改性摻和料在黏土心墻土石壩中的應(yīng)用與分析

丁麗元　趙聽來

（湖南省光輝監(jiān)理有限公司　岳陽市　414000）

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改性摻和料在黏土心墻土石壩中的應(yīng)用與分析

丁麗元趙聽來

（湖南省光輝監(jiān)理有限公司岳陽市414000）

【摘要】黏土和砂礫石進(jìn)行摻和作為心墻防滲料運(yùn)用在土石壩中。文章論述了改性摻和料在黏土心墻土石壩中的摻和工藝、壓實(shí)特性及質(zhì)量控制的實(shí)踐應(yīng)用與分析?？晒╊愃乒こ虆⒖冀梃b。

【關(guān)鍵詞】改性摻和料黏土心墻土石壩摻和工藝壓實(shí)特性質(zhì)量控制應(yīng)用與分析

1　工程概述

獅泉河水電站位于西藏自治區(qū)西部阿里地區(qū)行署所在地獅泉河鎮(zhèn)上游約7km的獅泉河上，距拉薩市公路距離約1752km，距新疆葉城公路距離約1 100km。海拔高程4300m，高寒地遠(yuǎn)，對(duì)外交通不便。

電站壩址控制流域面積14 870km2，多年平均流量9.28m3/s，水庫(kù)蓄水位4 315m時(shí)，總庫(kù)容1.36 億m3。電站擋水建筑物采用黏土和砂礫石的摻和料作為心墻土石壩，2005年6月壩體填筑開始至2005年11月完成。2006年2月通過蓄水安全鑒定，至今大壩運(yùn)行安全穩(wěn)定。

2　黏土心墻土石壩結(jié)構(gòu)

黏土心墻土石壩最大壩高31m，壩頂高程4 318m，壩頂長(zhǎng)407.45m，寬6.00m，上、下游壩坡分別為1∶2.2和1∶2.0的砂卵石壩殼料。摻和料心墻頂高程4 317.50m，頂寬3m，上、下游坡均為1∶0.25，在黏土心墻上下游兩側(cè)設(shè)反濾層，壩下游基礎(chǔ)面設(shè)反濾排水層，壩下游坡腳采用貼坡式堆石排水，上、下游壩坡均采用干砌石護(hù)坡。壩基采用混凝土防滲墻防滲，混凝土防滲墻厚0.8m，最大墻深約73.2m（槽孔部分），右壩肩基巖及左壩肩覆蓋層均采用帷幕灌漿防滲。

3　摻和料基礎(chǔ)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析成果

西藏獅泉河水電站主要建筑物防滲心墻土石壩填筑料采用改性摻和土料，改性摻和土料的基本土料為塔那波料場(chǎng)黏土料，用阿里砂卵石料場(chǎng)的小于40mm粒徑砂礫石料和它進(jìn)行摻和。

（1）作為摻和料的塔那波料場(chǎng)黏土料基礎(chǔ)資料。

先后對(duì)塔那波料場(chǎng)黏土料進(jìn)行了20組物性試驗(yàn)，并以六偏磷酸鈉作為分散劑的雙比重計(jì)法對(duì)其是否屬分散性土進(jìn)行了論證，結(jié)論為分散性土。

20組物性試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)，其天然含水率平均3.0%，液限平均34.6%，塑限平均20.5%，塑性指數(shù)平均14.1；顆粒組成中，小于0.075mm粒徑顆粒含量92.04%，小于0.005mm粒徑顆粒含量54.56%。按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分類定名為低液限黏土（CL）。

（2）作為摻和料的阿里小于40mm粒徑砂礫石料基礎(chǔ)資料。

對(duì)阿里砂卵石料場(chǎng)開展的29組物理性試驗(yàn)成果和10組大型顆粒分析試驗(yàn)成果，共39個(gè)成果樣本進(jìn)行統(tǒng)計(jì)表明，其顆粒組成中，無大于200mm粒徑的漂石，（200～60）mm粒徑的卵石含量平均為9.30%，（60～2）mm粒徑的礫石含量平均為60.05%，（2～0.075）mm粒徑砂含量平均為29.89%，小于0.075mm粒徑顆粒含量平均為0.76%。不均勻系數(shù)48.57，曲率系數(shù)0.61，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)分類定名為級(jí)配不良礫（GP）。

阿里砂礫石料場(chǎng)的砂礫石料剔除大于40mm粒徑以上顆粒后的成品料，一料兩用，既作為反濾料使用，又作為心墻防滲摻和料的摻入料使用。

4　摻和料方案確定及現(xiàn)場(chǎng)摻和工藝試驗(yàn)論證

4.1摻和料方案確定

根據(jù)《碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范》SL 274-2001. P9.“4.1.10”中對(duì)礫石土粒徑大于5mm的顆粒含量不宜超過50%和小于0.075mm以下顆粒含量不應(yīng)少于15%原則，通過對(duì)塔那波料場(chǎng)黏土和阿里砂卵石料場(chǎng)剔除大于40mm粒徑顆粒的砂礫石進(jìn)行摻合作為心墻防滲料的壓實(shí)特性及其滲透變形、在反濾料保護(hù)下的抗?jié)B和防沖刷性能、力學(xué)強(qiáng)度特性的室內(nèi)試驗(yàn)，以及阿里天然砂卵石料剔除大于40mm粒徑顆粒直接作為反濾料和人工配制反濾料的比較。擬定摻和料方案：按干重量比“塔那波黏土料∶阿里小于40mm粒徑砂礫石料=50%∶50%”進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)摻和。

