謝明勇,王 新,孫宏昌,劉玉杰,馬 強(qiáng)
(1.巴音郭楞蒙古自治州水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院,新疆 庫爾勒 841000;2.新疆維吾爾自治區(qū)塔里木河流域管理局,新疆 庫爾勒 841000;3.中國水電基礎(chǔ)局有限公司,天津 301700)
希尼爾水庫位于新疆巴州尉犁縣境內(nèi),是一座以灌溉為主的注入式反調(diào)節(jié)平原水庫,水庫原壩基防滲采取垂直防滲與水平防滲相組合的形式。水平鋪蓋防滲采用0.75mmPE復(fù)合膜防滲,垂直防滲分明槽鋪復(fù)合膜防滲、攪拌樁及澆筑塑性混凝土防滲墻。樁號(hào)0+000-4+350、6+000-7+650壩段為明槽開挖鋪復(fù)合膜防滲;樁號(hào)4+430-6+100壩段采用深層水泥土、塑性混凝土防滲墻形式防滲。采用上述防滲措施后,對(duì)壩基防滲起到一定的效果,但部分壩段防滲深度偏淺,壩基仍存在滲漏問題。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查,在現(xiàn)狀庫水位下(910.6m),壩后出現(xiàn)明顯滲漏范圍(壩后集水)的樁號(hào)為3+300-3+400段及3+900-7+000段。為了達(dá)到正常的蓄水位和保證水庫的安全運(yùn)行,在滿足抗?jié)B要求下,將水泥土防滲墻與混凝土防滲墻做比較,水泥土防滲墻工藝具有非常明顯的經(jīng)濟(jì)效益,在現(xiàn)有的資金情況下,經(jīng)專家研究對(duì)樁號(hào)2+436-4+350段采用雙排帷幕灌漿、樁號(hào)4+350-6+700段采用銑削攪拌水泥土防滲墻的施工工藝進(jìn)行除險(xiǎn)加固處理[1-2]。
為了準(zhǔn)確掌握不同水泥摻量下水泥土不同齡期的強(qiáng)度和滲透系數(shù)關(guān)系及相同水泥摻量下不同黏土含量下水泥土不同齡期強(qiáng)度與滲透系數(shù)的關(guān)系,塔里木河流域工程建設(shè)處委托我設(shè)計(jì)院承接了對(duì)該項(xiàng)目水泥土配合比的初步設(shè)計(jì)及試驗(yàn)數(shù)據(jù)研究工作。希尼爾水庫深攪銑水泥土設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo),見表1。
表1 希尼爾水庫深攪銑水泥土設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)
水泥土配合比主要原材料包括:水泥、現(xiàn)場土樣。結(jié)合經(jīng)濟(jì)效益以及供貨的及時(shí)有效性,水泥采用巴州青松綠原建材有限責(zé)任公司生產(chǎn)的P.O42.5普通硅酸鹽水泥。土樣采用現(xiàn)場的7+100處的泥巖和放水閘處的砂巖1∶1混合制成。
水泥物理性能檢測(cè)結(jié)果符合《通用硅酸鹽水泥》GB 175-2007的質(zhì)量指標(biāo)具體檢測(cè)數(shù)據(jù),水泥物理性能一覽表,見表2。
表2 水泥物理性能一覽表
土樣經(jīng)現(xiàn)場不同部位,不同深度取回做顆粒分析、密度、滲透系數(shù)、抗壓強(qiáng)度檢測(cè),試驗(yàn)后將剩余土樣烘干混合敲打粉碎,過篩后備用,土樣顆粒分析、密度、滲透系數(shù)、抗壓強(qiáng)度檢測(cè)數(shù)據(jù)表,見表3。
表3 土樣顆粒分析、密度、滲透系數(shù)、抗壓強(qiáng)度檢測(cè)數(shù)據(jù)表
圖1 7+100處土樣顆粒大小分配曲線
圖2 放水閘處土樣顆粒大小分配曲線
塔里木河流域希尼爾水庫除險(xiǎn)加固工程,使用銑削深攪的施工工藝,在通過注入水泥漿與攪碎的土體一起混合從而形成水泥土防滲墻,達(dá)到水庫防滲的效果。依據(jù)施工工藝特點(diǎn)影響水泥土主要力學(xué)物理指標(biāo)的主要因素是滲透系數(shù)和強(qiáng)度指標(biāo)經(jīng)過和業(yè)主商議最終確定不同水泥摻量和不同黏土摻量的試驗(yàn)方案。
本配合比結(jié)合《水泥土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》JGJ/T 233-2011[3]、《等厚度水泥土攪拌墻技術(shù)規(guī)程》DGTJ 08-2248-2017[4]及工地現(xiàn)場實(shí)際施工原理設(shè)計(jì),現(xiàn)場采用銑削深攪工藝先將土體攪碎成泥漿,在邊注入水泥漿邊攪拌混合形成水泥土,現(xiàn)場存在地下水,無法控制實(shí)際水量,因注漿設(shè)備的局限性,水泥漿中水和水泥的比例為1:1有便于施工,本配合比原材料水泥,土(砂性黏土)全都取自施工現(xiàn)場,所以本配合比采用同樣原理將1:1的水泥漿摻入到一定比例的泥漿中混合拌勻制作成水泥土試件,水泥質(zhì)量占土質(zhì)量的7%、11%、13%、15%、17%,在不同齡期下測(cè)定抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)。同時(shí)在制作一批水泥土試件,水泥摻量仍然為土質(zhì)量的7%、11%、13%、15%、17%,同時(shí)再摻入土質(zhì)量的5%的黏土,在不同齡期下測(cè)定抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù),根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。
