水利水電筑壩材料工程特性試驗研究

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摘要：昔格達地層具有成巖低、結構構造不均一，富含粘粒及粘土礦物，壓縮性較強，遇水易軟化，脫水崩解等特點。通過對昔格達泥巖夾粉砂巖的物理性質分析及工程特性試驗研究，結果表明:①昔格達泥巖夾粉砂巖土料的可溶鹽和有機質含量以及pH值都滿足規范要求，且土料為非分散性、非膨脹土，滲透系數小于10－4cm/s，滿足規范對均質壩土料的質量技術要求;②昔格達土在天然含水率下易壓實，且具有較高的強度和中等壓縮性，可以作為均質壩的筑壩材料。

【關鍵詞】昔格達土;筑壩材料;試驗研究;膨脹性;壓縮性

1引言

均質土壩由于其對地基條件具有良好的適應性、能就地取材、能充分利用建筑物開挖料、施工機械化程度高、造價較低等優點，成為世界各國水利水電建設廣泛采用的壩型。攀西地區廣泛分布的昔格達地層，造就了昔格達土均質壩在攀西地區的廣泛使用。但在工程界上昔格達土作為筑壩材料一直存在著爭議，因為昔格達組是半成巖、也是一種工程性質較差的極軟巖，其特點就是成巖低、結構構造不均一，富含粘粒及粘土礦物，壓縮性較強，遇水易軟化，脫水崩解等特點［1］。目前的研究絕大多數集中在交通工程方面對昔格達土地層的工程性質研究。王思敬［2］對攀西地區的昔格達地層進行了工程地質特性的研究，進行了結構分析和工程地質分區;李后強［3］在對攀西地區滑坡發育的理論研究中，得到了昔格達地層的極易滑坡的角度為28°，它的易滑角度在26°～30°之間;文獻［4－5］對昔格達組地層上面的滑坡發生機制以及滑坡特征進行了描述，認為昔格達地層自身的特點是滑坡發生的內因，而開挖導致斜坡平衡破壞是外因;李小泉［6］說明了不同昔格達地層的性質變化較大，但它可以作為廠房地基的持力層;吉隨旺等［7］認為昔格達巖層可以作為結構物基礎的持力層，并通過實驗取得了泥質粉砂巖的樁基承載參數;另外，成都理工大學聶德新［8］進行了昔格達地層用作高速公路填料的試驗研究;蔡先慶等［9］在西攀高速公路新久工點對昔格達地層進行現場壓板荷載試驗確定地層力學參數。昔格達地層在水利工程上的應用研究相對較少。彭盛恩［10］在對昔格達土作為筑路壩特性材料的研究中，得出的結論為:昔格達組50%～33%的粘土礫土與50%～67%細砂礫土的混合土具有較高的抗剪強度和較低的壓縮性，滲透性中等，抗滲透變形特征較好，適合于作筑壩材料;杜守來等［11］研究了昔格達組泥巖的工程特性，認為昔格達組泥巖可以作為壩體的防滲土料;左永振等［12］研究了昔格達組粉砂巖具有較好的抗剪強度，壓縮性中等偏低，滲透性中等，抗滲透變形特征較好，可以作為筑壩土料。本文通過工程實例對昔格達泥巖夾粉砂巖作為筑壩材料進行物理力學試驗研究，表明昔格達土可以作為均質壩的壩體土料，為昔格達土地層在水利工程上作為筑壩材料的應用提供科學依據。

2工程實例

某水庫工程位于金沙江北岸一級小支流上，是一座以農業灌溉為主，兼有農村生活供水等綜合利用的中型水利工程。水庫正常蓄水位1169.1m，總庫容2069.2萬m3，推薦壩型為昔格達土均質壩，最大壩高65.0m。所需筑壩土料料場位于擬建水庫左岸上游距壩軸線約150m，料場所在山梁地層大部分由昔格達組泥巖與粉砂巖互層構成，表層為昔格達組地層風化后形成的粉質粘土混雜少量卵石，料場面積約20萬m2，儲量約600萬m3，遠大于筑壩所需3倍儲量的要求。

3昔格達土的物理性質

3.1顆粒分析

昔格達土粒最大粒徑較小，級配良好可直接采用土粒的天然級配作為設計級配，其顆粒組成見表1［13］。從表1中看出，所有土樣的最大粒徑為1mm，不含礫粒。根據《水利水電工程天然建筑材料勘察規程》(SL251－2000)，試樣的砂粒含量為40.0%～62.9%，平均值為50.7%;粉粒含量為26.9%～40.8%，平均值為35.8%;粘粒含量為8.6%～22.1%，平均值為13.4%。

