礫質(zhì)土心墻土石壩雨后快速復(fù)工技術(shù)研究

安可君，劉盛乾

(華能瀾滄江水電股份有限公司苗尾·功果橋水電工程建設(shè)管理局，云南大理672708)

0 引 言

在土石壩工程領(lǐng)域，礫質(zhì)土作為防滲體的應(yīng)用已經(jīng)有近百年的歷史，特別是進入21世紀，作為再生能源的水電進入了快速發(fā)展期，帶動了攔水建筑物心墻土石壩的發(fā)展。天然礫質(zhì)土因其較好的防滲性、易于壓實等特性，在土石壩防滲心墻中得到了較為廣泛的應(yīng)用[1- 6]。對于礫質(zhì)土，含水量處于最優(yōu)含水率附近時，易于壓實，而偏離最優(yōu)含水率則無法壓實，從而在工程應(yīng)用中，必須采取相應(yīng)的調(diào)節(jié)含水率處理措施。其中，當含水率超過最優(yōu)含水率較高時，目前采取的方式是自然翻曬，通過日照的蒸發(fā)作用，將含水率降低至最優(yōu)含水率附近。該方法在工程建設(shè)中得到長期應(yīng)用，但該方法暴曬時間長，含水率不易控制，特別是在苗尾心墻土石壩這種工期緊、任務(wù)重的土石壩建設(shè)過程中，并不適用。因此，研究更加科學合理、省時省力的雨后快速施工技術(shù)，具有重要的理論和現(xiàn)實意義。

1 工程概況

1.1 概況

苗尾水電站為一等工程，電站正常蓄水位1 408.00 m，總庫容7.48億m3，電站總裝機容量1 400 MW，為周調(diào)節(jié)水庫。大壩為礫質(zhì)土心墻堆石壩，壩頂高程1 414.80 m，最大壩高131.30 m；心墻頂高程1 412.80 m，心墻底高程1 285 m，心墻最大高度127.80 m；壩頂長576.68 m，礫質(zhì)土心墻頂寬4 m，上下游坡比均為1∶0.25，心墻與墊層混凝土接觸部位采用1.0～2.0 m厚的接觸粘土過渡，心墻上下游均設(shè)兩層反濾層，上下反濾層坡比1∶0.25，過渡層頂部水平寬度6 m，上、下游坡比均為1∶0.3。

1.2 汛期施工氣候要求

礫質(zhì)土心墻壩填筑施工受氣候條件影響較大，特別是心墻防滲料和接觸性粘土填筑施工。根據(jù)有關(guān)施工技術(shù)規(guī)范要求和招標文件提供的水文氣象資料：

(1)接觸性粘土料。日降雨量小于0.5 mm時，正常施工；日降雨量為0.5～5 mm時，雨日停工；日降雨量為5～10 mm時，雨日停工，雨后0.5日復(fù)工；日降雨量為10～30 mm時，雨日停工，雨后1日復(fù)工；日降雨量大于30 mm時，雨日，雨后2日復(fù)工。

(2)礫質(zhì)土防滲料。日降雨量小于5 mm時，正常施工；日降雨量為5～10 mm時，雨日停工；日降雨量為10～30 mm時，雨日停工，雨后0.5日復(fù)工；日降雨量大于30 mm時，雨日停工，雨后1日復(fù)工。

表1 完成的試驗內(nèi)容匯總

注：ωop為最優(yōu)含水率．

1.3 研究背景和意義

土石壩填筑直接受外界氣候環(huán)境因素的影響很大，尤其是對作為心墻防滲土料的礫質(zhì)土以及高塑性粘土影響更大，降雨會增加土料的含水量，含水率不易控制，影響碾壓施工質(zhì)量。電站所處區(qū)域每年6月～ 9月為主汛期，降雨量大，持續(xù)時間長，對大壩心墻填筑施工影響很大。根據(jù)施工進度計劃安排，苗尾水電站心墻填筑跨2014年、2015年汛期施工，受前期左右岸壩肩邊坡變形加固處理影響，工期有一定壓縮。

