CN114508078B - 就地采用天然淤积级配不良细砂构筑均质砂坝的施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种就地采用天然淤积级配不良细砂构筑均质砂坝的施工方法，砂坝虽体量大，按一日水位起伏9m的百年一遇洪水设计，尤其利用天然淤积细砂，占比高达58％，不破坏耕地，不浪费壤土资源，施工进度快，投资极省，安全经济，综合效益突出；无大量运输及较大料场之需；无地基开挖、换土；汛期前将砂坝填筑超过一起安全超高，不修建砂坝上、下游施工围堰，无基坑开挖及保电排水之需，当年完工，工期至少省1.5年；作业面开阔，易于全面铺开，技术操作简单，适于农村移民参与建设，弥补水库建设征地移民部分损失。总之，本发明能够解决移民防护工程坝型耗费大量人力、物力，浪费大量壤土资源，施工环节、干扰多，施工期长，工程投资高等问题。

Description

就地采用天然淤积级配不良细砂构筑均质砂坝的施工方法

技术领域

本发明涉及水利、水电工程建设征地移民安置规划设计防护工程技术领域，具体地说涉及一种就地采用天然淤积级配不良细砂构筑均质砂坝的施工方法。

背景技术

我国水库建设已经接近10万余座，其中大中型水库超过0.47万座，水库建设过程中存在着大量的防护与搬迁方案技术经济认证问题。水利、水电工程建设征地淹没处理规范要求：对CLY(水库库段、库湾浅水临时淹没区)内如有重要对象，具防护条件，且技术可行、经济合理，应采取防护措施。由此可见，对水库人口迁移线下移民任务重，受影响对象重要、敏感，涉及面广，需在水库建设征地区域内进行防护时， 关键是在正常的水库运行条件下，结合当地的实际环境，选择最适合的移民防护工程堤坝型方案，既技术周密、安全可靠，也经济合理，对河床大量淤积细砂覆盖层的利用与处理，关系到移民防护工程安全与经济，同时对坝址、坝型选择、施工工期及造价等均有重大影响，是关乎移民防护工程成立的、至关重要的、相互制约的关键技术问题之一。

一般情况下，移民防护工程方案中首先考虑的是采用当地材料堤坝型，如均质土坝、砂砾石粘土心墙坝、浆砌石坝等，都是常用的堤坝型，以满足移民防护工程方案经济合理性要求，筑堤坝材料一般采取当地的粘壤土、砂砾石、石料等，但这些堤坝型都要对河床内淤积覆盖层进行不同程度的清基处理，或消耗大量壤土土源，往往会带来诸多不利的影响，如由于覆盖层开挖工程量大，开挖工期长；需设置围堰工程，甚至加大围堰工程规模，造成围堰布置困难，防渗处理任务重，基坑排水量大；覆盖层开挖引起基坑边坡过高，从而影响围堰背水侧边坡与基坑边坡的整体稳定性；覆盖层开挖工程量大、弃料多，弃渣场规模相应增大，使弃渣场布置更加困难；覆盖层开挖深度大，下基坑的道路受纵坡影响，布置困难；开挖及其影响到的各项工程规模增大，施工环节多，工程管理复杂，工程投资增加。总之，这些常规坝型都要对地基覆盖层实施不同程度的换土措施，尤其对细砂覆盖层更是要求全部进行清理，一挖一填，甚至需要采取分段围堰法施工，施工干扰突出，施工操作工序较多，耗时费力，大量的壤土用量或渣料临时堆放，占用、复垦耕地任务量大，工期较长、辅助工程多，施工管理水平要求较高，工程投资费用较高，甚至因比选堤坝型投资过高，引起需要另选堤坝址等问题，使移民防护工程失去了立项的条件。

基于上述情况，本发明提出了一种就地采用天然淤积级配不良细砂构筑均质砂坝的施工方法，可有效解决以上问题。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供就地采用天然淤积级配不良细砂构筑均质砂坝的施工方法，以解决上述背景技术中通常提出的移民防护工程堤坝型耗费大量人力、物力，浪费大量壤土资源，施工环节、干扰多，施工期长，工程投资高等问题。

为达到上述目的，本发明通过下述技术方案实现：

一种就地采用天然淤积级配不良细砂构筑均质砂坝的施工方法，所述砂坝包括基岩层、形成于基岩层之上的天然砂卵石层、形成于天然砂卵石层之上的天然淤积细砂层、以及填筑于天然淤积细砂层之上的填筑细砂层，所述施工方法包括如下步骤：

S01、按百年一遇水库回水曲线取用砂坝防护工程设计水位，并考虑安全超高；

S02、选择枯水季节时段进行砂坝主体工程施工，并在砂坝坝后的上游区间来水沿程分级临时拦蓄堤；

S03、在紧邻砂坝坝外坡趾外侧设置防坝外坡趾地基淘陷及坝前水平防渗铺盖的沉积区；

S04、砂坝靠岸山体坡脚内开凿石槽，设置砂坝施工期导流涵洞，砂坝工程建设完成后转为排洪涵洞；

S05、以天然淤积细砂层为施工基础，将原地面线以下的、砂坝坝内外坡趾线以外的天然淤积级配不良细砂开采上坝，施工形成填筑细砂层，填筑量不足时开采取土坑储量补充，填筑至砂坝坝顶止；