水泥土配合比配置表,見表4。
表4 水泥土配合比配置表
水泥土配合比試驗(yàn)主要儀器,見表5。
表5 水泥土配合比試驗(yàn)主要儀器
水泥土滲透系數(shù)試驗(yàn)試模(PVC管自制),見圖3。
圖3 水泥土滲透系數(shù)試驗(yàn)試模(PVC管自制)
由于水泥土的滲透系數(shù)較低,也沒有具體的試驗(yàn)規(guī)范指導(dǎo),在環(huán)境、設(shè)備及人為因素等約束影響下,無法采用傳統(tǒng)的變水頭滲透試驗(yàn)和常水頭的滲透試驗(yàn)。在這我們另辟蹊徑,采用了SL6A型應(yīng)力應(yīng)變控制式三軸剪切滲透試驗(yàn)儀完成水泥土的抗?jié)B試驗(yàn),試驗(yàn)工作原理是通過恒定的周圍壓力(水壓),待土樣固結(jié)(恢復(fù)應(yīng)力)完成后,對(duì)土樣兩端施加恒定的水頭(應(yīng)力差)進(jìn)行滲透試驗(yàn),滲透壓力遠(yuǎn)遠(yuǎn)<圍壓,根據(jù)滲水量可調(diào)節(jié)滲透壓力大小改變水頭,根據(jù)電腦采集的試驗(yàn)數(shù)據(jù),按達(dá)西定律公式計(jì)算滲透系數(shù)。由于水泥土強(qiáng)度很低,采用等級(jí)為0.5級(jí)的微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī),試驗(yàn)速率為0.03kN/s,檢測(cè)抗壓強(qiáng)度(3塊為1組)。
將取回的黏性土和砂性土磨細(xì)過篩按1:1混合,在按表3數(shù)據(jù)分別稱取各個(gè)原材料備用。
抗壓試模采用水泥砂漿試模規(guī)格70.7×70.7×70.7mm,抗?jié)B試模采用PVC管自制而成,將內(nèi)徑為59mm的PVC管切割成高度120±10mm的試模。
先將水倒入砌墻磚抗壓強(qiáng)度專用攪拌機(jī)(原理和水泥膠砂強(qiáng)度攪拌機(jī)類似),再將稱量好的水泥和土樣拌和均勻后倒入攪拌鍋,攪拌2min后取出,裝入70.7×70.7×70.7mm的砂漿試模中成型抗壓試件,裝入直徑59mm,高度120±10mm的試模(PVC管自制)成型抗?jié)B試塊,第2天(24h)脫模。
試塊脫模后放入溫度20±2℃,濕度95%的養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù),待齡期達(dá)到7d、14d、28d后分別檢測(cè)抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)。
水泥土抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果匯總表,見表6。
表6 水泥土抗壓強(qiáng)度和滲透系數(shù)試驗(yàn)結(jié)果匯總表
成型后抗?jié)B試塊及現(xiàn)場實(shí)際鉆芯滲透試塊圖片對(duì)比,見圖4。
圖4 試驗(yàn)室成型水泥土試件(左側(cè)2個(gè))與實(shí)際鉆芯試樣(右側(cè)4個(gè))對(duì)比
通過目前的試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析研究初步得到以下結(jié)論:
1)水泥土的強(qiáng)度和水泥摻量成正比,水泥摻量越高強(qiáng)度越高;水泥土滲透系數(shù)和水泥摻量成反比,能明顯降低滲透系數(shù),水泥摻量達(dá)到一定程度在繼續(xù)增加時(shí)滲透系數(shù)降低效果不再那么明顯。
2)水泥土的強(qiáng)度和齡期成正比,隨著齡期的增長,水泥土強(qiáng)度有明顯的提高;水泥土滲透系數(shù)隨著齡期的增長卻沒有明顯變化。
3)增加一定的黏性土,水泥土強(qiáng)度明顯降低,滲透系數(shù)也明顯降低,通過目前的數(shù)據(jù)比較增加水泥土強(qiáng)度對(duì)滲透系數(shù)的降低沒有過于明顯的變化。改變水泥土內(nèi)部結(jié)構(gòu),不同的顆粒級(jí)配,更能有效降低水泥土的滲透系數(shù)。
本次試驗(yàn)結(jié)論只是基于本工程項(xiàng)目中有限的試驗(yàn)數(shù)據(jù),有待大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步考證和分析研究,對(duì)抗?jié)B性能要求不是很高的工程中利用水泥土做防滲材料可以節(jié)約成本能達(dá)到很高的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益,水泥土的研究與應(yīng)用對(duì)未來工程中的發(fā)展有很大的實(shí)用價(jià)值。