7水牛家大坝碎石土心墙冬季施工

水牛家大坝碎石土心墙冬季施工阙丕林（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的中、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，但其工序繁琐、不适宜快速作业。本文结合水牛家大坝工程，针对碎石土心墙冬季施工展开一些基础性研究，并对研究方法、成果进行了总结。以期对类似工程借鉴、参考。【关键词】碎石土；心墙；负温；冻融特性快速施工；保温水牛家大坝碎石土心墙冬季施工研究实施情况技术方向施工中遇到的问题工程概况12346气温观测和分析碎石土冻隔特性实测保温措施负温条件下施工方法水牛家大坝碎石土心墙冬季施工结论51工程概况水牛家电站位于四川省平武县境内，系涪江上游左岸的一级支流火溪河梯级开发的“龙头”水库。坝址位于平武县白马乡稿史瑙村赖子湾一带。拦河大坝为碎石土心墙堆石坝，坝高108m，总填筑方量约516万m3，其心墙碎石土填筑方量约55.5万m3。水牛家大坝碎石土心墙冬季施工2.施工中遇到的问题根据气象资料，本项目地点属于亚热带山地气候，冬季寒冷干燥，夏季凉爽湿润，气温垂直变化大十分明显。多年平均气温7.6℃，冬季气温较低，极端最低气温可达-16.5℃。每年的11月下旬～次年的3月上旬为本地区的冬季，日平均气温在1.7～-2℃。最大冻土深度57.5cm,最大风速成15.5m/s。多年平均降雪深度23.5cm，最大年降雪深度36.9cm。按施工规范的要求，日最低气温低于-10℃时应该停止施工；实际情况是怎样的在施工前并不确定，能否延长冬季施工的时间，完全取决于实际气温和采取的相应施工措施。水牛家大坝碎石土心墙冬季施工3技术方向通过观测和分析土料在特定气温条件下的冻结特性，制订可行的冬季施工措施，寻求经济合理的辅助保温措施，尽量减少冬季停工时间，达到加快土坝施工速度的目的。水牛家大坝碎石土心墙冬季施工4.1气温观测和分析•气温观测采用了先进的传感式数显温度计对水牛家工地的气温进行了为期45d（数据采集频率为1h），24h连续测计，并以天为单元绘制成45组气温变化曲线。•气温采用两组温度计在施工区域平行（同时段同地点）实测。4.1.1观测方法4.1.2气温特性分析气温变化曲线组清晰地反应出特定气候条件下气温在24h内的变化规律。统计分析表明水牛家冬季气温有如下特征：（1）水牛家工地气温11月中下旬日平均气温在1.69～1.75℃之间，日平均气温低于5℃已经进入冬季，心墙碎石土施工需要采取保温措施。水牛家大坝碎石土心墙冬季施工4实施情况12月的日平均气温在-3～-4.5℃之间，心墙碎石土工除采取保温措施外还需间歇施工，避开负温时段的影响。（2）气温呈正弦曲线特性分布，凌晨4：00～早7：00气温出现最低值，12：00～14：00气温出现最高值。（3）天气晴朗时，气温曲线较陡，昼夜温差大。阴天气温曲线较平缓，昼夜温差小。（4）异常情况：因受风速、气压及温湿度影响，个别时段气温未严格按弦曲线分布，气温有突变。（5）11月中下旬气温负温出现在凌晨2：00～次日早8：00，气温在2.5～-6℃之间，平均气温-0.3℃。最低温-6℃，最高温10.5℃。（6）12月份气温负温出现在下午18：00～次日上午11：00，气温在-1～-15℃之间，平均气温-5.6℃。最低温-15℃，最高温13℃。阴天气温全天皆为负温。水牛家大坝碎石土心墙冬季施工4.1.3典型气温特性曲线图1冬季气温特征曲线-16-14-12-10-8-6-4-2024681008:0010:0012:0014:0016:0018:0020:0022:0000:0002:0004:0006:00时间气温/℃2005.12.202005.12.212005.12.222005.12.23水牛家大坝碎石土心墙冬季施工4.2碎石土冻隔特性实测碎石土冻隔特性实测主要是测量料场土温的分布特性、土温损失、结合面表层碎石土冻隔特性、降雪对碎石心墙填筑施工影响、土体孔隙水消散等多项实测。