土灰混合吹填筑壩施工過程中應(yīng)注意的技術(shù)要點(diǎn)

向德華

【摘 要】粉煤灰水力沖填筑壩技術(shù)是成熟的施工技術(shù)，已廣為推廣。粉煤灰透水性較強(qiáng)，利用土與粉煤灰混合吹填筑壩，特別是用于火力發(fā)電廠灰?guī)斓馁A灰場(chǎng)擋壩尤為適宜。土灰混合吹填筑壩是在粉煤灰筑壩的基礎(chǔ)上嘗試完成的，它非常適宜于雨水量大、粘土少的地區(qū)使用，它能避免粉煤灰松散，雨水期間施工難度大的弱點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】土灰混合 吹填筑壩 技術(shù)要點(diǎn)

1施工方法及工藝流程

1.1施工方法

土灰混合吹填，首先要分別制備泥漿與灰漿。施工時(shí)兩種漿液的制備均用DY50-15型號(hào)的水力沖填機(jī)組，由操作工同時(shí)施工，灰漿及泥漿通過Y型并聯(lián)管路進(jìn)行混合后，送到作業(yè)面筑壩。泥漿泵、灰漿泵互不影響，管線移動(dòng)較方便。如輸距超過250m，每超200m增加1臺(tái)中繼泵輸送。

混合吹填期間，混合后的漿液在水平流動(dòng)過程中，逐漸沉積，自首至尾各斷面的沉積物的平均粒徑d50逐漸變小，其物理力學(xué)性質(zhì)也隨之變化，也就是沖填過程發(fā)生了顆粒分選現(xiàn)象。而通過混合后的漿液再經(jīng)過渣漿泵攪拌后送至作用面，其自首至尾各斷面沉積物的平均粒徑d50變化較小，物理力學(xué)性質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，也就是沖填過程顆粒分選現(xiàn)象不明顯。

當(dāng)土灰混合漿排出明水沉積結(jié)束后，分別在表面上進(jìn)行人工晃壓和小型機(jī)具振動(dòng)，并檢驗(yàn)其壓密效果。

1.2施工工藝流程

施工過程類似于粉煤灰水力沖填筑壩施工工藝。

修筑圍埝、劃分畦塊→水力沖挖切割、粉碎造漿→泥漿泵、輸泥管吸送（土）灰漿→混合土灰漿吹填畦塊→沉淀、排水→人工踩排→排水固結(jié)→平板振動(dòng)器振密。

2施工過程中應(yīng)該注意的技術(shù)要點(diǎn)

2.1灰料選擇問題

由于電廠排灰在灰?guī)斓某练e過程中發(fā)生了分選現(xiàn)象，所以灰?guī)靸?nèi)各處沉積的粉煤灰其顆粒級(jí)配是不一樣的。離排灰管道出口越近則越粗，越遠(yuǎn)則越細(xì)。

一般來講，粘性土摻入的粉煤灰越粗，則混合料的透水性越好，固結(jié)速率越快，抗剪強(qiáng)度也越大。因此，土灰混合筑壩應(yīng)盡量使用顆粒較粗的粉煤灰，以便土灰混合吹填后能獲得較好的工程性質(zhì)。

2.2土灰配比問題

試驗(yàn)將土灰質(zhì)量比為1：1作為研究配比。

通過試驗(yàn)研究，我們觀察與認(rèn)識(shí)到：由于土料的比重為2.70，粉煤灰的比重為1.80（不同灰場(chǎng)粉煤灰的比重有所不同），加之前者較密實(shí)，后者較松散，而土料則由于各種原因顆粒之間存在著一定的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，入水后不易充分分散，一部分以單粒形式存在，另一部分則以原級(jí)顆粒集結(jié)而成的團(tuán)粒形式存在，所以，土顆粒（包括團(tuán)粒）的數(shù)目，也小于粉煤灰顆粒數(shù)目。土顆粒（包括團(tuán)粒）下沉快，粉煤灰顆粒下沉慢，容易發(fā)生分選現(xiàn)象，形成不均勻沉積，表面出現(xiàn)粉煤灰層。