心墻填筑料總方量約176.43萬m3，根據(jù)礫質(zhì)土料碾壓試驗成果，心墻填筑設(shè)計層厚不超過25 cm，心墻礫質(zhì)土料的填筑含水率按最優(yōu)含水率偏干1%～最優(yōu)含水率偏濕3%標準控制，接觸粘土料的填筑含水率按最優(yōu)含水率偏濕1%～最優(yōu)含水率偏濕3.5%標準控制，全過程實施數(shù)字化大壩碾壓系統(tǒng)監(jiān)控，礫質(zhì)土料全料壓實度≥95%復(fù)核，小于20 mm顆粒細料壓實度≥98%，接觸性黏土料全料壓實度

≥95%，工程碾壓標準要求高，汛期施工氣候要求高，施工難度大，工期任務(wù)緊。為保證壩體填筑施工進度，滿足安全度汛目標，同時降低工程造價，研究雨后快速施工技術(shù)，具有重要的理論和實踐價值。

2 生石灰快速脫水機理

(1)化學反應(yīng)。生石灰遇水將發(fā)生化學反應(yīng)，從而起到吸收水分的作用。單位質(zhì)量的生石灰，最后變成質(zhì)量為1.786的CaCO3。

(2)蒸發(fā)損失。在生石灰與水反應(yīng)過程中，會產(chǎn)生熱量，產(chǎn)生的熱量將增加水分的蒸發(fā)損失。水分的蒸發(fā)損失主要影響因素有面積、風速、溫度、相對濕度等，為了研究問題的簡化，忽略其他的次要因素影響，最后根據(jù)結(jié)果做一定折減。對于蒸發(fā)損失，需要通過試驗法來進行確定，具體如下：①選取1 m2、風速1 m/s、氣溫10 ℃(換算成熱力學溫度)、相對濕度50%的水面，測得每小時蒸發(fā)量為A1；②其他參數(shù)不變，把氣溫提高為20 ℃，測得每小時蒸發(fā)量A2；③其他參數(shù)不變，把氣溫提高為30 ℃，測得每小時蒸發(fā)量A3；④其他不變，風速變?yōu)? m/s，測得B1……以此類推，根據(jù)試驗數(shù)據(jù)，最后得到生石灰與水發(fā)生反應(yīng)的單位時間蒸發(fā)損失量。

3 試驗結(jié)果與分析

根據(jù)已有試驗條件，開展了以下相關(guān)試驗研究，具體見表1。

3.1 蒸發(fā)系數(shù)測定

3.1.1 土料的天然含水量及壓實度

試驗從左岸土料場取土料，采用152 mm型擊實儀進行小于5 mm以下細料的擊實，分別測定ωop+2%、ωop+4%、ωop+6%、ωop+8%4種含水率土料擊實以后的含水率及干密度，得出天然礫質(zhì)土的最

表2 各試樣含水量與摻灰量

注：最優(yōu)含水率為14.5%，生石灰的CaO含量由于試驗之前未進行有效成份的鑒定，假定為100%。

表3 摻灰至22 h的含水損失 g

優(yōu)含水率為17.7%，最大干密度為1.79 g/cm3。擊實實驗所得的含水率—干密度曲線，曲線較陡，峰值明顯，符合天然礫質(zhì)土的擊實特征。

3.1.2 水分損失分析

偏濕含水率與摻灰量見表2。

從表2可以看出，無論是灰水比，還是灰偏濕水比都小于3.11∶1，按照以上的過濕含水率，摻加以上的石灰，通過化學反應(yīng)來吸收土料的過濕水分，是無法實現(xiàn)的。4組土樣經(jīng)過摻加石灰以后，其含水率都不會降低至最優(yōu)含水率附近，究其原因是水分蒸發(fā)造成的。試驗過程中測定的試樣最高溫度為29.6 ℃，室內(nèi)溫度為25.5 ℃，基本處于無風狀態(tài)。該狀態(tài)下，水分蒸發(fā)系數(shù)約為26.3%。

3.1.3 質(zhì)量變化分析

圖1 質(zhì)量變化曲線

根據(jù)2.1的分析，化學反應(yīng)后生石灰質(zhì)量將增大1.786倍，而圖1反應(yīng)其質(zhì)量是逐步降低的。因此，圖1反應(yīng)的并不是水分損失以后的質(zhì)量變化，必須扣除CaCO3引起的質(zhì)量增加量才是試驗的水分損失量。石灰摻拌以后第22 h，其質(zhì)量變化見表3。

