人工石粉替代粉煤灰在面板壩止水系統(tǒng)中的應(yīng)用

田業(yè)軍

摘 要：在老撾南坎2面板堆石壩施工過程中，工程所采用的粉煤灰中氧化鈣含量較高，受潮或遇水后硬化結(jié)塊，無法滿足面板止水系統(tǒng)的自愈填堵功能要求，最終采用從砂石骨料生產(chǎn)系統(tǒng)的廢水沉淀池中直接獲取人工石粉替代面板止水系統(tǒng)中的粉煤灰。文章主要介紹了南坎2面板堆石壩止水系統(tǒng)中人工石粉的獲取方法、設(shè)計(jì)指標(biāo)、現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)及施工應(yīng)用等情況，對(duì)類似工程的設(shè)計(jì)和施工具有參考價(jià)值。

關(guān)鍵詞：面板堆石壩；止水；無粘性填料；人工石粉

中圖分類號(hào)：TV52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2019）01-0169-02

Abstract： In the construction of Nam Khan 2 concrete faced rockfill dam （CFRD） project in Laos， the requirement of crack self-healing function cannot be satisfied by the fly ash with high calcium oxide， which tends to harden and agglomerate when exposed to moisture or water. A solution of replacing fly ash with artificial stone powder is presented in this paper. The artificial stone powder can be easily obtained from the waste water sedimentation tank of the sand aggregate production system. The specific obtaining methods， design index， field test and construction application of artificial stone powder are introduced in this paper， which is a good reference for the design and construction of similar projects.

Keywords： concrete face rockfill dam （CFRD）； water sealing； non-viscous filler； artificial stone powder

1 概述

采用粉煤灰或粉細(xì)砂等無粘性材料作為面板接縫止水的自愈型填料，其目的是當(dāng)發(fā)生滲漏時(shí)，可以通過流動(dòng)封堵滲漏通道，多數(shù)面板壩工程中面板接縫止水的自愈型填料采用粉煤灰。老撾南坎2（Nam Khan 2）大壩為面板堆石壩，最大壩高136m，原考慮面板周邊縫及所有張性垂直縫的表層止水均設(shè)置粉煤灰作為自愈性填料，共需粉煤灰約2000m3。但工程使用的粉煤灰受潮后硬化結(jié)塊，在水中浸泡28天后，抗壓強(qiáng)度一般都大于3～5MPa，無法滿足面板止水系統(tǒng)中自愈性填料的要求。工程附近直接獲取滿足要求的天然粉細(xì)砂困難，從砂石骨料生產(chǎn)系統(tǒng)的廢水沉淀池獲取無粘性石粉比較方便，但直接獲取的石粉是否滿足自愈性填料的要求尚需研究。

2 人工石粉設(shè)計(jì)指標(biāo)分析

工程主要根據(jù)無粘性填料止水的機(jī)理、規(guī)范的規(guī)定、特殊墊層料的級(jí)配和滲透系數(shù)等進(jìn)行了石粉設(shè)計(jì)指標(biāo)的分析研究。無粘性填料止水的機(jī)理就是當(dāng)面板止水一旦發(fā)生破壞，滲透水流能夠?qū)⑻盍蠋肟p內(nèi)，受底部反濾料的攔截，淤積在縫內(nèi)，在滲水壓力長(zhǎng)期作用下密實(shí)，滲漏量逐漸減小，達(dá)到止水效果。要求填料本身要是無粘性材料，粒徑要足夠小，容易進(jìn)入細(xì)小的縫內(nèi)；滲透系數(shù)至少要比反濾料小一個(gè)數(shù)量級(jí)，才能在填料內(nèi)形成較大的滲透壓力差，縮短自愈的過程[1]。規(guī)范提出了覆蓋接縫表面的無粘性材料的最大粒徑應(yīng)小于1mm，其滲透系數(shù)至少應(yīng)比特殊墊層區(qū)反濾料的滲透系數(shù)小一個(gè)數(shù)量級(jí)的要求[1][2]。根據(jù)無粘性填料止水的機(jī)理，特殊墊層區(qū)反濾料要能對(duì)細(xì)小的石粉起到反濾保護(hù)作用才能達(dá)到自愈止水效果，所以石粉和特殊墊層料的顆粒級(jí)配需滿足反濾保護(hù)準(zhǔn)則。

南坎2大壩特殊墊層料是由墊層料篩除粒徑大于40mm的顆粒而得，特殊墊層料最大粒徑為40mm，粗包線的D15為0.425mm，D85為26.15mm。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原位滲透試驗(yàn)檢測(cè)，特殊墊層區(qū)滲透系數(shù)為（3～5）×10-4cm/s。經(jīng)分析研究后提出了南坎2大壩面板止水系統(tǒng)中石粉填料的設(shè)計(jì)指標(biāo)和要求：

（1）灰?guī)r開采過程中含有較多的粘性泥土，會(huì)導(dǎo)致靠后的沉淀池中的石粉摻雜粘性泥土，影響石粉質(zhì)量和水流攜帶填料的效果。由于水流流速不同，各池沉淀的含泥量、顆粒細(xì)度和級(jí)配也不同，應(yīng)采用中間沉淀池中較純凈的灰?guī)r石粉，石粉中含泥量應(yīng)小于1%。

（2）根據(jù)填料須被滲水帶動(dòng)流入縫隙的要求，石粉中小于0.075mm的含量應(yīng)達(dá)到40～60%，且細(xì)砂的最大粒徑應(yīng)小于1mm。