通過觀察我們認(rèn)為土灰質(zhì)量比為1.5：1比較合適，上述質(zhì)量比折算成土灰體積比為：

（1）

這樣，土的體積，重量和顆粒數(shù)量增多了。粉煤灰中的多孔硅鋁玻璃體吸附土料中的細(xì)小顆粒的機(jī)會(huì)也增多了，有利于土灰混合，使不均勻沉積現(xiàn)象得到了很大的緩解。質(zhì)量比1：1與質(zhì)量比1.5：1的土灰混合料，其力學(xué)性質(zhì)相差不多。

2.3漿液混合問題

對(duì)于混合施工的效果需要進(jìn)行檢測(cè)與評(píng)價(jià)。在排放混合漿液的管壁上（靠近出口的某斷面）均勻設(shè)置4個(gè)測(cè)量孔，以接取試樣。

評(píng)價(jià)混合均勻程度的指標(biāo)采用變異系數(shù)Cv

（2）

式中 i—各測(cè)點(diǎn)取樣測(cè)得的浮密度i=1，2，3，4；

p′—各測(cè)點(diǎn)取樣測(cè)得的浮密度的平均值；

n—測(cè)點(diǎn)數(shù)目，為4；

s—標(biāo)準(zhǔn)差。

對(duì)取得的試樣除分別測(cè)量浮密度，并用目力鑒別，比較同一混合漿液的四個(gè)試樣的沉積速度，沉積高度與顏色等有無差異。

試驗(yàn)出漿管的雷諾系數(shù)均在70000以下，流速在2m/s以內(nèi)，小于輸泥管工作流速2.5～3.5m/s（軟泥至中砂）。如果進(jìn)一步加大流速，則漿液的紊動(dòng)摻混作用亦隨之增大，將更有利于混合均勻。增加中繼泵輸送對(duì)壩體上管道的移動(dòng)沒有影響，但有利于土灰兩種漿液的充分混合。

2.4濃度選擇問題

土灰質(zhì)量比為1.5：1，質(zhì)量濃度（混合料質(zhì)量與漿液總質(zhì)量之比）分別為20、30、40、50%，容積1000c.c（cm3）中所含的土料，灰料與水的質(zhì)量見表1。

表1 1000C.C.中土、灰、水含量

質(zhì)量濃度（%） 土料

（g） 粉煤灰

（g） 土+灰

（g） 水

（g）

20 135.8 90.5 226.3 905.3

30 218.7 145.8 364.5 847.5

40 314.0 209.3 523.3 781.0

50 423.0 282.0 705.0 705.0

四種濃度的漿液在管路中均較通暢，流動(dòng)性好。由表1可知，濃度越高，相同體積內(nèi)含有的干料越多水分越少。從吹填畦塊

和量筒沉積試驗(yàn)得知：漿液濃度高還有另外一個(gè)好處，即土灰的混合質(zhì)量比較均勻，沉積層中由上向下色差不太大。顆粒分選現(xiàn)象不嚴(yán)重。但漿液濃度高，會(huì)影響固相顆粒在水中的沉落速度。表2是量筒（1000c.c）沉積試驗(yàn)結(jié)果。

表2 1000c.c漿液沉積試驗(yàn)結(jié)果

質(zhì)量濃度（%） 20 30 40 50

沉積完成時(shí)間（小時(shí)） 1 1.5 2.0 2.5

澄清水柱高度（cm） 24.8 19.8 14.0 8.0

沉積層厚度（cm） 8.2 13.2 19.0 25.0

需要指出的是：漿液的濃度高，沉積的時(shí)間雖較長，但沉積層厚度較大，也就是沖填沉積物的總量大。

2.5沖填厚度問題

混合土灰漿液沉積后，其上部明水層與下部沉積層在厚度上是存在著一定比例關(guān)系的，見表2。為保持畦埂的穩(wěn)定，明水層厚度不宜過大，一般以不超過50cm為宜。這可以做為一個(gè)控制條件。壩面排走明水后，為便于工人和小型機(jī)具在飽水軟弱的沉積層上活動(dòng)，對(duì)沉積層進(jìn)行壓密，沉積層也不宜過厚，一般以30cm左右為宜，這可以做為又一個(gè)控制條件。

