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(shè)管理局，云南大理672708)

0 引 言

在土石壩工程領(lǐng)域，礫質(zhì)土作為防滲體的應(yīng)用已經(jīng)有近百年的歷史，特別是進(jìn)入21世紀(jì)，作為再生能源的水電進(jìn)入了快速發(fā)展期，帶動(dòng)了攔水建筑物心墻土石壩的發(fā)展。天然礫質(zhì)土因其較好的防滲性、易于壓實(shí)等特性，在土石壩防滲心墻中得到了較為廣泛的應(yīng)用[1- 6]。對(duì)于礫質(zhì)土，含水量處于最優(yōu)含水率附近時(shí)，易于壓實(shí)，而偏離最優(yōu)含水率則無法壓實(shí)，從而在工程應(yīng)用中，必須采取相應(yīng)的調(diào)節(jié)含水率處理措施。其中，當(dāng)含水率超過最優(yōu)含水率較高時(shí)，目前采取的方式是自然翻曬，通過日照的蒸發(fā)作用，將含水率降低至最優(yōu)含水率附近。該方法在工程建設(shè)中得到長期應(yīng)用，但該方法暴曬時(shí)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(wù)重的土石壩建設(shè)過程中，并不適用。因此，研究更加科學(xué)合理、省時(shí)省力的雨后快速施工技術(shù)，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)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(jī)容量1 400 MW，為周調(diào)節(jié)水庫。大壩為礫質(zhì)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(zhì)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(shè)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(zhì)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(jù)有關(guān)施工技術(shù)規(guī)范要求和招標(biāo)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(shí)，正常施工；日降雨量為0.5～5 mm時(shí)，雨日停工；日降雨量為5～10 mm時(shí)，雨日停工，雨后0.5日復(fù)工；日降雨量為10～30 mm時(shí)，雨日停工，雨后1日復(fù)工；日降雨量大于30 mm時(shí)，雨日，雨后2日復(fù)工。

(2)礫質(zhì)土防滲料。日降雨量小于5 mm時(shí)，正常施工；日降雨量為5～10 mm時(shí)，雨日停工；日降雨量為10～30 mm時(shí)，雨日停工，雨后0.5日復(fù)工；日降雨量大于30 mm時(shí)，雨日停工，雨后1日復(fù)工。

表1 完成的試驗(yàn)內(nèi)容匯總

注：ωop為最優(yōu)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(huán)境因素的影響很大，尤其是對(duì)作為心墻防滲土料的礫質(zhì)土以及高塑性粘土影響更大，降雨會(huì)增加土料的含水量，含水率不易控制，影響碾壓施工質(zhì)量。電站所處區(qū)域每年6月～ 9月為主汛期，降雨量大，持續(xù)時(shí)間長，對(duì)大壩心墻填筑施工影響很大。根據(jù)施工進(jìn)度計(jì)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(jù)礫質(zhì)土料碾壓試驗(yàn)成果，心墻填筑設(shè)計(jì)層厚不超過25 cm，心墻礫質(zhì)土料的填筑含水率按最優(yōu)含水率偏干1%～最優(yōu)含水率偏濕3%標(biāo)準(zhǔn)控制，接觸粘土料的填筑含水率按最優(yōu)含水率偏濕1%～最優(yōu)含水率偏濕3.5%標(biāo)準(zhǔn)控制，全過程實(shí)施數(shù)字化大壩碾壓系統(tǒng)監(jiān)控，礫質(zhì)土料全料壓實(shí)度≥95%復(fù)核，小于20 mm顆粒細(xì)料壓實(shí)度≥98%，接觸性黏土料全料壓實(shí)度

≥95%，工程碾壓標(biāo)準(zhǔn)要求高，汛期施工氣候要求高，施工難度大，工期任務(wù)緊。為保證壩體填筑施工進(jìn)度，滿足安全度汛目標(biāo)，同時(shí)降低工程造價(jià)，研究雨后快速施工技術(shù)，具有重要的理論和實(shí)踐價(jià)值。

2 生石灰快速脫水機(jī)理

(1)化學(xué)反應(yīng)。生石灰遇水將發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而起到吸收水分的作用。單位質(zhì)量的生石灰，最后變成質(zhì)量為1.786的CaCO3。