4組試樣最終的含水量，與試驗測定完成的結(jié)果基本一致，其中的第二組試樣，含水最低，第4組試樣的含水也最低。試樣的質(zhì)量與時間的關(guān)系，可以采用下式計算

M(g)=-At2-Bt+C

(1)

A=-0.0125Q2+0.0014ω0+0.431

(2)

(3)

C=3153ω-0.039

(4)

式中，M、t分別為質(zhì)量、時間；A、B、C為與試樣含水率、摻灰量有關(guān)的參數(shù)；Q、ω0分別為摻灰比例和初始含水率。

則t時間的含水率ω可以表示為

ω=[M0-M(g)]/M干=(-At2-Bt+C)/M干

(5)

式中，M0為初始濕土重；M干為干土重。

3.1.4 蒸發(fā)系數(shù)

1.5 統(tǒng)計學分析 使用SPSS 19.0軟件行統(tǒng)計學分析，驗證計量資料符合正態(tài)分布后使用均值±標準差表示，并行t檢驗，使用百分率(%)表示計數(shù)資料，行卡方檢驗，以P<0.05為差異有統(tǒng)計學意義。

對于各試樣摻加石灰以后，測定從摻灰開始直至往后的22 h的水分損失，試驗結(jié)果見圖2。

通過圖2可以看出，摻加石灰以后，生石灰與試樣中的水分發(fā)生化學反應(yīng)，吸收水分，試樣含水

圖2 不同摻灰比例下的含水率降低與時間的關(guān)系曲線

組號初始含水量/g含水量/g1.5 h6.5 h22 h蒸發(fā)系數(shù)1.5 h6.5 h22 h1296.01260.51143.3366. 230.120.520.772331.89297.55115.8927.530.100.650.923367.77335.39187.3388.530.0880.490.764403.65365.75154.2544.850.0940.620.89

率急劇降低，主要發(fā)生在摻灰以后的1.5 h內(nèi)。在4 h 左右，含水率降低出現(xiàn)一峰值，該峰值的出現(xiàn)是由于發(fā)生化學反應(yīng)，釋放出反應(yīng)所吸收的水分，其質(zhì)量相同，在蒸發(fā)損失的影響下，呈現(xiàn)出較初始含水率降低稍低的含水率降低峰值。曲線擬合

p=0.002 2t4-0.102 9t3+1.600 4t2-9.181t+ 21.492

(6)

式中，p為含水率降低值；t為時間。

本試驗條件為無風、室溫25.5 ℃的外部條件。根據(jù)試驗檢測結(jié)果，在摻灰完成后的1.5 h，含水量變化最為明顯，第6.5 h CaCO3生成基本完成。蒸發(fā)系數(shù)計算結(jié)果見表4。

3.2 壓實特性結(jié)果分析

對天然礫質(zhì)土摻加石灰以后的壓實特性進行擊實試驗，分別測定摻加石灰以后的最大干密度和最優(yōu)含水率。土料摻加石灰后，為了有效控制水分的損失，采用悶土的方式進行封閉，經(jīng)過24 h，進行擊實試驗。試驗結(jié)果見圖3。

圖3 不同摻灰比例下的擊實試驗結(jié)果

從圖3可以明顯看出，土料摻加石灰后，其擊實曲線較不摻加石灰的天然礫質(zhì)土料的擊實曲線平緩，并且呈現(xiàn)摻量越多峰值越不明顯；此外，隨著摻灰量的增加，擊實曲線變得越來越平緩，也就是說摻加石灰以后，土料易于擊實，壓實度能夠較為容易地達到最大壓實度。

3.3 滲透性試驗結(jié)果分析

對天然的礫質(zhì)土、摻加石灰以后的石灰處置土進行變水頭試驗，測定不同摻灰比例下的石灰處置土的滲透性能。摻灰比例分別為0、2%、4%、6%、8%，試驗各兩組，進行悶土24 h后，再進行滲透性制樣及試驗。試驗結(jié)果見表5。

表5 不同摻灰比例下的石灰處置土的滲透系數(shù)