3.2礦物成分

通過化學分析［13］，料場昔格達泥巖夾砂巖的可溶鹽含量為0.04%～0.06%，有機質含量為0.03%～0.08%，pH值為8.2～8.6，硅鋁比為3.86～3.97。

3.3分散性

對于土的分散性質研究，采用土塊試驗法［14］:將保持天然含水量的土塊制成1cm3左右的土塊投入盛有蒸餾水的量杯中，浸沒5min～10min后觀察土塊中膠粒的分散性狀。通過試驗，有7個土樣無分散出膠粒的反應，水色是清的。有兩個土樣分解后周圍有微量渾濁水，但擴散范圍很小，且很快變清，根據規范［14］可判斷昔格達土料為非分散性土。

3.4膨脹性

自由膨脹率是人工制備的松散干燥試樣在純水中膨脹穩定后的體積增量與原體積之比，膨脹率是指試樣在有測限條件下膨脹的增量與初始高度之比，膨脹力是指土體吸水膨脹時所產生的內應力［15］。通過對昔格達土料進行自由膨脹率試驗［13］，得到昔格達土樣的自由膨脹率為2.0%～7.0%，平均值為4.4%，土樣的自由膨脹率都小于40.0%，由此判定昔格達土料為非膨脹性土。3.5滲透性根據昔格達土的室內滲透試驗，昔格達土的滲透系數為7.84×10－6cm/s～8.83×10－5cm/s，為微透水～弱透水。

4昔格達土的工程特性

4.1擊實特性

考慮開挖料顆粒不均以及黏土質充填物含量的不同，對昔格達土進行擊實試驗以確定填料的最優含水率和最大干密度。擊實試驗采用標準擊實儀進行試驗，得到昔格達土樣的最優含水率為17.8%～19.0%，最大干密度為1.65g/cm3～1.71g/cm3，最優含水率和最大干密度的平均值分別為18.4%和1.69g/cm3。

4.2力學特征

(1)壓縮性對昔格達土開挖料進行飽和及非飽和的土樣壓縮試驗，試驗面積30cm3，高度5.0cm，最大豎向壓力0.8MPa，控制干密度按照壓實度0.97計算，控制干密度為1.64g/cm3。試驗結果見表2和表3［13］。由表可知，飽和土樣的壓縮系數α1－2為0.102MPa－1～0.159MPa－1，平均值為0.133MPa－1，介于0.1MPa－1～0.5MPa－1之間，為中等壓縮性土。非飽和土樣的壓縮系數α1－2為0.094MPa－1～0.171MPa－1，平均值為0.127MPa－1，介于0.1MPa－1～0.5MPa－1之間，為中等壓縮性土。在各級壓力下，非飽和土樣的壓縮系數稍小于飽和土樣，壓縮模量稍大于飽和土樣。(2)抗剪強度對昔格達土料進行非飽和不排水(氣)、飽和固結不排水、飽和固結排水三軸剪切試驗。試驗面積A=30cm3，高度12.0cm，最大圍壓0.4MPa，根據試驗規程［15］對不同剪切方法所規定的速率進行剪切。試驗結果見表4［13］，結果表明，昔格達土料非飽和不排水(氣)剪所得的粘聚力c值介于28.6kPa～74.2kPa之間，平均值為50.2kPa，相應的內摩擦角介于20.2°～29.8°之間，平均值為25.6°;飽和固結不排水剪所得的粘聚力c值介于18.2kPa～41.9kPa之間，平均值為29.1kPa，相應的內摩擦角介于23.5°～31.6°之間，平均值為28.2°;飽和固結排水剪所得的粘聚力c值介于11.1kPa～33.8kPa之間，平均值為18.5kPa，相應的內摩擦角介于27.2°～34.1°之間，平均值為31.4°。

5結論

通過對昔格達土料的試驗研究，表明昔格達土料的可溶鹽和有機質含量以及pH值都滿足規范要求，且土料為非分散性、非膨脹土，滲透系數小于10－4cm/s，滿足規范對均質壩土料的質量技術要求。昔格達土為中等壓縮性土，其抗剪強度參數比一般粘性土好，可以作為均質壩的壩體土料。但鑒于昔格達土自身的特點，作為筑壩材料在施工過程中應注意對含水量的控制和對施工質量的控制。根據已建工程的實際運行情況，應解決好下游壩體的排水問題，壩體在運行過程中對于下游后壩坡壩排水問題還有待進一步研究.

作者：杜守來 肖富桔 杜國印 單位：攀枝花市水利水電勘測設計咨詢有限公司 山東昌利建設工程有限公司