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1、粉细砂筑堤技术综述第3期2006年6月广东水利水电GUANGD0NGWATERRES0URCESANDHYDROPOWERNO.3JUN2006粉细砂筑堤技术综述贺清录,潘绍财,刘铭飞,孔繁友(辽宁省水利水电科学研究院,辽宁沈阳110003)摘要:对粉细砂的工程特性进行了分析,提出了应用粉细砂修筑堤防时存在问题的解决措施,并提出几种应用粉细砂筑堤技术要点,供广大设计,施工,监理及检测单位技术人员参考.关键词:粉细砂;修筑;堤防中图分类号:TV541.1文献标识码:C文章编号:1008-0112(2006)03-0063-02堤防工程设计规范GB5028698第6.2.2提出:粉细砂不宜作堤身填
2、筑土料,当需要时应采取相应的处理措施.第6.2.3提出:采取对土料加工处理或降低设计干密度,加大堤身断面和放缓边坡等措施时,应经技术经济比较后确定.实际上,由于一些堤段筑堤粘土料缺乏,若修筑粘土堤防,需远距离运土,且一般情况需占用大量耕地,征地与恢复都存在较大的困难,不仅工程投资较高,而且破坏生态环境,弊大于利.因此利用粉细砂筑堤在工程上也是难免的.在我国黄河,辽河,松花江,嫩江的堤防,仍有相当长堤段采用粉细砂筑堤.大量工程运用实践表明,尽管粉细砂筑堤存在诸多问题,但只要采取一些合理有效的工程措施,粉细砂筑堤还是可行的.当前堤防建设的发展趋势也是就地取土,减少占用耕地对生态环境的破坏.1粉细砂
3、的特性1.1颗粒组成砂土是无粘性的散体,不具备可塑性.天然条件下的砂土可处于从密实到疏松的不同物理状态.砂粒的矿物成分一般以石英为主,长石与云母次之.石英,长石呈粒状,化学性质不活泼,堆积时形成的孔隙不大.云母则呈片状,其含量较多时,孔隙增大,因而使土的压缩性增加.粉细砂土颗粒一般为粒状,比较接近于圆形,其堆积情况一般为单粒结构,即单个颗粒之间互相支撑,以保持稳定.实际的砂土是大小颗粒混杂的,而且颗粒形状也不是圆形,故孔隙比变化较大,当细小颗粒多尤其是片状的颗粒较多时,容易出现架空的现象,此时多处于疏松状态.依据建筑地基基础设计规范GB500072002分类,当粒径大于0.075mm的颗粒含量
4、超过全重的50%时称为粉砂,当超过全重的85%时,称为细砂.而土工试验规范SL2371999中将粗粒组(0.075mm一2mm)含量大于50%的土统称为砂类土,再根据细粒组的含量由小到大分别定名为砂,含细粒土砂,细粒土质砂.两个规范虽定名不同,但本质没有大的区别,文中所述的粉细砂是指按建筑地基基础设计规范定名的粉砂和细砂.l,2工程力学特性无粘性.根据双电层和结合水的概念,当两个颗粒靠近使两个颗粒的双电层互相重叠时,两个颗粒将共同吸引重叠区域的阳离子,包括离子所吸附的极性水分子.两个颗粒对此阳离子和水分子的相互吸引作用使两个颗粒互相连接,从而产生粘性.当颗粒愈靠近,颗粒间距离愈小时,颗粒对重叠
5、区阳离子的引力愈大,从而粘性也愈大.由于粉细砂中缺少带电特性的粘土颗粒组,从而呈无粘性状态.压缩性小.粉细砂土颗粒尺寸大,表面面积小,颗粒与水作用微弱,孔隙比一般较小,因而压缩性小,承载力较高.抗剪特性C=0,妒较大.由于粉细砂无粘性,抗剪时表现为粘结力C:0.粒状土的摩擦性质涉及到颗粒之间的相对移动,其物理过程包括两部分:一是颗粒的滑动,产生滑动摩擦;另一是颗粒与相邻颗粒脱离咬合而移动,产生咬合摩擦.由于粉细砂颗粒较粘土颗粒大,剪切时这两种摩擦力较大,因而内摩擦角较大.渗透系数大.粉细砂土按其与水相互作用的程度为惰性体系.呈散料状,单个颗粒浑圆,矿物晶格活动性小,颗粒比表面小,在土粒和水界面
