水牛家大壩碎石土心墻冬季施工

水牛家大壩碎石土心墻冬季施工

【摘要】目前我國(guó)水利水電工程開發(fā)迅猛，特別是西南高寒地區(qū)的中、高土石壩工程建設(shè)越來越多，要求的建設(shè)速度越來越快，客觀需要解決冬季施工間歇問題。而目前低溫條件心墻碎石土施工的輔助措施多采取覆蓋保溫，個(gè)別工程也采用暖棚法施工，但其工序繁瑣、不適宜快速作業(yè)。本文結(jié)合水牛家大壩工程，針對(duì)碎石土心墻冬季施工展開一些基礎(chǔ)性研究，并對(duì)研究方法、成果進(jìn)行了總結(jié)。以期對(duì)類似工程借鑒、參考。

【】碎石土；心墻；負(fù)溫；凍融特性快速施工；保溫

水牛家大壩碎石土心墻冬季施工研究實(shí)施情況技術(shù)方向施工中遇到的問題工程概況12346

氣溫觀測(cè)和分析

碎石土凍隔特性實(shí)測(cè)

保溫措施

負(fù)溫條件下施工方法

水牛家大壩碎石土心墻冬季施工結(jié)論51工程概況

水牛家電站位于四川省平武縣境內(nèi)，系涪江上游左岸的一級(jí)支流火溪河梯級(jí)開發(fā)的“龍頭”水庫。壩址位于平武縣白馬鄉(xiāng)稿史瑙村賴子灣一帶。攔河大壩為碎石土心墻堆石壩，壩高108m，總填筑方量約516萬m3，其心墻碎石土填筑方量約55.5萬m3。

水牛家大壩碎石土心墻冬季施工2.施工中遇到的問題

根據(jù)氣象資料，本項(xiàng)目地點(diǎn)屬于亞熱帶山地氣候，冬季寒冷干燥，夏季涼爽濕潤(rùn)，氣溫垂直變化大十分明顯。多年平均氣溫7.6℃，冬季氣溫較低，極端最低氣溫可達(dá)-16.5℃。每年的11月下旬～次年的3月上旬為本地區(qū)的冬季，日平均氣溫在1.7～-2℃。最大凍土深度57.5cm,最大風(fēng)速成15.5m/s。多年平均降雪深度23.5cm，最大年降雪深度36.9cm。按施工規(guī)范的要求，日最低氣溫低于-10℃時(shí)應(yīng)該停止施工；實(shí)際情況是怎樣的在施工前并不確定，能否延長(zhǎng)冬季施工的時(shí)間，完全取決于實(shí)際氣溫和采取的相應(yīng)施工措施。

水牛家大壩碎石土心墻冬季施工3技術(shù)方向

通過觀測(cè)和分析土料在特定氣溫條件下的凍結(jié)特性，制訂可行的冬季施工措施，尋求經(jīng)濟(jì)合理的輔助保溫措施，盡量減少冬季停工時(shí)間，達(dá)到加快土壩施工速度的目的。

水牛家大壩碎石土心墻冬季施工4.1氣溫觀測(cè)和分析氣溫觀測(cè)采用了先進(jìn)的傳感式數(shù)顯溫度計(jì)對(duì)水牛家工地的氣溫進(jìn)行了為期45

d（數(shù)據(jù)采集頻率為1

h），24

h連續(xù)測(cè)計(jì)，并以天為單元繪制成45組氣溫變化曲線。氣溫采用兩組溫度計(jì)在施工區(qū)域平行（同時(shí)段同地點(diǎn)）實(shí)測(cè)。觀測(cè)方法氣溫特性分析

氣溫變化曲線組清晰地反應(yīng)出特定氣候條件下氣溫在24

h內(nèi)的變化規(guī)律。統(tǒng)計(jì)分析表明水牛家冬季氣溫有如下特征：（1）水牛家工地氣溫11月中下旬日平均氣溫在1.69～1.75℃之間，日平均氣溫低于5℃已經(jīng)進(jìn)入冬季，心墻碎石土施工需要采取保溫措施。

