均質(zhì)土壩在熱帶雨林地區(qū)的應(yīng)用與研究

劉 凱

中國(guó)葛洲壩集團(tuán)第二工程有限公司,四川 成都 610091

0 引言

均質(zhì)土壩是一種最古老的擋水建筑物之一,由于筑壩成本低、機(jī)械化程度高、施工相對(duì)便利,故在城鄉(xiāng)水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中應(yīng)用十分廣泛。均質(zhì)土壩由于其筑壩材料的特性,壩體受到侵蝕的因素更多、概率更高。因此在多雨的熱帶雨林地區(qū)應(yīng)用該工藝,做好設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、料場(chǎng)選取、挖裝運(yùn)輸、攤鋪、碾壓、檢測(cè)等全過(guò)程質(zhì)量管理是關(guān)鍵。

1 壩體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

均質(zhì)土壩結(jié)構(gòu)基本由一種性質(zhì)相近的土料組成,沿壩基中心線設(shè)置止水帷幕1道,壩基帷幕線前段設(shè)置1道止水槽,止水槽底部與微風(fēng)化基巖接觸。帷幕線下游設(shè)置1道L型排水褥墊,排水褥墊結(jié)構(gòu)為“反濾層+排水層+反濾層”,壩體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

注:圖中高程單位為m,標(biāo)注單位為mm。

2 工藝流程

壩體設(shè)計(jì)—施工準(zhǔn)備—壩基處理、基礎(chǔ)防滲、驗(yàn)收(同時(shí)進(jìn)行生產(chǎn)性試驗(yàn))—壩料開(kāi)采、運(yùn)輸—壩體填筑(壩料攤鋪、碾壓、檢測(cè))—下一循環(huán)壩體填筑。

3 工藝過(guò)程質(zhì)量控制

3.1 設(shè)計(jì)指標(biāo)

3.1.1 筑壩材料

黏粒含量:10%～30%;塑性指數(shù):7%～17%;有機(jī)質(zhì)含量小于5%;水溶鹽含量小于3%;天然含水率:最優(yōu)含水率為-2%～+3%(非雨季);滲透系數(shù)小于1.0×10-4cm/s;土的分散性:采用非分散性土為宜;壓實(shí)度: 96%以上的試樣壓實(shí)度達(dá)到96%以上,最低不低于94%[1]。

3.1.2 土料級(jí)配

依據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)確定均質(zhì)土壩料級(jí)配:大于5 mm的粗顆粒含量不大于50%,壓實(shí)后10%～40%;小于0.1 mm的細(xì)顆粒含量大于30%;最大粒徑不宜大于150 mm或鋪土厚度的2/3;0.075mm 以下的顆粒含量為10%～30%。

3.1.3 反濾料和排水體

反濾料:宜選用較均勻的具有抗水性和抗風(fēng)化能力的砂、礫、卵石或碎石,質(zhì)地致密堅(jiān)硬,透水性強(qiáng);反濾料設(shè)計(jì)粒徑小于20 mm,相對(duì)密度應(yīng)大于0.7,應(yīng)具有連續(xù)級(jí)配;反濾料粒徑小于0.075 mm的顆粒含量不大于5%;反濾料粒徑小于5 mm的顆粒含量應(yīng)大于40%。

排水體:宜選用較均勻的具有抗水性和抗風(fēng)化能力的砂、礫、卵石或碎石,質(zhì)地致密堅(jiān)硬,透水性強(qiáng);排水碎石設(shè)計(jì)粒徑范圍10～100 mm,相對(duì)密度應(yīng)大于0.7,應(yīng)具有連續(xù)級(jí)配;排水碎石粒徑小于0.075 mm的顆粒含量不大于5%。

