粘土心墻土石壩高液限粉土礫石心墻施工控制參數(shù)確定

吳繼文 云南建投第一水利水電建設(shè)有限公司

水利工程建設(shè)中，粘土心墻土石壩取得廣泛的應(yīng)用，其主要含粘土心墻、反濾料、護(hù)坡等部分，在整個(gè)壩體工程中具有優(yōu)良的防滲效果。但因亞熱帶地區(qū)自然氣候的特殊性，區(qū)域內(nèi)粘土含水率處于較高水平，不利于粘土心墻施工作業(yè)，此背景下加強(qiáng)對(duì)粘土心墻土料含水率的控制極具必要性。

1.工程概況

某水庫工程位于云南低緯高海拔地區(qū)，該處為典型的亞熱帶山地季風(fēng)氣候。根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)特點(diǎn)，粘土料場普遍分布在2240～2270m的高海拔地帶，以褐黃色粉質(zhì)砂紙粘土層居多。區(qū)域內(nèi)降雨量豐富，常年空氣濕度都維持在較高的水平，施工期相對(duì)較短，2～4月降雨量偏少。壩址位于河谷內(nèi)，該處日照不足，持續(xù)時(shí)間偏短，且河谷深度達(dá)210m。因現(xiàn)場氣候條件的特殊性，導(dǎo)致其粘土含水率處于較高水平，地勘資料顯示該值普遍為45%～52%，明顯超過最優(yōu)含水率。粘土特點(diǎn)主要表現(xiàn)為對(duì)水敏感性強(qiáng)，此條件下其干密度和壓實(shí)度都處于相對(duì)偏低的水平，基于何種方式改善高液限粉土的不良性能顯得尤為關(guān)鍵，是本次施工的重難點(diǎn)。

2.心墻原材料特性

2.1 心墻土料特性

根據(jù)大壩現(xiàn)場施工條件確定防滲心墻土料來源途徑，本項(xiàng)目均選自Cijeungjing料場，從中以隨機(jī)抽取的方式獲得46組樣品，根據(jù)所得檢測結(jié)果評(píng)定料場土料性能情況。

天然土料為典型的高液限土，內(nèi)部組成以粘粒居多，檢測組樣品的平均占比為46.3%，但僅存在極少量的粗顆粒，粒徑超5mm的總量僅為1.4%，天然含水率處于相對(duì)較高的狀態(tài)，液限67%。根據(jù)既有研究資料以及工程經(jīng)驗(yàn)，受應(yīng)力的作用土料存在較明顯的變形問題，其膨脹率變化幅度較大。結(jié)合大壩防滲工程施工要求，在該土料內(nèi)摻入適量礫石料，此項(xiàng)工作之前對(duì)料場土料取樣分析，得知其滲透系數(shù)均集中在1×10-6～1×10-7cm/s區(qū)間內(nèi)，可達(dá)到項(xiàng)目技術(shù)規(guī)范要求，即并未超過1×10-5cm/s。

2.2 心墻摻合礫石料的特性

以墻心土料為基礎(chǔ)，向其中摻入適量礫石料以改善材料整體性能，此部分源自于GunungJulang料場，制作工藝為先爆破開采，礫石料經(jīng)砂石系統(tǒng)處理后所得，結(jié)合設(shè)計(jì)規(guī)范確定合適的礫石規(guī)格，要求其粒徑為5～60mm。

3.心墻土、石摻合比例的確定

粘土心墻施工應(yīng)得到高性能防滲混合料的支持，根據(jù)技術(shù)規(guī)范及工程要求，礫石總量≤40%，以此為依據(jù)確定5種摻入比例，由此分析各比例下生產(chǎn)所得的心墻土石混合料性能情況。根據(jù)普氏擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果可知：由于礫石的作用，原本最高干密度處于較低水平的心墻土料在此方面得到顯著改善，其結(jié)果是心墻應(yīng)力得以提高，可有效解決水力劈裂問題，是緩解心墻變形的重要途徑。在某個(gè)區(qū)間內(nèi)，礫石比例增加的同時(shí)伴隨有壓實(shí)最大干密度上升的情況，但其在礫石比例達(dá)30%后發(fā)生轉(zhuǎn)折，此時(shí)壓實(shí)最大干密度雖有增加但幅度較小。

根據(jù)上文對(duì)天然土料的分析能夠得知，盡管粗顆粒含量處于較低的水平，但粒徑達(dá)5mm及以上的天然礫石在其中占據(jù)較大的比重，平均可達(dá)13.2%，受人工外摻的影響，總體上礫石含量顯著提高，且超過40%。以水庫工程的施工要求為基本依據(jù)，結(jié)合云南低緯度高海拔的地質(zhì)特點(diǎn)，最終確定土石混合防滲心墻的主要工藝參數(shù)，即礫石占比30%（重量比），混合料最大干密度1.474g/cm3。

4.心墻料現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)