S06、进行砂坝坝外坡趾的清基、砌筑，将坝外坡趾处天然砂卵石层下挖至少1.5m，并施工坝外护坡基础；

S07、在与砂坝坝体填筑上升的同时，进行砂坝外侧的护坡和坝腰马道以及砂坝内侧的护坡施工；

S08、砂坝坝端部与岸边山岩体相接处，进行不同介质壤土过渡段、防绕渗凹槽施工；

S09、砂坝基本完工后，在垂直于砂坝坝轴线的沿线上设置至少一排坝体内水位观测管。

优选的是，步骤S03中，沉积区垂直于坝轴线方向宽度不小于30m。

优选的是，步骤S05中，在对沉积区内的级配不良细砂进行开采时，至天然砂卵石层深度时停止开采；填筑细砂层的每层填筑厚度不大于0.6m，并逐层压实。

优选的是，步骤S05中，在对砂坝坝内坡趾以外至50m范围以内开采级配不良细砂时，需确保天然砂卵石层之上的级配不良细砂覆盖层厚度不小于7m。

优选的是，步骤S06中，坝外护坡基础采取干砌块石结构，护坡基础底必须深入天然砂卵石层顶面线以下1.5m，使护坡基础整体横向直线等高程水平布置，顶面横向布置与砂坝坝轴线平行。

优选的是，步骤S07中，砂坝外侧护坡的坝顶外坝肩至设计水位的坡比为1∶2.5，设计水位至坝腰马道的坡比为1:3，坝腰马道至坝外坡趾的坡比为1:3.5，坝腰马道水平布置。

进一步优选的是，砂坝外侧护坡采用块石护坡，其包括由下至上依次设置的砂卵石反滤层、碎石垫层和干砌块石层，其中护坡基础部位的砂卵石反滤层与天然砂卵石层相联接时水平联接长度不小1.5m。

更优选的是，砂坝坝腰区段填筑时设置排水溢出带，略向外侧倾斜，其外端头与砂卵石反滤层衔接联通。

优选的是，步骤S07中，砂坝内侧护坡坡比为1∶2.75，采用草皮护坡，坝内坡趾区域设置排水棱体，坝内坡趾与坝内侧的取土坑之间设有禁脚地。

优选的是，步骤S08中，砂坝坝端部与岸边山岩体相接处，设置不同介质壤土过渡段，改由人工夯实，坝轴线方向宽度不小于5m，与原地面线壤土层相接时，需去除原地面内表土腐殖层，抵触端点为山岩时，需采取防绕渗措施，需要在山岩体上至少开凿一道竖向凹槽，凹槽范围首先人工分层填筑、夯实壤土。

采取本发明，对某特大型水库建设征地移民安置规划某砂坝防护工程进行技术研究和测试，其工程坝址区细砂覆盖层最厚达13m，该砂坝细砂构筑体总高23.1m,单日洪水水位起伏最大9m，具有CLY采用细砂填筑砂坝防护工程的代表性。采用边坡稳定分析计算软件对各种工况下的砂坝坝坡进行稳定计算，确定砂坝外坝坡为1:2.5～1:3.5、内坝坡为1:2.75。

通过研究分析本发明技术方案其优点及积极效果如下：

本技术方案中，最不利关键因素之一是能够抵御山区性河流水库洪水单日涨落9m时对坝坡稳定的不利影响，经稳定计算，砂坝内外坝坡滑动稳定计算安全系数满足规范要求。

本技术方案中，地基天然砂卵石层渗透系数远远大于其上部淤积的细砂砂体，相对而言整个上部的细砂体也是防渗体材料，细砂坝体不是主要的渗透通道，地基砂卵石层才是主要渗透通道，利用天然淤积的大量细砂体构筑大体积砂坝，既可以数量换质量，使用砂坝细砂体得以边坡和渗透稳定，同时也使砂坝地基主要渗透通道砂卵石层渗径进一步延长，不致于坝后取土坑出露砂卵石层首先发生渗透破坏，故此，砂坝未设置防渗粘壤土心墙，大大减少了施工干扰，加快了实施砂坝工程进度，节约了山区紧缺的壤土土地资源。

对于该特大型水库建设征地移民安置规划设计砂坝移民防护工程无覆盖层开挖工程量，砂坝内外坡趾以内、天然砂卵石层以上，砂坝坝体利用天然淤积的细砂量达58％(含坝内外坡趾以外50m以内的可开采细砂)，取土坑取土量仅占砂坝总体填筑土方工程量的 42％，至少缩短施工工期1.5年，无水利工程地基清基所需的临时渣场设置，无常规水利、水电工程都有的大规模基础换土、围堰排水等辅助工程，当年完成约细砂40万m³的砂坝移民防护工程，仅因填筑砂源不足，在坝内坡趾后50m禁脚地以外设置取土坑31.87亩占地。

