礫質土心墻土石壩雨后快速復工技術研究

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管理局，云南大理672708)

0 引 言

在土石壩工程領域，礫質土作為防滲體的應用已經有近百年的歷史，特別是進入21世紀，作為再生能源的水電進入了快速發展期，帶動了攔水建筑物心墻土石壩的發展。天然礫質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用[1- 6]。對于礫質土，含水量處于最優含水率附近時，易于壓實，而偏離最優含水率則無法壓實，從而在工程應用中，必須采取相應的調節含水率處理措施。其中，當含水率超過最優含水率較高時，目前采取的方式是自然翻曬，通過日照的蒸發作用，將含水率降低至最優含水率附近。該方法在工程建設中得到長期應用，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、任務重的土石壩建設過程中，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，具有重要的理論和現實意義。

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，為周調節水庫。大壩為礫質土心墻堆石壩，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。根據有關施工技術規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日復工；日降雨量為10～30 mm時，雨日停工，雨后1日復工；日降雨量大于30 mm時，雨日，雨后2日復工。

(2)礫質土防滲料。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日復工；日降雨量大于30 mm時，雨日停工，雨后1日復工。

表1 完成的試驗內容匯總

注：ωop為最優含水率．

1.3 研究背景和意義

土石壩填筑直接受外界氣候環境因素的影響很大，尤其是對作為心墻防滲土料的礫質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，影響碾壓施工質量。電站所處區域每年6月～ 9月為主汛期，降雨量大，持續時間長，對大壩心墻填筑施工影響很大。根據施工進度計劃安排，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，根據礫質土料碾壓試驗成果，心墻填筑設計層厚不超過25 cm，心墻礫質土料的填筑含水率按最優含水率偏干1%～最優含水率偏濕3%標準控制，接觸粘土料的填筑含水率按最優含水率偏濕1%～最優含水率偏濕3.5%標準控制，全過程實施數字化大壩碾壓系統監控，礫質土料全料壓實度≥95%復核，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，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。生石灰遇水將發生化學反應，從而起到吸收水分的作用。單位質量的生石灰，最后變成質量為1.786的CaCO3。

(2)蒸發損失。在生石灰與水反應過程中，會產生熱量，產生的熱量將增加水分的蒸發損失。水分的蒸發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，最后根據結果做一定折減。對于蒸發損失，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，測得每小時蒸發量為A1；②其他參數不變，把氣溫提高為20 ℃，測得每小時蒸發量A2；③其他參數不變，把氣溫提高為30 ℃，測得每小時蒸發量A3；④其他不變，風速變為2 m/s，測得B1……以此類推，根據試驗數據，最后得到生石灰與水發生反應的單位時間蒸發損失量。

3 試驗結果與分析

根據已有試驗條件，開展了以下相關試驗研究，具體見表1。

3.1 蒸發系數測定

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，得出天然礫質土的最

表2 各試樣含水量與摻灰量

注：最優含水率為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，通過化學反應來吸收土料的過濕水分，是無法實現的。4組土樣經過摻加石灰以后，其含水率都不會降低至最優含水率附近，究其原因是水分蒸發造成的。試驗過程中測定的試樣最高溫度為29.6 ℃，室內溫度為25.5 ℃，基本處于無風狀態。該狀態下，水分蒸發系數約為26.3%。

3.1.3 質量變化分析

圖1 質量變化曲線

根據2.1的分析，化學反應后生石灰質量將增大1.786倍，而圖1反應其質量是逐步降低的。因此，圖1反應的并不是水分損失以后的質量變化，必須扣除CaCO3引起的質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。試樣的質量與時間的關系，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分別為質量、時間；A、B、C為與試樣含水率、摻灰量有關的參數；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 蒸發系數

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

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生化學反應，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系曲線

組號初始含水量/g含水量/g1.5 h6.5 h22 h蒸發系數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，主要發生在摻灰以后的1.5 h內。在4 h 左右，含水率降低出現一峰值，該峰值的出現是由于發生化學反應，釋放出反應所吸收的水分，其質量相同，在蒸發損失的影響下，呈現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。根據試驗檢測結果，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。蒸發系數計算結果見表4。

3.2 壓實特性結果分析

對天然礫質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，經過24 h，進行擊實試驗。試驗結果見圖3。

圖3 不同摻灰比例下的擊實試驗結果

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土料的擊實曲線平緩，并且呈現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 滲透性試驗結果分析

對天然的礫質土、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。試驗結果見表5。

表5 不同摻灰比例下的石灰處置土的滲透系數

從表5可以看出，摻加石灰以后，石灰處置土的滲透系數都小于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，其滲透系數較天然礫質土滲透性較大，但是差異性不大；摻加石灰6%以后，其滲透系數明顯降低，主要是由于化學反應生成的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。根據試驗結果，反推滲透系數與摻灰比例之間滿足如下關系式

K20=-2×10-8Q2+1×10-7Q+8×10-8

(7)

式中，Q為摻灰比例。

根據式(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 試驗分區及點位(單位：cm)

試驗區一過濕土重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。經過0.3 h，在現場對摻拌均勻土進行點位取樣回室內監測其含水率。經過2.5 h，再進行第三次取樣，回室內做含水率檢測。碾壓完成以后，挖坑取樣回室內做壓實度檢測。取典型的10個試樣根據未摻拌石灰時、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 現場試驗含水率變化曲線

從圖5可以看出，現場試驗結果基本與室內試驗結果一致。摻灰3h后，10個試樣含水率降低都在3%左右。因此，根據現有心墻填筑設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 結論及建議

通過已完成的初期試驗研究，得出以下結論：

(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生化學反應所釋放

熱量來增加水分蒸發損失的速度，實現水分的損失。

(2)土料摻拌石灰以后，t時刻的含水率可以通過3.1.3節中計算式求得，根據礫質土過濕含水率、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，該特性表現越明顯。

(4)摻加石灰以后，石灰處置土的滲透系數都小于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備的心墻過濕土石灰摻拌及碾壓方法。

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