土灰混合吹填筑壩施工過程中應注意的技術要點

向德華

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

【關鍵詞】土灰混合 吹填筑壩 技術要點

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。施工時兩種漿液的制備均用DY50-15型號的水力沖填機組，由操作工同時施工，灰漿及泥漿通過Y型并聯管路進行混合后，送到作業面筑壩。泥漿泵、灰漿泵互不影響，管線移動較方便。如輸距超過250m，每超200m增加1臺中繼泵輸送。

混合吹填期間，混合后的漿液在水平流動過程中，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，其物理力學性質也隨之變化，也就是沖填過程發生了顆粒分選現象。而通過混合后的漿液再經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，物理力學性質相對穩定，也就是沖填過程顆粒分選現象不明顯。

當土灰混合漿排出明水沉積結束后，分別在表面上進行人工晃壓和小型機具振動，并檢驗其壓密效果。

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→平板振動器振密。

2施工過程中應該注意的技術要點

2.1灰料選擇問題

由于電廠排灰在灰庫的沉積過程中發生了分選現象，所以灰庫內各處沉積的粉煤灰其顆粒級配是不一樣的。離排灰管道出口越近則越粗，越遠則越細。

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，固結速率越快，抗剪強度也越大。因此，土灰混合筑壩應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。

2.2土灰配比問題

試驗將土灰質量比為1：1作為研究配比。

通過試驗研究，我們觀察與認識到：由于土料的比重為2.70，粉煤灰的比重為1.80（不同灰場粉煤灰的比重有所不同），加之前者較密實，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構強度，入水后不易充分分散，一部分以單粒形式存在，另一部分則以原級顆粒集結而成的團粒形式存在，所以，土顆粒（包括團粒）的數目，也小于粉煤灰顆粒數目。土顆粒（包括團粒）下沉快，粉煤灰顆粒下沉慢，容易發生分選現象，形成不均勻沉積，表面出現粉煤灰層。

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

（1）

這樣，土的體積，重量和顆粒數量增多了。粉煤灰中的多孔硅鋁玻璃體吸附土料中的細小顆粒的機會也增多了，有利于土灰混合，使不均勻沉積現象得到了很大的緩解。質量比1：1與質量比1.5：1的土灰混合料，其力學性質相差不多。

2.3漿液混合問題

對于混合施工的效果需要進行檢測與評價。在排放混合漿液的管壁上（靠近出口的某斷面）均勻設置4個測量孔，以接取試樣。

評價混合均勻程度的指標采用變異系數Cv

（2）

式中 i—各測點取樣測得的浮密度i=1，2，3，4；

p′—各測點取樣測得的浮密度的平均值；

n—測點數目，為4；

s—標準差。

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

試驗出漿管的雷諾系數均在70000以下，流速在2m/s以內，小于輸泥管工作流速2.5～3.5m/s（軟泥至中砂）。如果進一步加大流速，則漿液的紊動摻混作用亦隨之增大，將更有利于混合均勻。增加中繼泵輸送對壩體上管道的移動沒有影響，但有利于土灰兩種漿液的充分混合。

2.4濃度選擇問題

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

表1 1000C.C.中土、灰、水含量

質量濃度（%） 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，流動性好。由表1可知，濃度越高，相同體積內含有的干料越多水分越少。從吹填畦塊

和量筒沉積試驗得知：漿液濃度高還有另外一個好處，即土灰的混合質量比較均勻，沉積層中由上向下色差不太大。顆粒分選現象不嚴重。但漿液濃度高，會影響固相顆粒在水中的沉落速度。表2是量筒（1000c.c）沉積試驗結果。

表2 1000c.c漿液沉積試驗結果

質量濃度（%） 20 30 40 50

沉積完成時間（小時） 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系的，見表2。為保持畦埂的穩定，明水層厚度不宜過大，一般以不超過50cm為宜。這可以做為一個控制條件。壩面排走明水后，為便于工人和小型機具在飽水軟弱的沉積層上活動，對沉積層進行壓密，沉積層也不宜過厚，一般以30cm左右為宜，這可以做為又一個控制條件。