本技术方案，该砂坝直接工程投资仅占浆砌石比较坝型方案投资的39％，且浆砌石比较坝型方案断面小，施工面狭窄，施工环节多，水下清基复杂，必须设置围堰等辅助工程。

本技术方案中该砂坝直接工程投资大大节省，若将其保护的重要、敏感对象集镇远迁，该移民防护工程砂坝投资仅占远迁集镇方案投资的15.86％，该集镇原有水陆转运、仓储收营、工商服务、行政中心等功能得以保留，无远迁集镇方案中因异地转行、转市面临搬迁后生产安置不稳定的困难。

附图说明

图1是典型的砂坝施工前的溪河入江处地形及砂坝布置范围示意图；

图2是图1中I-I向剖面图；

图3是河床砂包覆盖层、河床砂卵石覆盖层颗粒级配曲线以及砂卵石反滤层上包线及下包线设计级配曲线图；

图4是砂坝边坡稳定计算简图；

图5是砂坝坝内坡趾至取土坑拟出溢段沿程水头计算简图；

图6是图5中A处的大样图；

图7是砂坝各观测管水位连线图；

图8是砂坝研究测试完建后地形图；

图9-1是一种典型的砂坝断面图(01)；

图9-2是一种典型的砂坝断面图(02)；

图10是图9-1中B处大样图；

图11是图9-1中C处大样图。

附图标记：1-设计水位；2-坝轴线；3-重点防护范围；4-浆砌石挡水段；5-取土坑；6- 壤土过渡段；7-排洪沟；8-排洪涵洞；9-基岩层；10-天然砂卵石层；11-沉积区；12-护坡基础；13-块石护坡；131-砂卵石反滤层；132-碎石垫层；133-干砌块石层；14-天然淤积细砂层；15-原地面线；16-填筑细砂层；17-排水溢出带；18-坝腰马道；19-坝顶；20-草皮护坡；21-排水棱体；22-禁脚地；23-水位观测管；231-第一观测管；232-第二观测管；233- 第三观测管；234-第四观测管；235-第五观测管；236-第六观测管。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明 的技术方案，下面结合具体实施例对本发明 的优选实施方案进行描述，但是应当理解，附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。

本发明 就地利用大量淤积的级配不良细砂，尤其不进行水下清基换土，以细砂覆盖层作为基础部位砂坝坝体，上部直接开采附近的细砂进行填筑筑坝，既确保砂坝边坡稳定和地基渗透稳定，防止砂坝液化，无常规水利、水电工程都有的大规模围堰排水等辅助工程，减少了施工环节，加快施工进度，减少壤土(或其它筑坝填料)用量，保护了耕地，大大降低了工程造价等问题，尤其是给水利、水电工程建设征地移民安置提供了就地后靠技术可行、经济性优良的坝型比选方案，使后靠移民生产、生活环境基本稳定，原有社会功能得以持续正常发挥，简化的施工工艺和开阔的施工作业面，适合当地农村移民参与密集投劳，增加了农村移民经济收入，使移民防护工程建设社会经济效益得以充分、及时体现，共建共享经济建设发展成果。

下面结合某砂坝规划设计、技术研究和测试及附图详细说明本发明 的实施情况，但它们并不构成对本发明 的限定，仅作举例而已，同时通过说明本发明 的优点将变得更加清楚和容易理解。

由图1、2可见，右岸一级阶段宽约20余米，为水库建设征地人口迁移线下集镇所在地，高程为175m左右，175m以下河床内细砂占63.6％、砂卵石层占16.5％、左右岸一级阶地壤土占19.9％，故此，在该集镇附近建设砂坝，当地可利用天然淤积的细砂资源丰富，而且当外江高洪控制时，很容易在支流汇合口处形成盲肠淤积现象，此时，细砂淤积占比更高，由此可见，适当掌握时机，当外江洪水消落后，即开始兴建砂坝，当年内完成建设，此时土方工程量最少，也就是说当外江低水位时，因区间内水流长期清水下泄，将带走大量天然淤积细砂，如图2(纵向1∶横向2.5，单位：m)左侧凹槽，即为两个水文年清水下泄切割作用下所形成的现象，损失细砂量占尚存细砂的21.9％。

本发明 提供一种就地采用天然淤积级配不良细砂构筑的砂坝，所述砂坝包括基岩层9、形成于基岩层9之上的天然砂卵石层10、形成于天然砂卵石层10之上的天然淤积细砂层14、以及填筑于天然淤积细砂层14之上的填筑细砂层16，所述砂坝的坝内外两侧均设有护坡。

其施工方法包括如下步骤：

1)对某特大型水库，按百年一遇水库回水曲线(考虑了某频率入库洪水来量最大、库水位相应等，各种可能出现的水位、流量组合情况后，取沿程最高水库回水水位连线) 取用砂坝防护工程设计水位1，并考虑2m安全超高；

2)砂坝坝轴线2位置选择事关移民防护工程保护重要敏感对象范围大小，以及工程安全等，移民防护工程纳入重点防护范围3，与重要敏感集镇区需保护对象范围之比不小于70％为宜，当坝轴线2穿过重要敏感集镇区时，采取浆砌石挡水段4，大大减小工程结构占地尺寸，减小工程建设征地拆迁量，如图8；

3)浆砌石挡水段4与防护对象市政主要交通道路平交时，设置两道叠梁闸门槽，一旦外江高洪超过警戒水位时，将两道叠梁闸门封闭，快速安装预制钢筋砼叠梁于预留门槽之内，两道叠梁闸门之间填充防汛土料，形成起到临时挡洪的叠梁闸门，退洪后撤除，市政交通恢复，如图8；