從表5可以看出，摻加石灰以后，石灰處置土的滲透系數(shù)都小于10-7cm/s，滿足作為土石壩防滲心墻滲透性要求。摻加石灰2%～4%以后，其滲透系數(shù)較天然礫質(zhì)土滲透性較大，但是差異性不大；摻加石灰6%以后，其滲透系數(shù)明顯降低，主要是由于化學反應(yīng)生成的CaCO3起到了細料作用，增加了土料中的細料含量，從而降低了滲透性。根據(jù)試驗結(jié)果，反推滲透系數(shù)與摻灰比例之間滿足如下關(guān)系式

K20=-2×10-8Q2+1×10-7Q+8×10-8

(7)

式中，Q為摻灰比例。

根據(jù)式(7)可以看出，從滲透性考慮，土石壩防滲心墻石灰摻量不宜超過8%。摻量過大將造成土石壩防滲心墻孔隙水壓力不能正常消散，增加心墻土料的孔隙水壓力，不利于水力劈裂的有效控制。

3.4 現(xiàn)場試驗

采用人工撒灰、推土機履帶摻拌的方式進行摻拌，見圖5。分別測定摻拌完成以后0.3、2.5h的土料含水率，以及測定兩個時間段的土料壓實性能。摻灰比例計算如下：

圖4 試驗分區(qū)及點位(單位：cm)

試驗區(qū)一過濕土重6 m×4 m×0.06 m×1.89 g/cm3=2.72×103kg；摻灰比例(濕土)75/(2.72×103)=2.7%。

試驗區(qū)二過濕土重4 m×4 m×0.06 m×1.89 g/cm3=1.81×103kg；摻灰比例(濕土)25/(1.81×103)=1.1%。

摻灰以前，先按照指定位置進行含水率的取樣，作為過濕土的初始含水率。經(jīng)過0.3 h，在現(xiàn)場對摻拌均勻土進行點位取樣回室內(nèi)監(jiān)測其含水率。經(jīng)過2.5 h，再進行第三次取樣，回室內(nèi)做含水率檢測。碾壓完成以后，挖坑取樣回室內(nèi)做壓實度檢測。取典型的10個試樣根據(jù)未摻拌石灰時、摻拌石灰0.5、3.0 h后的含水率變化，建立含水率與時間的變化曲線見圖5。

圖5 現(xiàn)場試驗含水率變化曲線

從圖5可以看出，現(xiàn)場試驗結(jié)果基本與室內(nèi)試驗結(jié)果一致。摻灰3h后，10個試樣含水率降低都在3%左右。因此，根據(jù)現(xiàn)有心墻填筑設(shè)備采取的摻拌方法以及碾壓方式，對于處理心墻的過濕土能夠起到較好效果。

4 結(jié)論及建議

通過已完成的初期試驗研究，得出以下結(jié)論：

(1)石灰處理過濕土，在石灰摻量有限的情況下，更多的是通過生石灰與水發(fā)生化學反應(yīng)所釋放

熱量來增加水分蒸發(fā)損失的速度，實現(xiàn)水分的損失。

(2)土料摻拌石灰以后，t時刻的含水率可以通過3.1.3節(jié)中計算式求得，根據(jù)礫質(zhì)土過濕含水率、計劃開始填筑的時間、土料的干密度，計劃所需摻灰量。

(3)土料摻加石灰以后，擊實曲線變得越來越平緩，土料易于擊實，壓實度能夠較為容易達到最大壓實度，且摻灰越多，該特性表現(xiàn)越明顯。

(4)摻加石灰以后，石灰處置土的滲透系數(shù)都小于10-7cm/s，滿足作為土石壩防滲心墻的滲透性要求。但作為土石壩的防滲心墻，從滲透性考慮，石灰摻量不宜超過8%。摻量過大將造成土石壩防滲心墻孔隙水壓力不能正常消散，增加心墻土料的孔隙水壓力，不利于水力劈裂的有效控制。

(5)初步建立了基于目前心墻已有填筑設(shè)備的心墻過濕土石灰摻拌及碾壓方法。

(6)通過試驗，礫質(zhì)土摻加生石灰以后，脫水效果明顯、易于壓實，滲透性未受到影響，可以保證填筑質(zhì)量，提高填筑進度。該研究結(jié)論可為同類型土石壩填筑施工提供參考與借鑒。