4.2現(xiàn)場(chǎng)摻和工藝試驗(yàn)論證

如何在施工現(xiàn)場(chǎng)確定一套既能滿足上述“摻和料方案”相關(guān)技術(shù)指標(biāo)，又能滿足施工強(qiáng)度的“摻和工藝”，同時(shí)，解決摻和均勻和加水至最優(yōu)含水率的難題。使得改性摻和料作為黏土心墻防滲材料這一工程措施能在實(shí)踐中得到有效檢驗(yàn)與運(yùn)用，現(xiàn)場(chǎng)通過兩種“摻和工藝”進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)，加以論證。

4.2.1現(xiàn)場(chǎng)摻和料摻和工藝

（1）第一種“摻和工藝”：將阿里小于40mm粒徑砂礫石料和塔那波黏土料根據(jù)干容重?fù)Q算成鋪料厚度，分層鋪料，一層砂礫石，一層黏土料，采取在鋪料過程中向砂礫料加水和不加水兩種組合，然后用裝載機(jī)翻騰拌和，并在拌和過程中人工輔機(jī)具加水。

（2）第二種“摻和工藝”：第一步，在黏土料場(chǎng)用反鏟挖溝，溝間距3m，溝深（2～3）m，然后向溝里灌滿水，進(jìn)行自然滲透1～2天后，用反鏟進(jìn)行充分拌和，使黏土含水均勻，并達(dá)到或超過最優(yōu)含水率。同時(shí)，對(duì)天然砂礫料進(jìn)行灌水，使之達(dá)到飽和狀態(tài)。第二步，測(cè)定充分拌和的黏土及天然砂礫料的含水率、干容重。第三步，根據(jù)兩種料的干容重?fù)Q算鋪料厚度，分層鋪料，一層砂礫石（進(jìn)占法），一層黏土料（退卻法），用裝載機(jī)按不同的遍數(shù)拌和后，分別取樣進(jìn)行顆分、含水量試驗(yàn)，判斷是否拌和均勻、含水量達(dá)到要求。

4.2.2現(xiàn)場(chǎng)取樣試驗(yàn)結(jié)論

（1）第一種“摻和工藝”：黏土天然含水量低，拌和過程中揚(yáng)塵較大，造成環(huán)境污染，且對(duì)施工人員身體傷害較大。同時(shí)，摻和過程中加水困難，黏土遇水易結(jié)塊，摻和不均勻，不能滿足設(shè)計(jì)相關(guān)技術(shù)指標(biāo)要求。

（2）第二種“摻和工藝”：通過多次現(xiàn)場(chǎng)對(duì)黏土加水取樣試驗(yàn)，在摻合前，黏土含水量可達(dá)10%～16%，加水后的黏土干容重為1.34 g/cm3，天然砂礫料干容重為1.946 g/cm3，砂礫料含砂率（≤5mm）為42%，據(jù)此理論計(jì)算黏土料和砂礫料摻和體積比為：1.5∶1。通過黏土不同含水量摻合試驗(yàn)，黏土含水量≤14%時(shí)摻合效果最佳，黏土含水量＞14%時(shí)摻合過程中黏土容易結(jié)塊。摻合4遍后，通過室內(nèi)顆分試驗(yàn)，黏土料和砂礫料摻合均勻。摻合前用于摻合的砂礫料砂率（≤5mm）為42%，摻合后摻和料≤5mm粒徑顆粒含量平均為72.3%，據(jù)此測(cè)算黏土和砂礫料的質(zhì)量比為60∶56，與理論計(jì)算十分吻合，摻合均勻。摻合后摻和料≤0.075mm粒徑顆粒含量平均為41.1%，據(jù)此反測(cè)算黏土和砂礫料的質(zhì)量比與理論計(jì)算吻合，摻合均勻。

摻合前黏土含水量控制在9%～14%之間，摻合遍數(shù)為4遍，根據(jù)砂礫料砂率變化幅度和保證黏土含量，摻合后≤5mm粒徑顆粒含量66%～78%、≤0.075mm粒徑顆粒含量39%～44%作為成品料控制指標(biāo)。摻合后摻和料含水率控制在9%～14%之間。

5　摻和料碾壓試驗(yàn)及碾壓質(zhì)量控制

5.1摻和料碾壓試驗(yàn)