4)选择枯水季节初期时段启动进行砂坝主体工程施工，针对一次性截流施工方案，施工期导流设施未完工前，存在砂坝坝后的上游区间来水临时性拦蓄问题，做好砂坝以上区间来水沿程分级临时拦蓄措施，针对上游区间来水两条主溪沟出口分别设置一道临时拦蓄堤，至排洪沟7抵近砂坝时也设置一道临时拦蓄堤，发挥远离砂坝的上游河道区间深潭槽蓄能力，使上游排洪沟7几乎断流，有效地降低了砂坝施工期坝后的地下水位，如图8；

5)在紧邻干砌块石护坡13基础外侧设置防坝外坡趾地基淘陷及坝前水平防渗铺盖的沉积区11，垂直于坝轴线方向宽度不小于30m，如图9-1；

6)砂坝左岸山体坡脚内开凿石槽，属左坝端区域，设置砂坝施工期导流涵洞，砂坝工程建设完成后转为排洪涵洞8(一般情况下，砂坝体内不宜沿线布置刚性构造物，虽排洪涵洞纵穿了砂坝，但是因为排洪涵洞地基为基岩，且为城门拱形、圬工结构，嵌入于开凿的山体石槽之内，仅受上部填筑细砂体的竖向重力，在排洪涵洞上部继续完成砂坝土料填筑建设，不会因砂坝建成后将产生较大不均匀沉降的不利影响。也不受其它侧向外力)，排洪涵洞8出口位置与坝外坡趾护坡基础12垂直于坝轴线方向最小间距为30m，间距不足时或受洪水顶冲陡崖区段应在冲刷坑或相关区段进行抛石护底，防止泄洪时对砂坝护坡基础12稳定产生不利淘蚀影响，抛石最小块径不小于50cm，厚度2m，块石单轴饱和抗压强度大于30MPa，如图9-2；

7)开凿排洪涵洞8山体时确保高边坡施工安全，进入主汛期前1个月完成排洪涵洞8 建设，投入导流使用，按要求倒排工程进度；

8)把控施工砂坝主体土方工程填筑进程，确保洪水季节砂坝外侧控制性水位迅速上涨发生时，整坝段上升高度超过设计施工期季节天然洪水标准，并留有必要的安全超高的条件下，砂坝外侧不必设置下游围堰；

9)因砂坝填筑级配不良细砂的需要，对沉积区11内的级配不良细砂进行适度开采时，至天然砂卵石层10深度时停止开采，减轻下游河床向砂坝所在方向侵蚀；

10)以天然淤积细砂层14为施工基础，将原地面线15(其沿图1中Ⅱ-Ⅱ方向分布)以下的、砂坝坝内外坡趾线以外的天然淤积级配不良细砂开采上坝，填筑砂坝的填筑细砂层16，填筑量不足时开采取土坑5储量补充，填筑至砂坝坝顶19止；

11)对砂坝坝内坡趾以外至50m范围以内开采级配不良细砂时，必须确保针对天然砂卵石层10之上的覆盖层厚度不小于7m；

12)砂坝外侧的坝腰马道18以下坝坡比为1∶3.5，以上至设计水位11坡比为1∶3，设计水位1以上到坝顶19外坝肩坡比为1∶2.5，坝腰马道18为水平布置；

13)砂坝内侧的砂坝坡比为1∶2.75，采用草皮护坡20，坝内坡趾区域设置排水棱体21；

14)坝内外坡趾顺垂直于坝轴线方向各外扩50m范围以内，以及两坝端的砂坝平面布置坝轴线方向各外扩50m以内，为工程禁脚地22范围，坝后级配不良细砂取土坑5应在禁脚地22以外设置，腐殖层土体不允许上坝；

15)进行坝外护坡基础12清基、砌筑，护坡基础12采取干砌块石结构，高至少1.5m，顶面宽度1.5m，护坡基础12底必须深入天然砂卵石层10顶面线以下1.5m，使护坡基础 12整体横向直线等高程水平布置，顶面横向布置与砂坝坝轴线2平行；护坡基础12需全部埋入天然砂卵石层10内，如图11；

16)与砂坝坝体填筑上升基本同步进行的砂坝外坡块石护坡13，含砂卵石反滤层131 及碎石垫层132铺设，以及干砌块石层133砌护，护坡基础12部位的砂卵石反滤层131与天然砂卵石层10相联接时水平联接长度不小1.5m，如图10；

17)坝外侧的块石护坡13厚度为1.2m，其中砂卵石反滤层131厚0.5m、碎石垫层132厚0.2m、干砌块石层133厚0.5m，护坡严格按砂卵石反滤层131、碎石垫层132、干砌块石层133依序逐层设置，且干砌块石层133所需块石长边尺寸不小于50cm、块石短尺寸不小于20cm，块石单轴饱和抗压强度大于30MPa，长边立砌，不得叠砌，尤其不得下部碎石堆填、上部表层以块石长边覆盖；

