分析水牛家水电站大坝碎石土心墙冬季施工研究 5页

水利水电施工2013·第4期总第139期水牛家水电站大坝碎石土心墙冬季施工研究警阙丕林／(中国水利水电第五工程局有限公司)【摘要】目前我国水利水电工程开发迅猛，特别是西南高寒地区中、高土石坝工程建设越来越多，要求的建设速度越来越快，客观上需要解决冬季施工间歇问题。而目前低温条件心墙碎石土施工的辅助措施多采取覆盖保温，个别工程也采用暖棚法施工，但其工序烦琐，不适宜快速作业。本文结合水牛家工程实例，针对碎石土心墙冬季施工展开了一些基础性研究【关键词】碎石土心墙负温冻融特性快速施工保温料质量要求：小于5mm的颗粒含量应不小于5O，小于1引言0．075mm的土粒含量应不小于25，小于0．005ram的黏粒含量应不小于5，最大颗粒不大于150ram。压文土石坝施工规范要求心墙冬季碾压时土料温度应在标准以小于5ram的细粒含量为控制标准，细料压实度不～1℃以上，日最低气温低于1O℃时应停止施工，土料小于99(普氏击实)，土料填筑含水率应满足。一天然含水率不大于塑限的9O。而水牛家大坝地处高寒2≤≤+2。地带，每年11月～次年3月均为冬季，最低气温一15℃。为加快工程施工，客观上需要在低温时段进行3研究的主要内容、方法和结论心墙填土施工。为此，开展土石坝心墙冬季冻融特性研究，制订切实可行的冬季施工措施，寻求经济合理的辅3．1气温特性研究助保温措施，尽量减少冬季低温天气对土料填筑施工的3．1．1研究方法影响，达到增加工效、降低成本、加快土坝施工速度的气温特性研究采用传感式数显温度计对水牛家工地目的是很有必要的。气温进行了为期45d(数据采集频率为lh)24h连续测计，并以天为单元绘制成45组气温变化曲线。气温采用2工程概况两组温度计在施工区域平行(同时段同地点)实测。3．12气温特征水牛家水电站位于四JIl省平武县境内，系涪江上游气温变化曲线组清晰地反应出气温在24h内的变化左岸的一级支流火溪河梯级开发的“龙头”水库。拦河规律。统计分析表明水牛家冬季气温有如下特征：大坝为碎石土心墙堆石坝，坝高108m，总填筑方量约(1)水牛家工地气温11月中下旬日平均气温在516万rn。，心墙碎石土填筑方量约55．5万rn3。1．69～1_75℃之间，日平均气温低于5~C已经进入冬季，该流域属于亚热带山地气候，冬季寒冷干燥，多年平心墙土料施工需要采取保温措施。12月日平均气温在均气温7．6~C，冬季气温较低，极端最低气温可达-4．5～一3~C，心墙碎石土施工除采取保温措施外还需一16．5℃。每年的11月下旬～次年的3月上旬为该地区的间歇施工，避开负温时段的影响。冬季，日平均气温在一2～1．7~C，最大冻土深度57．5cm。(2)气温呈弦曲线分布，凌晨4：OO～早7：0()气温碎石土料场共分为A、B、C、D个料区，C、B区为出现最低值。12：oo～14：00气温出现最高值。碎石土，A、D区为粉土，料场土料性质差异大，颗粒级(3)天气晴朗时，气温曲线较陡，昼夜温差大。阴天配分布不均，上、下包线相差较大，开采时需将土料粗气温曲线较平缓，昼夜温差小。细料掺和均匀。土料天然含水高于最优含3～5。土(4)11月中下旬气温负温出现在凌晨2：O0～次日早n土石坝工程施工专辑8：O0，气温在一6～2．5~C，平均气温一0．3~C。最低温(6)异常情况：受风速、气压及温湿度影响，个别时一6℃，最高温10．5℃。段气温有突变。(5)12月气温负温出现在下午18：OO～次日上午3．1．3典型气温特征11：00，气温在～151℃，平均气温一5．6℃。最低水牛家电站施工区域冬季气温特征曲线见图1。