水牛家大壩碎石土心墻冬季施工4實(shí)施情況12月的日平均氣溫在-3～-4.5℃之間，心墻碎石土工除采取保溫措施外還需間歇施工，避開負(fù)溫時(shí)段的影響。

（2）氣溫呈正弦曲線特性分布，凌晨4：00～早7：00氣溫出現(xiàn)最低值，12：00～14：00氣溫出現(xiàn)最高值。

（3）天氣晴朗時(shí)，氣溫曲線較陡，晝夜溫差大。陰天氣溫曲線較平緩，晝夜溫差小。

（4）異常情況：因受風(fēng)速、氣壓及溫濕度影響，個(gè)別時(shí)段氣溫未嚴(yán)格按弦曲線分布，氣溫有突變。

（5）11月中下旬氣溫負(fù)溫出現(xiàn)在凌晨2：00～次日早8：00，氣溫在2.5～-6℃之間，平均氣溫-0.3℃。最低溫-6℃，最高溫10.5℃。

（6）12月份氣溫負(fù)溫出現(xiàn)在下午18：00～次日上午11：00，氣溫在-1～-15℃之間，平均氣溫-5.6℃。最低溫-15℃，最高溫13℃。陰天氣溫全天皆為負(fù)溫。

水牛家大壩碎石土心墻冬季施工典型氣溫特性曲線

水牛家大壩碎石土心墻冬季施工4.2碎石土凍隔特性實(shí)測(cè)

碎石土凍隔特性實(shí)測(cè)主要是測(cè)量料場(chǎng)土溫的分布特性、土溫?fù)p失、結(jié)合面表層碎石土凍隔特性、降雪對(duì)碎石心墻填筑施工影響、土體孔隙水消散等多項(xiàng)實(shí)測(cè)。土溫情況土溫采集與氣溫觀測(cè)同步，主要對(duì)碎石土初始溫度、土溫的隨氣溫的變化規(guī)律、土溫的分布特性進(jìn)行了實(shí)測(cè)和數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析。實(shí)測(cè)資料顯示土溫表現(xiàn)出以下特征：（1）土料場(chǎng)地表以下100cm土溫基本保持恒定，土溫在7～10℃之間，隨著土料埋藏深度加大（在有效開采深度范圍內(nèi)），土溫稍有增加。料場(chǎng)土溫實(shí)測(cè)情況見表1。

水牛家大壩碎石土心墻冬季施工表1水牛家碎石土料場(chǎng)土溫實(shí)測(cè)表日期各時(shí)段實(shí)測(cè)土溫／℃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料場(chǎng)土溫實(shí)測(cè)資料表明，料場(chǎng)土溫基本保持恒定，初始溫度8～12℃，為冬季碎石土填筑施工提供了合格料源。（2）表層土受氣溫影響土溫呈梯度分布，表層松散土料在冷空氣的作用下，溫度下降較快，土溫在-1～-4℃之間；碾壓密實(shí)的土體，在冷空氣長(zhǎng)時(shí)間作用下，表層土溫維持在-0.5～-2℃之間。

水牛家大壩碎石土心墻冬季施工

（3）11月份土溫始終保持在1℃以上，土料具備連續(xù)施工條件；12月初隨著氣溫降低，土溫開始出現(xiàn)負(fù)溫。當(dāng)大氣溫度下降至-10℃左右時(shí)，土體溫度可下降至-2～-4℃。土體出現(xiàn)負(fù)溫的時(shí)段大致在凌晨5：00～11：00，隨著土體外露時(shí)間的增長(zhǎng)和土料初始溫度的降低，負(fù)溫時(shí)段逐漸增長(zhǎng)，最終穩(wěn)定在17：00～次日11：00。（4）土料施工區(qū)域受土料初始溫度的影響，氣溫較其它部位高出2～3℃，并在土體上層形成一個(gè)保溫層，減少土料熱量的散失。（5）土溫—?dú)鉁氐钠叫杏^測(cè)記錄見表2、圖2。

