大坝砾石土心墙料冬季施工技术研究与实践

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大坝砾石土心鴻料冬季施工技术研究与实践

韩建东，杜臣（中国水利水电建设工程咨询西北有限公司，陕西西安710061)

摘要：概述两河口水电站工程的研究背景、方向和内容，从土料开采、运输、掺拌、备存和上坝铺料碾压等环节，对土料的温度变化规律 及冬季冻融对土料物理力学性质的影响等方面展开研究。研究结果表明，冬季施工宜采取措施提高土料上坝温度，应严格避免出现压实土 料冻结的现象；在上坝前应保证土料足够的温度，避免铺料对已碾密实土层的影响；在土料上覆盖阳光板可达到良好的保温保水效果，适 用于成品料备料仓的保温；大面积土料冻融综合判别体系可有效应用于冬季土料各施工环节中。

关键词：大坝砾石土料；心墙；冬季施工；阳光板；保温材料中图分类号：TU712

文献标识码：B

文章编号：1007-4104 (2019) 10-0021-05

1概况

运输、掺合、备存和上坝铺料碾压等环节，对土料的温度 变化规律及冬季冻融对土料物理力学性质的影响等方面展 两河口水电站是雅砻江中下游的控制性水库电站工

开研究。

程，位于四川省甘孜州雅江县境内。工程电站总库容为 107.67亿m3,调节库容65.6亿m3,具有多年调节能力， 3.1 土料开采环节

电站装机容量3 000 MW。

对土料场原状土不同深度的土温进行了连续监测，料 两河口砾石土心墙堆石坝最大坝高295 m,砾石土心 场原状土料温度监测主要结论如下：

墙料需用量约为441.14万m3。

(1) 不同深度处原状土料温度与气温呈规律性变化；(2)

表层土料温度对气温变化最为敏感，随着土料深

2研究背景

度的加深，处在不同深度土料温度受气温变化的影响程度 逐渐减低，当监测深度继续加深时，将出现恒温土层；

两河口大坝的防渗为土料防渗。大坝自2016年11月

(3)

在日循环过程中，浅层范围土料出现吸热、放热

1曰开始填筑以来已经过了两个冬季。监测发现，大坝防渗 过程，导致日最高温度时段表层土温高于气温、日最低温 土料在无覆盖条件下均出现了不同程度的负温冻结现象。 度时段表层土温与气温基本一致。

冻融过程为典型的单向冻结、双向融化过程，冻结持续时 间不超过24 h，为典型的短时冻土；从冻结深度上来看， 3.2保温材料的选择

土料最大冻结深度19.7 cm,平均冻结深度9.4 cm。冻土 针对两河口施工现场气温变化特点，选取聚乙烯PE 对施工效率及进度影响较大。

防水布和不同组合结构的土工布，对土料进行覆盖防冻观 测。根据现场施工气温条件，采取昼揭夜覆的方式进行实

3研究方向及内容

施，取得了良好的土料防冻效果。

在空气温度下降到冻结温度以下时，对坝体心墙使用 为保证冬季施工质量和提高效率，主要从土料开采、

覆盖三布两膜土工布后，相应时刻的心墙填料表层温度仍

21

“信通杯”获奖论文

tii，5 cm范围内的土料有一定的保温效果；

(2)

土料运输过程中采用防雨布覆盖保温，可提高填

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然保持较高的正值，未出现冻结现象，而相应未覆盖的对 照点的表土温度为负值，出现冻结现象。

因此，对坝体心墙填料采取聚乙烯PE防水布、不同组 合结构土工布覆盖的被动防冻技术，并采用昼揭夜覆的方 式，可以取得良好的防冻效果。

筑土料的温度，确保筑坝料的质量。

3.4 土料经冻结融化后基本物理参数

据已有研究表明，冬季土料冻融基本发生在细颗粒土 中，故采取小于5 mm颗粒部分进行物性研究，同时为 模拟冬季土料施工可能存在的情況，分别取经受最低气 温一10°C冻融0次、1次、2次、5次、20次循环的土 料，进行物理性质对比试验（见表1)。

