改性摻和料在黏土心墻土石壩中的應用與分析

丁麗元　趙聽來

（湖南省光輝監理有限公司　岳陽市　414000）

?

改性摻和料在黏土心墻土石壩中的應用與分析

丁麗元趙聽來

（湖南省光輝監理有限公司岳陽市414000）

【摘要】黏土和砂礫石進行摻和作為心墻防滲料運用在土石壩中。文章論述了改性摻和料在黏土心墻土石壩中的摻和工藝、壓實特性及質量控制的實踐應用與分析。可供類似工程參考借鑒。

【關鍵詞】改性摻和料黏土心墻土石壩摻和工藝壓實特性質量控制應用與分析

1　工程概述

獅泉河水電站位于西藏自治區西部阿里地區行署所在地獅泉河鎮上游約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，對外交通不便。

電站壩址控制流域面積14 870km2，多年平均流量9.28m3/s，水庫蓄水位4 315m時，總庫容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，至今大壩運行安全穩定。

2　黏土心墻土石壩結構

黏土心墻土石壩最大壩高31m，壩頂高程4 318m，壩頂長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設反濾層，壩下游基礎面設反濾排水層，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　摻和料基礎數據統計分析成果

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黏土料，用阿里砂卵石料場的小于40mm粒徑砂礫石料和它進行摻和。

（1）作為摻和料的塔那波料場黏土料基礎資料。

先后對塔那波料場黏土料進行了20組物性試驗，并以六偏磷酸鈉作為分散劑的雙比重計法對其是否屬分散性土進行了論證，結論為分散性土。

20組物性試驗成果統計，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%。按國家標準分類定名為低液限黏土（CL）。

（2）作為摻和料的阿里小于40mm粒徑砂礫石料基礎資料。

對阿里砂卵石料場開展的29組物理性試驗成果和10組大型顆粒分析試驗成果，共39個成果樣本進行統計表明，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48.57，曲率系數0.61，按國家標準分類定名為級配不良礫（GP）。

阿里砂礫石料場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場摻和工藝試驗論證

4.1摻和料方案確定

根據《碾壓式土石壩設計規范》SL 274-2001. P9.“4.1.10”中對礫石土粒徑大于5mm的顆粒含量不宜超過50%和小于0.075mm以下顆粒含量不應少于15%原則，通過對塔那波料場黏土和阿里砂卵石料場剔除大于40mm粒徑顆粒的砂礫石進行摻合作為心墻防滲料的壓實特性及其滲透變形、在反濾料保護下的抗滲和防沖刷性能、力學強度特性的室內試驗，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%”進行現場摻和。

4.2現場摻和工藝試驗論證

如何在施工現場確定一套既能滿足上述“摻和料方案”相關技術指標，又能滿足施工強度的“摻和工藝”，同時，解決摻和均勻和加水至最優含水率的難題。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踐中得到有效檢驗與運用，現場通過兩種“摻和工藝”進行對比試驗，加以論證。

4.2.1現場摻和料摻和工藝

（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干容重換算成鋪料厚度，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，然后用裝載機翻騰拌和，并在拌和過程中人工輔機具加水。

（2）第二種“摻和工藝”：第一步，在黏土料場用反鏟挖溝，溝間距3m，溝深（2～3）m，然后向溝里灌滿水，進行自然滲透1～2天后，用反鏟進行充分拌和，使黏土含水均勻，并達到或超過最優含水率。同時，對天然砂礫料進行灌水，使之達到飽和狀態。第二步，測定充分拌和的黏土及天然砂礫料的含水率、干容重。第三步，根據兩種料的干容重換算鋪料厚度，分層鋪料，一層砂礫石（進占法），一層黏土料（退卻法），用裝載機按不同的遍數拌和后，分別取樣進行顆分、含水量試驗，判斷是否拌和均勻、含水量達到要求。