6、上的相互作用力主要是毛管张力,在饱和土中消失.此外,颗粒孔隙较大,因而与粘性土相比表现为较大的渗透系数.一般为10一cm/s10cm/s.砂土的液化.饱和松砂受到震动时,原来稳定的结构遭到破坏,发生砂土颗粒悬浮于水中成为类似液体的现象.砂土液化对工程建筑物有极大的危害.假粘性.砂中水大部分为毛细水,水受表面张力的作用沿毛细孔隙上升,形成毛细水带.两颗料问的毛细水的表面张力可将两颗粒拉紧形成所谓的假粘性,因此表现出湿砂可粘聚成团,泡水后即松散.这种特性可用于加筋粉细砂修筑陡边坡.2粉细砂筑堤存在的问题粉细砂因其独特的性质,用于修筑均质堤防时存在着一些问题,直接影响到堤防的安全.据文献报道:松花江
7、,嫩江粉收稿日期:20051108;修回日期:20060119作者简介:贺清录(1969一),男,大学,高级工程师,现从事水利工程设计技术工作.?63?2006年6月第3期贺清录.等:粉细砂筑堤技术综述JUN2006No.3细砂堤段约占总长的1/51/3,1998年洪水期间,松花江,嫩江堤防决口大部分发生在粉细砂堤段.嫩江上最大的胖头泡决口也发生在粉细砂堤段.滑弧稳定性.一般当相对密度为0.60时,粉细砂内摩擦角在20.26.,c=0,其自然休止角较小,用于修筑均质堤防时,易产生滑动.一般均质土堤边坡为1:21:3.5,而在淮河上一些粉细砂堤防后坡采用1:5,辽宁省绕阳河部分粉细砂堤段,边坡也
8、采用1:5.渗流稳定性.粉细砂渗透系数较大,坡面出逸允许比降和建筑物接触冲刷的抗渗允许比降低.在同样水头作用下浸润线逸出点高,由于以上物理力学特点,使粉细砂堤防渗透稳定性差.若采用粉细砂均质堤型,必须有足够渗径的要求.还要求较缓的背水坡以满足出渗坡降,这样使得粉细砂堤防的断面较大.为增加堤防的稳定性,堤的背坡应设排水等相应措施.抗冲刷能力弱.粉细砂无粘聚力,抗冲能力低,其允许抗冲流速为0.25m/s一0.75m/s,在堤前坡水流作用下,极易产生淘刷脱坡,堤坡上长草,由于根不深,极易被冲走;在雨水顺坡水流作用下也易冲成沟,直接危及堤防的安全.这些问题的存在,并不能完全否定粉细砂可用于修筑堤防,实
9、际上只要采取一些合理有效的工程措施,粉细砂筑堤从技术方面考虑还是可行的.3粉细砂筑堤技术3.1改性粉细砂筑堤粉细砂中因细粒组含量较少,使其表现出前面所述的特有工程特性.若在粉细砂中掺入细颗粒,其工程性质将得到改变.如德国拜恩州东北部弗尔兹河上的1枇墙坝,坝高31.6m,因弗尔兹坝坝区土料比较缺乏,心墙土料只能用基岩风化而成的残积粉砂,细颗粒含量较少,渗透系数为110cm/s,作为防渗体渗透系数偏大,而且粉砂的抗冲刷能力不强.即使心墙所承受的水力梯度不大,心墙两侧也要设置较厚的反滤层.但因土料不足,心墙只能采用较薄的断面,而且坝区附近反滤料也不足.总之,由于坝区附近的天然砂场不能满足坝体抗渗要求
