均质土坝在热带雨林地区的应用与研究

刘 凯

中国葛洲坝集团第二工程有限公司,四川 成都 610091

0 引言

均质土坝是一种最古老的挡水建筑物之一,由于筑坝成本低、机械化程度高、施工相对便利,故在城乡水利基础设施建设中应用十分广泛。均质土坝由于其筑坝材料的特性,坝体受到侵蚀的因素更多、概率更高。因此在多雨的热带雨林地区应用该工艺,做好设计、试验、料场选取、挖装运输、摊铺、碾压、检测等全过程质量管理是关键。

1 坝体结构设计

均质土坝结构基本由一种性质相近的土料组成,沿坝基中心线设置止水帷幕1道,坝基帷幕线前段设置1道止水槽,止水槽底部与微风化基岩接触。帷幕线下游设置1道L型排水褥垫,排水褥垫结构为“反滤层+排水层+反滤层”,坝体结构如图1所示。

注:图中高程单位为m,标注单位为mm。

2 工艺流程

坝体设计—施工准备—坝基处理、基础防渗、验收(同时进行生产性试验)—坝料开采、运输—坝体填筑(坝料摊铺、碾压、检测)—下一循环坝体填筑。

3 工艺过程质量控制

3.1 设计指标

3.1.1 筑坝材料

黏粒含量:10%～30%;塑性指数:7%～17%;有机质含量小于5%;水溶盐含量小于3%;天然含水率:最优含水率为-2%～+3%(非雨季);渗透系数小于1.0×10-4cm/s;土的分散性:采用非分散性土为宜;压实度: 96%以上的试样压实度达到96%以上,最低不低于94%[1]。

3.1.2 土料级配

依据设计指标确定均质土坝料级配:大于5 mm的粗颗粒含量不大于50%,压实后10%～40%;小于0.1 mm的细颗粒含量大于30%;最大粒径不宜大于150 mm或铺土厚度的2/3;0.075mm 以下的颗粒含量为10%～30%。

3.1.3 反滤料和排水体

反滤料:宜选用较均匀的具有抗水性和抗风化能力的砂、砾、卵石或碎石,质地致密坚硬,透水性强;反滤料设计粒径小于20 mm,相对密度应大于0.7,应具有连续级配;反滤料粒径小于0.075 mm的颗粒含量不大于5%;反滤料粒径小于5 mm的颗粒含量应大于40%。

排水体:宜选用较均匀的具有抗水性和抗风化能力的砂、砾、卵石或碎石,质地致密坚硬,透水性强;排水碎石设计粒径范围10～100 mm,相对密度应大于0.7,应具有连续级配;排水碎石粒径小于0.075 mm的颗粒含量不大于5%。

3.2 施工顺序

均质土坝施工顺序如图2所示。

图2 均质土坝施工顺序

3.3 坝基处理

坝基处理主要包括坝基开挖清理、岸坡开挖和截水槽开挖等。覆盖层主要为第四系洪冲积层和残坡积层。漫滩地段上覆土层主要为洪冲积粉质黏土和卵砾石,粉质黏土均匀分布在整个漫滩表层,平均厚度约1.5 m,局部少量夹粉细砂或粉土透镜体,卵砾石分布不均,厚度0.8～7.7 m,中部较厚,往河边逐渐变薄。左、右岸山坡覆盖层以混角砾(碎石)粉质黏土为主,平均厚度约1.5 m。坝址区下伏基岩主要由粉砂质泥岩夹泥灰岩和粉砂质泥岩夹砂岩组成,左岸山坡以粉砂质泥岩夹砂岩地层为主,右岸山坡及漫滩上部以粉砂质泥岩夹泥灰岩地层为主,下部为粉砂质泥岩夹砂岩地层。

