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：

2、试件七天抗压强度如下表：

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：

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ρ_d=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LS_25-1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：

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：

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HEC材料的工期最短、造价最低，其主要原因是节省了开山取石、材料运输所需的工日。

六、结论

通过试验及在工程上的应用证明，HEC-1材料适合粘土、重壤土、轻壤土、砂土，按HEC：土料为1：6的配比，按照碾压夯筑施工工艺能够获得符合渠道防渗体标准的强度、渗透系数及满意的流量指标，较浆砌条石、混凝土衬护渠道的优越性大，技术上完全可行，能够降低投资20%左右，工期短，社会效益大，在水利基础建设中可以得到广泛推广。