温一15℃，最高温13℃。阴天全天皆为负温。08642024680246赠图1水牛家电站施工区域冬季气温特征曲线3．2土料冻融特性研究表1水牛家碎石土料场土温实测表℃碎石土冻融特性研究包括料场土温的分布、土温损时间日期失、结合面表层碎石土冻融特性、降雪对心墙填筑施工8：309：3016：oo22：oo2：0o影响、土体孔隙水消散等多项。2005．11．2O9．19．5810．39．632．1土温的研究2005．¨．228899．51O土温采集与气温实测同步，土温研究主要对碎石土2005．12．298．5998．5初始温度、土温的随气温的变化规律、土温的分布特性2005。12．1999．591O9进行了实测和数理统计分析。实测资料显示土温表现出如下特征：工条件；12月初随着气温降低，土温开始出现负温，当(1)土料场地表以下lOOcm土温基本保持恒定，土大气温度下降至一1O℃左右，土体温度可下降至一4～一温在8～11℃，随土料埋藏深增加(在有效开采深度范围2℃。土体出现负温的时段大至在凌晨5：O0～11：O0，内)，土温稍有增加，料场土温详见表1。随着土体外露时间的增长，土料初始温度的降低，负温(2)表层土受气温影响土温呈梯度分布，表层松散土时段逐渐增长，最终稳定在17：OO～次日11：O0。料在冷空气的作用下，温度下降较快，土温在一4～(4)土料施工区域受土料初始温度影响，气温较其他一1℃；碾压密实的土体，在冷空气长时间作用下，表层部位高出2～3oC，并在土体上层形成一保温层，减少土土温维持在2～一0．5~C。料热量的散失。(3)11月土温始终保持在1~C以上，土料具备连续施(5)土温气温的平行观测记录详见表2、图2。袁22005年12月7日土温一气温平行观测记录时间8：oo1o：oo12：oo14：oo16：oo19：oo22：oo1：oo4：oo7：oo8：oo气温8l4．57．51．514～6—7—87．5土温～1．5o．524．542．53．511—2—2注土温为表层20cm土体的实测温度。入网峨傅虢一嘞鼢蜥蛳獬～掰雠勰⋯一√◆◆◆08：00l1：0014：0017：0020：0023：0002：0005：00时间图2土温与气温平行观测特征曲线n萋水水电巍I2013·尊A铎13932．2结合面碎石土冻融特性层彩条布，霜降便会产生在彩条布与土体的接触面。(1)在冷空气作用下，表层土温逐渐降低，当土温接(3)12月土体表层5cm以内出现负温，土体开始冻近1℃时，土料空隙可见冰晶。表层土开始冻结，冻块结。冻结随着暴露时间的增长而加厚，若采取保温措施厚度随着冷空气作用的时间以及低温的程度增大。表层则因保温方式的不同出现不同程度的冻结。碎石土冻结特性见表3。(4)受持续低温的影响，采取常规的保温措施，土体(2)1】月土体温度基本上维持在正温，土料在24h之夜间不可避免有不同程度冻结现象。为了研究表层冻结内不会受冻。夜间随着土体孔隙水的消散，水蒸气在冷空土层对填筑质量的影响，12月上旬，现场开展了如下试气的作用下在土体表面形成一层霜。如在土体表面覆盖一验论证冻结土层对填筑压实质量的影响(见表4)。表3表层碎石土冻结特征冻结深度(cm)时间气温(℃)30cm深土温(℃)备注松散土压实土21：OO361～30．1tO．322：OO453～50．1tO．323：O0443～80．1～O．3冻土中町见结晶，未冻松散土1h内0：3043．53～80．140．3冻土厚O．5cm，用塑料薄膜覆盖后1h未2冻结：O0333～80．3～O．54：O0——4．533～80．5～15：O0523～80．