18)砂坝坝腰区段填筑时设置水位速降砂卵石水平排水溢出带17，略向外侧倾斜，厚度1m、宽度15m，外端部与护坡的砂卵石反滤层131衔接联通；

19)砂坝坝腰马道18宽度5m，水平设置，与块石护坡13分层构造一致，如图10；

20)砂坝填筑超过坝腰马道18以上，或整体填筑高程超过原地面线15最高点高程时，约为设计坝高的50％之时起，严格禁止在禁脚地22范围内进行本工程或其它工程施工放炮，避免砂坝级配不良细砂体震动液化发生；

21)砂坝两端坝部分别与两岸山岩体(或刚性构造物)相接，设置不同介质壤土过渡段6，改由人工夯实，坝轴线2方向长度不小于5m、垂直于砂坝坝轴线方向宽6m，与原地面线15壤土层相接时，需清除原地面内表土腐殖层，抵触端点为山岩时，需采取防绕渗措施，需要在山岩体上至少开凿一道竖向凹槽，槽深入山体2m、槽宽4m，凹槽范围首先人工分层填筑、夯实壤土，针对浆砌石挡水段4(或其它刚性构造物)与砂坝填筑细砂层16之间，也需要进行上述壤土过渡段6设置；

22)砂坝两端部与山体相接处以上山坡适当位置，设置坡面散流截水沟，导排出禁脚地之外，防止坡面来水下泄汇集后，对砂坝两坝端部稳定产生不利影响；

23)砂坝基本完工后，在垂直于砂坝坝轴线2的沿线上，设置至少一排坝体内水位观测管23，坝腰马道18上、下各1孔，设计水位1处1孔，坝顶19内坝肩1孔，坝内坡趾 1孔，至取土坑5附近1孔，以观测砂坝建成后坝体内渗透水压力分布状况，如图7。

关键工程措施设计计算

1、坝体填筑材料、砂卵石反滤层及砂卵石反滤料场的选择

1.1、坝体填筑材料：

砂坝坝体主要利用河床砂包覆盖层填筑形成。根据现场试验，河床砂包覆盖层为级配不良细砂，其中不均匀系数D₆₀/D₁₀＝1.71，曲率系数(d₃₀×d₃₀)/(d₆₀×d₁₀)＝1.19，级配曲线见图3(横坐标为颗分粒径，单位：mm)，颗粒组成见表1，其中编号水1为砂包以下砂卵石取样，编号水2为河床砂包取样。

