兩河口心墻防滲土料冬季制備工藝分析與技術(shù)措施

熊 亮， 張 振

(中國(guó)水利水電第五工程局有限公司，四川 成都 610066)

1 概 述

兩河口水電站位于四川省甘孜州雅江縣境內(nèi)的雅礱江干流上，電站擋水建筑物為礫石土心墻堆石壩，礫石土設(shè)計(jì)填筑量441.14萬(wàn)m3，壩頂高程2 875 m，最大壩高295 m。心墻填筑所需礫石土料分別由上游亞中料場(chǎng)(運(yùn)距26 km)、蘋(píng)果園料場(chǎng)(運(yùn)距28 km)、瓜里料場(chǎng)(運(yùn)距35 km)、普巴絨料場(chǎng)(運(yùn)距38 km)及下游西地料場(chǎng)供應(yīng)，礫石土料除亞中B、C區(qū)直接開(kāi)采上壩外，其他區(qū)域的土料均按要求比例摻礫后上壩。

工程地處青藏高原東側(cè)邊緣地帶，屬川西高原氣候區(qū)，多年平均氣溫為10.9 ℃，極端最高溫度為35.9 ℃，極端最低氣溫為-15.9 ℃。每年11月下旬至次年2月上旬為該地區(qū)的冬季，平均溫度為1.8 ℃，無(wú)常年凍土。冬季晝夜溫差較大，夜間低溫時(shí)段局部土體會(huì)受凍而含冰晶，中午升溫后冰晶受熱一般會(huì)消融，土體則經(jīng)受一凍融過(guò)程[1]。根據(jù)氣溫日交替變化過(guò)程可知，工程區(qū)屬短時(shí)凍土區(qū)。

根據(jù)大壩總體分期填筑情況，冬季時(shí)段土料填筑壓實(shí)方為121.98萬(wàn)m3(占總填筑量28%)，折合料場(chǎng)開(kāi)采自然方約86.21萬(wàn)m3。為確保大壩心墻土料冬季填筑工作的順利進(jìn)行、滿足大壩施工節(jié)點(diǎn)工期要求、確保電站如期蓄水發(fā)電，需對(duì)各施工環(huán)節(jié)(開(kāi)采、運(yùn)輸、摻配、填筑等)采取相應(yīng)的冬季施工措施，以提高土料冬季期間填筑效率。

本文著重對(duì)亞中土料場(chǎng)A區(qū)土料冬季制備工藝過(guò)程進(jìn)行研究分析，并提出經(jīng)濟(jì)合理的冬季土料制備工藝及其技術(shù)控制措施。

2 制備工藝分析

結(jié)合兩河口水電站大壩工程防滲土料制備工藝過(guò)程及質(zhì)量控制[2]要求，針對(duì)短時(shí)凍土區(qū)心墻防滲土料冬季開(kāi)采、運(yùn)輸、摻配工藝[3]開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)研究。

2.1 開(kāi)采工藝

為找出大氣溫度變化與土料受凍深度的關(guān)系，模擬料場(chǎng)土料的開(kāi)采過(guò)程對(duì)不同深度土溫進(jìn)行連續(xù)溫度監(jiān)測(cè)，從而確定料場(chǎng)土料開(kāi)采工藝。試驗(yàn)過(guò)程中采用監(jiān)測(cè)儀器對(duì)不同深度(表層、表層以下5 cm、表層以下15 cm)的土溫及氣溫進(jìn)行監(jiān)測(cè)，土料開(kāi)采工藝過(guò)程氣溫、土溫溫度監(jiān)測(cè)情況見(jiàn)圖1、表1。

圖1 土料開(kāi)采工藝過(guò)程氣溫、土溫溫度監(jiān)測(cè)情況曲線圖

表1 土料開(kāi)采工藝過(guò)程氣溫、土溫溫度監(jiān)測(cè)成果對(duì)比表

氣溫與不同深度的土溫呈規(guī)律變化，表層土溫與氣溫的變化規(guī)律最為接近，隨著監(jiān)測(cè)深度的加深，土溫的變化幅度呈減小趨勢(shì)。當(dāng)氣溫在25.0 ℃～-4.5 ℃范圍變化時(shí)，對(duì)應(yīng)的表層、表層以下5 cm、表層以下15 cm處的土溫變化范圍分別為37.6 ℃～-5.7 ℃、17.2 ℃～3.1 ℃、10.5 ℃～6.0 ℃。當(dāng)最低氣溫為-4.5 ℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的土溫為6.7 ℃，溫差為13.2 ℃。

