探析水利圍堰施工中粘土鋪蓋防滲措施

　　摘要：在水利水電土石圍堰工程中，用粘土鋪蓋作為堰基的防滲措施，特別是在抓床開闊、透水覆蓋層較厚、無強透水夾層的均質(zhì)或雙層地基上的中、低水頭圍堰工程，與一般的土石圍堰采用垂直的防滲措施相比，從經(jīng)濟與工期上均具有較強的優(yōu)越性。筆者結(jié)合水利水電工程施工實踐的經(jīng)驗，對粘土力學性質(zhì)和滲透穩(wěn)定性進行了分析，對施工方案設計進行了具體論述。以供同行參考。

　　關鍵詞：水利工程；粘土鋪蓋法；防滲措施

　　1粘土鋪蓋法的原理及適用條件

　　粘性土拋入水中之后，土團粒吸水膨脹，土內(nèi)產(chǎn)生不均勻應力，膠質(zhì)逐漸溶解，團粒水膜變厚，內(nèi)磨擦力及凝聚力減小，土的團粒結(jié)構(gòu)也就逐漸受破壞，崩解成小土塊，甚至成散粒。以后在本身自重、上層填土重量及滲透壓力作用下，呈雙相或單向排水，逐漸固結(jié)密實。密實度、含水量逐漸變得均勻，防滲能力逐步提高。要使水下拋土鋪蓋達到預期防滲效果，必須使水下拋土體在施工期具有崩解、密實等條件，以保證在運行期不被水流及滲流破壞。

　　1.1拋投區(qū)流速與水深

　　拋入水中的粘性土會被拋投區(qū)內(nèi)的水流擴散、攜帶流失一部分。當流速小于0.5～0.6m／s，流失量一般在15％以內(nèi)。當流速達0.9～1.2m／s，便會產(chǎn)生嚴重分離和細粒大量流失現(xiàn)象。而細粒大量流失，不僅加大水下拋投量，且形成的鋪蓋防滲能力差。因此，宜盡可能在水下拋投施工期造成靜水壓，控制是最大流速在0.5m／s以內(nèi)。

　　在圍堰擋水運用期間，鋪蓋上的過流速度亦應小于鋪蓋固結(jié)后的允許沖刷速度(若鋪蓋上部分采用保護措施后，按不大于保護措施允許流速控制)，以防止沖刷，保持鋪蓋完整性和防滲效果。

　　拋土時的水深極限值與土料性質(zhì)有關。粘粒含量多、含水量大的粘土導體，在水中不易崩解，沉降快，受水深的制約作用小，可用于深水拋填。而粘粒含量低、含水量小的土料易崩解、分散成較細土粒，懸浮于水中，水深愈大，下沉歷時愈長，這類土就不宜用于深水拋投。根據(jù)水中拋填試驗，礫質(zhì)土(小于0.05㎜粒徑的土粒占12％)不能在水深超過12m的條件下拋投，而粘粒含量較多的次生黃土(小于0.05㎜粒徑的土粒大于18％)能在水深13～26m處形成干密度達1.40～1.46g／cm。、滲透系數(shù)8.9×10-6～4.2×10～5cm／s的粘土鋪蓋。

　　1.2鋪蓋區(qū)的地基地形

　　要求拋投區(qū)的地形比較平整或稍向堰體方向傾斜。高低不平的堰基會造成水下拋土鋪蓋厚薄不均，不僅增大拋投量，還會在鋪蓋較薄處形成集中滲流，成為防滲薄弱環(huán)節(jié)。若向堰體外方向的地形傾斜坡度小于不下拋投土自然穩(wěn)定邊坡，則可以形成完整鋪蓋，但為了滿足

　　邊坡穩(wěn)定要求，需增大拋投量。若地形傾斜度大于水下拋投土自然穩(wěn)定邊坡，則難以形成完整鋪蓋。為了解決這個問題，可以圍堰鋪蓋末端拋石渣擋土堤，以穩(wěn)定水下拋土體。

　　2粘土的選用

　　水下粘土鋪蓋主要用于堰基防滲，因此，所拋土料應能在水下浸透、崩解、固結(jié)，形成具有一定防滲能力、抗沖刷能力、滿足滲透穩(wěn)定、邊坡穩(wěn)定要求的防滲體。

　　2.1土質(zhì)