施工中如果遵循這兩個(gè)控制條件，則土灰質(zhì)量比為1.5：1各種濃度下的允許沖填沉積厚度可以推算出來，見表3。

表3 各種濃度漿液的每層沖填厚度

漿液質(zhì)量濃度（%） 20 30 40 50

明水層厚度（cm） 50 45 22 9.6

沉積層厚度（cm） 16.5 30 30 30

沉積飽和密度（g/cm3） 1.53 1.53 1.53 1.53

沉積層含水量（%） 68 68 68 65

沉積干密度（g/cm3） 0.91 0.91 0.91 0.93

表中20%濃度條件下是按明水層不超過50cm做為控制條件的。其余是按沖填沉積厚度不超過30cm來控制的。

2.6質(zhì)量均勻問題

修建均質(zhì)壩，要求沖填沉積質(zhì)量均勻，為達(dá)到此目的：

①水力沖填施工中，分畦不宜過大，并應(yīng)頻繁移動(dòng)出漿口，以減少由于漿液水平流動(dòng)所產(chǎn)生的固相顆粒分選沉積現(xiàn)象。

②加大漿液濃度，阻滯顆粒自由沉降，也是減少顆粒分選，促進(jìn)沖填沉積質(zhì)量比較均勻的有力措施。

③限制每層沖填厚度，減少顆粒在水中的沉降距離和時(shí)間，使顆粒分選產(chǎn)生的層次轉(zhuǎn)薄，從而提高了整體的均勻程度。

④沉積層內(nèi)，一般底部土粒較多，而頂部則灰粒較多，中間為過渡帶。如果沖填厚度較簿，在人力或小型機(jī)具的活動(dòng)與工作的影響下，可使下一層頂部的灰粒與土上一層底部的土料得到一定程度的混合。

2.7明水溢流問題

土灰質(zhì)量比為1.5：1，各種濃度的漿液中總水量及沉積后明水量與孔隙水量見表4。

表4 各種濃度漿液沉積后所含水量

質(zhì)量濃度（%） 20 30 40 50

總水量（%） 80 70 60 50

明水量（%） 83 71 54 35

孔隙水量（%） 17 29 46 65

表中總水量用所占漿液總質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)表示，明水量用所占總水量的百分?jǐn)?shù)表示，孔隙水量也用所占總水量的百分?jǐn)?shù)表示。

從表4可以看出，混合漿液沉積后需要排出大量的表層明水。然后才能借助蒸發(fā)滲漏進(jìn)一步排除孔隙中水并采用人力或小型機(jī)具進(jìn)行壓實(shí)。

排水方法有：畦埂內(nèi)埋管，管的入口處可設(shè)置一個(gè)能夠調(diào)節(jié)高程插入土中的蓋板使明水隨來隨排，并防止顆粒流失。排水管隨壩面不斷升高；虹吸管排水，即用細(xì)膠管形成虹吸，將明水排出壩外。排水施工應(yīng)抓緊、及時(shí)，以免延誤工期。

2.8壩體排水問題

表層明水排走后，沉積層中還含有大量孔隙水?；旌蠞{液的的濃度越高，孔隙水的含量越大?？紫端饕伤c固相顆粒所受重力產(chǎn)生的水頭差而形成的滲流，通過壩基、邊坡、壩面及壩體內(nèi)設(shè)置的水平與垂直排水設(shè)施排出。壩基透水或不透水，壩體飽和或非飽和，垂直與水平排水效能的好壞，對(duì)排出沉積層孔隙水所產(chǎn)生的效果是大不一樣的。

在上述滲透排水過程中，壩體內(nèi)出現(xiàn)了滲流場(chǎng)，同時(shí)也產(chǎn)生了滲流力I

I=γwi

式中γw—水的容重

i—水頭梯度

滲流力I是一個(gè)體積力，其方向與滲流方向相同，孔隙水向壩基、邊坡和排水設(shè)施滲透所產(chǎn)生的滲流力對(duì)沉積層的固結(jié)是很有益的。沉積層中孔隙水的局部滲失，特別是全部滲失，對(duì)人工或小型機(jī)具的壓密作用，將提供很大的方便，較高的效率和很好的效果。

壩體排水影響到壩體的固結(jié)和穩(wěn)定，是土灰混合吹填筑壩技術(shù)成敗優(yōu)劣的關(guān)鍵所在，在施工期間應(yīng)有足夠的重視。

