HEC土体固结剂在渠道防渗工程中的应用

HEC土体固结剂在渠道防渗工程中的应用

摘要:山区的渠道工程建设,目前一般采用水泥砂浆砌条石防渗。该防渗工艺虽能就近取材,但防渗效果不理想,河砂运输困难,建设活动对环境影响大。四川省平昌县利用HEC土体固结剂作为胶凝材料,在渠道防渗工程中进行了应用研究,取得了满意的效果,克服了前述防渗工艺的不足,为山区的渠道防渗提供了全新的施工方案,具有较大的推广应用价值。关键词:水利

新技术

HEC土体固结剂

防渗

应用

一、概述HEC土体固结剂全称"HEC高强高耐水土体固结剂",是武汉大学研制的一种新型胶凝材料,近年来广泛应用于包括三峡、黄河小浪底等工程中,被国家科学技术部列入"九五"国家科技成果重点推广计划项目。用其固结的材料范围广,尤其是可以充分利用当地各种土料作建材,能使工程总造价下降20%左右。并且具有早期强度高、后期强度稳定发展、水稳定性好、耐久性好等特点。HEC产品目前在四川省水利工程建设中还处于试点应用阶段。平昌县选用适合水利项目及基础工程的HEC-1产品,研究在川东丘陵区HEC与不同土体,采用不同配比在渠道防渗工程中应用的可行性、技术优越性,总结了配合比方案、施工技术要点。二、实验项目实验设计指标为:防渗体强度≥C5,抗渗标号≥S5。HEC产品外观与水泥相近,同为粉末状材料,其固结对象为土体,与水泥固结砂砾石的施工工艺不一样。试验按SL237-1999《土工试验规程》、DL/T5150-2001《水工混凝土试验规程》的原则方法进行。实验方案为:1.在当地取两种分布较广并具有代表性的土样作土工试验;得到土样的物理指标,对土样定名。该试验由四川省水利水电勘测设计研究院水电科研所承担。2.无侧限抗压试验。取两种土样分别以10%、12%、15%的HEC含量做抗压试件,模具为7.07cm×7.07cm×7.07cm标准试模,分二层夯筑成型,试件24小时脱模,洒水养护七天。该试验由平昌县建筑质量监督检验所承担。3、取两种土样分别以12%、15%的HEC含量做抗渗试件,试模尺寸为高15cm,上口直径17.5cm,下口直径18.5cm,分四层夯筑成型,试件24小时脱模,洒水养护七天。抗渗试验由四川省水利水电勘测设计研究院水电科研所承担。4.取两种土样分别以15%的HEC含量用振捣法在U型渠模具内预制渠槽,该试验由平昌县水槽预制构件厂承担。5、取两种土样分别以15%的HEC含量用U型渠液压成型机压制渠槽。该试验由平昌县水槽预制构件厂承担。试验成果为:1、两种土样分别定名为粘土、重壤土,同属粘性土,其物理指标如下表：

项目

指土

标

样比重

ds液限WL(%)(%)塑限Wp(%)(%)塑性指数Ip分散度(%)(%)天

然含水量W(%)(%)最

大干密度ρdmax(g/cm3)最

优含水量Wo(%)(%)粘

土2.6742.120.221.939.713.61.6420.4重壤土2.6937.021.715.343.614.91.6917.7

2.试件七天抗压强度如下表:

HEC含量土

强

样

度(Mpa)10%12%15%粘

土4.084.625.89重壤土3.974.455.46

两种土样掺和HEC的含量越高,其抗压强度越高;按15%HEC含量配制的试件其七天抗压强度能够达到设计抗压强度。3、试件七天抗渗试验采用逐级加压法,经历时间16h-18h,终了水头20m-60m,成果如下表：