　　一般壤土、粘土、天然含水量較高處于塑態(tài)的肥粘土都是良好的水下拋土料。但不宜采用礫質(zhì)土、硬質(zhì)肥粘土及粉粒含量高、粘粒含量少于17％的粉質(zhì)土。

　　2.2土料含水量

　　某科學院試驗成果證明，一般粘土、壤土拋土料的自然含水量對水下拋土體的防滲能力有很大影響，見表1。

　　表1土料含水量對不下拋土體防滲能力影響

　　2.3拋土塊徑

　　粘圭塊徑過大，在水中不易浸透軟化、崩解，會造成架空；而壤土塊徑過小，未至水底即崩解成散粒，不僅易于流失，且形成的土體含水量過大，很難固結(jié)密實，影響拋土鋪蓋穩(wěn)定性。一般可控制粘土塊尺寸不大于10～20cm(壤土可以不嚴格控制拋土塊徑)，按塊徑不大于2倍含水量變化影響深度計算。

　　某工程低水圍堰上游拋土體塊徑為10～20cm，少數(shù)為30cm。在開挖拋土時未發(fā)現(xiàn)架空。證明少量超徑土塊能被已崩解小土塊包裹，填滿架空，大土塊本身在表面濕潤軟化，在上部土重力作用下，相互擠緊，拋土初期形成的架空區(qū)會逐漸消失。

　　2.4崩解

　　崩解速度跟粘性土的化學性質(zhì)、顆粒組成、含水量等有關。鈣粘性土親水性差，遇水不分散；鈉粘土親水性強，遇水容易分散。砂壤土崩解速度最快、壤土次之，粘土慢；而肥粘土在浸水30d后的崩解量也不大于5％。壤土的崩解速度隨其含水量減少而緩慢，粘土則相反；而砂壤土的崩解速度與土的開始含水量無明顯關系。

　　一般認為5cm×5cm×5cm土塊浸入水中能在l0～15s內(nèi)完全浸透，并有部分濕化崩解的土料最適宜水下拋土。

　　3工程力學性質(zhì)分析

　　水中拋填的粘性土料應具有低密度、高含水量的特征，在坡腳以外沿水平方向的工程力學性質(zhì)比較均勻，沿土體深度方向的密度和防滲性能逐漸增大。

　　3.1水中拋土鋪蓋外觀

　　壤土本身凝聚力小，在水中沉降時，崩解速度比較快，用其拋填的鋪蓋表面有一層易于流動的細粒沉積；用粘土拋填的鋪蓋僅在坡肢有一層易于流動的細粒沉積，坡面也驟然變得平緩。

　　3.2粘土鋪蓋的顆粒組成

　　從水下粘土鋪蓋不同濃度取出的土樣試驗分析：水中拋投粘性土形成的鋪蓋除坡腳外，一般不會由于粗細顆粒分離產(chǎn)生分層沉積現(xiàn)象。但水下拋投礫質(zhì)土、砂質(zhì)土會產(chǎn)生粗細顆粒分離沉積現(xiàn)象，粗顆粒由頂部向下逐漸增多，粒徑均勻的粗顆粒大多沉積在坡腳及底層。水下拋投粘性土與風化砂混合料時，則分選與流失現(xiàn)象以及拋投體的防滲性能決定于混合比。

　　3.3防滲性能

　　水下拋投粘性土形成的土體滲透系數(shù)一般都能達到小于10-4cm／s，隨著土料粉粒、粘粒含量減小而增大。沿土體深度方向，滲透系數(shù)及臨界坡降均有明顯改善，滲透壓密作用十分明顯。若粘粒含量小于12％，則拋投體的滲透系數(shù)會大于10-4cm／s，不能滿足鋪蓋防滲要求。大于塑限含水量的粘土形成的水下拋填體，多呈團粒或塊粒結(jié)構(gòu)，架空現(xiàn)象比較嚴重，滲透系數(shù)也比較大，但會隨著時間推移。逐漸減小至小于10-4cm／s。在垂直滲流條件下，壤土崩解性能好，拋填體不易形成連續(xù)滲流通道，受滲透壓密作用比較明顯；而粘土則相反。因此，在同樣密實度條件下，壤土的滲透系數(shù)比粘土小；而在水平滲流條件下，壤土易分散遭受沖刷破壞，使壤土的滲透破壞比粘土要小。