水牛家大壩碎石土心墻冬季施工表22005年12月7日土溫-氣溫平行觀測(cè)記錄／℃時(shí)間8:0010:0012:0014:0016:0019:0022:001:004:007:008:00氣溫-8-14.57.51.51-4-6-7-8-7.5土溫-1.50.524.542.53.511-2-2注：土溫為表層20cm的土體的實(shí)測(cè)溫度。

水牛家大壩碎石土心墻冬季施工結(jié)合面表層碎石土凍隔特性（1）在冷空氣作用下，表層土溫逐漸降低，當(dāng)土溫接近-1℃時(shí)，土料空隙可見冰晶。表層土開始開始凍結(jié)，凍塊厚度隨著冷空氣作用的時(shí)間以及低溫的程度增大。表層碎石土凍結(jié)特性見表3。（2）11月份土體溫度基本上維持在正溫，土料在24

h之內(nèi)不會(huì)受凍。夜間隨著土體孔隙水的消散，水蒸氣在冷空氣的作用下在土體表面形成一層霜。如在土體表面覆蓋一層彩條布，霜降便會(huì)在彩條布與土體的接觸面上產(chǎn)生。（3）12月份土體表層5cm以內(nèi)出現(xiàn)負(fù)溫，土體開始凍結(jié)。凍結(jié)深度隨著暴露時(shí)間的增長(zhǎng)而加厚，若采取保溫措施則因保溫方式的不同出現(xiàn)不程度的凍結(jié)。（4）受持續(xù)低溫的影響，采取常規(guī)的保溫措施，土體夜間不可避免有不同程度凍結(jié)現(xiàn)象。為了研究表層凍結(jié)土層對(duì)填筑質(zhì)量的影響，12月上旬，現(xiàn)場(chǎng)開展了如下試驗(yàn)論證凍結(jié)土層對(duì)填筑壓實(shí)質(zhì)量的影響（見表4）。

水牛家大壩碎石土心墻冬季施工表3表層碎石土凍結(jié)特征時(shí)間氣溫／℃30cm深土溫／℃凍結(jié)深度／cm備注松散土壓實(shí)土21：00-361～30.1～0.3凍土中可見結(jié)晶，未凍松散土1h內(nèi)凍土厚0.5cm，用塑料薄膜覆蓋后1h未凍結(jié)。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

水牛家大壩碎石土心墻冬季施工表4結(jié)合層凍土試驗(yàn)成果分析表（試驗(yàn)時(shí)外界氣溫-5～-8℃）試驗(yàn)組次試驗(yàn)條件采取措施碾壓結(jié)合面描述設(shè)計(jì)干容重/g·cm—3實(shí)測(cè)干容重/g·cm—3評(píng)價(jià)第一組表層1.5～2cm凍土層未作處理16t拖式振動(dòng)碾動(dòng)壓8遍結(jié)合層碎石土松軟、濕潤(rùn)1.992.04不合格第二組表層1.5～2cm凍土層表層10cm碎石土推讓掉16t拖式振動(dòng)碾動(dòng)壓8遍結(jié)合層分層不明顯，較密實(shí)2.052.03合格第三組0.5cm凍土層未作處理16t拖式振動(dòng)碾動(dòng)壓8遍結(jié)合層分層明顯，含水較高2.012.04合格（大于設(shè)計(jì)干容重98%）第四組2cm凍土層推土機(jī)履帶刨毛（機(jī)械破碎）16t拖式振動(dòng)碾動(dòng)壓8遍結(jié)合層無凍土，含水較高2.012.025合格（大于設(shè)計(jì)干容重98%）第五組5m凍土層推土機(jī)履帶刨毛（機(jī)械破碎）16t拖式振動(dòng)碾動(dòng)壓8遍結(jié)合層無凍土，含水較高1.892.02不合格第六組積雪1cm，無凍土推土機(jī)履帶刨毛（機(jī)械破碎）16t拖式振動(dòng)碾動(dòng)壓8遍積雪未融化，含水較高，松軟1.871.92不合格