表1 河床砂包覆盖层及河床砂卵石覆盖层颗粒组成表

1.2、砂卵石反滤层设计计算：

(1)砂卵石反滤层上包线及下包线控制粒径计算

①砂卵石反滤层下包线D_15max

根据保土要求，按下式计算砂卵石反滤层下包线D_15max。

D_15max＝4d₈₅

式中，D_15max—砂卵石反滤层下包线的容许粒径，小于该粒径的土占总土重的15％。

根据现场试验，被保护土d₈₅为0.2mm。经计算，D_15max为0.8mm。

②砂卵石反滤层上包线D_15min

根据透水要求，按下式计算砂卵石反滤层上包线D_15min。

D_15min＝5d₁₅

式中，D_15min—砂卵石反滤层上包线的容许粒径，小于该粒径的土占总土重的15％。

根据现场试验，被保护土d₁₅为0.09mm。经计算，D_15min为0.45mm。

③砂卵石反滤层下包线D_10max和D_60max

按下式计算砂卵石反滤层下包线D_10max和D_60max。

D_10max＝D_15max/1.2

D_60max＝D_10max×6

经计算，D_10max和D_60max分别为0.67mm和4mm。

④砂卵石反滤层上包线D_10min

为控制砂卵石反滤层施工中发生分离，按下式计算砂卵石反滤层下包线D_10min。

D_10min＝D_15min/1.2

式中，D_10min—砂卵石反滤层上包线的容许粒径，小于该粒径的土占总土重的10％。经计算，D_10min为0.38mm。

⑤砂卵石反滤层下包线D_90max

为控制砂卵石反滤层施工中发生分离，当D_10min＜0.5mm时，砂卵石反滤层下包线D_90max取为20mm。

⑥砂卵石反滤层上包线D_5min

为保证砂卵石反滤层的透水性，砂卵石反滤层上包线D_5min取为0.075mm。

⑦砂卵石反滤层上包线D_60min

按下式计算砂卵石反滤层上包线D_60min。

D_60min＝D_60max/5

经计算，D_60min为0.8mm。

(2)绘制砂卵石反滤层上包线及下包线

根据上述关键粒径，绘制砂卵石反滤层上包线及下包线，初拟砂卵石反滤层设计级配曲线，级配曲线见图3，颗粒组成见表2。

表2 砂坝块石护坡初拟砂卵石反滤层设计颗粒组成表

(3)复核设计砂卵石反滤层的合理性

①保土性

D₁₅/d₈₅＝0.65/0.2＝3.25＜4，满足保土准则。

②透水性

D₁₅/d₁₅＝0.65/0.09＝7.22＜8，满足透水准则。

③级配情况

不均匀系数：D₆₀/D₁₀＝2.5/0.45＝5.56

曲率系数：(D30×D30)/(D60×D10)＝(1.2×1.2)/(2.5×0.45)＝1.28

可见，砂卵石反滤层不均匀系数位于5～8区间，且曲率系数位于1～3区间，因此，级配良好。

1.3、砂卵石反滤料场选择：

由图3可见，河床砂卵石覆盖层、砂卵石反滤层设计线两者颗分线相比较，说明前者粗颗粒比例较少，小于代表性粒径5mm的土占总土重的17.5％，而相应后者是65％，主要是前者所取砂卵石料可选择范围很少，只有在溪河汇合口漩洄水流沉积区取样，而且其上部皆为细砂覆盖层，水流流速不高，主要以沉积细颗粒为主，故此，按砂卵石反滤层设计颗分曲线要求，在溪河汇合口漩洄水流沉积区外，选择了临近河床坡降较大的上游急流河段，以增加粗颗粒比例，经现场筛分验证基本满足设计要求，运距5公里以内，可作为天然砂卵石反滤料场开采使用。

2、砂坝边坡抗滑稳定性计算分析

2.1计算方法

采用北京理正岩土工程计算分析软件(7.0版本)中渗流分析计算及边坡稳定分析两程序，对该砂坝坝坡的抗滑稳定性进行研究验算。

2.2力学参数

计算土体物理力学参数详见表3。

表3 土体物理力学参数设计取值

2.3计算工况

根据《碾压式土石坝设计规范》，计算工况分为三种，分别为正常运用条件、非常运用条件Ⅰ和非常运用条件II。

其中，正常运用条件包括：

(1)稳定渗流期(低水位165m)，迎水侧及背水侧坝坡稳定。

(2)稳定渗流期(设计水位178.6m)，迎水侧及背水侧坝坡稳定。

(3)水位骤降期(水位降落178.6m→169.6m，洪水持续2天)，迎水侧坝坡稳定。

非常运用条件Ⅰ：

施工期(施工期水位158m)，迎水侧及背水侧坝坡稳定。

非常运用条件II：

正常运用条件遇地震，工程区所在地地震基本烈度为VI度，根据《水工建筑物抗震设计标准》，可不进行抗震计算。

2.4计算剖面

根据防护工程布置，计算剖面见图4(单位：m)。

2.5计算结果

根据《碾压式土石坝设计规范》，考虑砂坝建筑物级别为5级，砂坝坝坡抗滑稳定安全系数验算结果详见表4。

据此，砂坝坝坡在三种计算工况下抗滑稳定安全系数均满足规范要求，控制工况是水位骤降工况。

表4 砂坝坝坡抗滑稳定计算结果

注：工程区所在地地震基本烈度为VI度，可不进行抗震计算。

3、坝后取土坑渗透分析

3.1计算简图见图5和6(单位：m)

设计外坡分为1:3.5、1:3.0、1:2.5共三段，计算简图边坡为1:3.29，以设计外边坡按高程分布加权平均得出；坝外坡趾处按不利渗流稳定状况进行了相应简化；坝内坡趾高程为 167.0m，计算简图按降低覆盖层至165.0m时的不利因素考虑，使坝后覆盖层顶高程与取水坑水位一致；其它设计尺寸不变。计算简图如下。

3.2计算参数及成果

计算参数与砂坝边坡抗滑稳定性计算分析中所取参数一致，本发明 中，砂坝坝内坡趾至取土坑出溢段沿程水头计算条件及计算成果，见表5。

表5 坝内坡趾至取土坑拟出溢段沿程水头计算参数及成果表

经北京理正岩土工程计算分析软件(7.0版本)中渗流分析计算程序验算取土坑处出溢坡降为0.59％，砂坝坝内坡趾至取土坑出溢段加权平均坡降为9.53％，远远小于坝后取土坑出露砂卵石层渗透允许坡降28.6-33.3％，也小于砂坝主要填筑细砂体渗透允许坡降 11.8％，经计算，验证了取土坑5区域不会发生渗透破坏现象，而且将随着砂坝建成，沉积区11随即发生淤积，所形成的坝前水平防渗铺盖，进一步延长了砂坝地基强透水砂卵石层渗径，对坝后坡趾和取土坑5区域的渗透坡降降底更为有利。

图7(单位：m)为某试验研究砂坝坝体砂卵石透水层压力观测管观测结果及各观测管水位及坡降连线，其中各观测管23包括由坝外向坝内依次布置为第一观测管231、第二观测管232、第三观测管233、第四观测管234、第五观测管235和第六观测管236。当时外江水位为172.16m，接近该特大型水库库区该砂坝所在地建库后20年一遇人口迁移线高程，由图7所示，各观测管水位由坝外向坝内沿程几乎均匀下降，仅渗入段水力坡降出现较快降率，至取土坑逸出段水力坡降次之，与坝体浸润线计算结果的趋势基本一致，应验了砂坝坝体地基天然砂卵石层是主要渗透水通道，细砂坝体相对透水性较弱，且水力坡降由坝外坡向坝内坡趾近乎均匀递降，对坝体渗流稳定影响较大的坝内坡趾至取土坑段未发生地面逸出，水力坡降为3.55-8.62％之间，略大于渗流计算值，但仍然远远小于坝后取土坑出露砂卵石层渗透允许坡降28.6-33.3％，也小于砂坝主要填筑细砂体渗透允许坡降 11.8％，验证了坝后取土坑出逸段渗流稳定的预设判断。