（3）根據(jù)滲透穩(wěn)定和反濾保護(hù)要求，石粉屬均勻無粘性土，根據(jù)太沙基反濾準(zhǔn)則，要求保護(hù)料的D15小于或等于被保護(hù)料d85的4倍，即D15/d85？燮4[3]?？紤]材料的不均勻性和工程安全性，采用特殊墊層料的粗包線的D15計(jì)算出石粉中d85大于0.106mm，即石粉中大于0.106mm的顆粒含量要大于15%，這部分大顆粒可被特殊墊層料控制不流失，以確保滲透穩(wěn)定。施工過程中按大于0.1mm的顆粒含量大于15%的要求控制。

（4）根據(jù)規(guī)范中快速自愈的防滲性要求，填料的滲透系數(shù)比特殊墊層區(qū)小一個(gè)數(shù)量級(jí)，特殊墊層區(qū)滲透系數(shù)為（3～5）×10-4cm/s，石粉在水下淤結(jié)后的滲透系數(shù)應(yīng)小于1×10-5cm/s。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)及施工

現(xiàn)場(chǎng)結(jié)合砂石廢水處理，在下游河邊灘地上布置了4個(gè)并排的大容量廢水沉淀池，每個(gè)沉淀池容量達(dá)200m3，相鄰兩個(gè)沉淀池之間設(shè)置漫口將各沉淀池迂回串聯(lián)起來，通過廢水收集槽將砂石生產(chǎn)廢水引排至沉淀池，經(jīng)過逐級(jí)沉淀獲取不同粒徑的細(xì)砂和石粉，清水直接排向下游河道。

沉淀池的布置形式、池深及尺寸控制著水流的流速，從而決定了各級(jí)沉淀池獲得的沉淀物的顆粒粗細(xì)和性能不同?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)室對(duì)工程所采用的粉煤灰和沉淀池的石粉進(jìn)行了相關(guān)檢測(cè)試驗(yàn)，主要包括粉煤灰硬化結(jié)塊及結(jié)塊后的強(qiáng)度試驗(yàn)，石粉的土工篩分試驗(yàn)、崩解試驗(yàn)及滲透試驗(yàn)等。

（1）為了解工程所采用粉煤灰的特性，將粉煤灰裝袋后分別浸泡于水中和置于露天，觀察粉煤灰的硬化過程，并測(cè)試其結(jié)塊后的強(qiáng)度。通過試驗(yàn)表明，泰國(guó)粉煤灰氧化鈣含量較高，在潮濕狀態(tài)下逐步結(jié)塊硬化，在水中能繼續(xù)硬化產(chǎn)生強(qiáng)度，一般在7天后就能產(chǎn)生強(qiáng)度，在水中浸泡28天后，抗壓強(qiáng)度一般都大于3～5MPa。

（2）石粉的土工篩分試驗(yàn)成果表明，1號(hào)池的石粉顆粒較粗，小于1mm約占70%，小于0.075mm約占14%，達(dá)不到設(shè)計(jì)指標(biāo)；2、3號(hào)池中的石粉質(zhì)量較好，小于1mm的均可達(dá)到98%以上，小于0.075mm的顆粒占40～50%（未達(dá)到粉煤灰的細(xì)度），大于0.1mm的顆粒占20～30%，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)；4號(hào)池的石粉較細(xì)，最大粒徑小于1mm，小于0.075mm的含量約占65%，但含泥量偏多。

（3）現(xiàn)場(chǎng)滲透試驗(yàn)表明，2、3、4號(hào)池的石粉在水下沉積淤結(jié)后的滲透系數(shù)較小，一般小于1×10-5cm/s。

（4）石粉在施工期間會(huì)板結(jié)成塊，為了解水庫(kù)蓄水后石粉遇水的崩解情況，將石粉脫水后成塊狀，浸泡于水中，一般10多分鐘就自然崩解溶化水中。

通過試驗(yàn)檢測(cè)表明，2號(hào)和3號(hào)池的石粉質(zhì)量較好，各項(xiàng)指標(biāo)均滿足要求，可作為石粉填料的采集池?，F(xiàn)場(chǎng)采用反鏟式挖掘機(jī)從廢水沉淀池中挖取石粉，自然堆放至微干，再采用自卸式汽車運(yùn)送至壩前，采用人工裝袋至施工部位。面板表層柔性止水、保護(hù)鋼罩分段施工完成后，采用人工向土工織布內(nèi)裝填石粉，利用木棍逐層夯實(shí)。石粉脫水后易板結(jié)，為便于裝填和夯實(shí)，石粉不宜完全鋪開曬干，含水率在5～10%為宜。

4 結(jié)束語

在老撾南坎2水電站工程建設(shè)過程中，通過對(duì)大壩面板止水系統(tǒng)中石粉填料設(shè)計(jì)指標(biāo)的分析研究、試驗(yàn)檢測(cè)及施工應(yīng)用，表明從砂石骨料系統(tǒng)的生產(chǎn)廢水沉淀池中直接獲取的灰?guī)r石粉作為混凝土面板堆石壩的面板表層無粘性止水填料是可行的，實(shí)際應(yīng)用效果好，此方法既環(huán)保又經(jīng)濟(jì)。

值得注意的是，采用人工石粉替換粉煤灰作為面板止水系統(tǒng)的無粘性填料時(shí)，需根據(jù)特殊墊層料的顆粒級(jí)配等對(duì)人工石粉的設(shè)計(jì)指標(biāo)進(jìn)行分析研究，并對(duì)石粉的顆粒級(jí)配、含泥量、滲透性及水下崩解時(shí)間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)。若采用砂石骨料廢水沉淀池來獲取石粉填料，應(yīng)根據(jù)石粉顆粒級(jí)配要求設(shè)置多個(gè)串聯(lián)的大容量沉淀池，并根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)情況，及時(shí)清理池中石粉，以確保獲取滿足要求的石粉。

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