4.2.1土温情况土温采集与气温观测同步，主要对碎石土初始温度、土温的随气温的变化规律、土温的分布特性进行了实测和数理统计分析。实测资料显示土温表现出以下特征：（1）土料场地表以下100cm土温基本保持恒定，土温在7～10℃之间，随着土料埋藏深度加大（在有效开采深度范围内），土温稍有增加。料场土温实测情况见表1。水牛家大坝碎石土心墙冬季施工表1水牛家碎石土料场土温实测表日期各时段实测土温／℃8：309：3016：0022：002：002005年11月20日9.19.5810.39.62005年11月22日8899.5102005年12月2日98.5998.52005年12月19日99.59109料场土温实测资料表明，料场土温基本保持恒定，初始温度8～12℃，为冬季碎石土填筑施工提供了合格料源。（2）表层土受气温影响土温呈梯度分布，表层松散土料在冷空气的作用下，温度下降较快，土温在-1～-4℃之间；碾压密实的土体，在冷空气长时间作用下，表层土温维持在-0.5～-2℃之间。水牛家大坝碎石土心墙冬季施工（3）11月份土温始终保持在1℃以上，土料具备连续施工条件；12月初随着气温降低，土温开始出现负温。当大气温度下降至-10℃左右时，土体温度可下降至-2～-4℃。土体出现负温的时段大致在凌晨5：00～11：00，随着土体外露时间的增长和土料初始温度的降低，负温时段逐渐增长，最终稳定在17：00～次日11：00。（4）土料施工区域受土料初始温度的影响，气温较其它部位高出2～3℃，并在土体上层形成一个保温层，减少土料热量的散失。（5）土温—气温的平行观测记录见表2、图2。水牛家大坝碎石土心墙冬季施工表22005年12月7日土温-气温平行观测记录／℃时间8:0010:0012:0014:0016:0019:0022:001:004:007:008:00气温-8-14.57.51.51-4-6-7-8-7.5土温-1.50.524.542.53.511-2-2注：土温为表层20cm的土体的实测温度。图2土温—气温平行观测特征曲线-10-5051008:0011:0014:0017:0020:0023:0002:0005:00时间温度／℃气温土温水牛家大坝碎石土心墙冬季施工4.2.2结合面表层碎石土冻隔特性（1）在冷空气作用下，表层土温逐渐降低，当土温接近-1℃时，土料空隙可见冰晶。表层土开始开始冻结，冻块厚度随着冷空气作用的时间以及低温的程度增大。表层碎石土冻结特性见表3。（2）11月份土体温度基本上维持在正温，土料在24h之内不会受冻。夜间随着土体孔隙水的消散，水蒸气在冷空气的作用下在土体表面形成一层霜。如在土体表面覆盖一层彩条布，霜降便会在彩条布与土体的接触面上产生。（3）12月份土体表层5cm以内出现负温，土体开始冻结。冻结深度随着暴露时间的增长而加厚，若采取保温措施则因保温方式的不同出现不程度的冻结。（4）受持续低温的影响，采取常规的保温措施，土体夜间不可避免有不同程度冻结现象。为了研究表层冻结土层对填筑质量的影响，12月上旬，现场开展了如下试验论证冻结土层对填筑压实质量的影响（见表4）。水牛家大坝碎石土心墙冬季施工表3表层碎石土冻结特征时间气温／℃30cm深土温／℃冻结深度／cm备注松散土压实土21：00-361～30.1～0.3冻土中可见结晶，未冻松散土1h内冻土厚0.5cm，用塑料薄膜覆盖后1h未冻结。