大坝面板止水系统中人工石粉的使用探究

　　摘    要：　在老挝南坎2面板堆石坝施工过程中, 工程所采用的粉煤灰中氧化钙含量较高, 受潮或遇水后硬化结块, 无法满足面板止水系统的自愈填堵功能要求, 最终采用从砂石骨料生产系统的废水沉淀池中直接获取人工石粉替代面板止水系统中的粉煤灰。文章主要介绍了南坎2面板堆石坝止水系统中人工石粉的获取方法、设计指标、现场试验检测及施工应用等情况, 对类似工程的设计和施工具有参考价值。

　　关键词：　面板堆石坝; 止水; 无粘性填料; 人工石粉;

　　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.

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

　　1 概述

　　采用粉煤灰或粉细砂等无粘性材料作为面板接缝止水的自愈型填料, 其目的是当发生渗漏时, 可以通过流动封堵渗漏通道, 多数面板坝工程中面板接缝止水的自愈型填料采用粉煤灰。老挝南坎2 (Nam Khan 2) 大坝为面板堆石坝, 最大坝高136m, 原考虑面板周边缝及所有张性垂直缝的表层止水均设置粉煤灰作为自愈性填料, 共需粉煤灰约2000m3。但工程使用的粉煤灰受潮后硬化结块, 在水中浸泡28天后, 抗压强度一般都大于3~5MPa, 无法满足面板止水系统中自愈性填料的要求。工程附近直接获取满足要求的天然粉细砂困难, 从砂石骨料生产系统的废水沉淀池获取无粘性石粉比较方便, 但直接获取的石粉是否满足自愈性填料的要求尚需研究。

　　2 人工石粉设计指标分析

　　工程主要根据无粘性填料止水的机理、规范的规定、特殊垫层料的级配和渗透系数等进行了石粉设计指标的分析研究。无粘性填料止水的机理就是当面板止水一旦发生破坏, 渗透水流能够将填料带入缝内, 受底部反滤料的拦截, 淤积在缝内, 在渗水压力长期作用下密实, 渗漏量逐渐减小, 达到止水效果。要求填料本身要是无粘性材料, 粒径要足够小, 容易进入细小的缝内;渗透系数至少要比反滤料小一个数量级, 才能在填料内形成较大的渗透压力差, 缩短自愈的过程[1]。规范提出了覆盖接缝表面的无粘性材料的最大粒径应小于1mm, 其渗透系数至少应比特殊垫层区反滤料的渗透系数小一个数量级的要求[1][[2]。根据无粘性填料止水的机理, 特殊垫层区反滤料要能对细小的石粉起到反滤保护作用才能达到自愈止水效果, 所以石粉和特殊垫层料的颗粒级配需满足反滤保护准则。

　　南坎2大坝特殊垫层料是由垫层料筛除粒径大于40mm的颗粒而得, 特殊垫层料最大粒径为40mm, 粗包线的D15为0.425mm, D85为26.15mm。根据现场原位渗透试验检测, 特殊垫层区渗透系数为 (3~5) ×10-4cm/s。经分析研究后提出了南坎2大坝面板止水系统中石粉填料的设计指标和要求:

　　(1) 灰岩开采过程中含有较多的粘性泥土, 会导致靠后的沉淀池中的石粉掺杂粘性泥土, 影响石粉质量和水流携带填料的效果。由于水流流速不同, 各池沉淀的含泥量、颗粒细度和级配也不同, 应采用中间沉淀池中较纯净的灰岩石粉, 石粉中含泥量应小于1%。

　　(2) 根据填料须被渗水带动流入缝隙的要求, 石粉中小于0.075mm的含量应达到40~60%, 且细砂的最大粒径应小于1mm。

　　(3) 根据渗透稳定和反滤保护要求, 石粉属均匀无粘性土, 根据太沙基反滤准则, 要求保护料的D15小于或等于被保护料d85的4倍, 即D15/d85燮4[3]。考虑材料的不均匀性和工程安全性, 采用特殊垫层料的粗包线的D15计算出石粉中d85大于0.106mm, 即石粉中大于0.106mm的颗粒含量要大于15%, 这部分大颗粒可被特殊垫层料控制不流失, 以确保渗透稳定。施工过程中按大于0.1mm的颗粒含量大于15%的要求控制。

　　(4) 根据规范中快速自愈的防渗性要求, 填料的渗透系数比特殊垫层区小一个数量级, 特殊垫层区渗透系数为 (3~5) ×10-4cm/s, 石粉在水下淤结后的渗透系数应小于1×10-5cm/s。