4.1 總體規(guī)劃

在確定各類材料的配比后，再組織現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)。結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，將心墻區(qū)寬度設(shè)為10m，可細(xì)分為兩個(gè)區(qū)，各自的區(qū)別在于填料松鋪厚度的不同，其中Zone1-1區(qū)為20cm，Zone1-2區(qū)增加至30cm，以相同的工藝碾壓。經(jīng)過本試驗(yàn)后，從中確定土石混合心墻料最合適的工藝參數(shù)，體現(xiàn)在含水量、碾壓遍數(shù)、壓實(shí)干密度等方面。

4.2 現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)參數(shù)

4.2.1 碾壓遍數(shù)與沉降量的關(guān)系

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果可以得知，伴隨碾壓遍數(shù)的增加，攤鋪料的沉降量表現(xiàn)出隨之加大的趨勢(shì)，但在第6遍碾壓以后，雖然發(fā)生沉降但速度較慢，約10遍時(shí)沉降趨于穩(wěn)定。

4.2.2 碾壓遍數(shù)與干密度的關(guān)系

經(jīng)過持續(xù)性的4遍碾壓后展開干密度檢測，此處選擇的是灌砂試驗(yàn)的方式，伴隨碾壓遍數(shù)的增加，其對(duì)應(yīng)的干密度隨之表現(xiàn)出增大的趨勢(shì)，但從第6遍開始雖然存在干密度變化情況但幅度較為微弱。

4.3 現(xiàn)場滲透試驗(yàn)

在上述基礎(chǔ)上進(jìn)一步展開滲透試驗(yàn)，相較于設(shè)計(jì)規(guī)范中所提出的“≤1×10-5cm/s”而言，本次所用的心墻土、石混合料在該指標(biāo)上滿足要求。

5.心墻施工控制參數(shù)的確定

綜合室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場碾壓兩方面的數(shù)據(jù)，確定各項(xiàng)指標(biāo)的控制參數(shù)，具體內(nèi)容見表1。

6.粘土施工措施

（1）粘土料裝運(yùn)：選擇指定的粘土料場，根據(jù)施工需求選擇合適方量的粘土材料并運(yùn)輸至翻曬場，遵循的是由遠(yuǎn)而近的堆放原則，從車輛的運(yùn)輸能力來看，各車單次運(yùn)輸土料的堆放區(qū)域面積設(shè)為40m2。安排推土機(jī)將轉(zhuǎn)運(yùn)后的土料攤平，使各區(qū)域的攤鋪厚度穩(wěn)定在50～60cm；結(jié)束攤鋪后進(jìn)行翻松，此環(huán)節(jié)選擇的是推土機(jī)帶七鏵犁的方式，以達(dá)到水分有效蒸發(fā)的效果。

表1 大壩防滲心墻土、石混合料的施工控制參數(shù)表

（2）粘土翻曬：若翻曬場所日照強(qiáng)度偏弱，首先給予自然晾曬處理（持續(xù)1d），次日再安排推土機(jī)帶七鏵犁進(jìn)一步翻耕，經(jīng)過此環(huán)節(jié)后確保土料含水率的合理性，使其維持在最佳含水率狀態(tài)。若現(xiàn)場天氣條件較好，首日則可使用設(shè)備翻耕。為滿足翻曬需求，本項(xiàng)目共設(shè)置有4塊翻曬場，經(jīng)過翻曬處理且相關(guān)指標(biāo)滿足要求后，利用挖掘機(jī)裝車，將其統(tǒng)一轉(zhuǎn)移到第五塊場地堆放，并加強(qiáng)管理。

（3）含水率檢測：本項(xiàng)目選擇的是酒精燃燒法，隨機(jī)選取土樣并轉(zhuǎn)移至試盒內(nèi)，稱重后將數(shù)據(jù)記錄好，向其中滴入95%酒精，觀察盒中的狀態(tài)，當(dāng)形成自由液面后即可停止，隨即點(diǎn)燃酒精并持續(xù)至火焰熄滅，按上述方法循環(huán)操作2次，選取處理后的土樣并稱重，根據(jù)試驗(yàn)前后數(shù)據(jù)經(jīng)計(jì)算后求得含水率。若此項(xiàng)指標(biāo)滿足要求，將其裝運(yùn)上壩用于填筑施工。需注意，考慮到大霧天氣濕度較大的特點(diǎn)，相較于最優(yōu)含水率而言，實(shí)際所用涂料的含水率應(yīng)在該基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)慕档汀?/p>

7.結(jié)束語

本文結(jié)合工程實(shí)例，根據(jù)該項(xiàng)目防滲心墻的施工特點(diǎn)，提出與之相適應(yīng)的填筑材料，經(jīng)過分析后選擇的是高液限粉土，并在此基礎(chǔ)上摻入適量礫石。提出5種配比，檢驗(yàn)各工藝參數(shù)下的土石混合料性能情況，綜合技術(shù)可行性、成本等方面展開分析，從而確定土、石材料的合適配比，再組織室內(nèi)試驗(yàn)和現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)，綜合所得結(jié)果確定施工控制參數(shù)，如最優(yōu)含水量、最大干密度等。總體上，高液限粉土礫石防滲心墻施工中對(duì)于參數(shù)的控制提出較高的要求，實(shí)際工程項(xiàng)目中應(yīng)結(jié)合多方面因素，經(jīng)試驗(yàn)后確定合適的參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，確保施工質(zhì)量。