颗粒级配/mm

5〜213.3012.6011.5012.8013.2017.2513.6010.75

2 〜0.56.857.105.557.20

0.5 〜0.075

6.958.057.308.057.206.357.208.50

<0.07572.9072.2575.6572.2572.8069.7072.8075.00

<0.00526.5029.8026.2029.5025.7025.3026.4028.50

3.3运输过程温度损失研究

对土料运输环节进行了温度监测，土料运输过程温度 监测主要结论如下：

(1)运输过程中采用防雨布覆盖，对表层及表层以下

比重

液限

塑限

塑性指数

表1 土料（< 5mm部分）物理性成果

循环次数

Gs

2.742.732.742.732.742.742.742.73

WL

28.929.028.629.028.629.528.828.9

Wp

14.813.314.813.314.813.513.614.3

IP

14.115.713.815.713.816.015.214.6

试验地点心墙区一道班一道班一道班一道班心墙区心墙区心墙区

012

5

2012

5

6.10

6.706.405.75

通过对比分析：砾石土料在经受最低气温-10°C冻融 循环5次以内，其自身比重、界限含水率、级配等参数未 发生明显的变化，具体数值差异属于试样个体差异与试验 误差范围，现场土料基本参数满足坝料设计要求。

融化循环次数成果分析，在P5及压实度均衡条件下，其承 载变形模量未呈明显规律，且量值未有明显变化。

60 ----------------------------------------------------------------------------------------55 ----------------------------------------------------------------------------------------+

松铺土受冻_

3.5碾前松铺土料经冻融作用后的土体工程性质

3.5.1渗透特性研究

(1)

原位渗透试验。松铺土料从原位渗透试验成果

看，碾前松铺土料随着冻融循环次数的变化未有明显规 律；渗透成果影响与土料自身颗粒组成，压实与含水情 况，以及颗粒粒形的相关性较大。试验成果满足土料填筑 技术要求。

(2)

进行了垂直和水平方向的现场浇筑制样，然后通过变水头 法进行了渗透试验测试。

从试验成果看，原状样渗透系数与受冻融循环次数无 明显规律，松铺土料垂直渗透系数略小于水平渗透系数， 抗渗破坏坡降达到14以上。防渗与抗渗能力均能满足土料 填筑技术要求。3.5.2现场承载力检测

对松铺土料经冻融作用后再压实的承载力进行检测。 检测结果如图1所示。

由1次碾前松铺受冻融循环可知：在一定P5范围内， 其变形模量随着压实度的增加而变大；从0〜5次不同冻结

冻融循环次数/n

图2冻融循环次数与摩擦角关系曲线图1

° 0

1

2

3 4

0冻融循环次数/次

5

6

变形模量与冻融循环关系

原状样渗透试验。对各种组合工况下的碾后土样 3.5.3现场大型直剪试验

现场大型直接剪切试验状态为天然固结快剪，检测结 果如图2所示。

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原位直剪试验成果表明，碾前松铺土料经受冻结融化 后，经碾压在一定P5含量与压实范围内，1〜2次冻融循 环条件下抗剪强度变化不大；5次后略有轻微衰减。

表2)。

表2现场物性检测成果

循环状态未受冻融

P5含量/%

38.839.239.638.240.240.2

干密度/g’cm—3含水率/%

2.19

8.99.1

压实度/%99.298.299.199.699.799.5

w-wop/%

1.2

1.40.9

3.5.4小结

(1)

渗透方面：土料在5次冻融循环后，渗透系数未

1次冻融2.20

2.19

2次冻融

5次冻融

8.6

8.48.7

发生明显的规律性变化。

(2)

2.202.202.20

0.61.1

0.9

变形方面：土料在经受冻融循环后，在常温下的 10平+2凸

6平+4凸

变形无明显规律性变化，基本不受冻融循环次数影响，但 与压实度有较大关系；在负温下的变形跟温度及循环次数 有一定关联，循环次数超过10次时变形量有明显增加。

(3)

8.6

在各种工况条件下，其压实特性与土料受冻融影响无 明显规律。

3.7.2渗透特性研究强度方面：1〜2次循环其内摩擦角基本变化不

(1)原位渗透试验。对于心墙砾石土料进行了原位渗

透试验，试验结果如图4所示。综合分析，在冬季施工过程中，碾前松铺土料在

大，5次后略有轻微衰减。

(4)

经受1〜2次冻融循环后，再按正常参数碾压，其物理力学 性质基本无明显变化。

3.6压实土料经冻结作用后的土体渗透特性研究

现场碾压完成后，分别制取经受一次、二次、五次冻融 循环后的原状土样进行渗透试验。试验结果如图3所示。

^ 1.0E-06 | 1.0E-05

1.0E-04

y

^ 1.0E-03

1.0E-02

1

^

冻融循环次数/次

+

T.S

.E

垂直渗透

-•-水平渗透

图4渗透系数与冻融循环次数关系

从原位渗透试验成果看，随着冻融循环次数的变化， 压实土料经再碾压后未有明显规律变化。渗透成果影响因 素应为土料自身颗粒组成、压实与含水情况，以及颗粒粒 形的相关性较大。