(2)蒸發(fā)損失。在生石灰與水反應(yīng)過程中，會(huì)產(chǎn)生熱量，產(chǎn)生的熱量將增加水分的蒸發(fā)損失。水分的蒸發(fā)損失主要影響因素有面積、風(fēng)速、溫度、相對(duì)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(jù)結(jié)果做一定折減。對(duì)于蒸發(fā)損失，需要通過試驗(yàn)法來進(jìn)行確定，具體如下：①選取1 m2、風(fēng)速1 m/s、氣溫10 ℃(換算成熱力學(xué)溫度)、相對(duì)濕度50%的水面，測(cè)得每小時(shí)蒸發(fā)量為A1；②其他參數(shù)不變，把氣溫提高為20 ℃，測(cè)得每小時(shí)蒸發(fā)量A2；③其他參數(shù)不變，把氣溫提高為30 ℃，測(cè)得每小時(shí)蒸發(fā)量A3；④其他不變，風(fēng)速變?yōu)? m/s，測(cè)得B1……以此類推，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，最后得到生石灰與水發(fā)生反應(yīng)的單位時(shí)間蒸發(fā)損失量。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

根據(jù)已有試驗(yàn)條件，開展了以下相關(guān)試驗(yàn)研究，具體見表1。

3.1 蒸發(fā)系數(shù)測(cè)定

3.1.1 土料的天然含水量及壓實(shí)度

試驗(yàn)從左岸土料場(chǎng)取土料，采用152 mm型擊實(shí)儀進(jìn)行小于5 mm以下細(xì)料的擊實(shí)，分別測(cè)定ωop+2%、ωop+4%、ωop+6%、ωop+8%4種含水率土料擊實(shí)以后的含水率及干密度，得出天然礫質(zhì)土的最

表2 各試樣含水量與摻灰量

注：最優(yōu)含水率為14.5%，生石灰的CaO含量由于試驗(yàn)之前未進(jìn)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(yōu)含水率為17.7%，最大干密度為1.79 g/cm3。擊實(shí)實(shí)驗(yàn)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(zhì)土的擊實(shí)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(xué)反應(yīng)來吸收土料的過濕水分，是無法實(shí)現(xiàn)的。4組土樣經(jīng)過摻加石灰以后，其含水率都不會(huì)降低至最優(yōu)含水率附近，究其原因是水分蒸發(fā)造成的。試驗(yàn)過程中測(cè)定的試樣最高溫度為29.6 ℃，室內(nèi)溫度為25.5 ℃，基本處于無風(fēng)狀態(tài)。該狀態(tài)下，水分蒸發(fā)系數(shù)約為26.3%。

3.1.3 質(zhì)量變化分析

圖1 質(zhì)量變化曲線

根據(jù)2.1的分析，化學(xué)反應(yīng)后生石灰質(zhì)量將增大1.786倍，而圖1反應(yīng)其質(zhì)量是逐步降低的。因此，圖1反應(yīng)的并不是水分損失以后的質(zhì)量變化，必須扣除CaCO3引起的質(zhì)量增加量才是試驗(yàn)的水分損失量。石灰摻拌以后第22 h，其質(zhì)量變化見表3。

4組試樣最終的含水量，與試驗(yàn)測(cè)定完成的結(jié)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(zhì)量與時(shí)間的關(guān)系，可以采用下式計(jì)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(zhì)量、時(shí)間；A、B、C為與試樣含水率、摻灰量有關(guān)的參數(shù)；Q、ω0分別為摻灰比例和初始含水率。

則t時(shí)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(fā)系數(shù)

1.5 統(tǒng)計(jì)學(xué)分析 使用SPSS 19.0軟件行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析，驗(yàn)證計(jì)量資料符合正態(tài)分布后使用均值±標(biāo)準(zhǔn)差表示，并行t檢驗(yàn)，使用百分率(%)表示計(jì)數(shù)資料，行卡方檢驗(yàn)，以P<0.05為差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

對(duì)于各試樣摻加石灰以后，測(cè)定從摻灰開始直至往后的22 h的水分損失，試驗(yàn)結(jié)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(shí)間的關(guān)系曲線

組號(hào)初始含水量/g含水量/g1.5 h6.5 h22 h蒸發(fā)系數(shù)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(fā)生在摻灰以后的1.5 h內(nèi)。在4 h 左右，含水率降低出現(xiàn)一峰值，該峰值的出現(xiàn)是由于發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，釋放出反應(yīng)所吸收的水分，其質(zhì)量相同，在蒸發(fā)損失的影響下，呈現(xiàn)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(shí)間。