3.2 施工順序

均質(zhì)土壩施工順序如圖2所示。

圖2 均質(zhì)土壩施工順序

3.3 壩基處理

壩基處理主要包括壩基開(kāi)挖清理、岸坡開(kāi)挖和截水槽開(kāi)挖等。覆蓋層主要為第四系洪沖積層和殘坡積層。漫灘地段上覆土層主要為洪沖積粉質(zhì)黏土和卵礫石,粉質(zhì)黏土均勻分布在整個(gè)漫灘表層,平均厚度約1.5 m,局部少量夾粉細(xì)砂或粉土透鏡體,卵礫石分布不均,厚度0.8～7.7 m,中部較厚,往河邊逐漸變薄。左、右岸山坡覆蓋層以混角礫(碎石)粉質(zhì)黏土為主,平均厚度約1.5 m。壩址區(qū)下伏基巖主要由粉砂質(zhì)泥巖夾泥灰?guī)r和粉砂質(zhì)泥巖夾砂巖組成,左岸山坡以粉砂質(zhì)泥巖夾砂巖地層為主,右岸山坡及漫灘上部以粉砂質(zhì)泥巖夾泥灰?guī)r地層為主,下部為粉砂質(zhì)泥巖夾砂巖地層。

根據(jù)均質(zhì)土壩的特性,壩基處理標(biāo)準(zhǔn)如下。

1)清除壩基及壩坡范圍內(nèi)的草木、水、淤泥、淤泥質(zhì)土、含較多腐質(zhì)的土、松土、大塊石及施工過(guò)程遺留下來(lái)的木頭、鋼筋頭等雜物。

2)清除壩基由水泥灌漿廢漿液堆積的水泥結(jié)硬塊及淤泥。

3)清除開(kāi)挖邊坡的松散土。

4)如果壩基為原狀表土,應(yīng)清基開(kāi)挖0.5 m以上。

5)截水槽開(kāi)挖標(biāo)準(zhǔn):截水槽嵌入基巖0.5 m。

岸坡及壩基處理主要是清除表層覆蓋層和松散層,以推土機(jī)和反鏟為主,輔以破碎錘破碎進(jìn)行開(kāi)挖。截水槽開(kāi)挖以反鏟為主,局部難以開(kāi)挖的部位輔以微差爆破的方式破碎后進(jìn)行開(kāi)挖。

6)與壩體接觸的岸坡偏陡峭部位宜處理成緩坡;結(jié)合壩體填筑每層分層厚度,將土質(zhì)岸坡對(duì)應(yīng)地處理成平臺(tái)狀結(jié)合面,處理后的土質(zhì)岸坡結(jié)合縫面參考綜合坡比以不大于1：3為宜。

3.4 壩基防滲

均質(zhì)土壩的地基為透水地層時(shí),可采用垂直防滲或水平鋪蓋防滲。當(dāng)河床覆蓋層不深時(shí),可采用黏土截水槽達(dá)到相對(duì)不透水層。當(dāng)河床覆蓋層較深,可采用灌漿帷幕或混凝土防滲墻。為了減少滲透流量和滲透坡降,可在壩體上游設(shè)置黏土鋪蓋以延長(zhǎng)滲徑。

本項(xiàng)目壩基以下采用灌漿帷幕進(jìn)行壩基防滲,帷幕灌漿線沿大壩中心線設(shè)置,共跨越左壩肩延伸段、溢洪道、大壩、進(jìn)水口及右壩肩等部位,防滲帷幕宜深入至相對(duì)不透水層以下。其主要施工程序:蓋重基槽開(kāi)挖—錨筋施工—蓋重混凝土澆筑—待凝養(yǎng)護(hù)—鉆孔灌漿—檢測(cè)。

帷幕灌漿混凝土蓋重主要起壓重作用,蓋重混凝土標(biāo)號(hào)C20,斷面尺寸2 000 mm×500 mm,沿帷幕灌漿線全長(zhǎng)布置。為了使基巖與混凝土蓋重結(jié)合緊密,在基巖鑿孔插入錨筋連接蓋重混凝土。

帷幕灌漿在混凝土蓋重上施工,蓋重混凝土應(yīng)達(dá)到50%以上的設(shè)計(jì)強(qiáng)度后方可鉆孔灌漿。

本項(xiàng)目采用單排帷幕,孔間距2.5 m,分3道程序進(jìn)行灌注,帷幕底線延伸至壩基10 Lu滲透線以下5 m,先導(dǎo)孔孔深較其他帷幕灌漿孔深10 m。帷幕灌漿先施工先導(dǎo)孔,先導(dǎo)孔從Ⅰ序孔中選取且20 m間距布置1個(gè),先導(dǎo)孔施工完后,再進(jìn)行Ⅰ序孔施工,然后進(jìn)行Ⅱ序孔施工,最后進(jìn)行Ⅲ序孔施工,各排序灌漿孔施工完成后進(jìn)行檢查孔施工。