10、,为加强心墙的防渗能力,而采用了水泥土心墙.弗尔兹1#坝水泥土材料经多次试验后的配比为:砂1331kg,粉碎粘土料153kg,水泥90kg,其混合料的干密度为1600kg/m,每m加水400kg拌合,拌合料的密度为2000kg/m,坍落度较小,按此配比水泥掺量为4.5%.上面所述的掺加水泥是一种方法,其它的掺合料有粘土,粉煤灰,石灰等等.无论采用何种方法,中心的一点,是弥补粉细砂料中粉粒组(0.075mm一0.005mm)和粘粒组(<0.005mm)含量不足,从而提高粉细砂的粘结力c.辽宁省水利水电科学研究院曾在新西小河左堤桩号GL0+150一GL0+350进行改性粉细砂筑堤试验,采用掺
11、加1.5%一2%水泥以改善粉细砂性质,取得了成功.改性粉细砂筑堤存在的一个突出问题是掺合料如何拌合均匀的问题,因这个难题至今还未很好地解决,目前该项技术还未?64?得到大面积推广应用.3.2放缓边坡筑堤粉细砂堤防在过去设计中上下坡比多在1:21:2.5之间,即与粘土堤防坡比一致,但经实践证明,这样的堤防存在较大的陷患,后来在淮河上一些粉细砂堤防后坡采用1:5,目前推广到松嫩干流,绕阳河干流粉细砂堤防.由于粉细砂抗冲刷能力弱,堤防坡面若不加以防护,雨淋,风剥对堤防的破坏较严重.3.3包边盖顶筑堤采用包边盖顶技术修筑粉细砂堤防在国内应用较广.在黄河部分堤段,松嫩江的嫩江,泰来和杜蒙3个县的部分堤段
12、采用粘性包边盖顶的筑堤方案.堤顶与迎水坡应选用粘土,背水坡应符合设计要求.其中一种粘土较厚,作为斜墙,起防渗及防护双重作用;另一种粘土较薄时,做为包边材料,主要起防护作用.采用包边盖顶筑堤技术在堤防工程设计规范GB5028698和堤防工程施工规范SL26098均没有说明,但在堤防工程施工质量评定与验收规程(试行)SL2391999的3.6节中有较细致的技术说明.3.4加筋粉细砂筑堤土体一般具有一定的抗压强度,但抗剪强度很低.设想有一块自由土体,无侧限约束,在其顶面上施加压力,则在不大的压力下土体即将被压坏,如果同样的一块土有侧限约束,施加的压力虽然达到很大值,土体也不会被压坏.这个现象阐明了一
13、个道理:土体受压时,其破坏的压力与土的侧向变形有关,允许的侧向变形愈小,它能承受的压力愈高.土体加筋正是利用了这一原理,在土内掺入或铺设适当的加筋材料,由于加筋材料与周围土体之间有较大的摩阻力和包裹作用,限制了土的侧向变形.因此可以不同程度地改善土体的强度与变形性态.因而利用加筋粉细砂修筑堤防,可获得稳定的,较陡的边坡,从而减小堤防的断面.防渗问题可以通过粘土斜墙或堤后排水予以解决.由于加筋布不能直接暴露于大气中,尚需加以防护.2004年10月,辽宁省水利水电科学研究院进行了绕阳河齐大岗子风剥砂堤险工试验段的工程建设,取得了采用加筋粉细砂筑堤的成功.4结论大量的工程实践证明,只要采取合理有效的工程措施,粉细砂筑堤在技术上是可行的.当前堤防建设的发展趋势也是就地取土,减少占用耕地对生态环境的破坏.应当注意到粉细砂堤边坡需较缓,在布置上将占用较多的河滩地,从土地资源开发利用,全局经济发展考虑,在技术经济方案上均应因地制宜,作具体比较确定其可行性和可推广应用价值.参考文献:1天津大学主编.土力学与地基M.人民交通出版社,1983年.2黄文熙主编.土的工程性质M.北京:水利电力出版社,1983年.3孙光年.粉细砂筑堤设计中的几个问题J.黑龙江水利科技,2004,(4).4水电水电规划设计总院.碾压土石坝设计手册M.1989年.