2.2 運(yùn)輸工藝

為了解負(fù)溫、長(zhǎng)運(yùn)距(運(yùn)輸距離約26 km)條件下土料運(yùn)輸上壩過(guò)程中溫度變化規(guī)律，確定土料運(yùn)輸過(guò)程中的溫度損失，對(duì)土料運(yùn)輸環(huán)節(jié)進(jìn)行了溫度監(jiān)測(cè)。土料運(yùn)輸環(huán)節(jié)溫度監(jiān)測(cè)分兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行，分別為車(chē)廂頂部覆蓋保溫材料及車(chē)廂頂部不覆蓋保溫材料的溫度監(jiān)測(cè)，保溫材料為防雨布。通過(guò)兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)的溫度監(jiān)測(cè)成果確定，土料運(yùn)輸過(guò)程中需采取溫控措施。未覆蓋區(qū)土料運(yùn)輸過(guò)程溫度監(jiān)測(cè)變化關(guān)系曲線、覆蓋區(qū)土料運(yùn)輸過(guò)程溫度監(jiān)測(cè)變化關(guān)系曲線、土料運(yùn)輸過(guò)程溫度監(jiān)測(cè)成果對(duì)比分別見(jiàn)圖2、3及表2。

表2 土料運(yùn)輸過(guò)程溫度監(jiān)測(cè)成果對(duì)比表

圖2 土料運(yùn)輸過(guò)程溫度監(jiān)測(cè)變化關(guān)系曲線圖(未覆蓋區(qū))

注：土料運(yùn)輸路線上需穿過(guò)數(shù)個(gè)短交通洞，氣溫變幅較大。圖3 土料運(yùn)輸過(guò)程溫度監(jiān)測(cè)變化關(guān)系曲線圖(覆蓋區(qū))

不同深度的土溫隨著運(yùn)輸時(shí)間的增加總體呈降低趨勢(shì)，監(jiān)測(cè)深度加深后土溫變化幅度降低，當(dāng)達(dá)到一定深度后實(shí)現(xiàn)小區(qū)域的土溫平衡，當(dāng)覆蓋區(qū)深度大于10 cm時(shí)未出現(xiàn)溫度損失。保溫覆蓋運(yùn)輸區(qū)較未覆蓋區(qū)相同監(jiān)測(cè)深度的溫降明顯偏小，兩個(gè)試驗(yàn)區(qū)表層、表層以下5 cm、表層以下10 cm溫降偏差分別為1.3 ℃、0.7 ℃、0.2 ℃，試驗(yàn)結(jié)果表明采用土料在負(fù)溫、長(zhǎng)運(yùn)距運(yùn)輸條件下采用保溫材料覆蓋具有顯著保溫效果。

3.3 摻配工藝

常規(guī)礫石土料摻配均通過(guò)“平鋪立采”的工藝獲取，鋪料方式為“先粗后細(xì)”，即礫石料在下，土料在上，以此進(jìn)行互層鋪筑。受冬季低溫的影響，頂部土料易與外界冷空氣發(fā)生溫度交換，造成頂部土料受凍。為減緩?fù)亮现苯优c外界冷空氣間的熱交換過(guò)程，通過(guò)調(diào)整摻礫土料和礫石料鋪料工藝，即“先細(xì)后粗”的鋪料方式監(jiān)測(cè)土料在低溫狀態(tài)下的變化規(guī)律，同時(shí)分析對(duì)摻拌后礫石土料級(jí)配均勻性有無(wú)影響。調(diào)整礫石土料摻配工藝后的土料摻配溫度變化均勻性關(guān)系曲線、礫石土料顆粒級(jí)配曲線和土料摻配環(huán)節(jié)溫度監(jiān)測(cè)成果對(duì)比分別見(jiàn)圖4、5、表3。