5～1表4结合层冻土试验成果分析表(试验时外界气温一8～一5℃)设计实测试验组次试验条件采取措施碾压结合面描述干容重干容重评价(g／cm0)(g／cm0)第表层1．5~2cm16t拖式振动结合层碎石土一组冻土层未作处理碾动压8遍松软1．992．04不合格、湿润第二组表层1．5~2cm表层]Ocm碎石土16t拖式振动结合层分层不明显，2冻土层清除碾动压8遍较密实．O52．O3合格第三组016t拖式振动结合层分层明显，合格(大于设计．5cm冻土层未作处理碾动压8遍含水较高2．0l2．04干容重98)第四组2推土机履带刨毛16t拖式振动结合层无冻土，合格(大于设计cm冻土层(机械破碎)碾动压8遍含水较高2．O12．025十容重98)第五组5推土机履带刨毛16t拖式振动结合层无冻土，m冻土层(机械破碎)碾动压8遍含水较高1．892．O2不合格第六组积雪1推土机履带刨毛16t拖式振动积雪未融化，cm，无冻土(机械破碎)碾动压8遍含水较高1．87】．92不合格，松软试验表明：清除。(1)对于冻土厚度小于0．5era的结合层面，可不作(4)新铺土料在负温作用下，2～4h后表层开始出现任何处理，直接摊铺新鲜土料，土料的初始温度可使冻结晶。碾压土料在相同的负温条件下，结晶的时间约推结层解冻，压实效果满足设计要求。后20min。(2)小于2cm厚的冻土层可采用机械破碎的方式进(5)采用平碾进行表面封闭的土层，根据大气温度的行处理，然后回填新鲜土料，土料的初始温度可使冻块不同19：30～2O：OO碎石土表层开始冻结。在次日解冻，机械破碎有利于冻块的解冻，重新碾压后土体密1O：O0(晴天，有光照)左右开始解冻，12：O0可全部实度满足设计要求。化冻；如果阴天，则全天不会解冻。(3)冻土厚度达到2~5cm，因土层冻结后形成一层(6)松散土料的冻结深度远大于表面进行封闭处理的硬壳，不利于压实，且体积增大，重新碾压后因冻土空土料。表层封闭后，冷空气作用仅影响到表层土料，土隙率大，压实度达不到设计要求，填土前必须将其料自身的保温效果明显。n土石坝工程施工专辑(7)降雪过程中进行填土施工，降雪对土料的含水量低(含水率8)的碎石土，用自行式平碾振动碾压4及压实后干容重影响较小。这一点已得到证明。遍，然后再铺一层30cm厚碎石土，并将表面压光，最后(8)填土过程中的积雪必须清除，接合层面上的积雪覆盖彩条布。恢复施工前需将两层碎石土清除。对土料含水率影响较大，直接影响压实土料的干容重，方法二：表层无覆盖，其他同上。推铺、碾压过程降雪对土料填筑质量可忽略不计。2006年3月初水牛家工地气候变暖，碎石土具备施土料的冻结受诸多因素的影响，是诸多自然因素综工条件，在对碎石土保温层进行处理时发现两种保温方合作用的结果。碎石土冻融特性研究受试验条件、人为式有不同的效果。因素、地域气候等客观条件限制，试验成果仅反应出特方法一中，阴面冻土厚25～30cm，下层含水率稍定区域土料冻结特性。高，阳面彩条布揭开后，表层5O～80cm厚碎石土潮3．3保温措施研究湿，表层松软，大面少量积水。阴面将厚25～3Ocm的冻土层清除后稍作晾晒可填土施工，阳面需将表面保温措施研究主要进行了几种不同保温方式的对比60cm高含水碎石土挖除，再将下层翻松晾晒后才可恢试验，如不同天气条件下不采取任何保温措施与单层彩复施工。条布覆盖、保温被保温、干土薄层保温的对比试验。方法二中，碎石土表面干燥，土料含水率接近其初33．1平碾表面压光进行封闭处理始含水率。表层30cm厚松散碎石土清除后恢复施工。I1月中旬，水牛家气温凌晨2：OO～7：O0有负温出两种方式保温效果分析如下：现，最低温度为～4~C，碎石土可连续施工。