圍堰中的粘土鋪蓋

圍堰中的粘土鋪蓋

1透水地基防滲粘土覆蓋層施工方法非常簡單，技術(shù)要求不高。由于水面較大，施工速度快，無需海綿，可實(shí)現(xiàn)快速泄漏和通風(fēng)的目的。粘土覆蓋層具有較大的彈性，可與填充體、岸壁和自行混凝土結(jié)構(gòu)相結(jié)合，適應(yīng)基質(zhì)變形能力強(qiáng)。隨著沉積物的積累和滲透的影響，大壩和臨時(shí)建筑物的滲透效果日益增加。這是在臨時(shí)排水和臨時(shí)建筑物及一些永久性建筑物中非常流行的一種更好的透水基質(zhì)滲透措施。在許多水利水電工程圍堰中,粘土鋪蓋法都得到了很好的應(yīng)用。粘性土拋入水中之后,土團(tuán)粒吸水膨脹,土內(nèi)產(chǎn)生不均勻應(yīng)力,膠質(zhì)逐漸溶解,團(tuán)粒水膜變厚,內(nèi)磨擦力及凝聚力減小,土的團(tuán)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,呈雙向或單向排水,逐漸固結(jié)密實(shí),密實(shí)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(dá)到預(yù)期防滲效果,必須使水下拋土體在施工期具有崩解、密實(shí)等條件,以保證在運(yùn)行期不被水流及滲流破壞。1.1向堰外部傾斜坡度小、難以形成完整鋪蓋要求拋投區(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水下拋投土自然穩(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(gè)問題,可在圍堰鋪蓋末端拋石渣擋土堤,以穩(wěn)定水下拋土體。1.2水下拋土?xí)r造成的靜水壓拋入水中的粘性土?xí)粧佂秴^(qū)內(nèi)的水流擴(kuò)散、攜帶流失一部分。當(dāng)流速小于0.5～0.6m/s,流失量一般在15%以內(nèi);當(dāng)流速達(dá)0.9～1.2m/s,便會產(chǎn)生嚴(yán)重分離和細(xì)粒大量流失現(xiàn)象。而細(xì)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,控制最大流速在0.5m/s以內(nèi)。拋土?xí)r的水深極限值與土料性質(zhì)有關(guān)。粘粒含量多、含水量大的粘土導(dǎo)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(xì)土粒,懸浮于水中,水深愈大,下沉歷時(shí)愈長,這類土就不宜用于深水拋投。2土料防滲技術(shù)水下粘土鋪蓋主要用于堰基防滲,因此,所拋土料應(yīng)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土壤含水量試驗(yàn)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。2.2塑態(tài)的肥粘土一般壤土、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。2.3拋土壓的控制粘土塊徑過大,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(shí),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(yán)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(jì)算。在福建省省道201線莆田市東吳路堤工程中,水閘圍堰拋土體塊徑為10～20cm,少數(shù)為30cm。在開挖拋土?xí)r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砂土的親水性崩解速度跟粘性土的化學(xué)性質(zhì)、顆粒組成、含水量等有關(guān)。鈣粘性土親水性差,遇水不分散;鈉粘土親水性強(qiáng),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(guān)系。3設(shè)計(jì)要求3.1高水頭圍堰的鋪蓋鋪蓋前端厚度一般為0.5～1.0m,其余各處的厚度應(yīng)根據(jù)鋪蓋上下水壓差值計(jì)算確定。設(shè)通過鋪蓋任意點(diǎn)水頭差值為△H,則該點(diǎn)鋪蓋厚度:δ>△H/I(式中I為土料的允許水力坡降)。除水頭很低的圍堰可用等厚鋪蓋外,中、高水頭圍堰的鋪蓋都應(yīng)設(shè)計(jì)成梯形斷面,在粘土心墻或斜墻相接處,鋪蓋要適當(dāng)加厚。鋪蓋長度應(yīng)按照削減滲透壓力和防止土壤滲透變形的要求確定。對于水頭不大的圍堰,可先用3～5倍堰上水頭控制;對中、高水頭的圍堰,一般應(yīng)通過滲流試驗(yàn),以確定鋪蓋長度和厚度。