工的碾压机械应认真选择；

2.2 风积砂碾压特性及湿陷、变形特性

围绕沙漠渠道的设计开展了大量的室内外试验，这些试验研究成果为渠道土料设计提供了科学依据。

① 室内击实试验特性：

击实采用轻型击实仪，击数25击，击实功能592.2kJ/m³，分别自北部、中部、南部取样试验，成果见图2。

图2  风积砂击实试验成果－干密度与含水量关系曲线

当含水率由2％增加到8％时干密度增长较慢，含水率由8％增加到15.6％左右时，增长较快，当含水率超过15.6％时，干密度降低较快。上述试样烘干后采用振动锤击法，试验所得干密度大于轻型击实仪击实后最优含水下对应的干密度，如表2所示。

表2                  风积砂击实、振动试验成果

上述试验说明：风积砂在天然状态下（干燥状态）采用振动锤击法，或含水率增至15%左右（饱和度为70%）时采用击实法均能达到较高的干密度和较佳密实效果。

塔里木石油公路筑路经验表明砂在干燥状态下通过振动碾压可以达到较高的密实度。塔克拉玛干沙漠风积砂颗粒主要集中于0.074~0.25mm之间，含量高达90%以上，而大于0.25mm砂粒极少，小于0.074mm的粉粘颗粒亦很少,颗粒均匀,级配不良。其风积砂击实特性如图3。

图3   塔克拉玛干沙漠风积砂击实特性曲线

该风积沙的击实曲线与粘性土和砂性土的相比有很大的差异，其曲线形状呈凹形，即在含水量为4％左右时，干密度较小，但随着含水量的变化（增大或减小），干密度增大，特别是随着含水量的减小，干密度急剧增大，当含水量较低（W<1％）时，干密度较大。另外不同含水量状态下干密度虽然不同，但其值比较接近，变化差异较小。一般地最大干密度与最小干密度仅差3％左右，也就是最小干密度可达最大干密度的96％以上。

② 风积砂压缩特性

风积砂在浸水后的单位沉降量明显大于天然状态下的单位沉降量，随着密度增大，沉降量逐渐减少。干密度小于1.64g/cm³时，单位沉降量变化较大，干密度达到1.68g/cm³，单位沉降量变化较小，不同密度下的压缩系数（av_0.1-0.3）在0.01～0.075Mpa^－1之间，属低压缩性土。由此可见干密度越大，沉降变形越小。

采用应变直剪仪进行砂在干燥状态下的抗剪强度试验，北部、中部、南部风积砂均呈规律变化，即干密度越大，摩擦角越大，凝聚力越强。在外荷载静压作用下，砂的密度变形很小，完成时间很短，基本不产生徐变。说明振动干压实是提高风积砂干密度最理想的方法。这点在塔里木石油公路（塔克拉玛干沙漠）及彩石克石油公路（古尔班通古特沙漠）均得到验证及应用。

③ 风积砂湿陷特性

风积砂干密度在1.58～1.62g/cm³之间，在不同密度下的无荷载湿陷系数均较小。在有一定压力下的湿陷系数较大，随密度增大，湿陷系数逐渐变小，当干密度增至1.64g/cm³时，湿陷系数可降至0.015以下。当相对密度达到0.67以上时砂土即为密实状态，达到0.7以上时风积砂基本无湿陷性。即相对密度越大，干密度越大，湿陷变形也越小。

室外采用设计渠道断面模拟受水浸泡后渠道的湿陷变形，在干密度较低的挖方段渠道进行试验。试验时假设防渗层基本损坏，模拟水头维持3m，经1个月注水试验表明，渠道底板最大湿陷位移4.22mm，边坡最大10.78mm，基本不构成对渠道的危害。

结论：由上述分析可知，古尔班通古特沙漠风积砂干密度与含水有着重要影响，但在含水较小时（10％以下）对干密度影响不大，在干燥状态下具有较好的压实性，对于干旱缺水地区，风积砂接近干燥状态，采用干压法是完全可行的。风积砂干密度越大，其沉降变形、湿陷变形就越小，尽管自北向南风积砂颗粒粒径有一定变化，但变化不大，故干密度是该种土料的主要设计指标。

2.3 风积砂的设计控制指标

渠道相关规范还没有关于干密度方面的要求，但长距离渠道工程总干渠、西干渠、风克干渠的实践经验表明，提高渠道填方土料的干密度对渠道的安全运行是至关重要的。国内相关规程、规范对无粘性土料的设计指标要求见表3。

表3                无粘性土料的设计控制指标

上表可以看出，水利行业采用相对密度控制，公路行业采用压实度控制，两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。

    根据本工程风积砂试验研究成果及行业要求，确定风积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ρd，作为施工控制标准。