2.9分層壓密問題

明水排走靜置一段時(shí)間后我們?cè)诔练e表面上分別進(jìn)行了人工晃動(dòng)密實(shí)和小型機(jī)具振動(dòng)壓密的試驗(yàn)研究。

人工晃動(dòng)壓密的機(jī)理是人體重量在沉積層內(nèi)產(chǎn)生了超靜水壓力，對(duì)表面產(chǎn)生了水頭差；而晃動(dòng)又使層內(nèi)出現(xiàn)裂縫和薄弱環(huán)節(jié)，提供了通向表面的排水通道。肉眼可觀察到沉積層表面上有許多小泉眼向外涌水，此種現(xiàn)象能繼續(xù)一般時(shí)間，經(jīng)過2-3遍人工晃壓后，沉積層的干密度可由原來的0.9g/cm3左右，上升到1.20g/cm3左右，沉積層厚度可減少1/4左右。實(shí)踐證明效果尚可，但每層的沖填厚度不可過大，否則在其上活動(dòng)，甚為不便。

小型機(jī)具（包括振搗棒和平板振動(dòng)器）振動(dòng)壓密的機(jī)理是在動(dòng)力的作用下使固相顆粒脫離接觸，然后重新排列達(dá)到密實(shí)的目的，由于土灰混合料的透水性遠(yuǎn)較粉煤灰為小，因而排水遲緩，效果不理想，而且機(jī)具在沉積層上活動(dòng)也有困難。

當(dāng)沉積層水位降落后，不論使用人工壓實(shí)或小型機(jī)具振動(dòng)壓實(shí)，效果均較明顯，沉積層可減少1/3左右，干密度能提高到1.30g/cm3以上。這樣的壩體已經(jīng)具有較好的強(qiáng)度，隨著壩面升高還會(huì)進(jìn)一步固結(jié)，可以保證施工期間壩體穩(wěn)定安全。

2.10施工速度問題

施工速度與沖填土料性質(zhì)關(guān)系密切，粘粒含量小的可施工快些；反之則應(yīng)慢些。即主要視其滲透系數(shù)大小來決定施工速度。此外，當(dāng)壩較低時(shí)，可以快一些；反之，則慢一些。

《土壩設(shè)計(jì)》所給出的自流式?jīng)_填壩允許施工速度可供參考。

表5允許施工速度

土的種類 砂壤土 輕粉質(zhì)壤土 中粉質(zhì)壤土

允許施工速度（米/日） 施工期平均 0.25-0.30 0.20-0.25 0.15-0.20

最大旬的日平均 0.35 0.30 0.25

清鎮(zhèn)發(fā)電廠塘關(guān)灰場(chǎng)灰壩修復(fù)工程混合吹填筑壩所用的土料分類為中粉質(zhì)壤土，粉煤灰分類為輕粉質(zhì)壤土，參考表5，施工速度定為每天一層，每層的沖填厚度確定為30-35cm，經(jīng)過排水蒸發(fā)滲透壓密可得到20-24cm的厚度是適宜的。

3結(jié)語

土灰混合吹填筑壩是在粉煤灰筑壩的基礎(chǔ)上嘗試完成的，它非常適宜于雨水量大、粘土少的地區(qū)使用，它能避免粉煤灰松散，雨水期間施工難度大的弱點(diǎn)。具有重要的經(jīng)濟(jì)意義與社會(huì)意義和廣闊的發(fā)展前景。已在塘關(guān)灰場(chǎng)灰壩修復(fù)工程、甘田壟灰場(chǎng)灰壩工程中應(yīng)用，取得了良好的效果。

經(jīng)過試驗(yàn)研究，我們認(rèn)為：應(yīng)盡量選用顆粒較粗的粉煤灰供上壩用。土灰質(zhì)量比以1.5∶1為適宜。兩種漿液通過Y型并聯(lián)管混合最方便?；旌蠞{液濃度應(yīng)盡量提高。沉積后的明水層深度不應(yīng)超過0.5米，沉積層厚度取30厘米左右比較合適。分畦不宜過大，并應(yīng)頻繁移動(dòng)出漿口，必要時(shí)使吹填粉煤灰與吹填土料有一個(gè)時(shí)間差，以促進(jìn)沖填質(zhì)量的均勻。及時(shí)排走明水，加以人工或小型機(jī)具進(jìn)行壓密能加快施工進(jìn)度。以每日一層為宜。