砾质土心墙土石坝雨后快速复工技术研究

2018-12-20安可君刘盛乾

水力发电 2018年9期

安可君，刘盛乾

(华能澜沧江水电股份有限公司苗尾·功果桥水电工程建设管理局，云南大理672708)

0 引言

在土石坝工程领域，砾质土作为防渗体的应用已经有近百年的历史，特别是进入21世纪，作为再生能源的水电进入了快速发展期，带动了拦水建筑物心墙土石坝的发展。天然砾质土因其较好的防渗性、易于压实等特性，在土石坝防渗心墙中得到了较为广泛的应用[1- 6]。对于砾质土，含水量处于最优含水率附近时，易于压实，而偏离最优含水率则无法压实，从而在工程应用中，必须采取相应的调节含水率处理措施。其中，当含水率超过最优含水率较高时，目前采取的方式是自然翻晒，通过日照的蒸发作用，将含水率降低至最优含水率附近。该方法在工程建设中得到长期应用，但该方法暴晒时间长，含水率不易控制，特别是在苗尾心墙土石坝这种工期紧、任务重的土石坝建设过程中，并不适用。因此，研究更加科学合理、省时省力的雨后快速施工技术，具有重要的理论和现实意义。

1 工程概况

1.1 概况

苗尾水电站为一等工程，电站正常蓄水位1 408.00 m，总库容7.48亿m3，电站总装机容量1 400 MW，为周调节水库。大坝为砾质土心墙堆石坝，坝顶高程1 414.80 m，最大坝高131.30 m；心墙顶高程1 412.80 m，心墙底高程1 285 m，心墙最大高度127.80 m；坝顶长576.68 m，砾质土心墙顶宽4 m，上下游坡比均为1∶0.25，心墙与垫层混凝土接触部位采用1.0～2.0 m厚的接触粘土过渡，心墙上下游均设两层反滤层，上下反滤层坡比1∶0.25，过渡层顶部水平宽度6 m，上、下游坡比均为1∶0.3。

1.2 汛期施工气候要求

砾质土心墙坝填筑施工受气候条件影响较大，特别是心墙防渗料和接触性粘土填筑施工。根据有关施工技术规范要求和招标文件提供的水文气象资料：

(1)接触性粘土料。日降雨量小于0.5 mm时，正常施工；日降雨量为0.5～5 mm时，雨日停工；日降雨量为5～10 mm时，雨日停工，雨后0.5日复工；日降雨量为10～30 mm时，雨日停工，雨后1日复工；日降雨量大于30 mm时，雨日，雨后2日复工。

(2)砾质土防渗料。日降雨量小于5 mm时，正常施工；日降雨量为5～10 mm时，雨日停工；日降雨量为10～30 mm时，雨日停工，雨后0.5日复工；日降雨量大于30 mm时，雨日停工，雨后1日复工。

表1 完成的试验内容汇总

注：ωop为最优含水率．

1.3 研究背景和意义

土石坝填筑直接受外界气候环境因素的影响很大，尤其是对作为心墙防渗土料的砾质土以及高塑性粘土影响更大，降雨会增加土料的含水量，含水率不易控制，影响碾压施工质量。电站所处区域每年6月～ 9月为主汛期，降雨量大，持续时间长，对大坝心墙填筑施工影响很大。根据施工进度计划安排，苗尾水电站心墙填筑跨2014年、2015年汛期施工，受前期左右岸坝肩边坡变形加固处理影响，工期有一定压缩。

心墙填筑料总方量约176.43万m3，根据砾质土料碾压试验成果，心墙填筑设计层厚不超过25 cm，心墙砾质土料的填筑含水率按最优含水率偏干1%～最优含水率偏湿3%标准控制，接触粘土料的填筑含水率按最优含水率偏湿1%～最优含水率偏湿3.5%标准控制，全过程实施数字化大坝碾压系统监控，砾质土料全料压实度≥95%复核，小于20 mm颗粒细料压实度≥98%，接触性黏土料全料压实度