5.1.1試驗(yàn)場(chǎng)地和鋪料

鋪料采用符合填筑技術(shù)指標(biāo)要求的摻和料進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn)。在右岸下游側(cè)0.6km處摻和料備料場(chǎng)用裝載機(jī)運(yùn)輸至試驗(yàn)場(chǎng)地，在專人的指揮下按進(jìn)占法進(jìn)行卸料，卸料達(dá)到一定面積后，用推土機(jī)平料，平料時(shí)，用標(biāo)桿控制其松鋪厚度。此次試驗(yàn)松鋪厚度共2種，分別為30 cm、40 cm，鋪填示意如圖1。

5.1.2試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)碾壓和取樣

將鋪好的心墻摻和料統(tǒng)一用由德國(guó)寶馬公司生產(chǎn)的BW216D-2型振動(dòng)碾沿行車方向（模擬壩軸線方向）靜壓2遍，開啟振動(dòng)碾壓4遍，然后按圖示位置用灌砂法（灌水法）測(cè)出其濕密度。同時(shí)取代表性試樣大于5 000 g（全級(jí)料），帶回試驗(yàn)室以做含水量試驗(yàn)。然后再振動(dòng)碾壓6遍，8遍，重復(fù)上述試驗(yàn)方法，測(cè)得各碾壓遍數(shù)下的濕密度及含水量，通過上述試驗(yàn)獲得參數(shù)計(jì)算各碾壓遍數(shù)下干密度。

圖1　鋪填示意圖

在整個(gè)碾壓試驗(yàn)過程中，振動(dòng)碾的行進(jìn)速度控制在2km/h。為防止漏碾或搭接處碾壓不密實(shí)，碾壓時(shí)的搭接碾壓寬度控制在（20～30）cm。

5.2心墻摻和料碾壓質(zhì)量控制

5.2.1試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)碾壓取樣及室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)

從現(xiàn)場(chǎng)取回的試樣中抽取試樣（35～45）kg，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)摻和料實(shí)測(cè)的含水率，按依次相差約2%的含水率，調(diào)制不少于5個(gè)試樣的含水率，其中2個(gè)大于最優(yōu)含水率，2個(gè)小于最優(yōu)含水率，并使其充分濕潤(rùn)且靜置24 h后進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)，通過擊實(shí)試驗(yàn)最后得到最大干密度2.027 g/cm3和最優(yōu)含水率10.4%。

5.2.2含水率、干密度實(shí)驗(yàn)

從現(xiàn)場(chǎng)取回的試樣中抽取試樣（1 000～2 000）g分裝在2個(gè)事先稱量過的盤中，稱出質(zhì)量，放入電熱鼓風(fēng)干燥箱中進(jìn)行烘烤（6～8）h，冷卻后稱量，分別得出濕土和干土質(zhì)量，再根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)算出的濕密度，計(jì)算出含水率和干密度。見表1和圖2。

5.2.3摻和料質(zhì)量控制

根據(jù)生產(chǎn)性試驗(yàn)成果，摻和料按質(zhì)量比1∶1進(jìn)行摻和，不得有團(tuán)狀物，成品料必須堆放2天以上，及時(shí)對(duì)上壩料進(jìn)行顆分和含水率檢測(cè)，不合格料不得上壩。由于摻和料中大于5mm粒徑顆粒含量隨機(jī)變化以及本工程所使用的摻和料為黏土料摻砂礫石料，兩種材料的親水性相差太大，同時(shí)，兩種材料的親和性較差；因此，本工程摻和料的碾壓控制及碾壓后的檢測(cè)除與其它工程摻和料有相同之處外，還有其不同之處：

表1　心墻摻和料碾壓試驗(yàn)成果

圖2　不同鋪料厚度時(shí)的干密度與碾壓遍數(shù)關(guān)系圖

（1）摻和料壓實(shí)度檢測(cè)：摻和料碾壓壓實(shí)度檢測(cè)宜采用“固定全料壓實(shí)度（壓實(shí)度=100%），浮動(dòng)全料干密度（全料干密度隨粗粒含量不同而不同）”。

（2）摻和料含水率：摻和料碾壓前加減含水率宜采用小于5mm粒徑的含水率作為控制標(biāo)準(zhǔn)。碾壓后含水率檢測(cè)，可用全料含水率作為標(biāo)準(zhǔn)，也可用小于5mm粒徑的含水率作為標(biāo)準(zhǔn)。

5.2.4摻和料質(zhì)量控制檢測(cè)成果

黏土心墻摻和料設(shè)計(jì)最大干密度與＜5mm的顆粒含量成線性關(guān)系，Y=2.064-0.002887（X-68）（其中：X為＜5mm的顆粒百分含量%，Y為最大干密度g/cm3）?，F(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)度共抽檢459組，最大值1.06，最小值0.99，平均值1.00，抽檢成果表明：壓實(shí)度、干密度、含水量及顆料級(jí)配含量等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求。見表2和表3。

表2　心墻摻和料抽檢成果統(tǒng)計(jì)表

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作者簡(jiǎn)介：丁麗元（1971-），男，湖南華容人，大學(xué)本科，工程師，目前從事水利水電管理工作，手機(jī)：18973089856。