(2)原状样渗透试验。从试验成果看，原状样垂直

/3敢!«

»«

循I不次数/次

渗透系数随受冻融循环次数增加稍有倍数增大，无量级变 化，但水平渗透系数随着冻融循环次数增加有较大增大趋 势，压实土料在经受5次冻融循环后再经上料压实，此时 渗透系数有部分将发生量级变化。

图3砾石土渗透系数与循环次数曲线图

从图中可知，砾石土料未受冻融循环时，其渗透性在 ixi〇_6Cm/s量级，但土料经受冻融循环后，其渗透特性 发生了变化，其抗渗能力随着循环次数增加而衰减；土层 在受2〜3个冻融循环后，其垂直方向渗透系数将增大到 ixi〇5cm/s量级，在水平方向上则变化程度更快；1个冻 融循环后，其水平方向渗透系数将增大到ixi(T5cm/s量 级。这主要跟受单向冻融循环后易形成水平层理有关。

3.7.3现场承载力检测

分别对经受1次、2次、5次冻融循环后再压实的土料 进行了承载力试验，试验结果如图5所示。

60

5550

^ 40

45

—压实土受冻再压实

3.7 现场碾后经冻融后再碾压土体的渗透及力学试 验研究

开展大型实体碾压试验，进行力学渗透研究。研究压 实土体经冻融后再压实的渗透及力学参数特性。

i 35S30

谢20

15 10 5

0

3.7.1现场压实度指标检测

对现场检测级配、干密度及压实度统计平均值（见

冻融循环次数/次

图5变形模量与冻融循环次数关系

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v£. iL“信通杯”获奖论文

tiiPROJECT MANAGEMENT

在一定P5及压实度范围条件下，随着冻融循环次数的 增加，经过再压实后的土体，其承载变形模量有轻微降低 的趋势。

3.7.4现场大型直剪试验

分别对经受1次、2次、5次冻融循环后再压实的土料 进行了现场大型直剪试验，试验状态为天然固结快剪，试 验结果如图6所示。

原位直剪试验成果表明，在一定P5及压实度范围条件 下，随着冻融循环次数的增加，经过再压实后的土体，其 抗剪内摩擦角有一定降低的趋势。3.7.5小结

(1)渗透方面：压实土体在2次冻融循环以内再次压 实，其防渗抗渗性能虽略有降低，但还能满足设计要求； 若超过5次循环，其水平向渗透系数有可能发生数量级变 化，甚至超出设计要求。

冻融循环次数/次

图6内摩擦角与冻融次数关系曲线

(2) 变形方面：若能完全破坏压实土体受冻融影响产 生的结构，经过再次压实后，其变形受冻融影响不大；实 际施工时，受现场受施工条件的影响，可能会存在微量的 冻融结构体，因而冻融循环次数对其变形模量具有轻微的 影响。

(3)

强度方面：实际施工时，受现场受施工条件的影 响，可能会存在微量的冻融结构体；若因而冻融循环次数 对其抗剪内摩擦角具有一定的降低趋势。

(4)

综合分析：在冬季施工过程中，压实土体经受冻

融循环后再压实，可能因施工条件影响；若未能完全清除 冻融结构体，即使经过刨松上料再碾压后，也可能对其防 渗性能以及强度等方面产生影响。3.8阳光板保温增温措施效果

由于大坝心墙在填筑过程中需要避免因冬季施工产生 的土料冻融影响，经大量的相关试验，发现土料冻融程度 与填筑时土料的初始温度有关，土料初始温度越高，填筑 后越难发生冻融。因此提高填筑时的土料温度成为一项研 究方案。

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3.8.1阳光板增温试验

试验场地分为3块，分别为覆盖1层阳光板的场 所、覆盖2层阳光板的场所和天然对比场地。每块场 地面积均为12 mx 12 m,且前期平整完毕并对表层进 行了水分补充；阳光板规格为2 mx6m, 3层立方体中空 结构。完整的试验系统如图7所示。3.8.2小结

(1) 通过铺设阳光板后，可以显著增加土体温度，并 在冬季寒冷环境条件下，完全改变土体温度变化方向。

(2)