3.5 壩體填筑試驗(yàn)

3.5.1 室內(nèi)試驗(yàn)

粉質(zhì)黏土料主要進(jìn)行相關(guān)物理、化學(xué)試驗(yàn),并選取其中3組進(jìn)行土壤分散性試驗(yàn)。不含礫料的粉質(zhì)黏土雖然具有很好的防滲性能,但重度及強(qiáng)度相對(duì)偏低。通過(guò)試驗(yàn),適度含量的5 mm以上礫料,既能增加筑壩土料的容重,降低土料的壓縮性,也能提高壓實(shí)土料的c、Q值,從而增加壩體運(yùn)行期的安全穩(wěn)定性。

3.5.2 碾壓試驗(yàn)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)碾壓試驗(yàn),主要掌握松鋪厚度、碾壓速度、碾壓遍數(shù)等相關(guān)數(shù)據(jù),以指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)[2]。

3.6 壩體填筑

3.6.1 選料

1)土料:依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)土料取樣試驗(yàn)結(jié)果,將土料按照物理性質(zhì)進(jìn)行分類、分區(qū)并加以標(biāo)識(shí),以備壩體填筑時(shí)根據(jù)需要進(jìn)行取用。

基礎(chǔ)、岸坡及建(構(gòu))筑物等結(jié)合部位,采用黏粒含量較高的純黏土填筑,以利于和壩體接觸面的結(jié)合及適應(yīng)變形。

主壩體填筑部位,主要采用含礫黏土填筑。含礫黏土同時(shí)具備粗粒土和細(xì)粒土的特點(diǎn),強(qiáng)度相對(duì)較高、壓縮性較低、透水性較小,為均質(zhì)土壩較為理想的填筑材料。

2)排水體:為了降低壩體的浸潤(rùn)線,增加壩體的穩(wěn)定性,在壩內(nèi)設(shè)置了L型排水設(shè)施,后接下游壩腳堆石排水體。

排水褥墊采用微風(fēng)化以下部位強(qiáng)度較高的新鮮巖石加工,同時(shí)須剔除雜物并清洗干凈,含泥量滿足設(shè)計(jì)要求[3]。

3.6.2 表土清理

表土主要包括樹(shù)木、植物,表層腐殖土、植物根系棄料層,采用1.0 m3反鏟配合SD22推土機(jī)剝離。復(fù)綠備用的表層根植土采用反鏟挖裝,自卸車(chē)運(yùn)輸至儲(chǔ)備區(qū)存儲(chǔ)。

3.6.3 取料

壩體填筑土料及排水褥墊料采用1.0～1.6 m3挖掘機(jī)挖裝,20～25 t自卸車(chē)運(yùn)輸,SD22推土機(jī)及挖機(jī)配合平整。

3.6.4 攤鋪

1)土料攤鋪。載重自卸汽車(chē)在碾壓好的下層黏土上反復(fù)行走、碾壓、轉(zhuǎn)彎、擠壓,可能造成彈簧土和剪切破壞,因此土料上壩采用進(jìn)占法卸料,SD22推土機(jī)攤鋪整平。

2)排水褥墊攤鋪。水平向排水褥墊采用SD22推土機(jī)攤鋪,豎向排水褥墊反濾料及排水體料采用專用模具及1.0 m3挖機(jī)輔助攤鋪。排水褥墊布置、斷面如圖3～4所示。

圖3 排水褥墊布置圖

圖4 排水褥墊斷面圖

3.6.5 碾壓

壩體土料:由YZ20C振動(dòng)碾沿壩軸線方向采用進(jìn)退錯(cuò)距法碾壓,依據(jù)振動(dòng)碾輪寬錯(cuò)距約為0.2 m,振動(dòng)碾行走速度不得超過(guò)2 km/h。經(jīng)過(guò)生產(chǎn)性試驗(yàn)及以往類似工程經(jīng)驗(yàn),土料采用“2+6”的方式進(jìn)行碾壓,即先滾動(dòng)無(wú)激振靜壓2遍,再振動(dòng)碾壓6遍。