HEC含量土

渗透系

样

数K(cm/sec)12%15%粘

土0.53×10-80.27×10-8重壤土5.56×10-83.83×10-8

两种配比制作的试件其渗透系数均远远小于设计渗透系数1×10-5cm/s,达到设计抗渗要求。4.利用钢模用插入式振捣棒预制U型渠槽。钢模长100cm,设计预制件厚5cm,采用直连式单相振动棒(Z1D-01-35),功率0.60KW,振动棒直径3cm。利用该套模具制作"HEC—土料"混凝土U型渠槽没有成功,其主要原因是由于土料的粒径细微,C值较砂大,与HEC拌合后,其坍落度很低,流动性差,在机械振捣作用下拌合物迅速在振动棒周围结团,不能在模具内形成均匀密实的预制件。结论是仅靠振动施工无法完成预制构件的工作。5、压制“HEC—土样"混凝土U型渠槽。液压U型渠成型机的压力为50kg水压,能够生产长50cm的各型U型渠槽(安装不同型号的U型渠模具),分层压制成型,立即脱模。该试验未能成功。其原因是虽然在模具表面抹了一层矿物油,但是土料的粘性大,脱模时“HEC—土料"拌合物粘附在模具表面,不能形成一个完整的构件,而且需经五次压制才能达到设计密实度,工效低。以上试验结论为：对我县分布较为广泛的粘土、重壤土按HEC∶土料∶水为1∶(5—6)∶(0.4-0.5)的配合比配制“HEC—土料”混凝土,采用夯筑方式制作的构件能够达到强度≥C5、渗透系数K≤1.0×10-5cm/s的设计要求,能够满足水利工程渠道防渗体的各项指标,其要点是土料含水量控制在20%以内,HEC拌合料含水量控制在22%以内。三、施工准备1.渠道断面选择:渠道净深小于40cm的渠道可采用直墙,否则考虑边坡稳定应采用梯形断面(如采用直墙,衬砌过厚不经济)。实验渠道设计坡降为1.5‰,按灌区最大灌溉流量进行断面设计,为梯形断面,边坡1∶0.5,净深50cm,正常水深40cm,设计衬砌厚度为边坡12cm,底板8cm。设计糙率0.015(砼抹光渠道的正常值)。2.工具:按渠道测量规范测量布点,制作模架(用厚3cm的木板)、木制夯筑锤、铁等。3、设备：为了快速检测填筑质量,特购置了干密度快速检测仪(微贯仪)。用环刀法与干密度快速检测仪作平行实验,率定贯入仪的标准值。以第一仓料为试验,每层填土10cm,分层夯筑密实,然后去掉表层5cm,取3组填土作环刀试验,得到天然密度ρ=2.02g/cm3,干密度ρd=1.70g/cm3,含水量w=18.82%,结果符合设计要求。在环刀周围取7个点,用贯入仪贯入15cm,获得7个压力值,剔除最高点182N,最低点115N,得到平均压力为148N。该值即为该检测深度与环刀率定出的标准贯入值。在施工过程中用贯入仪检测填土密实度,当压力P≥148N,即符合密实度要求,当P＜148N,即需返工夯筑。四、施工工艺1.备料。就近选择土层较深厚,土质均匀的地方作为料场,四周挖好排水沟,去掉表层杂物,翻挖晾晒。土块略干时捣碎,用孔径小于1cm的铁筛筛分,一次筛分的土料不宜过多,满足施工进度即可。2.开挖。按设计毛渠断面及坡降开挖,底宽49cm,边坡1∶0.5,深58cm,用方木条制作成毛渠模架,检查开挖尺寸。毛渠边坡及底板用木锤或泥掌子击实,避免衬砌时因夯筑不实而导致毛渠界面变形。3.架模。按设计的渠道底坡及堤顶高程,在毛渠堤顶上定桩拉线,模架上边缘与拉线齐平,模架撑杆与模架相对固定。毛渠底板低了则垫,高了则挖,保证模架定位在设计高程。架好模后在模板表面涂抹矿物油(一般为废机油)。4、配料。为了控制好配合比,每次按掺入50或100kgHEC进行拌料,配比为HEC∶土料为1∶6。干料拌合均匀后按水灰比1∶2的水量充入喷雾器,一边拌和一边喷水,加水速度以拌料不结大团为宜。拌料最后的形态为粗颗粒状,团块需捣细。拌料的含水量以手握成团、可塑,掰开后内部较紧密为宜。拌料的同时洒水将毛渠表面湿润,以可以抹起泥浆为度。料拌好后迅速填仓夯筑,拌料存放时间不宜超过1h。5.夯筑。(1)填料夯筑。将拌料用撮箕、木桶、细密的背兜盛装运入仓内,两边同时加料同时夯筑,每次加料厚度以8cm—10cm为宜。夯筑至设计高程后将堤顶用泥掌子拍规则,用砖工用的铁掌子抹光。在夯筑过程中随时可用贯入仪检测填筑干密度,如不密实则再夯筑。一仓料夯筑合格后将撑杆卸掉,取下模板。(2)在衬砌成型的渠道边墙上用墨线弹出设计渠道底坡线。然后加入拌料夯筑渠道底板,夯筑至设计高程后用泥掌子拍规则,用铁掌子将HEC:土料为1:2的稀薄浆液在渠道表面抹光。6、养护。用塑料薄膜覆盖,待表面表现干燥时洒水。养护期七天以上,气温高时需每天洒水。养护期间禁止人员在渠道上走动。渠道衬砌按每3m长留一条伸缩缝,缝宽2cm,用1∶5沥青砂浆填塞。现场施工的核心是：架模到位,拌料均匀,加水适中,夯筑密实,收光养护。五、渠道流量指标、效益测算比较渠道衬砌工作完成后,水库开闸放水,沿途不分流,用LS25-1型旋浆式流速仪配合XHW-1型通用流速测算仪在渠首、渠中、渠末三个断面测定流速,测算出三个断面的流量、糙率、渗漏量。如下表:指标断面流

速(m/s)流

量(m3/s)流量减小(m3/s)每公里水量损失(%)水量损失(%)糙率渠首0.8400.16800.00040.240.0140+0000.8380.16760.0140.00020.201+6000.8370.16740.014

经测算,渠道在通过最大流量下渗漏量非常微小,为每公里0.2%,防渗体本身无渗漏,渗漏发生在沿途预留的灌溉放水口部位;渠道糙率为0.014,略低于混凝土抹光渠道正常值。通过连续三天最大流量放水试验,没有发现冲刷现象,其结构强度达到要求。按同等规模的浆砌条石、砼渠道进行流量、造价与工期比较,其指标如下：比较项目

衬砌

指材

料

标糙率流量(m3/s)每公里水量损失百分比(%)百分比(%)造价(元/m)工期(天)(相同断面及长度)备

注相同断面相同过流量HEC-土料0.0140.1680.2616185生产厂家普及后造价更低浆砌条石0.0250.09457182136

混凝土0.0150.1570.2747696

据上表,HEC-土料衬护渠道相对浆砌条石渠道综合造价降低14.1%(按相同过流量则造价降低25.6%),过流量增大1.8倍,水量损失减小96%;相对混凝土渠道,综合造价降低17.6%(按相同过流量则造价降低19.7%),过流量略大。利用