水牛家大壩碎石土心墻冬季施工試驗(yàn)表明：（1）對(duì)于凍土厚度小于0.5cm的結(jié)合層面，可不作任何處理，直接攤鋪新鮮土料，新鋪土料的初始溫度可使凍結(jié)層解凍，壓實(shí)效果可滿足設(shè)計(jì)要求。（2）小于2cm厚的凍土層可采用機(jī)械破碎的方式進(jìn)行處理，然后回填新鮮土料，土料的初始溫度可使凍塊解凍，機(jī)械破碎有利于凍塊的解凍，重新碾壓后土體密實(shí)度滿足設(shè)計(jì)要求。（3）凍土厚度達(dá)到2～5cm，因土層凍結(jié)后形成一層硬殼，不利于壓實(shí)，且體積增大，重新碾壓后因凍土空隙率大，壓實(shí)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，填土前必須將其清除。（4）新鋪土料在負(fù)溫作用下，2～4

h后表層開始出現(xiàn)結(jié)晶。碾壓土料在相同的負(fù)溫條件下，結(jié)晶產(chǎn)生的時(shí)間約推后20

min。

水牛家大壩碎石土心墻冬季施工（5）采用平碾進(jìn)行表面封閉的土層，根據(jù)大氣溫度的不同,19：30～20：00碎石土表層開始凍結(jié)。在次日10：00（晴天，有光照）左右開始解凍，12：00可全部化凍；如果陰天，則全天不會(huì)解凍。（6）松散土料的凍結(jié)深度遠(yuǎn)大于表面進(jìn)行封閉處理的土料。表層封閉后，冷空氣作用僅影響到表層土料，土料自身的保溫效果明顯。（7）降雪過程中進(jìn)行填土施工，降雪對(duì)土料的含水量及壓實(shí)后干容重影響較小。這一點(diǎn)已實(shí)施施工過程經(jīng)過大量的資料證明。（8）填土過程中的積雪必須清除，接合層面上的積雪對(duì)土料含水率影響較大，直接影響壓實(shí)土料的干容重，推鋪、碾壓過程降雪對(duì)土料填筑質(zhì)量可忽略不計(jì)。土料的凍結(jié)受諸多因素的影響，是諸多自然因素綜合作用的結(jié)果。碎石土凍隔特性研究受試驗(yàn)條件、人為因素、地域氣候等客觀條件限制，試驗(yàn)成果僅反應(yīng)出特定區(qū)域土料凍結(jié)特性。

水牛家大壩碎石土心墻冬季施工4.3保溫措施保溫措施主要進(jìn)行了幾種不同保溫方式的對(duì)比試驗(yàn)：如不同天氣條件下不采取任何保溫措施與單層彩條布覆蓋、保溫被保溫、干土薄層保溫對(duì)比試驗(yàn)。平碾表面壓光進(jìn)行封閉處理11月中旬，水牛家氣溫凌晨2：00～7：00有負(fù)溫出現(xiàn)，最低溫度為-4℃，碎石土可連續(xù)施工。為防止施工過程中土料凍結(jié)，對(duì)于不能及時(shí)覆蓋的作業(yè)區(qū)，用彩條布覆蓋，可避免霜凍產(chǎn)生。如需要間歇施工，則采用自行式平碾壓光對(duì)表面作封閉處理，再用彩條布覆蓋。實(shí)踐證明：上述保溫措施在氣溫高于-5℃時(shí)效果非常明顯，保溫措施經(jīng)濟(jì)實(shí)用，快捷方便。若不采取保溫措施則在施工過程中會(huì)產(chǎn)生凍塊。

水牛家大壩碎石土心墻冬季施工保溫材料覆蓋12月中上旬，夜間氣溫接近-10℃，新鮮土料推鋪后1～2

h凍結(jié)，碎石土只適宜在白天施工，夜間需采取保溫措施。

方法一（保溫材料+彩條布）：土料推鋪后，及時(shí)采用18t自行式平面振動(dòng)碾靜壓成光面，然后蓋上保溫材料，再蓋彩條布。次日上午9：00（氣溫-4℃）表面有1cm左右凍土含用冰晶，以下4cm左右微凍，邊角凍塊5～10cm。白天有日照的條件下，表層稍作晾曬即可恢復(fù)施工，邊角局部?jī)鰤K較厚，需單獨(dú)清除。