3.2土石橫向圍堰駁岸水下粘土鋪蓋可以根據(jù)地基鋪蓋層組合情況、水流條件以及堰體結(jié)構(gòu)要求,設(shè)計(jì)成以下幾種結(jié)構(gòu)形式:(1)外鋪蓋:布置在堰體迎水側(cè),呈三角形斷面鋪蓋,用于高度不大于30～40m的土石橫向圍堰,也可作為混凝土圍堰的堰基防滲措施。這種形式施工與堰體施工干擾少,拋投體有較長的固結(jié)時(shí)間;在施工期及運(yùn)行期發(fā)生異常問題容易處理,還可以利用天然淤積鋪蓋增加防滲效果。(2)內(nèi)鋪蓋:布置在堰體下部,采用梯形斷面,可用于堰高不大于15m的縱向圍堰和橫向圍堰中。鋪蓋位于堰體保護(hù)之中,增大了允許抗沖流速,能人為控制鋪蓋長度,拋投量少,但與堰體施工干擾較大,施工程序比較復(fù)雜。為了滿足塑流穩(wěn)定,要求有一個(gè)排水固結(jié)密實(shí)時(shí)間,限制了鋪蓋上部的堰體填筑速度,不利于結(jié)合天然積物。3.3拋填速度和高度拋填速度直接影響粘土鋪蓋的防滲效果和工程量。拋填速度快,土塊還未浸透軟化,崩解就被繼續(xù)下拋土蓋住,對于粘土形成較陡的邊坡,但土團(tuán)間會產(chǎn)生架空;對于壤土雖然有可能繼續(xù)崩解,但排水困難,影響固結(jié)速率,增大了空隙水壓力,拋填一定厚度后,有造成滑坡的可能。合理拋填速度應(yīng)滿足從土體拋入水中到被上層土覆蓋時(shí)間等于粘土基本被水侵透軟化所需的時(shí)間,或等于壤土基本崩解所需時(shí)間。砂壤土則應(yīng)盡快覆蓋,以防止過度崩解形成淤泥狀。4坡腳以外沿水平方向的土體力學(xué)性質(zhì)水中拋填的粘性土料應(yīng)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(xué)性質(zhì)比較均勻,沿土深度方向的密度和防滲性能逐漸增大。4.1用細(xì)粒研磨表面壤土本身凝聚力小,在水中沉降時(shí),崩解速度比較快,用其拋填的鋪蓋表面有一層易于流動(dòng)的細(xì)粒沉積;用粘土拋填的鋪蓋僅在坡腳有一層易于流動(dòng)的細(xì)粒沉積,坡面也驟然變得平緩。4.2粗粒間沉積作用依據(jù)從水下粘土鋪蓋不同濃度取出的土樣試驗(yàn)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(xì)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?xí)a(chǎn)生粗細(xì)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(fēng)化砂混合時(shí),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。4.3滲透系數(shù)及土壤粘粒含量水下拋投粘性土形成的土體滲透系數(shù)一般都能達(dá)到小于10cm/s的要求,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10cm/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(tuán)粒或塊粒結(jié)構(gòu),架空現(xiàn)象比較嚴(yán)重,滲透系數(shù)也比較大,但會隨著時(shí)間推移,逐漸減小至10cm/s以下。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(shí)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。5影響粘土層滲透穩(wěn)定性的兩個(gè)因素粘土鋪蓋的滲透穩(wěn)定性與兩方面滲流作用有關(guān),一部分滲流是水從鋪蓋頂面經(jīng)鋪蓋進(jìn)入下部覆蓋層匯入下游,另一部分則是由鋪蓋前端入覆蓋層。5.1滲透破壞形式沿水中拋填體方向滲流運(yùn)動(dòng)引起的拋填土產(chǎn)生的滲透變形形式與土料性質(zhì)及其密實(shí)度有關(guān)。由于部分粘土塊不易崩解,土塊之間有架空結(jié)構(gòu),流態(tài)多以管流出現(xiàn),破壞形式為管道沖刷。以后逐漸軟化、密實(shí),破壞形式成為沖刷與局部流土的混合形式。壤土及粉質(zhì)壤土的滲透破壞形式為局部流土。只有粘土含水量較高、容重又低的試樣呈沖刷破壞。5.2接觸沖刷的形成作為堰基防滲措施的水下粘土鋪蓋,往往拋在經(jīng)截流粗化了的覆蓋層上,仍能與下面砂礫地基緊密接觸。當(dāng)沿鋪蓋底面與堰基接觸面間的水平滲流足以對鋪蓋土形成沖刷(稱為接觸沖刷)時(shí),滲流首先啟動(dòng)砂礫石中的細(xì)土粒,隨著滲透比降的提高,鋪蓋底部受到?jīng)_刷,土粒及粒團(tuán)不斷被帶入覆蓋層,使鋪蓋逐漸接近或達(dá)到破壞值,最后使鋪蓋突然穿孔,