水利工程中土石壩施工初探

摘要:土石壩施工可就地取材,需要水泥、木材、鋼材較少,對地基要求較低,施工技術(shù)簡單,應(yīng)用及其廣泛。文章主要介紹了兩種土石壩施工方式碾壓式土壩施工和面板堆石壩施工。按現(xiàn)代技術(shù)精心設(shè)計、嚴格施工的土石壩,安全可靠,而且壽命長久,土石壩運行費用低廉,通常只有護坡需要維修。

關(guān)鍵詞:水利工程;土石壩;碾壓式;面板堆石壩

中圖分類號:TV543

文獻標識碼:A

文章編號:1009-2374(2009)18-0152-02

土石壩在壩工建設(shè)中有著悠久的歷史,隨著社會的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進步,土石壩以全新的觀念和技術(shù)躍居壩工建設(shè)的榜首。本世紀初,土石壩的設(shè)計、施工和建設(shè)均落后于混凝土壩,但60年代以來,其建設(shè)數(shù)量、壩高都大大超過混凝土壩。當代土石壩的主要壩型有土心墻壩、混凝土面板堆石壩、瀝青混凝土堆石壩、土工膜防滲土石壩和定向爆破堆石壩等。土石壩和堆石壩原來就沒有明顯的界限,尤其是近代用薄層碾壓堆石取代古典的厚層拋填堆石以來,堆石壩的設(shè)計和施工技術(shù)與土壩已無太大差別,故可統(tǒng)稱為土石壩。

一、碾壓式土壩施工

碾壓式土壩施工包括準備作業(yè)(如平整場地、修筑道路、架設(shè)水電線路、修建臨時用房、清基、排水等)和基本作業(yè)(如土料的挖、裝、運、卸、鋪、壓等)。

(一)料場的規(guī)劃與使用

做好料場的時間規(guī)劃及空間規(guī)劃,即做到:“高料場高用”、“近料場先用”、“遠料場后用”、“高含水量料場旱季使用,低含水量料場雨季使用”。

(二)壩體填筑與壓實

1.清基與壩基處理。清基就是把壩基范圍內(nèi)的所有草皮、樹木、墳?zāi)?、亂石、淤泥、有機質(zhì)含量大于2%的表土,自然密度小于1.48kg/cm3的細沙和極細沙清除掉。暗坡與塑性心墻、斜墻或均值壩體連接部位,均應(yīng)清除至不透水層,在截水槽施工中,必須隨同挖深布置相應(yīng)的排水系統(tǒng)。在澆筑混凝土截水墻及回填截水槽之前,需要進行巖面清理,將碎石、石渣或已松動的石塊清除干凈,再用水沖洗。

2.壩面鋪土壓實。塑性心墻壩或斜墻壩的施工,如何保證土料與反濾料平起,是一個十分重要的問題。我國最早采用的是銷坡法,及先填土料,然后銷坡,再填筑反濾料。在實踐中又創(chuàng)造了土料與反濾料平起施工法。根據(jù)土料與反濾料填筑先后順序的不同,又分為先土后砂(指反濾料)法和先砂后土法。先土后砂法事先填壓三層土料,再鋪一層反濾料與土料整平,然后對反濾料和土砂邊沿部分進行壓實。先砂后土法事先在反濾料的控制邊線內(nèi),用反濾料堆筑一小堤。為了便于土料收坡,保證反濾料的寬度,每填一層土料,隨即用反濾料補齊土料收坡留下的三角體,并進行人工搗實。土料的壓實是壩面施工中的最重要的工作之一,其壓實參數(shù)一般通過現(xiàn)場試驗確定,碾壓方向必須與壩軸線平行,相鄰兩次碾壓必須有一定的重壓壓寬。對于汽車上壩或壓實機具壓實后的土料表面形成的光面,必須刨毛處理,以保證層間結(jié)合良好。

3.質(zhì)量控制和檢查。(1)料場的質(zhì)量控制和檢查。對土料場應(yīng)經(jīng)常檢查所取土料的土質(zhì)情況、土塊大小、土料含水量和砂石料的顆粒級配等是否符合上壩要求。(2)壩面質(zhì)量控制和檢查。在壩面作用中,應(yīng)對鋪土厚度、土塊大小、含水量大小、壓實后干容重分別進行檢查,并提出質(zhì)量控制措施。其中以含水量和干容重的檢查最為重要。

二、面板堆石壩施工

面板堆石壩是一種近期發(fā)展起來的新壩型。它具有工期短,投資省,施工簡便,運行安全等突出的優(yōu)點;也是一種工程量最小,投資最省的當?shù)夭牧蠅巍?/p>

(一)堆石材料質(zhì)量要求和壩體材料分區(qū)

面板堆石壩上游面有薄層面板,面板可以是剛性鋼筋混凝土的,也可以是柔性瀝青混凝土的。壩身主要是堆石結(jié)構(gòu)。良好的堆石材料,盡量減少堆石體變形,為面板正常工作創(chuàng)造條件,是壩體安全運行的基礎(chǔ)。

1.堆石材料的質(zhì)量要求。(1)為保證堆石體的堅固、穩(wěn)定,主要部位石料的抗壓強度不應(yīng)低于7800×104Pa時,只能布置在壩體的次要部位。(2)石料硬度不應(yīng)低于莫氏硬度表面中的第三級,其韌性不應(yīng)低于2kg.m/cm2。(3)石料的天然密度不低于2.2t/m3,石料的密度越大,堆石體的穩(wěn)定性越好。(4)石料應(yīng)具有抗風(fēng)化能力,其軟化系數(shù)水上不低于0.8,水下不應(yīng)低于0.85。(5)堆石體碾壓后應(yīng)有較大的密實度和內(nèi)摩擦角,且具有一定滲透能力。