豎向排水褥墊:豎向排水褥墊攤鋪平整后,隨相應(yīng)填筑土層平起填筑,采用YZ20C振動(dòng)碾與土料騎縫碾壓。

每層填筑料碾壓結(jié)束后,采用16～20 t凸塊碾碾壓,使結(jié)合面形成結(jié)合鍵槽,并在上一層填筑料攤鋪前將結(jié)合面灑水濕潤(rùn)。

3.6.6 特殊部位填筑

壩體特殊填筑部位主要包括壩體與基礎(chǔ)、壩體與岸坡、壩體與混凝土結(jié)構(gòu)面等結(jié)合部位填筑[4]。

1)壩體與基礎(chǔ)結(jié)合部位填筑。當(dāng)壩基為土料、含礫黏土?xí)r,清除表層棄料并將土基灑水濕潤(rùn)壓實(shí);土基經(jīng)驗(yàn)收合格后,再將其表面刨毛或采用凸塊碾碾壓,潤(rùn)濕后即可進(jìn)行壩體土料填筑。

當(dāng)壩基為巖石時(shí),清除基巖面上的淤泥、污物、松動(dòng)巖塊等,并處理好坑洞及反坡不平順基巖;基巖如果有滲漏水,應(yīng)先行封堵,并排干積水。表層第1層填土必須用輕便夯、輕型氣胎碾等來(lái)壓實(shí),0.5 m以上可用振動(dòng)碾。在巖石面上填土?xí)r,應(yīng)灑水濕潤(rùn),并邊涂刷濃泥漿、邊鋪土、邊夯實(shí)。

2)壩體與岸坡結(jié)合部位填筑。陡峭岸坡須處理平順,填筑前先清除邊坡上松散體及雜質(zhì)等,灑水濕潤(rùn),并邊涂刷濃泥漿、邊鋪土、邊夯實(shí),泥漿涂刷高度必須與鋪土厚度一致,并應(yīng)與下部涂層銜接,嚴(yán)禁泥漿干涸后鋪土和壓實(shí)。

3)壩體與混凝土結(jié)構(gòu)面結(jié)合部位填筑。首先將混凝土表面的乳皮、粉塵、油氈等雜物清除干凈并灑水濕潤(rùn),采用上述相同的方式邊涂刷濃泥漿、邊鋪土。

3.6.7 檢測(cè)

由于均質(zhì)土壩采用了黏土及含礫黏土填筑壩體,因此均質(zhì)土壩材料并不絕對(duì)“均質(zhì)”,隨著礫料含量的變化,其最大干密度也有明顯的變化。因此,不宜采用單一的最大擊實(shí)密度作為評(píng)判土料壓實(shí)度標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)不同的礫料含量采用不同的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)會(huì)更加科學(xué)、更符合實(shí)際且更具操作性。

3.6.8 特殊季節(jié)施工

對(duì)于均質(zhì)土壩,雨季不提倡施工。如果在壩體填筑施工中偶遇降雨,應(yīng)及時(shí)將已經(jīng)攤鋪的土料碾壓密實(shí),壓實(shí)后的每層填料應(yīng)形成排水坡度。

炎熱季節(jié)施工時(shí),不得大面積清除土料場(chǎng)表層植被,應(yīng)隨著壩體填筑進(jìn)度有序進(jìn)行,以利于土料保濕。土料開(kāi)采應(yīng)與壩體填筑強(qiáng)度充分結(jié)合,合理安排、有序開(kāi)挖。壩體填筑時(shí),嚴(yán)格按流水法施工,攤鋪料及時(shí)碾壓、禁止攤鋪土料長(zhǎng)時(shí)間暴曬;因故失水的土料,必須及時(shí)補(bǔ)水以達(dá)到填筑含水率要求。在填筑上層土料之前,下層壩面必須灑水濕潤(rùn)。

4 結(jié)束語(yǔ)

均質(zhì)土壩有悠久的應(yīng)用歷史,只要加強(qiáng)全程質(zhì)量管理,即使在多雨的熱帶雨林地區(qū),也能得到很好的應(yīng)用,并創(chuàng)造出良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。