本試驗(yàn)條件為無風(fēng)、室溫25.5 ℃的外部條件。根據(jù)試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)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(fā)系數(shù)計(jì)算結(jié)果見表4。

3.2 壓實(shí)特性結(jié)果分析

對(duì)天然礫質(zhì)土摻加石灰以后的壓實(shí)特性進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，分別測(cè)定摻加石灰以后的最大干密度和最優(yōu)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(jìn)行封閉，經(jīng)過24 h，進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 不同摻灰比例下的擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

從圖3可以明顯看出，土料摻加石灰后，其擊實(shí)曲線較不摻加石灰的天然礫質(zhì)土料的擊實(shí)曲線平緩，并且呈現(xiàn)摻量越多峰值越不明顯；此外，隨著摻灰量的增加，擊實(shí)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(shí)，壓實(shí)度能夠較為容易地達(dá)到最大壓實(shí)度。

3.3 滲透性試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)天然的礫質(zhì)土、摻加石灰以后的石灰處置土進(jìn)行變水頭試驗(yàn)，測(cè)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(yàn)各兩組，進(jìn)行悶土24 h后，再進(jìn)行滲透性制樣及試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

表5 不同摻灰比例下的石灰處置土的滲透系數(shù)

從表5可以看出，摻加石灰以后，石灰處置土的滲透系數(shù)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(shù)較天然礫質(zhì)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(shù)明顯降低，主要是由于化學(xué)反應(yīng)生成的CaCO3起到了細(xì)料作用，增加了土料中的細(xì)料含量，從而降低了滲透性。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，反推滲透系數(shù)與摻灰比例之間滿足如下關(guān)系式

K20=-2×10-8Q2+1×10-7Q+8×10-8

(7)

式中，Q為摻灰比例。

根據(jù)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(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

采用人工撒灰、推土機(jī)履帶摻拌的方式進(jìn)行摻拌，見圖5。分別測(cè)定摻拌完成以后0.3、2.5h的土料含水率，以及測(cè)定兩個(gè)時(shí)間段的土料壓實(shí)性能。摻灰比例計(jì)算如下：

圖4 試驗(yàn)分區(qū)及點(diǎn)位(單位：cm)

試驗(yàn)區(qū)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(yàn)區(qū)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(jìn)行含水率的取樣，作為過濕土的初始含水率。經(jīng)過0.3 h，在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)摻拌均勻土進(jìn)行點(diǎn)位取樣回室內(nèi)監(jiān)測(cè)其含水率。經(jīng)過2.5 h，再進(jìn)行第三次取樣，回室內(nèi)做含水率檢測(cè)。碾壓完成以后，挖坑取樣回室內(nèi)做壓實(shí)度檢測(cè)。取典型的10個(gè)試樣根據(jù)未摻拌石灰時(shí)、摻拌石灰0.5、3.0 h后的含水率變化，建立含水率與時(shí)間的變化曲線見圖5。

圖5 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)含水率變化曲線

從圖5可以看出，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果基本與室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果一致。摻灰3h后，10個(gè)試樣含水率降低都在3%左右。因此，根據(jù)現(xiàn)有心墻填筑設(shè)備采取的摻拌方法以及碾壓方式，對(duì)于處理心墻的過濕土能夠起到較好效果。

4 結(jié)論及建議

通過已完成的初期試驗(yàn)研究，得出以下結(jié)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(fā)生化學(xué)反應(yīng)所釋放

熱量來增加水分蒸發(fā)損失的速度，實(shí)現(xiàn)水分的損失。

(2)土料摻拌石灰以后，t時(shí)刻的含水率可以通過3.1.3節(jié)中計(jì)算式求得，根據(jù)礫質(zhì)土過濕含水率、計(jì)劃開始填筑的時(shí)間、土料的干密度，計(jì)劃所需摻灰量。

(3)土料摻加石灰以后，擊實(shí)曲線變得越來越平緩，土料易于擊實(shí)，壓實(shí)度能夠較為容易達(dá)到最大壓實(shí)度，且摻灰越多，該特性表現(xiàn)越明顯。

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

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