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1、,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,1,6,
2、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,1 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
3、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
4、进行了为期45 d（数据采集频率为1 h）， 24 h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24 h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1.691.75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
5、正弦曲线特性分布，凌晨4：00早7：00气温出现最低值，12：0014：00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
6、,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710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,料场土温实测资料表明，
7、料场土温基本保持恒定，初始温度812，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5：0011：00，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
8、受土料初始温度的影响，气温较其它部位高出23，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2 2005年12月7日土温-气温平行观测记录 ,注：土温为表层20cm的土体的实测温度。,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24 h之内不会受冻。夜间随着土体孔隙水的消散，水
9、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,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）,水牛家大坝
10、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25cm，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，24 h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20 min。
11、,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,19：3020：00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
12、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2：007：00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，
13、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12 h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510cm。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
14、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，边角冻块510cm。保温效果效好，表面不作处可直接进行填土施工，边,水牛家大坝碎石土心墙冬季施工,4.3.3停工期间的保温措施,角局部存在冻块，需单独清除。 方法三、（干土保温）：土料推铺后，及时用18t自行式平面振动碾静压成光面，然后铺上一层510cm厚，含水率小于5%干土；次日11：00左右气温回升到0,将表面干土推开，集中成“土牛”，夜班再推铺回去作为保温层
15、。保温效果好，施工成本高。,12月底，日平均气温达到-5，白天平均气温-0.5，夜间平均气温达到-8，极端低温达到-15，碎石土不具备施工条件。在碎石土填筑停止施工前，对碎石土长时间（23个月）保温作了以下对比试验。 方法一：心墙碾压合格后，上铺一层30cm厚含水较低（含水率8%）的碎石土，用自行式平碾振动碾压4遍，然后再铺一层30cm厚碎石土，并将表面压光，最后覆盖彩条布。恢复施工前需将两层碎石土清除。,水牛家大坝碎石土心墙冬季施工,方法二：表层无覆盖，其它同方法一。 2006年3月初水牛家工地气候变暖，碎石土具备施工条件，在对碎石土保温层进行处理时发现两种保温方式有不同的效果。 方法一中，
16、阴面冻土2530cm厚，下层含水率稍高，阳面彩条布揭开后，表层5080cm厚碎石土潮湿，表层松软，大面少量积水。阴面将2530cm厚冻土层清除后稍作晾晒可填土施工，阳面需将表面60cm高含水碎石土挖除，再将下层翻松晾晒后才可恢复施工。 方法二中，碎石土表面干燥，土料含水率接近其初始含水率。表层30cm厚松散碎石土清除后恢复施工。 两种方式保温效果分析如下： 土料存在孔隙水消散的过程，下部土层中的水份在毛吸作用下逐渐向表层扩散，如表层无覆盖，土料中的水分会自然蒸发，达到固结排水的作用，所以方法二中碎石土表层干燥。,水牛家大坝碎石土心墙冬季施工,表层覆盖彩条布，因水分无法蒸发，下层土料中的水分冉冉不断的富集于表层碎石土中。故方法一中阳面表层5080cm厚碎石潮湿，表层松软，大面有一层积水。阴面下部土层中的水分在消散的过程中集结于表层碎石土中，受冷空
