粘土铺盖在水利水电工程中的应用

粘土铺盖在水利水电工程中的应用

1铺盖防渗技术在许多池塘中，用粘土覆盖作为大坝的渗透措施，特别是在河床的开放水域、流速小、清洁能力小、精卫瓦层厚、无强透水防护层的均质或两层内的低洪水封闭工程中，适用于一般土壤坝的垂直排水措施，以及中、低水位的中间和低水位。与一般土坝采用垂直排水渗透措施相比，具有良好的经济和施工效率。铺盖防渗不能截断水流,是以增加渗透途径来减少地基渗流的水力坡降和渗流量,同时也可降低渗透压力,改变压力分布。国内围堰工程中近些年使用铺盖防渗的有湖北葛洲坝工程、丹江口水电站工程、江西万安工程、四川嘉陵江上的红岩子工程、青居工程、金银台工程等。粘土铺盖施工方法简单,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;粘土盖柔性大、能与填土体、岸坡和已浇混凝土结构结合一体,适应地基变形能力强;随着泥砂不断淤积,防渗作用逐日俱增,在围堰这类临时挡水建筑物、部分永久建筑物中是一种较好的透水地基防渗措施。2土团粒结构及排水要使水下抛土铺盖达到预期防渗效果,必须使水下抛土体在施工期具有崩解、密实条件,在运行期不被水流及渗透水破坏。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,呈双相或单向排水,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。2.1水下抛土时的地基承载力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。流速小于0.5～0.6m/s,流失量一般在15%以内。当流速达0.9～1.2m/s,便会产生严重分离和细粒大量流夫现象。细粒大量流失,不仅加大水下抛投量,且形成铺盖防渗能力差。因此,宜尽可能在水下抛投施工期造成静水区,控制最大流速在0.5m/s以内。抛土时的水深极限值与土料性质有关。粘粒含量多、含水量大的粘土块,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,不仅流失量大,且落淤形成抗尖力差的饱和粉粒沉积层也愈厚,这类土不宜用于深水抛投,根据水中抛填试验得出:砾质土(小于0.05mm粒径的土粒占12%)不能在水深超过12m的条件下抛投,粘粒含量较多的次生黄土(小于0.05mm粒径的土粒大于18%)能在水深13～26m处形成干密度达1.4～1.46g/cm3、渗透系数8.9×10-6～4.2×10-5cm/s的粘土铺盖。2.2抛投量、地面铺盖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,还可以形成完整铺盖,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,则难以形成铺盖。为了解决这个问题,可在围堰铺盖末端抛一石渣挡土堤,以稳定水下抛土体。2.3b出坡降水下抛土铺盖区所处的砂砾覆盖层在渗透水流作用下产生的渗透破坏是导致水下抛土铺盖破坏的主要原因。因此,铺盖区的堰基覆盖层自身必须满足渗透稳定要求,逸出坡降应小于允许坡降,各层间的层间系数,应满足防止产生内部管涌和外部管涌要求。当地基由比较均一的砂砾组成时,渗流沿整个堰基均匀分布,扬压力不致有显著集中现象,铺盖的防渗效果比较有保证。若砂砾地基成层显著,不均一性很大,且有许多透镜体、强透水带、不连续带,渗透水压力会沿薄弱环节传递,在堰基背水侧产生很大扬压力,铺盖易局部崩陷,形成集中渗流区。3粘土质量要求3.1b对抛投体的防渗性影响一般壤土、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。由于冻土浸入水中后很快解冻,同样可以在自重和渗透压力下固结,因此土在冻结状态下影响抛投体的防渗性。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。3.2土壤含水量长江科学院试验成果证明,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,见表1。