圖4 土料摻配溫度變化均勻性關(guān)系曲線圖

圖5 礫石土料摻配顆粒級(jí)配曲線圖

表3 土料摻配環(huán)節(jié)溫度監(jiān)測(cè)成果對(duì)比表

調(diào)整摻配工藝后，冬季負(fù)溫條件下采用礫石在摻配料堆表面進(jìn)行臨時(shí)保溫，當(dāng)表層最低溫度為-9.8 ℃時(shí)，對(duì)應(yīng)的土溫為+4.4 ℃，溫差為14.2 ℃，說(shuō)明采取礫石在上的鋪料方式對(duì)土料有良好的保溫效果。隨著監(jiān)測(cè)時(shí)間的增加，礫石下部不同深度處土料之間產(chǎn)生了熱交換過(guò)程，并使土溫逐漸趨近于恒溫。礫石土料在調(diào)整摻配工藝后其顆粒級(jí)配仍滿足要求，進(jìn)一步說(shuō)明調(diào)整礫石料和土料的鋪料順序方式兼具保溫效果和摻配質(zhì)量的雙重控制指標(biāo)要求。

3 技術(shù)控制措施的確定

上述分析表明，土料自料場(chǎng)開(kāi)采到上壩填筑前，其溫度是一個(gè)不斷損失的過(guò)程，現(xiàn)階段暫無(wú)法達(dá)到對(duì)大規(guī)模運(yùn)輸土料進(jìn)行主動(dòng)增溫的目的，因此，需從被動(dòng)保溫的角度出發(fā)，盡可能提高土料開(kāi)采的初始溫度、減少運(yùn)輸和摻拌環(huán)節(jié)溫度損失。根據(jù)上述短時(shí)凍土區(qū)開(kāi)展的土料開(kāi)采、運(yùn)輸、摻配等系列制備工藝研究[4]，并結(jié)合工程區(qū)氣候特點(diǎn)及冬季土料施工技術(shù)要求，制定了短時(shí)凍土區(qū)防滲土料冬季施工技術(shù)控制措施。

3.1 土料開(kāi)采技術(shù)控制措施

土料開(kāi)采環(huán)節(jié)是提高土料初始溫度的唯一渠道，本環(huán)節(jié)應(yīng)盡量控制土體內(nèi)部溫度與外界氣溫的溫差，減少熱交換頻次，冬季土料開(kāi)采工藝技術(shù)控制措施如下：

(1)結(jié)合料場(chǎng)氣象預(yù)報(bào)資料，冬季土料開(kāi)采時(shí)段應(yīng)選取在白天正溫時(shí)段進(jìn)行，開(kāi)采區(qū)宜選擇在陽(yáng)面(日照區(qū)域)進(jìn)行土料開(kāi)采。

(2)結(jié)合料場(chǎng)復(fù)查階段確定的覆蓋層剝離深度(一般為15～25 cm)，土料場(chǎng)冬季開(kāi)采施工時(shí)，覆蓋層應(yīng)隨土料的開(kāi)采同步進(jìn)行剝離，同時(shí)應(yīng)加強(qiáng)剝離料的質(zhì)量控制，以提高開(kāi)采土料的初始溫度和料場(chǎng)土料的利用率。

(3)為避免開(kāi)挖面與大氣暴露范圍較大，料場(chǎng)開(kāi)采施工過(guò)程中應(yīng)采用小范圍集中開(kāi)挖的方式進(jìn)行，不宜采用大面積開(kāi)采的方式。

3.2 土料運(yùn)輸技術(shù)控制措施

由于上游料場(chǎng)距離摻拌場(chǎng)運(yùn)輸距離較遠(yuǎn)，土料運(yùn)輸過(guò)程也是溫度損失的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，本環(huán)節(jié)主要以保溫來(lái)減少溫度損失為主要目的，冬季土料運(yùn)輸技術(shù)控制措施如下：