经对取土坑底部出露砂卵石层多次实测渗透出逸结果，也验证上述结论，当该砂坝外江洪水涨落过程中，发现坝后取土坑存在翻砂鼓水现象，且趋势随着取土坑水位逐渐抬高后明显减弱，翻砂鼓水逐渐变清，对取土坑鼓水泡点周边沉积锥体进行颗分试验，得出平均粒径为0.038mm，最大粒径为0.1mm，为轻粉质壤土，也无砂卵石颗粒移动。

该砂坝经过几次大水涨伏试验，随着坝外侧滩涂重新淤积，形成新的、天然的细砂水平铺盖，重新淤积的细砂层厚度超过4m，坝后取土坑翻砂鼓水现象逐渐减轻,进一步延长了砂坝地基天然砂砾石渗透主要通道，增加渗径长度超过30m，减缓了砂坝禁脚地以外取土坑翻砂鼓水现象，直到几次洪水后取土坑内集中翻砂鼓水现象最后消失，验证了就地采用大量天然淤积细砂构筑砂坝，放缓边坡、延长渗径、减少施工环节、施工快捷、安全经济、节省建设投资设计理念的正确性。

4、砂坝地震液化抗震设计

砂土地震液化是指饱和砂土在地震产生的静力或动力作用(包括渗流作用)下的孔隙压力上升、抗剪强度(或剪切刚度)降低并趋于消失所引起的，表现为喷水冒砂、丧失承载能力、发生流动变形。

用于筑坝的细砂沉积时代为第四系新近沉积的细砂，土中粒径小于0.005mm的颗粒含量质量百分比7.7％(小于地震动峰值加速度0.10g所对应的含量为16％)，按现行规范初判可能发生液化，需要进行复判；该砂坝工程属于地震动峰值加速度0.05g区，按质量控制指标(本地区所述地震分区控制指标，标准贯入锤击数法Ncr＝7、临界相对密度(Drcr ＝65％)，施工填筑细砂复判时，应随机逐层确定贯入检测取样位置，获得贯入击数(N)，如N>7，则满足要求，不会液化，反之则不合格，需进一步对填筑体压实；针对该砂坝地基为浅层天然淤积细砂体时，需要经对地形起伏不同位置进行贯入试验，不符合要求时，应该采取预压、强夯排水固结等地基处理措施。

由于该砂坝属测试研究性质，本发明 针对抗震设计砂土地震液化采取了避免饱和细砂地震液化措施，砂坝填筑到约50％坝高时起禁止施工放炮，预防引起砂坝受较强震动液化发生，在坝腰马道区位铺设水平砂卵层排水溢出带，以加快形成砂坝体内饱和水体排出通道，减少饱和砂土范围，还有在坝内坡趾设置排水棱体、施工期上游分布拦蓄上游区间来水(有利于砂坝加高填筑时预压加载、排水固结天然细砂地基过程)也起着降低砂坝坝体(或天然淤积细砂地基)饱和砂土高度的相同作用等。

5、砂坝移民防护工程效益

本技术方案工程施工干扰小，作业面开阔，易于全面铺开进行施工，技术操作简单，适于当地农村移民参与建设，投工投劳、以工代赈，增加经济收入，弥补水库建设征地移民部分损失，使建设征地区广大农村移民早日共享国家建设经济发展红利。

本技术方案，该砂坝直接工程投资仅占浆砌石比较堤坝型方案投资的39％，且浆砌石比较堤坝型方案断面小，施工面狭窄，施工干扰多，开挖量大，尤其需要进行常年水位以下地基开挖，水下开挖量占总开挖方的7％，同时需进行截流防渗、围堰基坑、保电抽水等措施作业，劳动强度大，受季节影响突出，不利于密集型投工投劳、快速推进工程进展，且存在浆砌石体施工质量难以控制的问题，施工安全控制因素较多，无就地可利用筑坝材料，主要筑坝材料需要远距离运输，甚至必须修建专项运料通道，开山爆破采石受控因素更多，工程顺利进展管理水平要求较高，同时浆砌石坝顶面宽度不足，不利于以坝代桥，使溪河口两岸陆上交通运输功能恢复受到制约。

该砂坝工程针对受水库淹没影响重要敏感的集镇对象，所采取的砂坝就地移民防护工程安置方案，抵御了外江库区洪水肆虐，使防护对象水路码头、物流仓储、商贸服务、行政中心等功能得以恢复，使就地大量安置建设征地移民成为最佳选项，同时，通过砂坝对外江水位的控制作用，为库湾内进行荒滩利用发展养鱼，进行湿地旅游综合等二三产业开发创造了条件，同时使受水库淹没影响中断的溪河口两岸陆上交通，因修建了超宽砂坝坝顶联接路而得以功能恢复。

本技术方案，该砂坝直接工程投资仅占远迁集镇方案的直接投资的15.86％，如不修建砂坝，还必须另外投入溪河口两岸交通功能恢复费用，故此，修建砂坝的综合经济优势将更加突出，起着“御洪水、坝代桥、安移民、振兴集镇”作用，社会经济效益明显。