22：00-453～50.1～0.323：00-443～80.1～0.30：30-43.53～80.1～0.32：00-333～80.3～0.54：00-4.533～80.5～15：00-523～80.5～1水牛家大坝碎石土心墙冬季施工表4结合层冻土试验成果分析表（试验时外界气温-5～-8℃）试验组次试验条件采取措施碾压结合面描述设计干容重/g·cm—3实测干容重/g·cm—3评价第一组表层1.5～2cm冻土层未作处理16t拖式振动碾动压8遍结合层碎石土松软、湿润1.992.04不合格第二组表层1.5～2cm冻土层表层10cm碎石土推让掉16t拖式振动碾动压8遍结合层分层不明显，较密实2.052.03合格第三组0.5cm冻土层未作处理16t拖式振动碾动压8遍结合层分层明显，含水较高2.012.04合格（大于设计干容重98%）第四组2cm冻土层推土机履带刨毛（机械破碎）16t拖式振动碾动压8遍结合层无冻土，含水较高2.012.025合格（大于设计干容重98%）第五组5m冻土层推土机履带刨毛（机械破碎）16t拖式振动碾动压8遍结合层无冻土，含水较高1.892.02不合格第六组积雪1cm，无冻土推土机履带刨毛（机械破碎）16t拖式振动碾动压8遍积雪未融化，含水较高，松软1.871.92不合格水牛家大坝碎石土心墙冬季施工试验表明：（1）对于冻土厚度小于0.5cm的结合层面，可不作任何处理，直接摊铺新鲜土料，新铺土料的初始温度可使冻结层解冻，压实效果可满足设计要求。（2）小于2cm厚的冻土层可采用机械破碎的方式进行处理，然后回填新鲜土料，土料的初始温度可使冻块解冻，机械破碎有利于冻块的解冻，重新碾压后土体密实度满足设计要求。（3）冻土厚度达到2～5cm，因土层冻结后形成一层硬壳，不利于压实，且体积增大，重新碾压后因冻土空隙率大，压实度达不到设计要求，填土前必须将其清除。（4）新铺土料在负温作用下，2～4h后表层开始出现结晶。碾压土料在相同的负温条件下，结晶产生的时间约推后20min。水牛家大坝碎石土心墙冬季施工（5）采用平碾进行表面封闭的土层，根据大气温度的不同,19：30～20：00碎石土表层开始冻结。在次日10：00（晴天，有光照）左右开始解冻，12：00可全部化冻；如果阴天，则全天不会解冻。（6）松散土料的冻结深度远大于表面进行封闭处理的土料。表层封闭后，冷空气作用仅影响到表层土料，土料自身的保温效果明显。（7）降雪过程中进行填土施工，降雪对土料的含水量及压实后干容重影响较小。这一点已实施施工过程经过大量的资料证明。（8）填土过程中的积雪必须清除，接合层面上的积雪对土料含水率影响较大，直接影响压实土料的干容重，推铺、碾压过程降雪对土料填筑质量可忽略不计。土料的冻结受诸多因素的影响，是诸多自然因素综合作用的结果。碎石土冻隔特性研究受试验条件、人为因素、地域气候等客观条件限制，试验成果仅反应出特定区域土料冻结特性。水牛家大坝碎石土心墙冬季施工4.3保温措施保温措施主要进行了几种不同保温方式的对比试验：如不同天气条件下不采取任何保温措施与单层彩条布覆盖、保温被保温、干土薄层保温对比试验。4.3.1平碾表面压光进行封闭处理11月中旬，水牛家气温凌晨2：00～7：00有负温出现，最低温度为-4℃，碎石土可连续施工。为防止施工过程中土料冻结，对于不能及时覆盖的作业区，用彩条布覆盖，可避免霜冻产生。如需要间歇施工，则采用自行式平碾压光对表面作封闭处理，再用彩条布覆盖。实践证明：上述保温措施在气温高于-5℃时效果非常明显，保温措施经济实用，快捷方便。若不采取保温措施则在施工过程中会产生冻块。水牛家大坝碎石土心墙冬季施工4.3.2保温材料覆盖12月中上旬，夜间气温接近-10℃，新鲜土料推铺后1～2h冻结，碎石土只适宜在白天施工，夜间需采取保温措施。方法一（保温材料+彩条布）：土料推铺后，及时采用18t自行式平面振动碾静压成光面，然后盖上保温材料，再盖彩条布。次日上午9：00（气温-4℃）表面有1cm左右冻土含用冰晶，以下4cm左右微冻，边角冻块5～10cm。白天有日照的条件下，表层稍作晾晒即可恢复施工，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）：土料推铺后，及时采用18t自行式平面振动碾静压成光面，盖一层彩条布，将保温材料覆盖在第一层彩条布上面，再用彩条布覆盖在保温材料上面，次日上午9：00（气温-4℃）表面0.5cm含有少量冰晶，以下2cm左右微冻，边角