土壤固化剂在海南省大广坝灌区中的应用

2023-01-06

1. 前言

海南省是全国最大的经济特区, 随着国际旅游岛项目的审批获准, 海南将进入旅游发展的快车道。琼西地区作为一个主要的农业产区, 由于降雨的季节性和区域性分布, 11月至第二年6月的季节性缺水, 严重的影响了本地区工业和农业的发展。农村饮水、农业灌溉等涉水问题能否妥善解决, 直接关系到全省的社会和谐与经济的全面发展。因此, 海南省政府决定建设大广坝灌区解决琼西地区工业、农业及生活用水等问题。琼西地区土质多为砂壤土, 对渠道的防渗要求高, 渠道的设计防渗措施主要有浆砌石衬砌、现浇混凝土衬砌、混凝土预制板衬砌。从原材料、砂石资源、土质、人工等方面综合分析, 衬砌成本非常高。探讨一种经济、实用的新型防渗衬砌材料, 是促进、加快大广坝灌区渠道防渗衬砌工程实施步伐所面临的重要课题。土壤固化剂作为一种新材料, 在北方河套灌区的渠道防渗衬砌中已有成功的经验。但由于海南与北方天气及地质条件差异较大, 土壤固化剂在海南可能存在“水土不服”现象。为保证大广坝灌区工程的整体衬砌质量并降低工程造价, 需要探索土壤固化剂在沙性土质渠道衬砌中的应用效果。

2. 土壤固化剂的应用及发展

土壤固化剂是一种由多种无机、有机材料合成的用以固化各类土壤的新型节能环保工程材料。对于需加固的土壤, 根据土壤的物理和化学性质, 只需掺入一定量的固化剂, 经拌匀、压实处理, 即可达到需要的性能指标。早在20世纪70年代, 由于工程建设的需要, 国外已经开始对土壤固化剂加固土体进行研究, 主要集中在利用水泥、石灰、粉煤灰等无机结合料、混合物对土体加固等方面。我国从80年代开始引进国外土壤固化剂技术, 在吸收国外经验的基础上, 针对我国土壤的性质, 开始土壤固化剂的研究工作。如今, 国内已有多家科研单位参与了土壤固化剂国产化研究, 并取得了一定的成果。主要包括:水泥、石灰、工业废渣等无机类土壤固化剂、有机类土壤固化剂和新型复合类土壤固化剂。

经过几十年的深入研究及发展, 土壤固化剂作为一种新型的建筑材料, 被大量运用水利、交通、环境、港口、机场等基础设施的建设, 与传统建筑材料比, 有着明显的优点, 主要表现在:抗压强度高、水稳定性好、冻稳定性好、节能环保、施工工艺简单、造价低, 且易于运输和储存。

3. 工程概况

大广坝灌区工程位于海南省西部, 西、北面濒临北部湾, 东南面与本岛腹部五指山、黎母山接壤, 覆盖东方、昌江和乐东三市 (县) 的22个乡 (镇) 和5个国营农、林、牧场, 灌区总土地面积205.43万亩, 设计灌溉面积101.08万亩, 为大Ⅱ型灌区工程。设计年灌溉总用水104747万m3, 工业及城乡生活用水23926万m3。整个灌区分5个灌溉渠系, 分别为高干渠、中干渠、昌江干渠, 低干渠及陀兴干渠系统。灌区总投资13.5亿元, 总工期为5年。工程社会综合效益显著, 特别是对发展海南省西部经济, 改善干旱缺水的自然条件, 提高粮食自给率, 巩固“粮食安全”, 发展南繁育种及改善西部生态等具有重大意义。

4 固化剂应用试验过程

4.1 试验渠段的技术参数

经实地察看, 选取试验段为中干渠K66+630~K66+830, 南北走向, 包括挖方渠段和填方渠段。试验段渠道设计断面流量为6.6m3/s, 设计水深1.72m, 设计加大流量为7.92m3/s, 边坡1:1.5, 纵坡1:6000, 渠道设计底宽为2.0m, 渠道高度为2.55m, 每延米衬砌面积8m2。原设计防渗方案为7cm C15现浇砼。