为防止施工土料存在孔隙水消散的过程，下部土层中的水分在过程中土料冻结，对于不能及时覆盖的作业区，用彩条毛吸作用下逐渐向表层扩散，如表层无覆盖，土料中的布覆盖，可避免霜冻产生。如需要间歇施工，则采用自水分会自然蒸发，达到固结排水的作用，所以方法二中行式平碾压光对表面作封闭处理，再用彩条布覆盖。实碎石土表层干燥。践证明：上述保温措施在气温高于一5~C时效果非常明表层覆盖彩条布，因水分无法蒸发，下层土料中的显，保温措施经济实用，快捷方便。水分冉冉不断的富集于表层碎石土中。所以方法一中阳3．3．2保温材料覆盖面表层50~80crn厚碎石潮湿，表层松软，大面有一层积12月中上旬，夜间气温接近1O℃，新鲜土料推铺水。阴面下部土层中的水分在消散过程中集结于表层碎后1～2h冻结，碎石土只适宜在白天施工，夜间需采取石土中，受冷空气的作用凝结成冰。所以阴面有一层保温措施。25~30cm厚冻土，冻土下部含水稍高。方法一(保温材料+彩条布)：土料推铺后，及时采综上所述，冬季间歇期心墙的保护措施最好采用用1St自行式平面振动碾静压成光面，然后盖上保温材方法二。两层碎石土作保温层，土料含水无特殊要求，料，再盖彩条布。次日上午9：O0(气温一4~C)表面有上部无覆盖，下部土层中的水分在孔隙水消散过程中Icm左右冻土含用冰晶，以下4cm左右微冻，边角冻块不断蒸发。恢复施工前仅需对表层30cm碎石土清除5～lOcm。白天有日照的条件下，表层稍作晾晒即可恢复即可。施工，边角局部冻块较厚，需单独清除。方法二(彩条布+保温材料+彩条布)：土料推铺3．4负温条件下快速施工方法研究后，及时采用18t自行式平面振动碾静压成光面，盖一层3．41负温条件下快速施工指导原则彩条布，将保温材料覆盖在第一层彩条布上面，再用彩快速施工方法研究以水牛家气温实测资料和土温冻条布覆盖在保温材料上面，次日上午9：O0(气温一4℃)结特性资料为指导。通过合理配置施工机械设备，分块表面O．5cm含有少量冰晶，以下2cm左右微冻，边角冻流水作业，缩短铺土、碾压、取样作业循环时间，快速块5~lOcm。保温效果较好，表面不作处理即可直接进施工，确保土温下降到一I~C之前覆盖新鲜土层，进入下行填土施工，边角局部存在冻块，需单独清除。一个循环的施工。方法三(干土保温)：土料摊铺后，及时用18t自行3．4．2负温条件下快速施工组织式平面振动碾静压成光面，然后铺上一层5～lOcm厚，(1)l1月气温在～4~C以上，土料冻结时间为4～8h，含水率小于5干土，次日I1：00左右气温回升到O~C，心墙填筑可按常规方式组织施工。料场配制2～3台反铲将表面干土推开，集中成“土牛”，夜班再推铺回去作为装车，20t自卸汽车21~24台运输，每个循环耗时为5～保温层。保温效果好，施工成本高。6h，每层碎石土的填筑2100～2300m。11月心墙上升3．3．3停工期间的保温i0．3m左右，大坝填筑方量约58．4万rn。。12月底，日平均气温达到一5~C，白天平均气温(2)12月气温负温出现在下午18：oo～次日i1：O0，一0．5℃，夜间平均气温达到一8~C，极端低温达到气温在15～一1℃，平均气温一5．6~C，最低温一15℃，-15℃，碎石土不具备施工条件。在碎石土填筑停止施工最高温l3℃，阴天全天皆为负温。可施工间段为前，对碎石土长时间(2～3个月)保温作了如下对比试验：II：O0～19：O0，有效施工时间为6～8h。方法一：心墙碾压合格后，上铺一层3Ocm厚含水较(下转第139页)n土石坝工程施工专辑ll_-0一压实层的下部；若采用挖坑灌砂或灌水法，试坑应挖至层间接合面，试坑直径应满足规范要求。