堆石體的邊坡取決于填筑石料的特性與荷載大小,對于優(yōu)質(zhì)石料,壩坡一般在1∶1.3左右。

2.面板堆石壩的壩體分區(qū)。壩體部位不同,受力狀況不同,對填筑料的要求也不同,所以應(yīng)對壩體進行分區(qū)。(1)墊層區(qū)。墊層區(qū)的主要作用在于為面板提供平整、密實的基礎(chǔ),將面板承受的水壓力均勻傳遞給主推實體。(2)過渡區(qū)。過渡區(qū)位于墊層區(qū)和主堆區(qū)之間,其主要作用是保護墊層區(qū)在高水頭作用下不產(chǎn)生破壞。(3)主堆石區(qū)。主堆石區(qū)是壩體維持穩(wěn)定的主體,其實質(zhì)的好壞、密度、沉降量大小,直接影響面板的安危。(4)下游堆石區(qū)。該區(qū)起保護主堆石體及下游邊坡穩(wěn)定作用。

(二)堆石壩填筑工藝、壓實參數(shù)和質(zhì)量控制

堆石壩填筑施工設(shè)備、工藝和壓實參數(shù)的確定,就其主要方面和常規(guī)土石壩非黏性料施工沒有本質(zhì)區(qū)別,這里僅就與質(zhì)量控制關(guān)系密切的問題解釋如下:

1.填筑工藝問題。堆石體填筑可采用自卸汽車后退法或進占法卸料,推土機攤平。后退法的優(yōu)點是汽車可在壓平的壩面上行駛,減輕輪胎磨損;缺點是推土機攤平工作量大,且影響施工進度。進占法卸料,雖料物稍有分離,但對壩體質(zhì)量無明顯影響,并且顯著減輕了推土機的攤平工作量,使堆石填筑速度加快。

墊層料的攤鋪多用后退法,以減輕料物的分離。當壓實厚度大時,可采用混合法卸料,即先用后退法卸料呈分散堆狀,再用進占法卸料鋪平,以減輕料物的分離。

墊層料粒徑較粗,又處于傾斜部位,通常采用斜坡振動碾壓實。壓實過程中有時表層石塊有失穩(wěn)現(xiàn)象。為改善碾壓質(zhì)量,采用了斜坡碾壓與砂漿固坡相結(jié)合的施工方法。

斜坡碾壓與水泥砂漿固坡的優(yōu)點是施工工藝和施工機械設(shè)備簡單,既解決斜坡碾壓中墊層表層塊石震動失穩(wěn)下滾,又在墊層上游面形成一堅固穩(wěn)定的表面,可滿足臨時擋水防滲要求。碾壓砂漿在墊層表面形成堅固的“結(jié)石層”,具有較小而均勻的壓縮性和吸水性,對克服面板混凝土的塑性收縮和裂縫發(fā)生有積極作用。這樣方法使固坡速度大為加快,對防洪度汛、爭取工期效果明顯。

2.堆石體的壓實參數(shù)和質(zhì)量控制。堆石體的壓實參數(shù)。堆石體最大粒徑一般為600～700mm,用振動碾壓實,壓實層厚為60～100mm,少數(shù)也有達到130～160mm者。壓實遍數(shù)一般為4～6遍,個別達8遍。壓實干密度平均值yd為2.18g/cm3。墊層料的最大粒徑為150～300cm,用振動碾壓實,層厚24～45cm,碾壓遍數(shù)通常為4遍,個別6～8遍。壓實干密度平均值yd為2.19g/cm3。堆石壩殼最大粒徑1000～1500mm,壓實層厚一般為100cm左右,最大達200cm,壓實遍數(shù)2～4遍,有些壩采用6～8遍。壓實干密度平均值yd為2.09g/cm3。總的看來,壓實干密度以墊層料及內(nèi)部堆石較大,壩殼堆石次之,三者的yd大部分2.10～2.30g/cm3范圍內(nèi)。

和土石壩一樣,面板堆石壩堆石體的壓實參數(shù)、碾重、鋪層厚和碾壓遍數(shù)仍應(yīng)通過碾壓實驗確定,其取值大小和設(shè)計壓實干密度、石質(zhì)、填料形狀、尺寸和級配等因素有關(guān),應(yīng)在不同料場實驗,以優(yōu)化參數(shù)作為質(zhì)控的依據(jù)。

堆石體施工質(zhì)量控制。通常堆石壓實的質(zhì)量指標,用壓實密換算的孔隙率n來表示,現(xiàn)場堆石密度的檢測主要采取試坑法。為提高檢驗質(zhì)量,應(yīng)注意如下事項:第一,取樣深度應(yīng)等于填筑層厚度;第二,試坑應(yīng)呈圓柱形;第三,坑壁若有大的凹隱和空隙,應(yīng)用黏土砂漿堵塞,以消除因塑料薄膜而使密實度加大的誤差;第四,試坑直徑與材料的最大粒徑比應(yīng)符合有關(guān)實驗規(guī)程的規(guī)定。

三、結(jié)語

按現(xiàn)代技術(shù)精心設(shè)計、嚴格施工的土石壩,安全可靠,而且壽命長久,土石壩運行費用低廉,通常只有護坡需要維修。在同等的條件下,土石壩的壩體方量雖比混凝土重力壩大6倍,但其單價僅為混凝土壩的1/15～1/20,土石壩工程的綜合性指標比混凝土重力壩優(yōu)越。

作者簡介:楊忠書(1971-),男,貴州息烽人,貴州省貴陽市息烽縣鹿窩鄉(xiāng)水利站助理工程師,研究方向:水利。