试析粘土铺盖法在水利水电工程中的应用

摘要：研究黏土铺盖防渗设施在水利水电工程中的应用，可以有效地弥补其它防渗设施的局限性，也是对特殊地形地质防渗的一种必要形式。对粘土力学性质和渗透稳定性进行了分析。

关键词：粘土铺盖施工法; 水利水电工程；防渗；

中图分类号：TV文献标识码： A 文章编号：

一、粘土铺盖法

粘土铺盖施工方法非常简单, 其技术要求不高; 水面施工场面大, 抛投速度快, 不需碾压, 能达到快速止漏、闭气的目的;粘土铺盖柔性大, 能与填土体、岸坡和己浇混凝土结构结合一体, 适应地基变形能力强; 随着泥沙不断淤积, 防渗作用逐日俱增, 是在临时围堰挡水建筑物及部分永久建筑物中值得推广的一种较好的透水地基防渗措施。在许多水利水电工程围堰中,粘土铺盖法都得到了很好的应用。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, 呈双向或单向排水, 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。

1、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水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, 可在围堰铺盖末端抛石渣挡土堤,以稳定水下抛土体。

2、 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. 6 m / s, 流失量一般在15%以内; 当流速达0. 9 ~ 1. 2 m /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, 控制最大流速在0. 5 m /s以内。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。

二、粘土的选用条件

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。

1、土料含水量

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。

2、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。

3、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10～15min 内完全浸透，并有部分湿化崩解的土料最适宜水下抛土。

4、抛土块径

粘土块径过大, 在水中不易浸透软化、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~ 20 cm (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。

三、黏土铺盖法需要注意的问题

1、当铺盖材料为天然黏土时，对于黏土的性质、分布、本身厚度及其下覆盖层的厚度、干容重、土粒结构及土体透水性等;

2、经过各种实践总结，当铺盖材料为人工填筑黏土时，铺盖长度应该是坝前设计水头的8 倍左右，最大的可以超过10 倍;

3、铺盖的黏土，其渗透系数要比地基的渗透系数小得多，最少要小于它的1 000 倍;

4、如果非透水层较薄，且铺盖层下方的含水层或透水层较浅时，应该对渗流进行适当的控制，一般宜采用排水沟截穿表层进行导渗; 当坝基表面的不透水层或弱透水层较厚，而铺盖层下方的透水层较厚时，宜采用减压井深入下部的强渗透层进行导渗。

5、黏土铺盖还应注意尽量避免与透水性高的覆盖层接触;

6、有时做排水沟进行导渗或者打减压井导渗较困难时可采取一定的压渗措施。

四、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, 沿土深度方向的密度和防渗性能逐渐增大。

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脚有一层易于流动的细粒沉积, 坡面也骤然变得平缓。

2、粘土铺盖的颗粒组成

依据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、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 cm /s的要求, 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10cm /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10 cm /s以下。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。

五、影响粘土铺盖渗透稳定性的两个因素

粘土铺盖的渗透稳定性与两方面渗流作用有关, 一部分渗流是水从铺盖顶面经铺盖进入下部覆盖层汇入下游, 另一部分则是由铺盖前端入覆盖层。

1、沿铺盖垂直方向的渗透稳定性

沿水中抛填体方向渗流运动引起的抛填土产生的渗透变形形式与土料性质及其密实度有关。由于部分粘土块不易崩解, 土块之间有架空结构, 流态多以管流出现, 破坏形式为管道冲刷。以后逐渐软化、密实, 破坏形式成为冲刷与局部流土的混合形式。壤土及粉质壤土的渗透破坏形式为局部流土。只有粘土含水量较高、容重又低的试样呈冲刷破坏。

2、沿铺盖底面与堰基接触面间的渗透稳定性

作为堰基防渗措施的水下粘土铺盖, 往往抛在经截流粗化了的覆盖层上, 仍能与下面砂砾地基紧密接触。当沿铺盖底面与堰基接触面间的水平渗流足以对铺盖土形成冲刷(称为接触冲刷)时, 渗流首先启动砂砾石中的细土粒, 随着渗透比降的提高, 铺盖底部受到冲刷, 土粒及粒团不断被带入覆盖层, 使铺盖逐渐接近或达到破坏值, 最后使铺盖突然穿孔, 即从接触冲刷开始, 流土告终。分散性好的粘性土能进入砂砾层孔隙中, 淤填粗化了的砂砾地基, 减少其孔隙直径, 有利于防止出现这类破坏。

结束语

在水利水电工程中, 粘土铺盖施工法是堰基的防渗措施,特别是在透水覆盖层较厚、河床开阔、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。

参考文献

[1]董哲仁《堤防除险加固实用技术》中国水利水电出版社.2011

[2]马国彦，林秀山著，水利水电工程灌浆与地下排水。北京：中国水利水电出版社，2012.1。

[3]李丕玉． 黏土铺盖法在水利水电工程中的分析应用探讨［J］.