观测期内，阳光板下的土料的表层温度约为

15°C〜17°C,最低温度为5°C，最高为30°C,表层土料均 没有发生冻结。

(3) 通过对铺设1层阳光板和铺设2层阳光板增温效 果的对比发现，增温效果基本相同，2层阳光板增温效果略 好于1层阳光板。

图7阳光板试验系统

3.9掺合场不同铺料方式措施试验 3.9.1铺料方式介绍

目前针对一二类防渗土料掺合料的铺料方式为掺砾石

50 cm与土83 cm互层铺料。冬季施工时，为了尽量使土

料减少受冻，采用砾石在上、黏土在下的互层模式。3.9.2各铺料方式温度监测分析

通过试验监测发现，在50 cm砾石覆盖条件下，下部 黏土的温度始终在6.0°C左右，无负温现象的发生。

由试验可知，50 cm砾石下黏土表面温度与风速和大 气温度的相关性不大。3.9.3小结

掺合场在砾石在上的条件下，下部黏土温度稳定，始 终维持在6°C左右。这一结果对于掺合场互层结构的安排 具有重要意义。

3.10大面积土料冻融快速综合判别

为快速识别冻土，减少冬季施工时冻土对施工质量的不“信通杯”获奖论文ill

PROJECT MANAGEMENTtn良影响，快速检测大面积场地土料冻融状态显得至关重要。

由于坝体心墙面积较大，采用传统方法无法达到全部 检测的目的，更不容易找到整个心墙内最高温区域和最低 温区域。因此通过研究决定使用接触和非接触两种方法， 以温度检测为主进行。检测原则如图8所示。

(1)

施工应采取相对快速轮倒的工法工艺，减少已碾

4结语

好一定深度土料受冬季时效性带来的温度损失。建议冬季 施工宜采取措施提高土料上坝温度，如覆盖料场小规模剥 离集中开采、运输土料时对土料进行覆盖保温、同时采用 快速轮倒工法工艺等措施。

(2)

压实土体经过冻融作用影响后，将会产生冻融结

构体，由此带来土体工程性质的巨大变化，表现在防渗性 能上的若干数量级变化，同时在强度和变形方面也有极大 降低，因而冬季心墙填筑时，应严格避免出现压实土料冻

图8检测原则

结现象。

(3)

碾前松铺土料在经受1〜2次冻融循环作用

(_10°C以内）后，其物理力学性质基本无明显变化。若将此应用于心墙冬季施工填筑，则采取一定措施，在上坝 前保证土料足够温度，避免在铺料时对已碾密实土层的影

(4)

压实土体经冻融影响后再压实时，可能存在残余

(1) 仪器设备的确立。经过市场调研和自主开发，确

定采用德国的Testo882、美国的Models M卜220、自主研 发的表展温度快速检测仪和采用美国进口芯片进行改造的 Rc-4四种地温检测仪器。

(2)

表面温度检测时，可使用Testo882对整个心墙场地进行观 测，通过仪器界面所示颜色判断场地温度高低区域。当进 行局部区域表面温度检测时，使用Testo882进行近距离测 量，可进一步缩小地表温度较低区域，直至找到场地温度 相对最低的一小块区域。

(3)

低区域使用Models MI-220,精确测定该区域表面温度，判 断可能的冻结情况。

(4)

部位的平均温度，因此使用自主研发的表居温度快速检测 仪，对由MI-220测定的温度最低区域进行逐点测量，找出 温度最低点。

(5)

温度点进行测量，具体方法是将探针插入土体内部并静置 1 min,通过测得的温度判断土体冻融情况。

从结果上看，大面积土料冻融快速检测体系方法及评 价指标，完全可以满足现场土料冻融情況检测的要求，可 为现场大面积填筑面冻融土快速综合判别提供有效支撑。

快速检测大面积场地是否受冻。当进行全区域 响。

冻融结构体且很难被完全清除，会影响局部土料的防渗与 力学性能。建议冬季施工时不采用此方案。

(5)

覆盖阳光板半个月后对土料具有良好的保温保水

效果，适用于成品料备料仓的保温，可以为心墙填筑提供

(6)

大面积土料冻融综合判别体系可有效应用于冬季

判断温度较低区域表面是否冻结。在场地温度最 温度保障，为心墙的快速施工奠定基础。

土料施工的各个环节中，通过对掺合场、备料场、碾前碾 季土料状态进行识别。

(编者：该文荣获“信通杯”第三届全国建设监理论文大 赛二等奖。）

寻找温度最低点。由于MI-220只能测定一个 后土料的大面积综合识别以及点对点的检测，可有效对冬

判断不同深度冻融。使用RC-4对测度的最低

收稱日期：2019-07-31

作者简介：韩建东，任职于中国水利水电建设工程咨询西北有限公

司；杜臣，任职于中国水利水电建设工程咨询西北有限公司。

通信地址：陕西省西安市曲江商务区政通大道2号曲江文化创意

大厦22层中国水利水电建设工程咨询西北有限公司。

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