方法二（彩條布+保溫材料+彩條布）：土料推鋪后，及時(shí)采用18t自行式平面振動(dòng)碾靜壓成光面，蓋一層彩條布，將保溫材料覆蓋在第一層彩條布上面，再用彩條布覆蓋在保溫材料上面，次日上午9：00（氣溫-4℃）表面0.5cm含有少量冰晶，以下2cm左右微凍，邊角凍塊5～10cm。保溫效果效好，表面不作處可直接進(jìn)行填土施工，邊

水牛家大壩碎石土心墻冬季施工停工期間的保溫措施角局部存在凍塊，需單獨(dú)清除。方法三、（干土保溫）：土料推鋪后，及時(shí)用18t自行式平面振動(dòng)碾靜壓成光面，然后鋪上一層5～10cm厚，含水率小于5%干土；次日11：00左右氣溫回升到0℃,將表面干土推開，集中成“土?！?，夜班再推鋪回去作為保溫層。保溫效果好，施工成本高。12月底，日平均氣溫達(dá)到-5℃，白天平均氣溫-0.5℃，夜間平均氣溫達(dá)到-8℃，極端低溫達(dá)到-15℃，碎石土不具備施工條件。在碎石土填筑停止施工前，對(duì)碎石土長(zhǎng)時(shí)間（2～3個(gè)月）保溫作了以下對(duì)比試驗(yàn)。方法一：心墻碾壓合格后，上鋪一層30cm厚含水較低（含水率8%）的碎石土，用自行式平碾振動(dòng)碾壓4遍，然后再鋪一層30cm厚碎石土，并將表面壓光，最后覆蓋彩條布?；謴?fù)施工前需將兩層碎石土清除。

水牛家大壩碎石土心墻冬季施工方法二：表層無覆蓋，其它同方法一。2006年3月初水牛家工地氣候變暖，碎石土具備施工條件，在對(duì)碎石土保溫層進(jìn)行處理時(shí)發(fā)現(xiàn)兩種保溫方式有不同的效果。方法一中，陰面凍土25～30cm厚，下層含水率稍高，陽面彩條布揭開后，表層50～80cm厚碎石土潮濕，表層松軟，大面少量積水。陰面將25～30cm厚凍土層清除后稍作晾曬可填土施工，陽面需將表面60cm高含水碎石土挖除，再將下層翻松晾曬后才可恢復(fù)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。表層30cm厚松散碎石土清除后恢復(fù)施工。兩種方式保溫效果分析如下：土料存在孔隙水消散的過程，下部土層中的水份在毛吸作用下逐漸向表層擴(kuò)散，如表層無覆蓋，土料中的水分會(huì)自然蒸發(fā)，達(dá)到固結(jié)排水的作用，所以方法二中碎石土表層干燥。

水牛家大壩碎石土心墻冬季施工表層覆蓋彩條布，因水分無法蒸發(fā)，下層土料中的水分冉冉不斷的富集于表層碎石土中。故方法一中陽面表層50～80cm厚碎石潮濕，表層松軟，大面有一層積水。陰面下部土層中的水分在消散的過程中集結(jié)于表層碎石土中，受冷空氣的作用凝結(jié)成冰。所以陰面有一層25～30cm厚凍土，凍土下部含水稍高。綜上所述：冬季間歇期心墻的保護(hù)措施最好是采用方法二。兩層碎石土作保溫層，土料含水無特殊要求，上部無覆蓋，下部土層中的水份在孔隙水的消散過程中不斷蒸發(fā)?；謴?fù)施工前僅需對(duì)表層30cm碎石土清除即可。