3 施工特性研究

室外试验的研究目的是确认设计标准的合理性，研究施工控制参数，影响干密度的主要是风积砂含水率、压实机械、压实频率、铺土厚度、碾压遍数等。由于沙漠北、中、南各段风积砂颗粒粒径不同，干密度不同，含水率不同，其施工特性略有差异，主要体现在碾压遍数、铺土厚度等，本文仅以代表性试验为例说明试验验证情况。

3.1 施工机械的影响

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，必须通过碾压试验确定施工参数与压实机械。压实机械的选择主要考虑这样几条原则：可能取得的设备类型；设计压实标准（压实结果应满足设计要求）；填筑材料的性质；砂料含水量大小；原状土的结构状态；施工强度大小；施工场面大小与压实部位等；

根据以上原则，选择能够适应沙漠特点的大型机械进行压实试验研究，包括16T轮胎碾、16T振动碾、320HP重型推土机，三种机械的碾压特性及相关参数见表4。

表4                  不同机械工作参数及碾压特性

从试验成果分析，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。考虑到沙漠气候影响，应优先采用前后驱动、密封装置良好的自行式光轮振动碾。

3.2 铺层厚度、碾压遍数的影响

    在渠道1＋850处布置试验场地，长50m、宽20m，采用2.5~3m³装载机运料，220HP推土机平料，整平、压实，设置纵横交错网格控制标高、取样位置，设计铺层厚度40cm、50cm、60cm。

采用XS190型振动压路机，自重19t，高振幅1.8mm、振动频率28Hz、激振力385KN，低振幅0.78mm、振动频率35Hz、激振力260KN，工作速度0～5.4km/h。

试验取样：40cm厚度取样部位15、27、40、53cm，50cm厚度取样部位20、34、50、65cm，60cm厚度取样部位20、40、60、75cm。试验结果见图4、图5。

图4  渠道1＋850处铺土厚度、检测部位及干密度沿深度分布图

图5   渠道1＋850处干密度与碾压遍数关系图

从图4、5可以看出，碾压后土体干密度沿深度的分布是不均一的，即使是同一深度不同检测部位也有差异，反映出填方土体的干密度在垂直方向和水平方向的差异性。本次试验按3种不同遍数、3种不同铺土厚度共取样384个，试样含水率平均1.4%，最大2.3%，最小0.8%,干密度最大值1.83g/cm³，最小值1.64g/cm³,平均值1.73 g/cm³。按0.75相对密度计算对应控制干密度为1.68g/cm³，检测记录显示超过该值共376个，占98％，说明在该段采用相对密度Dr=0.75进行土料填筑施工，并用控制干密度1.68g/cm³作为填筑土料碾压干密度检测标准是符合实际情况的。

随着碾压遍数的增加，在不同铺土厚度下干密度逐渐增长，但达到一定遍数后，干密度不再增长，甚至于降低。碾压5遍后的土体干密度大部分超过设计指标，对于40、50cm两种铺土厚度，不同深度的取样全部大于等于控制干密度值，说明碾压5遍最经济的铺土厚度超过50cm，接近60cm，从施工状况及留有余地的角度出发，该段施工控制参数推荐为碾压5遍（不含静碾），铺土厚度50cm。

图5说明，碾压遍数过多后，干密度下降，主要原因是沙漠风积砂的特殊性，即“过振”所致，过多的碾压遍数使已经密实的土体振松导致干密度下降。

3.3 相对密度问题

沙漠中部、南部有很多渠段风积砂细粒含量较高，其控制标准采用相对密度或压实度是一个重要的技术问题，根据土工试验规程的要求，应对该料进行颗分试验，当细粒土含量达到一定量时，再进行相对密度和击实试验，用两种结果进行对比。在这方面美国水道试验站和美国垦务局的方法各有特点。

美国水道试验站（WSE）建议，细粒土（<0.075mm）含量超过5％时，应分别做标准击实试验和相对密度试验，当击实试验所得的最大干密度的85％比相对密度85％时的相应干密度值大时，则用击实试验；美国垦务局规定：如遇细粒土（＜0.075mm）超过12％时分别作相对密度和标准击实试验，当70％的相对密度时的相应干密度小于击实最大干密度的95％，则应用击实试验，否则采用相对密度控制。

在本工程42＋400处进行了专项研究，即颗分试验、击实试验、相对密度试验，试验结果分别见图6、图7、表5。

图6  沙漠明渠42＋400处 风积砂颗分试验成果

图7  沙漠明渠42＋400处击实试验成果

表5    沙漠明渠42＋400处 相对密度试验成果

由颗分试验可知，该段土料细粒（<0.075mm）含量在7％～13％之间，根据土工试验规程要求，不能简单的按压实度控制或按相对密度控制，应采用相对密度和击实试验进行对比确定。参考土工试验规程中美国水道试验站和美国垦务局的方法分析见表6。

表6 相对密度与压实度对比表

试验方法	按相对密度计算		按压实度计算
计算公式