取样过程中严5质量例会制度格按照试验规程进行，严格控制人的行为因素。取样点应具有代表性，否则检测结果将不具有真实性、准确性，坚持质量例会制度，定期或不定期对施工现场发生不能真实反映实体质量。的质量问题进行分析、改进、总结，只有严格控制各工序质量，才能确保施工项目的实体质量。质量例会主要4检测结果分析针对人员、材料、工艺方案、施工机械的质量控制进行。(1)人员控制。坚持作业人员持证上岗制度，加强质现场取样结束后，按照《土工试验规程》(SL237-1999)量意识和技术培训，提高每个作业人员的质量活动能力。进行试验，针对不同的试验结果进行分析。试验结果分管理人员具有组织管理能力。三种：第一种压实度满足设计要求，第二种压实度小于(2)材料控制。原材料是工程实体的构成部分，其设计要求，第三种压实度大于设计要求。三种结果分析质量是工程项目实体质量的基础。对于检测不合格的首见表2。先进行原材料分析，然后进行其他因素分析。表2检测结果原因分析(3)工艺方案。工艺方案是否先进、合理是直接影检测结果原因分析响工程质量、进度及造价的关键因素，因此制定和采用技术先进、经济合理、安全可靠的施工技术方案，是工压实度(1)标准击实土样与填筑土样一致；满足设计(2)含水率控制在最优含水率范围内；程质量控制的重要环节。要求(3)铺土厚度符合设计要求；(4)施工机械。施工机械的选择首先要符合安全、适(4)碾压遍数符合设计要求用、经济、可靠和节能、和环保等方面的要求，其次应(1)标准击实土样与填筑土样不一致，填筑土样的根据工程需要，从设备选型、主要性能参数及使用操作最大干密度小于标准击实土样的最大干密度；要求方面加以控制。压实度(2)含水率超出最优含水率范围；小于设计(3)铺土厚度不符合设计要求，超出设计铺土厚度要求要求；6结束语(4)碾压遍数不够，碾压设备质量、振动频率、行车速度达不到设计要求影响坝体填筑质量的关键在于按碾压试验结果确定的厚压实度标准击实土样与填筑土样不度铺料、整平，它是保证压实质量的关键；其次，作业人大于设计一致，填筑土样的最大要求干密度大于标准击实土样的最大干密度员、材料、工艺方案、施工机械的质量也是影响因素。只有严格控制各工序质量，才能确保施工项目的实体质量。(上接第119页)心墙填土施工需分块作业，分块大小1500～2000m。的限制，考虑到施工工效、施工成本的影响，碎石土心为宜，填筑方量约600m。。料场配制反铲三台，20t自卸墙填筑施工宜停工。汽车21台运输，坝面推土机2台，拖式振动碾2台，每个循环耗时为2～3h。4结束语阴天全天均为负温，11：OO～17：OO气温在一5～一4℃，土料可在l～2h内发生冻结，填土施工过程中及试验研究及生产实践表明土石坝心墙土料冬季施工时覆盖碎石土，可有效阻止土料冻结。机械配置同上。是可行的，这一点已在水牛家大坝施工过程中得到了较(3)12月份夜间气温低，为保证次日11：OO左右恢好的验证。水牛家大坝工程通过合理利用冬季施工时段，复施工，土料铺土后不宜用凸块碾碾压，应采用自行式避开极端低温的负面影响，采取经济适用的保温措施，平碾将表面压光作封闭处理。然后采用“彩条布+保温经过科学合理地生产组织。大坝在11～12月中旬一个半材料+彩条布”的方式进行保温。次日揭开彩条布，稍月时间心墙上升17m，大坝心墙从2190m高程上升到作晾晒，即可进行碾压铺土作业。2207m高程，大坝填筑75．3万m。，心墙碎石土料填筑12月下旬夜间气温在一15℃以下，受低温天气条件9．2万m，创造了土石坝心墙冬季施工的新纪录。