基于水利工程施工中防渗措施的探讨

　　摘要：本文笔者结合自身的水利水电工程施工实践的经验，对粘土力学性质和渗透稳定性进行了分析，对施工方案设计进行了具体论述。以供同行参考。
　　关键词：水利工程；粘土铺盖法；防渗措施；
　　1、粘土铺盖法的原理及适用条件
　　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。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、密实等条件，以保证在运行期不被水流及渗流破坏。
　　1.1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0.5～0.6m／s，流失量一般在15％以内。当流速达0.9～1.2m／s，便会产生严惩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，控制是最大流速在0.5m／s以内。
　　在围堰挡水运用期间，铺盖上的过流速度亦应小于铺盖固结后的允许冲刷速度(若铺盖上部分采用保护措施后，按不大于保护措施允许流速控制)，以防止冲刷，保持铺盖完整性和防渗效果。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。根据水中抛填试验，砾质土(小于0.05㎜粒径的土粒占12％)不能在水深超过12m的条件下抛投，而粘粒含量较多的次生黄土(小于0.05㎜粒径的土粒大于18％)能在水深13～26m处形成干密度达1.40～1.46g／cm。、渗透系数8.9×10-6～4.2×10～5cm／s的粘土铺盖。
　　1.2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不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，可以围堰铺盖末端抛石渣挡土堤，以稳定水下抛土体。
　　2、粘土的选用
　　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。
　　2.1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。
　　2.2土料含水量
　　某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。
　　
　　表1土料含水量对不下抛土体防渗能力影响
　　粘土自然含水量％ 13.0 19.0 25.2
　　水下粘土渗系数∕（×10–5CM.S-1） 2.19～3.10 8.2～11.0 13～12
　　
　　2.3抛土块径
　　粘圭块径过大，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。
　　某工程低水围堰上游抛土体块径为10～20cm，少数为30cm。在开挖抛土时未发现架空。证明少量超径土块能被已崩解小土块包裹，填满架空，大土块本身在表面湿润软化，在上部土重力作用下，相互挤紧，抛土初期形成的架空区会逐渐消失。
　　2.4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l0～15mm内完全浸透，并有部分湿化崩解的土料最适宜水下抛士。
　　3、从工程力学性质分析
　　3.1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肢有一层易于流动的细粒沉积，坡面也骤然变得平缓。
　　3.2粘土铺盖的颗粒组成
　　从水下料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料时，则分选与流失现象以及抛投体的防渗性能决定于混合比。
　　3.3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10-4cm／s，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10-4cm／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。逐渐减小至小于10-4cm／s。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。
　　4、渗透稳定性分析
　　4.1沿铺盖垂直方向的渗透稳定性
　　沿水中抛填体眚方向渗流运动引起的抛填土产生的渗透这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，仍能与下而后砂砾地基紧密接触。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。
　　5、设计要求
　　5.1铺盖厚度、长度
　　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△H，则该点铺盖厚度δ为：δ>△AH／I(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结构形式
　　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。
　　5.2.1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，还可以利用天然淤积铺盖增加防渗效果。
　　5.2.2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，增大了允许抗冲流速成，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问，限制了铺盖上部的堰体填筑速度；不利于结合天然积物。
　　5.2.3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，减少水下抓土长度和范围。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水下抛填速度
　　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，但土团问会产生架空，对于壤土虽角有可能继续崩解，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、综合分析
　　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料，不宜采用砾质土、硬质肥粘粒含量高、粘粒含量少的粉质土。
　　抛投区的地形应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。
　　抛入水中的土粒会被抛投区内的扩散、携带流失一部分，故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。在围堰挡水运用期间，铺盖上的过流速度亦应小于固结后的允许冲刷速度。
　　水下抛投粘性土形成的土体渗透系数一般都能达到小于l0-4cm／s，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。
　　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。
　　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侵透软化所需的时问，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。
　　7、结束语
　　结合本文的分析介绍，我们可以看出，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。

《基于水利工程施工中防渗措施的探讨》

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