≥95%，工程碾压标准要求高，汛期施工气候要求高，施工难度大，工期任务紧。为保证坝体填筑施工进度，满足安全度汛目标，同时降低工程造价，研究雨后快速施工技术，具有重要的理论和实践价值。

2 生石灰快速脱水机理

(1)化学反应。生石灰遇水将发生化学反应，从而起到吸收水分的作用。单位质量的生石灰，最后变成质量为1.786的CaCO3。

(2)蒸发损失。在生石灰与水反应过程中，会产生热量，产生的热量将增加水分的蒸发损失。水分的蒸发损失主要影响因素有面积、风速、温度、相对湿度等，为了研究问题的简化，忽略其他的次要因素影响，最后根据结果做一定折减。对于蒸发损失，需要通过试验法来进行确定，具体如下：①选取1 m2、风速1 m/s、气温10 ℃(换算成热力学温度)、相对湿度50%的水面，测得每小时蒸发量为A1；②其他参数不变，把气温提高为20 ℃，测得每小时蒸发量A2；③其他参数不变，把气温提高为30 ℃，测得每小时蒸发量A3；④其他不变，风速变为2 m/s，测得B1……以此类推，根据试验数据，最后得到生石灰与水发生反应的单位时间蒸发损失量。

3 试验结果与分析

根据已有试验条件，开展了以下相关试验研究，具体见表1。

3.1 蒸发系数测定

3.1.1 土料的天然含水量及压实度

试验从左岸土料场取土料，采用152 mm型击实仪进行小于5 mm以下细料的击实，分别测定ωop+2%、ωop+4%、ωop+6%、ωop+8%4种含水率土料击实以后的含水率及干密度，得出天然砾质土的最

表2 各试样含水量与掺灰量

注：最优含水率为14.5%，生石灰的CaO含量由于试验之前未进行有效成份的鉴定，假定为100%。

表3 掺灰至22 h的含水损失 g

优含水率为17.7%，最大干密度为1.79 g/cm3。击实实验所得的含水率—干密度曲线，曲线较陡，峰值明显，符合天然砾质土的击实特征。

3.1.2 水分损失分析

偏湿含水率与掺灰量见表2。

从表2可以看出，无论是灰水比，还是灰偏湿水比都小于3.11∶1，按照以上的过湿含水率，掺加以上的石灰，通过化学反应来吸收土料的过湿水分，是无法实现的。4组土样经过掺加石灰以后，其含水率都不会降低至最优含水率附近，究其原因是水分蒸发造成的。试验过程中测定的试样最高温度为29.6 ℃，室内温度为25.5 ℃，基本处于无风状态。该状态下，水分蒸发系数约为26.3%。

3.1.3 质量变化分析

图1 质量变化曲线

根据2.1的分析，化学反应后生石灰质量将增大1.786倍，而图1反应其质量是逐步降低的。因此，图1反应的并不是水分损失以后的质量变化，必须扣除CaCO3引起的质量增加量才是试验的水分损失量。石灰掺拌以后第22 h，其质量变化见表3。

4组试样最终的含水量，与试验测定完成的结果基本一致，其中的第二组试样，含水最低，第4组试样的含水也最低。试样的质量与时间的关系，可以采用下式计算

M(g)=-At2-Bt+C

(1)

A=-0.0125Q2+0.0014ω0+0.431

(2)

(3)

C=3153ω-0.039

(4)

式中，M、t分别为质量、时间；A、B、C为与试样含水率、掺灰量有关的参数；Q、ω0分别为掺灰比例和初始含水率。

则t时间的含水率ω可以表示为

ω=[M0-M(g)]/M干=(-At2-Bt+C)/M干

(5)

式中，M0为初始湿土重；M干为干土重。

3.1.4 蒸发系数

1.5 统计学分析使用SPSS 19.0软件行统计学分析，验证计量资料符合正态分布后使用均值±标准差表示，并行t检验，使用百分率(%)表示计数资料，行卡方检验，以P<0.05为差异有统计学意义。