　　3 现场试验检测及施工

　　现场结合砂石废水处理, 在下游河边滩地上布置了4个并排的大容量废水沉淀池, 每个沉淀池容量达200m3, 相邻两个沉淀池之间设置漫口将各沉淀池迂回串联起来, 通过废水收集槽将砂石生产废水引排至沉淀池, 经过逐级沉淀获取不同粒径的细砂和石粉, 清水直接排向下游河道。

　　沉淀池的布置形式、池深及尺寸控制着水流的流速, 从而决定了各级沉淀池获得的沉淀物的颗粒粗细和性能不同。现场实验室对工程所采用的粉煤灰和沉淀池的石粉进行了相关检测试验, 主要包括粉煤灰硬化结块及结块后的强度试验, 石粉的土工筛分试验、崩解试验及渗透试验等。

　　(1) 为了解工程所采用粉煤灰的特性, 将粉煤灰装袋后分别浸泡于水中和置于露天, 观察粉煤灰的硬化过程, 并测试其结块后的强度。通过试验表明, 泰国粉煤灰氧化钙含量较高, 在潮湿状态下逐步结块硬化, 在水中能继续硬化产生强度, 一般在7天后就能产生强度, 在水中浸泡28天后, 抗压强度一般都大于3~5MPa。

　　(2) 石粉的土工筛分试验成果表明, 1号池的石粉颗粒较粗, 小于1mm约占70%, 小于0.075mm约占14%, 达不到设计指标;2、3号池中的石粉质量较好, 小于1mm的均可达到98%以上, 小于0.075mm的颗粒占40~50% (未达到粉煤灰的细度) , 大于0.1mm的颗粒占20~30%, 满足设计指标;4号池的石粉较细, 最大粒径小于1mm, 小于0.075mm的含量约占65%, 但含泥量偏多。

　　(3) 现场渗透试验表明, 2、3、4号池的石粉在水下沉积淤结后的渗透系数较小, 一般小于1×10-5cm/s。

　　(4) 石粉在施工期间会板结成块, 为了解水库蓄水后石粉遇水的崩解情况, 将石粉脱水后成块状, 浸泡于水中, 一般10多分钟就自然崩解溶化水中。

　　通过试验检测表明, 2号和3号池的石粉质量较好, 各项指标均满足要求, 可作为石粉填料的采集池。现场采用反铲式挖掘机从废水沉淀池中挖取石粉, 自然堆放至微干, 再采用自卸式汽车运送至坝前, 采用人工装袋至施工部位。面板表层柔性止水、保护钢罩分段施工完成后, 采用人工向土工织布内装填石粉, 利用木棍逐层夯实。石粉脱水后易板结, 为便于装填和夯实, 石粉不宜完全铺开晒干, 含水率在5~10%为宜。

　　4 结束语

　　在老挝南坎2水电站工程建设过程中, 通过对大坝面板止水系统中石粉填料设计指标的分析研究、试验检测及施工应用, 表明从砂石骨料系统的生产废水沉淀池中直接获取的灰岩石粉作为混凝土面板堆石坝的面板表层无粘性止水填料是可行的, 实际应用效果好, 此方法既环保又经济。

　　值得注意的是, 采用人工石粉替换粉煤灰作为面板止水系统的无粘性填料时, 需根据特殊垫层料的颗粒级配等对人工石粉的设计指标进行分析研究, 并对石粉的颗粒级配、含泥量、渗透性及水下崩解时间进行现场试验检测。若采用砂石骨料废水沉淀池来获取石粉填料, 应根据石粉颗粒级配要求设置多个串联的大容量沉淀池, 并根据现场检测情况, 及时清理池中石粉, 以确保获取满足要求的石粉。

　　参考文献：

　　[1]DL/T 5115-2008.混凝土面板堆石坝接缝止水技术规范[S].北京:中国电力出版社, 2008.
　　[2]DL/T 5016-2011.混凝土面板堆石坝设计规范[S].北京:中国电力出版社, 2011.
　　[3]刘杰.土石坝渗流控制理论基础及工程经验教训[M].北京:中国水利水电出版社, 2006:89-107.
　　[4] 刘杰.土的渗透稳定与渗流控制[M].北京:水利水电出版社, 1992:97-119.
　　[5]王永祥, 王明清.大朝山水电站人工砂石料系统的石粉回收[J].水力发电, 2001 (12) :51-52.
　　[6]黎正辉.银盘砂石系统湿法生产中石粉回收工艺[A].中国水利水电工程第二届砂石生产技术交流会论文集[C].2008:261-269.
　　[7]潘玲.石粉废料的综合利用研究现状[J].石材, 2015 (1) :21-23.