根据均质土坝的特性,坝基处理标准如下。

1)清除坝基及坝坡范围内的草木、水、淤泥、淤泥质土、含较多腐质的土、松土、大块石及施工过程遗留下来的木头、钢筋头等杂物。

2)清除坝基由水泥灌浆废浆液堆积的水泥结硬块及淤泥。

3)清除开挖边坡的松散土。

4)如果坝基为原状表土,应清基开挖0.5 m以上。

5)截水槽开挖标准:截水槽嵌入基岩0.5 m。

岸坡及坝基处理主要是清除表层覆盖层和松散层,以推土机和反铲为主,辅以破碎锤破碎进行开挖。截水槽开挖以反铲为主,局部难以开挖的部位辅以微差爆破的方式破碎后进行开挖。

6)与坝体接触的岸坡偏陡峭部位宜处理成缓坡;结合坝体填筑每层分层厚度,将土质岸坡对应地处理成平台状结合面,处理后的土质岸坡结合缝面参考综合坡比以不大于1：3为宜。

3.4 坝基防渗

均质土坝的地基为透水地层时,可采用垂直防渗或水平铺盖防渗。当河床覆盖层不深时,可采用黏土截水槽达到相对不透水层。当河床覆盖层较深,可采用灌浆帷幕或混凝土防渗墙。为了减少渗透流量和渗透坡降,可在坝体上游设置黏土铺盖以延长渗径。

本项目坝基以下采用灌浆帷幕进行坝基防渗,帷幕灌浆线沿大坝中心线设置,共跨越左坝肩延伸段、溢洪道、大坝、进水口及右坝肩等部位,防渗帷幕宜深入至相对不透水层以下。其主要施工程序:盖重基槽开挖—锚筋施工—盖重混凝土浇筑—待凝养护—钻孔灌浆—检测。

帷幕灌浆混凝土盖重主要起压重作用,盖重混凝土标号C20,断面尺寸2 000 mm×500 mm,沿帷幕灌浆线全长布置。为了使基岩与混凝土盖重结合紧密,在基岩凿孔插入锚筋连接盖重混凝土。

帷幕灌浆在混凝土盖重上施工,盖重混凝土应达到50%以上的设计强度后方可钻孔灌浆。

本项目采用单排帷幕,孔间距2.5 m,分3道程序进行灌注,帷幕底线延伸至坝基10 Lu渗透线以下5 m,先导孔孔深较其他帷幕灌浆孔深10 m。帷幕灌浆先施工先导孔,先导孔从Ⅰ序孔中选取且20 m间距布置1个,先导孔施工完后,再进行Ⅰ序孔施工,然后进行Ⅱ序孔施工,最后进行Ⅲ序孔施工,各排序灌浆孔施工完成后进行检查孔施工。

3.5 坝体填筑试验

3.5.1 室内试验

粉质黏土料主要进行相关物理、化学试验,并选取其中3组进行土壤分散性试验。不含砾料的粉质黏土虽然具有很好的防渗性能,但重度及强度相对偏低。通过试验,适度含量的5 mm以上砾料,既能增加筑坝土料的容重,降低土料的压缩性,也能提高压实土料的c、Q值,从而增加坝体运行期的安全稳定性。

