探析水利围堰施工中粘土铺盖防渗措施

 探析水利围堰施工中粘土铺盖防渗措施

　　摘要：在水利水电土石围堰工程中，用粘土铺盖作为堰基的防渗措施，特别是在抓床开阔、透水覆盖层较厚、无强透水夹层的均质或双层地基上的中、低水头围堰工程，与一般的土石围堰采用垂直的防渗措施相比，从经济与工期上均具有较强的优越性。笔者结合水利水电工程施工实践的经验，对粘土力学性质和渗透稳定性进行了分析，对施工方案设计进行了具体论述。以供同行参考。

　　关键词：水利工程；粘土铺盖法；防渗措施

　　1粘土铺盖法的原理及适用条件

　　粘性土抛入水中之后，土团粒吸水膨胀，土内产生不均匀应力，胶质逐渐溶解，团粒水膜变厚，内磨擦力及凝聚力减小，土的团粒结构也就逐渐受破坏，崩解成小土块，甚至成散粒。以后在本身自重、上层填土重量及渗透压力作用下，呈双相或单向排水，逐渐固结密实。密实度、含水量逐渐变得均匀，防渗能力逐步提高。要使水下抛土铺盖达到预期防渗效果，必须使水下抛土体在施工期具有崩解、密实等条件，以保证在运行期不被水流及渗流破坏。

　　1.1抛投区流速与水深

　　抛入水中的粘性土会被抛投区内的水流扩散、携带流失一部分。当流速小于0.5～0.6m／s，流失量一般在15％以内。当流速达0.9～1.2m／s，便会产生严重分离和细粒大量流失现象。而细粒大量流失，不仅加大水下抛投量，且形成的铺盖防渗能力差。因此，宜尽可能在水下抛投施工期造成静水压，控制是最大流速在0.5m／s以内。

　　在围堰挡水运用期间，铺盖上的过流速度亦应小于铺盖固结后的允许冲刷速度(若铺盖上部分采用保护措施后，按不大于保护措施允许流速控制)，以防止冲刷，保持铺盖完整性和防渗效果。

　　抛土时的水深极限值与土料性质有关。粘粒含量多、含水量大的粘土导体，在水中不易崩解，沉降快，受水深的制约作用小，可用于深水抛填。而粘粒含量低、含水量小的土料易崩解、分散成较细土粒，悬浮于水中，水深愈大，下沉历时愈长，这类土就不宜用于深水抛投。根据水中抛填试验，砾质土(小于0.05㎜粒径的土粒占12％)不能在水深超过12m的条件下抛投，而粘粒含量较多的次生黄土(小于0.05㎜粒径的土粒大于18％)能在水深13～26m处形成干密度达1.40～1.46g／cm。、渗透系数8.9×10-6～4.2×10～5cm／s的粘土铺盖。

　　1.2铺盖区的地基地形

　　要求抛投区的地形比较平整或稍向堰体方向倾斜。高低不平的堰基会造成水下抛土铺盖厚薄不均，不仅增大抛投量，还会在铺盖较薄处形成集中渗流，成为防渗薄弱环节。若向堰体外方向的地形倾斜坡度小于不下抛投土自然稳定边坡，则可以形成完整铺盖，但为了满足

　　边坡稳定要求，需增大抛投量。若地形倾斜度大于水下抛投土自然稳定边坡，则难以形成完整铺盖。为了解决这个问题，可以围堰铺盖末端抛石渣挡土堤，以稳定水下抛土体。

　　2粘土的选用

　　水下粘土铺盖主要用于堰基防渗，因此，所抛土料应能在水下浸透、崩解、固结，形成具有一定防渗能力、抗冲刷能力、满足渗透稳定、边坡稳定要求的防渗体。

　　2.1土质

　　一般壤土、粘土、天然含水量较高处于塑态的肥粘土都是良好的水下抛土料。但不宜采用砾质土、硬质肥粘土及粉粒含量高、粘粒含量少于17％的粉质土。

　　2.2土料含水量

　　某科学院试验成果证明，一般粘土、壤土抛土料的自然含水量对水下抛土体的防渗能力有很大影响，见表1。

　　表1土料含水量对不下抛土体防渗能力影响

　　2.3抛土块径

　　粘圭块径过大，在水中不易浸透软1000化、崩解，会造成架空；而壤土块径过小，未至水底即崩解成散粒，不仅易于流失，且形成的土体含水量过大，很难固结密实，影响抛土铺盖稳定性。一般可控制粘土块尺寸不大于10～20cm(壤土可以不严格控制抛土块径)，按块径不大于2倍含水量变化影响深度计算。

　　某工程低水围堰上游抛土体块径为10～20cm，少数为30cm。在开挖抛土时未发现架空。证明少量超径土块能被已崩解小土块包裹，填满架空，大土块本身在表面湿润软化，在上部土重力作用下，相互挤紧，抛土初期形成的架空区会逐渐消失。

　　2.4崩解

　　崩解速度跟粘性土的化学性质、颗粒组成、含水量等有关。钙粘性土亲水性差，遇水不分散；钠粘土亲水性强，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％。壤土的崩解速度随其含水量减少而缓慢，粘土则相反；而砂壤土的崩解速度与土的开始含水量无明显关系。

　　一般认为5cm×5cm×5cm土块浸入水中能在l0～15s内完全浸透，并有部分湿化崩解的土料最适宜水下抛土。

　　3工程力学性质分析

　　水中抛填的粘性土料应具有低密度、高含水量的特征，在坡脚以外沿水平方向的工程力学性质比较均匀，沿土体深度方向的密度和防渗性能逐渐增大。

　　3.1水中抛土铺盖外观

　　壤土本身凝聚力小，在水中沉降时，崩解速度比较快，用其抛填的铺盖表面有一层易于流动的细粒沉积；用粘土抛填的铺盖仅在坡肢有一层易于流动的细粒沉积，坡面也骤然变得平缓。

　　3.2粘土铺盖的颗粒组成

　　从水下粘土铺盖不同浓度取出的土样试验分析：水中抛投粘性土形成的铺盖除坡脚外，一般不会由于粗细颗粒分离产生分层沉积现象。但水下抛投砾质土、砂质土会产生粗细颗粒分离沉积现象，粗颗粒由顶部向下逐渐增多，粒径均匀的粗颗粒大多沉积在坡脚及底层。水下抛投粘性土与风化砂混合料时，则分选与流失现象以及抛投体的防渗性能决定于混合比。

　　3.3防渗性能

　　水下抛投粘性土形成的土体渗透系数一般都能达到小于10-4cm／s，随着土料粉粒、粘粒含量减小而增大。沿土体深度方向，渗透系数及临界坡降均有明显改善，渗透压密作用十分明显。若粘粒含量小于12％，则抛投体的渗透系数会大于10-4cm／s，不能满足铺盖防渗要求。大于塑限含水量的粘土形成的水下抛填体，多呈团粒或块粒结构，架空现象比较严重，渗透系数也比较大，但会随着时间推移。逐渐减小至小于10-4cm／s。在垂直渗流条件下，壤土崩解性能好，抛填体不易形成连续渗流通道，受渗透压密作用比较明显；而粘土则相反。因此，在同样密实度条件下，壤土的渗透系数比粘土小；而在水平渗流条件下，壤土易分散遭受冲刷破坏，使壤土的渗透破坏比粘土要小。