(1)為降低長(zhǎng)距離運(yùn)輸帶來(lái)的填筑料溫度損失，在運(yùn)輸車(chē)輛車(chē)廂頂部應(yīng)采用保溫材料(土工布或防雨布)覆蓋的保溫措施，保溫材料覆蓋過(guò)程中應(yīng)與車(chē)廂牢固固定，避免運(yùn)輸過(guò)程中出現(xiàn)脫落現(xiàn)象。

(2)運(yùn)輸時(shí)段應(yīng)選擇在正溫時(shí)段進(jìn)行，盡量減少運(yùn)輸環(huán)節(jié)的溫度損耗。

3.3 土料摻配技術(shù)控制措施

土料摻配環(huán)節(jié)是冬季土料制備過(guò)程中溫度損失最為嚴(yán)重的一環(huán)，摻配主要包含礫石料與土料的互層備料、正鏟切料、舉高、自然下降以此循環(huán)摻配3遍、成品料臨時(shí)覆蓋等，因此，須在各環(huán)節(jié)內(nèi)做好保溫措施，冬季土料摻配技術(shù)控制措施如下：

(1)冬季時(shí)段應(yīng)在不改變已有“平鋪立采”工藝參數(shù)基礎(chǔ)上調(diào)整礫石料和土料鋪料順序，采用“先土后礫”即礫石在上的分層鋪料工藝，并采用礫石將備料堆四周進(jìn)行進(jìn)行防護(hù)。分層鋪料過(guò)程中應(yīng)合理組織資源、規(guī)劃摻配場(chǎng)地，確保負(fù)溫來(lái)臨前摻配區(qū)礫石料層全部鋪料完成(鋪料厚度到達(dá)50 cm)，對(duì)下層及四周土料實(shí)現(xiàn)全覆蓋保溫。采用此方式可有效降低保溫材料的使用并減少人工投入。

(2)結(jié)合摻配場(chǎng)氣象預(yù)報(bào)資料，提前選擇適宜的土料摻配時(shí)段，同時(shí)對(duì)相應(yīng)的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行合理配置，以確保有限摻配時(shí)段成品礫石土料的產(chǎn)出。

(3)待摻配料(土料、礫石料)及摻配合格后的礫石土料裝運(yùn)均應(yīng)選擇在正溫時(shí)段進(jìn)行。摻合場(chǎng)地宜選擇在向陽(yáng)、背風(fēng)的位置。

(4)冬季心墻料摻配生產(chǎn)宜盡量與現(xiàn)場(chǎng)填筑同步進(jìn)行，采用邊填筑邊摻配的方式進(jìn)行，避免摻配料長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存及增加工藝過(guò)程后造成溫度損失。

(5)摻配后的成品礫石土料長(zhǎng)時(shí)間不使用時(shí)，應(yīng)采用土工膜進(jìn)行覆蓋保溫，以保證土料上壩前的溫度。

(6)摻配料裝車(chē)過(guò)程中對(duì)凍結(jié)土料應(yīng)進(jìn)行剔除，避免負(fù)溫土料運(yùn)輸上壩填筑。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)短時(shí)凍土區(qū)[5]心墻土料冬季制備工藝過(guò)程的分析，得到以下結(jié)論：

(1)冬季施工作業(yè)期間調(diào)整摻礫、土料的鋪料工藝，對(duì)土料具有良好的保溫效果，在極端負(fù)溫條件下(-10 ℃左右)，礫石下部的土體溫度能夠維持穩(wěn)定，不隨外界氣溫的變化而發(fā)生改變。

(2)冬季施工時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)施工區(qū)氣象預(yù)報(bào)監(jiān)測(cè)，結(jié)合氣象預(yù)報(bào)情況選擇合理的溫控措施。正溫施工時(shí)段應(yīng)合理進(jìn)行施工資源配置，提高各工藝過(guò)程的有效施工時(shí)間。

(3)結(jié)合現(xiàn)有的施工工藝技術(shù)，應(yīng)加強(qiáng)各環(huán)節(jié)的施工質(zhì)量控制，重點(diǎn)加強(qiáng)溫度監(jiān)測(cè)，避免出現(xiàn)凍土上壩現(xiàn)象。