3.5.2 碾压试验

通过现场碾压试验,主要掌握松铺厚度、碾压速度、碾压遍数等相关数据,以指导现场生产[2]。

3.6 坝体填筑

3.6.1 选料

1)土料:依据现场土料取样试验结果,将土料按照物理性质进行分类、分区并加以标识,以备坝体填筑时根据需要进行取用。

基础、岸坡及建(构)筑物等结合部位,采用黏粒含量较高的纯黏土填筑,以利于和坝体接触面的结合及适应变形。

主坝体填筑部位,主要采用含砾黏土填筑。含砾黏土同时具备粗粒土和细粒土的特点,强度相对较高、压缩性较低、透水性较小,为均质土坝较为理想的填筑材料。

2)排水体:为了降低坝体的浸润线,增加坝体的稳定性,在坝内设置了L型排水设施,后接下游坝脚堆石排水体。

排水褥垫采用微风化以下部位强度较高的新鲜岩石加工,同时须剔除杂物并清洗干净,含泥量满足设计要求[3]。

3.6.2 表土清理

表土主要包括树木、植物,表层腐殖土、植物根系弃料层,采用1.0 m3反铲配合SD22推土机剥离。复绿备用的表层根植土采用反铲挖装,自卸车运输至储备区存储。

3.6.3 取料

坝体填筑土料及排水褥垫料采用1.0～1.6 m3挖掘机挖装,20～25 t自卸车运输,SD22推土机及挖机配合平整。

3.6.4 摊铺

1)土料摊铺。载重自卸汽车在碾压好的下层黏土上反复行走、碾压、转弯、挤压,可能造成弹簧土和剪切破坏,因此土料上坝采用进占法卸料,SD22推土机摊铺整平。

2)排水褥垫摊铺。水平向排水褥垫采用SD22推土机摊铺,竖向排水褥垫反滤料及排水体料采用专用模具及1.0 m3挖机辅助摊铺。排水褥垫布置、断面如图3～4所示。

图3 排水褥垫布置图

图4 排水褥垫断面图

3.6.5 碾压

坝体土料:由YZ20C振动碾沿坝轴线方向采用进退错距法碾压,依据振动碾轮宽错距约为0.2 m,振动碾行走速度不得超过2 km/h。经过生产性试验及以往类似工程经验,土料采用“2+6”的方式进行碾压,即先滚动无激振静压2遍,再振动碾压6遍。

竖向排水褥垫:竖向排水褥垫摊铺平整后,随相应填筑土层平起填筑,采用YZ20C振动碾与土料骑缝碾压。

每层填筑料碾压结束后,采用16～20 t凸块碾碾压,使结合面形成结合键槽,并在上一层填筑料摊铺前将结合面洒水湿润。

3.6.6 特殊部位填筑

坝体特殊填筑部位主要包括坝体与基础、坝体与岸坡、坝体与混凝土结构面等结合部位填筑[4]。

1)坝体与基础结合部位填筑。当坝基为土料、含砾黏土时,清除表层弃料并将土基洒水湿润压实;土基经验收合格后,再将其表面刨毛或采用凸块碾碾压,润湿后即可进行坝体土料填筑。

当坝基为岩石时,清除基岩面上的淤泥、污物、松动岩块等,并处理好坑洞及反坡不平顺基岩;基岩如果有渗漏水,应先行封堵,并排干积水。表层第1层填土必须用轻便夯、轻型气胎碾等来压实,0.5 m以上可用振动碾。在岩石面上填土时,应洒水湿润,并边涂刷浓泥浆、边铺土、边夯实。

2)坝体与岸坡结合部位填筑。陡峭岸坡须处理平顺,填筑前先清除边坡上松散体及杂质等,洒水湿润,并边涂刷浓泥浆、边铺土、边夯实,泥浆涂刷高度必须与铺土厚度一致,并应与下部涂层衔接,严禁泥浆干涸后铺土和压实。

3)坝体与混凝土结构面结合部位填筑。首先将混凝土表面的乳皮、粉尘、油毡等杂物清除干净并洒水湿润,采用上述相同的方式边涂刷浓泥浆、边铺土。

3.6.7 检测

由于均质土坝采用了黏土及含砾黏土填筑坝体,因此均质土坝材料并不绝对“均质”,随着砾料含量的变化,其最大干密度也有明显的变化。因此,不宜采用单一的最大击实密度作为评判土料压实度标准。根据不同的砾料含量采用不同的评判标准会更加科学、更符合实际且更具操作性。

3.6.8 特殊季节施工

对于均质土坝,雨季不提倡施工。如果在坝体填筑施工中偶遇降雨,应及时将已经摊铺的土料碾压密实,压实后的每层填料应形成排水坡度。

炎热季节施工时,不得大面积清除土料场表层植被,应随着坝体填筑进度有序进行,以利于土料保湿。土料开采应与坝体填筑强度充分结合,合理安排、有序开挖。坝体填筑时,严格按流水法施工,摊铺料及时碾压、禁止摊铺土料长时间暴晒;因故失水的土料,必须及时补水以达到填筑含水率要求。在填筑上层土料之前,下层坝面必须洒水湿润。

4 结束语

均质土坝有悠久的应用历史,只要加强全程质量管理,即使在多雨的热带雨林地区,也能得到很好的应用,并创造出良好的经济和社会效益。