4.2 试验方案

计划试验长度为200m, 渠道边坡与底板均采用土壤固化剂+砂壤土板块衬砌。预制板块有两种尺寸 (长cm×宽cm×厚cm) :一种为50×50×6, 数量为5600块;另一种30×50×6, 数量为1700块。固化剂与土壤配合比为15%~17%, 拌合土料要求不含杂质, 不得有土块, 土壤和固化剂必须拌合均匀, 碾压施工时含水量掌握在15%~20%之间。成品件必须进行碾压和机械压制, 机械压力要使密实度达到95%以上。固化剂成品件6小时后开始养护, 养护28天, 如条件允许可边压制、边铺砌、边养护。试验要求土壤固化剂板强度大于15MPa。

4.3 土壤固化剂+砂壤土板试块的检测指标

土壤固化剂+砂壤土板试块的检测项目有抗压强度检测和干湿循环检测, 委托具有相关检测资质的实验室进行检测。试块根据固化剂的掺入量分组, 每组三块, 均要求在室内自然条件下养护28d。经试验发现固化剂掺入量为17%的土壤固化剂板效果最优, 其抗压强度为19.7~25.8 MPa。具体检测数据见下表。

由表-1可知土壤固化剂+砂壤土板试块的抗压强度在不断增加, 到28天龄期时已达到20 Mpa以上。这表明土壤固化剂+砂壤土板试块是满足设计强度 (15MPa) 要求的, 相当于C20砼的强度。

从表-2可知, 土壤固化剂+砂壤土板试块在室内自然条件下养护28d后, 并经过60次的干湿循环之后, 抗压强度从28d的19.7~25.8 MPa, 降低至17.7~21.0MPa, 代表值损失较小, 且仍大于C15砼的强度。

4.4 试验段施工

通过标准试块的技术指标检测, 选择固化剂掺入量为17%, 按试验方案要求生产成品。, 并要求现场严格按预定方案施工。在进行土壤固化剂板铺砌前对底部采用3cm厚固化泥垫层, 铺设时每块板之间预留1.5~2cm施工缝, 勾缝施工的固化泥及固化剂垫层强度应达到M7.5, 勾缝前先用小木棍和垫块进行支撑, 待初凝后再进行勾缝。边坡衬砌上下板之间进行错缝砌筑, 渠底预留3cm勾缝, 砌筑时先砌筑边坡, 然后砌筑渠底。施工结束后继续进行位移、变形等进行观测。

4.5 试验段效果

从试验块的检测数据可知, 土壤固化剂+砂壤土板试块28天龄期的抗压强度达到设计C15砼强度要求, 且进行60个干湿循环后强度下降不大, 使用寿命较长。通过试验段现场施工, 证明土壤固化剂+砂壤土板板衬砌质量有保证, 其光滑程度也要优于相邻渠段的混凝土板, 能够达到灌区渠道衬砌的设计标准。在海南地区同等条件下, 现浇C15混凝土衬砌面板的价格为520元/m3, 根据试验段施工测算, 而土壤固化剂+砂壤土板板的造价为400元/m3, 仅为现浇混凝土面板造价的3/4。

5 结论

通过对土壤固化剂在渠道衬砌中的应用试验研究, 可知土壤固化剂适用于大广坝灌区的砂壤土板质渠道防渗衬砌, 试验达到了预期的实验效果和目的。引进土壤固化剂技术, 在满足设计要求的前提下, 可以节省约25%的衬砌成本。另外, 土壤固化剂板具有就地取材、施工简单、性能稳定可靠、防渗性强、易运输、无污染、有效期长等优点。因此, 土壤固化剂可以在海南省类似工程中推广应用。在海南省大力建设国际旅游岛的大环境下, 引进该新材料代替传统渠道衬砌材料, 并推广至海南省其他水利工程建设中, 将会产生较高的经济、社会、环保效益。

摘要：海南省大广坝灌区干支渠建设总长518km, 位于沙化严重的海南省西部地区。渠道防渗衬砌工程引进土壤固化剂这种防渗固土新材料, 探索土壤固化剂对砂壤土固结效果具有重要意义。试验段施工中就地利用渠道开槽的砂壤土, 掺入一定比例的土壤固化剂, 经拌合、碾压成型, 养护后试件经抗压强度检测和干湿循环检测, 强度可达15MPa以上。大广坝灌区建设实践证明, 使用土壤固化剂+砂壤土板试块代替混凝土制品, 既保证了质量, 又节约了投资, 具有很高的社会和经济效益, 适合在类似项目中推广应用。

关键词：土壤固化剂,渠道衬砌,应用,强度