3.3未至水面崩解成散粒粘土块径过大,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10～20cm(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。3.4砂土及肥粘土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下覆盖层覆盖层铺盖在运行期受到两方面渗流作用。一部分水从铺盖顶面经铺盖进入下部覆盖层汇入下游,另一部分由铺盖前端进入覆盖层。水下抛土铺盖渗透稳定性也应从这两个方面分析。4.1土壤渗流破坏沿水中抛填体垂直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。粘土块不易崩解,土块之间有架空结构,渗流多以管流出现,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。4.2接触面间的水平渗流规律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,仍能与下面的砂砾地基紧密接触。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)时的渗透变形规律: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。5下抛投施工期粘土铺盖的边坡稳定最不利情况为水下抛投施工期。此时铺盖的稳定边坡除与土料性质、铺盖厚度及长度、水流条件有关外,还与施工条件有很大关系。5.1为“高水头”的铺盖铺盖前端厚度一般采用0.5～1.0m,其余各处的厚度应根据铺盖上下水压差值计算确定。设通过铺盖任意点水头差值为ΔH,则该点铺盖厚度δ为:式中i为土料的允许水力坡降。除水头很低的围堰可用等厚铺盖外,中、高水头围堰的铺盖都应设计成梯形断面,在粘土心墙或斜墙相接处,铺盖要适当加厚。铺盖长度应根据削减渗透压力和防止土壤渗透变形的要求确定。对于水头不大的围堰,可先用3～5倍堰上水头控制。对中、高水头的围堰,一般应通过渗流试验,以确定铺盖长度和厚度。5.2天然堆积铺盖水下粘土铺盖可以根据地基铺盖层组合情况、水流条件,以及堰体结构要求,设计成以下几种结构形式。(1)外铺盖。布置在堰体迎水侧,呈三角形断面铺盖。用于高度不大于30～40m的土石横向围堰,也可作为混凝土围堰的堰基防渗措施。这种形式施工与堰体施工干扰少,抛投体有较长的固结时间;在施工期及运行期发生异常问题容易处理,还可利用天然淤积铺盖增加防渗效果。(2)内铺盖。布置在堰体下部,采用梯形断面。可用于堰高不大于15m的纵向围堰和横向围堰中。铺盖位于堰体保护之中,增大了允许高冲流速,能人为控制铺盖长度,抛投量少,但与堰体施工干扰较大,施工程序比较复杂;为了满足塑流稳定,要求有一个排水固结密实时间,限制了铺盖上部的堰体填筑速度;不利于结合天然积物。(3)内外铺盖。铺盖位于堰体内及迎水侧,为三角形及梯形断面组合形式,用于横向围堰。这种形式可以利用堰体的防渗结构延长渗径,减少水下抛土长度和范围。当水不深时,可以先将堰体防渗体抛出水面,然后采用端进法抛投,从而简化水下施工布置,也可利用天然淤积铺盖进一步提高防渗效果。但由于部分粘土铺盖位于堰体底部,不利于堰体稳定,为了让其固结,须控制堰体上升速度。因此,不能用于挡水水头较高的围堰。5.3抛填速度和高度抛填速度直接影响粘土铺盖的防渗效果和工程量。抛填速度快,土块还未浸透软化,崩解就被继续下抛土盖住,对于粘土形成较陡的边坡,但土团间会产生架空,对于壤土虽仍有可能继续崩解,但排水困难,影响固结速率,增大了空隙水压力,抛填一定厚度后,有造成滑坡可能。合理抛填速度应满足从土体抛入水中到被上层土覆盖时间等于粘土基本被水浸透软化所需的时间,或等于壤土基本崩解所需时间。砂壤土则应尽快覆盖,以防止过度崩解形成淤泥状。6铺盖渗透稳定性控制(1)一般壤土、粘土、天然含水量较高处于塑态肥粘土都是良好的粘土铺盖用料,不宜采用砾质土、硬质肥粘土及粉粒含量高、粘粒含量少的粉质土。(2)粘土铺盖的边坡稳定性主要受施工期控制,而铺盖渗透稳定性主要受挡水运行期的高水位控制。为避免突然增大水头引起的渗透破坏,并利用渗透力加速固结,基坑抽水速率不宜过快。(3)水