对于各试样掺加石灰以后，测定从掺灰开始直至往后的22 h的水分损失，试验结果见图2。

通过图2可以看出，掺加石灰以后，生石灰与试样中的水分发生化学反应，吸收水分，试样含水

图2 不同掺灰比例下的含水率降低与时间的关系曲线

组号初始含水量/g含水量/g1.5 h6.5 h22 h蒸发系数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

率急剧降低，主要发生在掺灰以后的1.5 h内。在4 h 左右，含水率降低出现一峰值，该峰值的出现是由于发生化学反应，释放出反应所吸收的水分，其质量相同，在蒸发损失的影响下，呈现出较初始含水率降低稍低的含水率降低峰值。曲线拟合

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

(6)

式中，p为含水率降低值；t为时间。

本试验条件为无风、室温25.5 ℃的外部条件。根据试验检测结果，在掺灰完成后的1.5 h，含水量变化最为明显，第6.5 h CaCO3生成基本完成。蒸发系数计算结果见表4。

3.2 压实特性结果分析

对天然砾质土掺加石灰以后的压实特性进行击实试验，分别测定掺加石灰以后的最大干密度和最优含水率。土料掺加石灰后，为了有效控制水分的损失，采用闷土的方式进行封闭，经过24 h，进行击实试验。试验结果见图3。

图3 不同掺灰比例下的击实试验结果

从图3可以明显看出，土料掺加石灰后，其击实曲线较不掺加石灰的天然砾质土料的击实曲线平缓，并且呈现掺量越多峰值越不明显；此外，随着掺灰量的增加，击实曲线变得越来越平缓，也就是说掺加石灰以后，土料易于击实，压实度能够较为容易地达到最大压实度。

3.3 渗透性试验结果分析

对天然的砾质土、掺加石灰以后的石灰处置土进行变水头试验，测定不同掺灰比例下的石灰处置土的渗透性能。掺灰比例分别为0、2%、4%、6%、8%，试验各两组，进行闷土24 h后，再进行渗透性制样及试验。试验结果见表5。

表5 不同掺灰比例下的石灰处置土的渗透系数

从表5可以看出，掺加石灰以后，石灰处置土的渗透系数都小于10-7cm/s，满足作为土石坝防渗心墙渗透性要求。掺加石灰2%～4%以后，其渗透系数较天然砾质土渗透性较大，但是差异性不大；掺加石灰6%以后，其渗透系数明显降低，主要是由于化学反应生成的CaCO3起到了细料作用，增加了土料中的细料含量，从而降低了渗透性。根据试验结果，反推渗透系数与掺灰比例之间满足如下关系式

K20=-2×10-8Q2+1×10-7Q+8×10-8

(7)

式中，Q为掺灰比例。

根据式(7)可以看出，从渗透性考虑，土石坝防渗心墙石灰掺量不宜超过8%。掺量过大将造成土石坝防渗心墙孔隙水压力不能正常消散，增加心墙土料的孔隙水压力，不利于水力劈裂的有效控制。

3.4 现场试验

采用人工撒灰、推土机履带掺拌的方式进行掺拌，见图5。分别测定掺拌完成以后0.3、2.5h的土料含水率，以及测定两个时间段的土料压实性能。掺灰比例计算如下：

图4 试验分区及点位(单位：cm)

试验区一过湿土重6 m×4 m×0.06 m×1.89 g/cm3=2.72×103kg；掺灰比例(湿土)75/(2.72×103)=2.7%。

试验区二过湿土重4 m×4 m×0.06 m×1.89 g/cm3=1.81×103kg；掺灰比例(湿土)25/(1.81×103)=1.1%。

掺灰以前，先按照指定位置进行含水率的取样，作为过湿土的初始含水率。经过0.3 h，在现场对掺拌均匀土进行点位取样回室内监测其含水率。经过2.5 h，再进行第三次取样，回室内做含水率检测。碾压完成以后，挖坑取样回室内做压实度检测。取典型的10个试样根据未掺拌石灰时、掺拌石灰0.5、3.0 h后的含水率变化，建立含水率与时间的变化曲线见图5。