施工中如果遵循這兩個控制條件，則土灰質量比為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質量均勻問題

修建均質壩，要求沖填沉積質量均勻，為達到此目的：

①水力沖填施工中，分畦不宜過大，并應頻繁移動出漿口，以減少由于漿液水平流動所產生的固相顆粒分選沉積現象。

②加大漿液濃度，阻滯顆粒自由沉降，也是減少顆粒分選，促進沖填沉積質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間，使顆粒分選產生的層次轉薄，從而提高了整體的均勻程度。

④沉積層內，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，在人力或小型機具的活動與工作的影響下，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量的百分數表示，明水量用所占總水量的百分數表示，孔隙水量也用所占總水量的百分數表示。

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。然后才能借助蒸發滲漏進一步排除孔隙中水并采用人力或小型機具進行壓實。

排水方法有：畦埂內埋管，管的入口處可設置一個能夠調節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，即用細膠管形成虹吸，將明水排出壩外。排水施工應抓緊、及時，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。孔隙水主要由水與固相顆粒所受重力產生的水頭差而形成的滲流，通過壩基、邊坡、壩面及壩體內設置的水平與垂直排水設施排出。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，對排出沉積層孔隙水所產生的效果是大不一樣的。

在上述滲透排水過程中，壩體內出現了滲流場，同時也產生了滲流力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、邊坡和排水設施滲透所產生的滲流力對沉積層的固結是很有益的。沉積層中孔隙水的局部滲失，特別是全部滲失，對人工或小型機具的壓密作用，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和穩定，是土灰混合吹填筑壩技術成敗優劣的關鍵所在，在施工期間應有足夠的重視。

2.9分層壓密問題

明水排走靜置一段時間后我們在沉積表面上分別進行了人工晃動密實和小型機具振動壓密的試驗研究。

人工晃動壓密的機理是人體重量在沉積層內產生了超靜水壓力，對表面產生了水頭差；而晃動又使層內出現裂縫和薄弱環節，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，此種現象能繼續一般時間，經過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，甚為不便。

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

當沉積層水位降落后，不論使用人工壓實或小型機具振動壓實，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。這樣的壩體已經具有較好的強度，隨著壩面升高還會進一步固結，可以保證施工期間壩體穩定安全。

2.10施工速度問題

施工速度與沖填土料性質關系密切，粘粒含量小的可施工快些；反之則應慢些。即主要視其滲透系數大小來決定施工速度。此外，當壩較低時，可以快一些；反之，則慢一些。

《土壩設計》所給出的自流式沖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 輕粉質壤土 中粉質壤土

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

清鎮發電廠塘關灰場灰壩修復工程混合吹填筑壩所用的土料分類為中粉質壤土，粉煤灰分類為輕粉質壤土，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，經過排水蒸發滲透壓密可得到20-24cm的厚度是適宜的。

3結語

土灰混合吹填筑壩是在粉煤灰筑壩的基礎上嘗試完成的，它非常適宜于雨水量大、粘土少的地區使用，它能避免粉煤灰松散，雨水期間施工難度大的弱點。具有重要的經濟意義與社會意義和廣闊的發展前景。已在塘關灰場灰壩修復工程、甘田壟灰場灰壩工程中應用，取得了良好的效果。

經過試驗研究，我們認為：應盡量選用顆粒較粗的粉煤灰供上壩用。土灰質量比以1.5∶1為適宜。兩種漿液通過Y型并聯管混合最方便。混合漿液濃度應盡量提高。沉積后的明水層深度不應超過0.5米，沉積層厚度取30厘米左右比較合適。分畦不宜過大，并應頻繁移動出漿口，必要時使吹填粉煤灰與吹填土料有一個時間差，以促進沖填質量的均勻。及時排走明水，加以人工或小型機具進行壓密能加快施工進度。以每日一層為宜。