4.2.2現場取樣試驗結論

（1）第一種“摻和工藝”：黏土天然含水量低，拌和過程中揚塵較大，造成環境污染，且對施工人員身體傷害較大。同時，摻和過程中加水困難，黏土遇水易結塊，摻和不均勻，不能滿足設計相關技術指標要求。

（2）第二種“摻和工藝”：通過多次現場對黏土加水取樣試驗，在摻合前，黏土含水量可達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%，據此理論計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，黏土含水量≤14%時摻合效果最佳，黏土含水量＞14%時摻合過程中黏土容易結塊。摻合4遍后，通過室內顆分試驗，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%，據此測算黏土和砂礫料的質量比為60∶56，與理論計算十分吻合，摻合均勻。摻合后摻和料≤0.075mm粒徑顆粒含量平均為41.1%，據此反測算黏土和砂礫料的質量比與理論計算吻合，摻合均勻。

摻合前黏土含水量控制在9%～14%之間，摻合遍數為4遍，根據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。摻合后摻和料含水率控制在9%～14%之間。

5　摻和料碾壓試驗及碾壓質量控制

5.1摻和料碾壓試驗

5.1.1試驗場地和鋪料

鋪料采用符合填筑技術指標要求的摻和料進行現場碾壓試驗。在右岸下游側0.6km處摻和料備料場用裝載機運輸至試驗場地，在專人的指揮下按進占法進行卸料，卸料達到一定面積后，用推土機平料，平料時，用標桿控制其松鋪厚度。此次試驗松鋪厚度共2種，分別為30 cm、40 cm，鋪填示意如圖1。

5.1.2試驗現場碾壓和取樣

將鋪好的心墻摻和料統一用由德國寶馬公司生產的BW216D-2型振動碾沿行車方向（模擬壩軸線方向）靜壓2遍，開啟振動碾壓4遍，然后按圖示位置用灌砂法（灌水法）測出其濕密度。同時取代表性試樣大于5 000 g（全級料），帶回試驗室以做含水量試驗。然后再振動碾壓6遍，8遍，重復上述試驗方法，測得各碾壓遍數下的濕密度及含水量，通過上述試驗獲得參數計算各碾壓遍數下干密度。

圖1　鋪填示意圖

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

5.2心墻摻和料碾壓質量控制

5.2.1試驗現場碾壓取樣及室內擊實試驗

從現場取回的試樣中抽取試樣（35～45）kg，根據現場摻和料實測的含水率，按依次相差約2%的含水率，調制不少于5個試樣的含水率，其中2個大于最優含水率，2個小于最優含水率，并使其充分濕潤且靜置24 h后進行室內擊實，通過擊實試驗最后得到最大干密度2.027 g/cm3和最優含水率10.4%。

5.2.2含水率、干密度實驗

從現場取回的試樣中抽取試樣（1 000～2 000）g分裝在2個事先稱量過的盤中，稱出質量，放入電熱鼓風干燥箱中進行烘烤（6～8）h，冷卻后稱量，分別得出濕土和干土質量，再根據現場算出的濕密度，計算出含水率和干密度。見表1和圖2。

5.2.3摻和料質量控制

根據生產性試驗成果，摻和料按質量比1∶1進行摻和，不得有團狀物，成品料必須堆放2天以上，及時對上壩料進行顆分和含水率檢測，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，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成果

圖2　不同鋪料厚度時的干密度與碾壓遍數關系圖

（1）摻和料壓實度檢測：摻和料碾壓壓實度檢測宜采用“固定全料壓實度（壓實度=100%），浮動全料干密度（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準。碾壓后含水率檢測，可用全料含水率作為標準，也可用小于5mm粒徑的含水率作為標準。

5.2.4摻和料質量控制檢測成果

黏土心墻摻和料設計最大干密度與＜5mm的顆粒含量成線性關系，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）。現場壓實度共抽檢459組，最大值1.06，最小值0.99，平均值1.00，抽檢成果表明：壓實度、干密度、含水量及顆料級配含量等各項指標均滿足設計要求。見表2和表3。

表2　心墻摻和料抽檢成果統計表

（下轉第6O頁）

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