水牛家大壩碎石土心墻冬季施工（1）土料碾壓時(shí)土料溫度應(yīng)在-1℃以上。（2）土料填筑應(yīng)避免受凍結(jié)塊厚度，不超過2cm厚凍土進(jìn)行機(jī)械破碎后可直接填土施工，0.5cm厚凍土可不作處理直接填土施工。（3）日最低氣溫于低于-10℃時(shí)應(yīng)停止施工，土料含水不大于塑限的90%。（4）鋪土、碾壓、取樣宜快速施工。4.4負(fù)溫條件施工方法應(yīng)遵守的施工的技術(shù)規(guī)范負(fù)溫條件下施工指導(dǎo)原則本次快速施工方法研究以水牛家氣溫實(shí)測(cè)資料和土溫凍結(jié)特性資料為指導(dǎo)。通過合理地配置施工機(jī)械設(shè)備，分塊流水作業(yè)，速短鋪土、碾壓、取樣作業(yè)循環(huán)的時(shí)間，快速施工，確保土溫下降到-1℃之前覆蓋新鮮土層，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)的施工。

水牛家大壩碎石土心墻冬季施工負(fù)溫條件下施工組織（1）11月份氣溫在-4℃以上，土料凍結(jié)時(shí)間為4～8

h，心墻填筑可按常規(guī)方式組織施工。料場(chǎng)配制2～3臺(tái)反鏟裝車，20t自卸汽車21～24臺(tái)運(yùn)輸，每個(gè)循環(huán)耗間約為5～6

h，每層碎石土的填筑2100～2300m3。11月份心墻上升10.3m左右，大壩高程從2189.38m上升至2199.69m,大壩填筑方量約58.4萬m3。異常低溫時(shí)段采用彩條布覆蓋。（2）12月份氣溫負(fù)溫出現(xiàn)在下午18：00～次日11：00，氣溫在-1～-15℃，平均氣溫-5.6℃，最低溫-15℃，最高溫13℃，陰天全天皆為負(fù)溫?？墒┕らg段為11：00～19:00,有效施工時(shí)間為6～8h。心墻填土施工需分塊作業(yè)，分塊大小1500～2000m2為宜,填筑方量約600m3。料場(chǎng)配制反鏟3臺(tái)，20t自卸汽車21臺(tái)運(yùn)輸，壩面推土機(jī)2臺(tái)，拖式振動(dòng)碾2臺(tái)，每個(gè)循環(huán)約為2～3

h。

水牛家大壩碎石土心墻冬季施工

水牛家大壩碎石土心墻冬季施工陰天全天均為負(fù)溫，11：00～17:00氣溫在-4～-5℃之間,土料可在1～2h內(nèi)發(fā)生凍結(jié)，填土施工過程中及時(shí)覆蓋碎石土，可有效阻止土料凍結(jié)。機(jī)械配置同上。（3）12月份夜間氣溫低，為保證次日11：00左右能恢復(fù)施工，土料鋪土后不宜用凸塊碾碾壓，應(yīng)采用自行式平碾將表面壓光作封閉處理。然后采用“彩條布+保溫材料+彩條布”的方式進(jìn)行保溫。次日揭開彩條布，稍作晾曬，即可進(jìn)行碾壓，鋪土作業(yè)。上述試驗(yàn)研究，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)上百組，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)20余次。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析成功地指導(dǎo)了水牛家大壩碎石土心墻冬季施工。通過合理利用冬季施工時(shí)段，避開極端低溫的負(fù)面影響，采取經(jīng)濟(jì)適用的保溫措施，經(jīng)過科學(xué)合理地組織生產(chǎn)，水牛家大壩11～12月份中旬停工1.5月的時(shí)間心墻上升17m，大壩心墻從2190m高程上升到2207m高程，大壩填筑75.3萬m3，心墻碎石土料填筑9.2萬m3。創(chuàng)造了土石壩心墻冬季施工的新記錄。

12月下旬夜間氣溫在-15℃以下。受低溫天氣條件的限制，考慮到施工工效、施工成本的影響，碎石土心墻填筑施工全面停止。

水牛家大壩碎石土心墻冬季施工5結(jié)論

1、試驗(yàn)研究及生產(chǎn)實(shí)踐表明，土石壩心墻土料冬季施工是可行的，這已在水牛家大壩施工過程中得到了較好的驗(yàn)證。

2、水牛家項(xiàng)目經(jīng)冬季施工，2005年11月1