其它未说明的部分均为现有技术。

依据本发明 的描述及附图，本领域技术人员很容易制造或使用本发明 的就地采用天然淤积级配不良细砂构筑均质砂坝的施工方法，并且能够产生本发明 所记载的积极效果。

以上所述，仅是本发明 的较佳实施例，并非对本发明 做任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化，均落入本发明 的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种就地采用天然淤积级配不良细砂构筑均质砂坝的施工方法，其特征在于，所述砂坝包括基岩层（9）、形成于基岩层（9）之上的天然砂卵石层（10）、形成于天然砂卵石层（10）之上的天然淤积细砂层（14）、以及填筑于天然淤积细砂层（14）之上的填筑细砂层（16），所述施工方法包括如下步骤：

S01、按百年一遇水库回水曲线取用砂坝防护工程设计水位（1），并考虑安全超高；

S02、选择枯水季节初期时段启动砂坝主体工程施工，并在砂坝坝后的上游区间来水沿程分级临时拦蓄；

S03、在紧邻砂坝坝外坡趾外侧设置防坝外坡趾地基淘陷及坝前水平防渗铺盖的沉积区（11），沉积区（11）垂直于坝轴线方向宽度不小于30m；

S04、砂坝靠岸山体坡脚内开凿石槽，设置砂坝施工期导流涵洞，砂坝工程建设完成后转为排洪涵洞（8）；

S05、以天然淤积细砂层（14）为施工基础，将原地面线（15）以下的、砂坝坝内外坡趾线以外的天然淤积级配不良细砂开采上坝，施工形成填筑细砂层（16），在坝内坡趾后50m禁脚地以外设置取土坑（5），填筑量不足时开采取土坑（5）储量补充，填筑至砂坝坝顶（19）止；在对沉积区（11）内的级配不良细砂进行开采时，至天然砂卵石层（10）深度时停止开采；在对砂坝坝内坡趾以外至50m范围以内开采级配不良细砂时，需确保天然砂卵石层（10）之上的级配不良细砂覆盖层厚度不小于7m；

S06、进行砂坝坝外坡趾的清基、砌筑，将坝外坡趾处天然砂卵石层（10）下挖至少1.5m，并施工坝外护坡基础（12）；

S07、在与砂坝坝体填筑上升的同时，进行砂坝外侧护坡和坝腰马道（18）以及砂坝内侧的护坡施工；砂坝外侧护坡的坝顶（19）外坝肩至设计水位（1）的坡比为1∶2.5，设计水位（1）至坝腰马道（18）的坡比为1:3，坝腰马道（18）至坝外坡趾的坡比为1:3.5；

S08、砂坝坝端部与岸边山岩体相接处，进行防渗过渡段、防绕渗凹槽施工；

S09、砂坝基本完工后，在垂直于砂坝坝轴线（2）的沿线上设置至少一排坝体内渗透水位观测管（23）。

2.根据权利要求1所述的就地采用天然淤积级配不良细砂构筑均质砂坝的施工方法，其特征在于：步骤S05中，填筑细砂层（16）的每层填筑厚度不大于0.6m，并逐层压实。

3.根据权利要求1所述的就地采用天然淤积级配不良细砂构筑均质砂坝的施工方法，其特征在于：步骤S06中，坝外护坡基础（12）采取干砌块石结构，护坡基础（12）底必须深入天然砂卵石层（10）顶面线以下1.5m，使护坡基础（12）整体横向直线等高程水平布置，顶面横向布置与砂坝坝轴线（2）平行。

4.根据权利要求1所述的就地采用天然淤积级配不良细砂构筑均质砂坝的施工方法，其特征在于：步骤S07中，坝腰马道（18）采用水平布置。

5.根据权利要求4所述的就地采用天然淤积级配不良细砂构筑均质砂坝的施工方法，其特征在于：砂坝外侧护坡采用块石护坡（13），其包括由下至上依次设置的砂卵石反滤层（131）、碎石垫层（132）和干砌块石层（133），其中护坡基础（12）部位的砂卵石反滤层（131）与天然砂卵石层（10）相联接时水平联接长度不小于1.5m。

6.根据权利要求5所述的就地采用天然淤积级配不良细砂构筑均质砂坝的施工方法，其特征在于：砂坝坝腰区段填筑时设置排水溢出带（17），略向外侧倾斜，其外端头与砂卵石反滤层（131）衔接联通。

7.根据权利要求1或4所述的就地采用天然淤积级配不良细砂构筑均质砂坝的施工方法，其特征在于：步骤S07中，砂坝内侧护坡坡比为1∶2.75，采用草皮护坡（20），坝内坡趾区域设置排水棱体（21），坝内坡趾与坝内侧的取土坑（5）之间设有禁脚地（22）。

8.根据权利要求1所述的就地采用天然淤积级配不良细砂构筑均质砂坝的施工方法，其特征在于：步骤S08中，砂坝坝端部与岸边山岩体相接处，设置不同介质壤土过渡段（6），改由人工夯实，坝轴线（2）方向宽度不小于5m，与原地面线（15）壤土层相接时，需除原地面内表土腐殖层，抵触端点为山岩时，需采取防绕渗措施，需要在山岩体上至少开凿一道竖向凹槽，凹槽范围首先人工分层填筑和夯实壤土。

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