土筑坝材料工程特性试验探究
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【摘要】昔格达地层具有成岩低、结构构造不均一，富含粘粒及粘土矿物，压缩性较强，遇水易软化，脱水崩解等特点。通过对昔格达泥岩夹粉砂岩的物理性质分析及工程特性试验研究，结果表明:①昔格达泥岩夹粉砂岩土料的可溶盐和有机质含量以及pH值都满足规范要求，且土料为非分散性、非膨胀土，渗透系数小于10－4cm/s，满足规范对均质坝土料的质量技术要求;②昔格达土在天然含水率下易压实，且具有较高的强度和中等压缩性，可以作为均质坝的筑坝材料。
【关键词】昔格达土；筑坝材料；试验研究；膨胀性；压缩性
1引言
均质土坝由于其对地基条件具有良好的适应性、能就地取材、能充分利用建筑物开挖料、施工机械化程度高、造价较低等优点，成为世界各国水利水电建设广泛采用的坝型。攀西地区广泛分布的昔格达地层，造就了昔格达土均质坝在攀西地区的广泛使用。但在工程界上昔格达土作为筑坝材料一直存在着争议，因为昔格达组是半成岩、也是一种工程性质较差的极软岩，其特点就是成岩低、结构构造不均一，富含粘粒及粘土矿物，压缩性较强，遇水易软化，脱水崩解等特点［1］。目前的研究绝大多数集中在交通工程方面对昔格达土地层的工程性质研究。王思敬［2］对攀西地区的昔格达地层进行了工程地质特性的研究，进行了结构分析和工程地质分区;李后强［3］在对攀西地区滑坡发育的理论研究中，得到了昔格达地层的极易滑坡的角度为28°，它的易滑角度在26°～30°之间;文献［4－5］对昔格达组地层上面的滑坡发生机制以及滑坡特征进行了描述，认为昔格达地层自身的特点是滑坡发生的内因，而开挖导致斜坡平衡破坏是外因;李小泉［6］说明了不同昔格达地层的性质变化较大，但它可以作为厂房地基的持力层;吉随旺等［7］认为昔格达岩层可以作为结构物基础的持力层，并通过实验取得了泥质粉砂岩的桩基承载参数;另外，成都理工大学聂德新［8］进行了昔格达地层用作高速公路填料的试验研究;蔡先庆等［9］在西攀高速公路新久工点对昔格达地层进行现场压板荷载试验确定地层力学参数。昔格达地层在水利工程上的应用研究相对较少。彭盛恩［10］在对昔格达土作为筑路坝特性材料的研究中，得出的结论为:昔格达组50%～33%的粘土砾土与50%～67%细砂砾土的混合土具有较高的抗剪强度和较低的压缩性，渗透性中等，抗渗透变形特征较好，适合于作筑坝材料;杜守来等［11］研究了昔格达组泥岩的工程特性，认为昔格达组泥岩可以作为坝体的防渗土料;左永振等［12］研究了昔格达组粉砂岩具有较好的抗剪强度，压缩性中等偏低，渗透性中等，抗渗透变形特征较好，可以作为筑坝土料。本文通过工程实例对昔格达泥岩夹粉砂岩作为筑坝材料进行物理力学试验研究，表明昔格达土可以作为均质坝的坝体土料，为昔格达土地层在水利工程上作为筑坝材料的应用提供科学依据。
2工程实例
某水库工程位于金沙江北岸一级小支流上，是一座以农业灌溉为主，兼有农村生活供水等综合利用的中型水利工程。水库正常蓄水位1169.1m，总库容2069.2万m3，推荐坝型为昔格达土均质坝，最大坝高65.0m。所需筑坝土料料场位于拟建水库左岸上游距坝轴线约150m，料场所在山梁地层大部分由昔格达组泥岩与粉砂岩互层构成，表层为昔格达组地层风化后形成的粉质粘土混杂少量卵石，料场面积约20万m2，储量约600万m3，远大于筑坝所需3倍储量的要求。
3昔格达土的物理性质
3.1颗粒分析
昔格达土粒最大粒径较小，级配良好可直接采用土粒的天然级配作为设计级配，其颗粒组成见表1［13］。从表1中看出，所有土样的最大粒径为1mm，不含砾粒。根据《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》(SL251－2000)，试样的砂粒含量为40.0%～62.9%，平均值为50.7%;粉粒含量为26.9%～40.8%，平均值为35.8%;粘粒含量为8.6%～22.1%，平均值为13.4%。
3.2矿物成分
通过化学分析［13］，料场昔格达泥岩夹砂岩的可溶盐含量为0.04%～0.06%，有机质含量为0.03%～0.08%，pH值为8.2～8.6，硅铝比为3.86～3.97。
3.3分散性
对于土的分散性质研究，采用土块试验法［14］:将保持天然含水量的土块制成1cm3左右的土块投入盛有蒸馏水的量杯中，浸没5min～10min后观察土块中胶粒的分散性状。通过试验，有7个土样无分散出胶粒的反应，水色是清的。有两个土样分解后周围有微量浑浊水，但扩散范围很小，且很快变清，根据规范［14］可判断昔格达土料为非分散性土。
3.4膨胀性
自由膨胀率是人工制备的松散干燥试样在纯水中膨胀稳定后的体积增量与原体积之比，膨胀率是指试样在有测限条件下膨胀的增量与初始高度之比，膨胀力是指土体吸水膨胀时所产生的内应力［15］。通过对昔格达土料进行自由膨胀率试验［13］，得到昔格达土样的自由膨胀率为2.0%～7.0%，平均值为4.4%，土样的自由膨胀率都小于40.0%，由此判定昔格达土料为非膨胀性土。
3.5渗透性
根据昔格达土的室内渗透试验，昔格达土的渗透系数为7.84×10－6cm/s～8.83×10－5cm/s，为微透水～弱透水。
4昔格达土的工程特性
4.1击实特性
考虑开挖料颗粒不均以及黏土质充填物含量的不同，对昔格达土进行击实试验以确定填料的最优含水率和最大干密度。击实试验采用标准击实仪进行试验，得到昔格达土样的最优含水率为17.8%～19.0%，最大干密度为1.65g/cm3～1.71g/cm3，最优含水率和最大干密度的平均值分别为18.4%和1.69g/cm3。
4.2力学特征
(1)压缩性对昔格达土开挖料进行饱和及非饱和的土样压缩试验，试验面积30cm3，高度5.0cm，最大竖向压力0.8MPa，控制干密度按照压实度0.97计算，控制干密度为1.64g/cm3。试验结果见表2和表3［13］。由表可知，饱和土样的压缩系数α1－2为0.102MPa－1～0.159MPa－1，平均值为0.133MPa－1，介于0.1MPa－1～0.5MPa－1之间，为中等压缩性土。非饱和土样的压缩系数α1－2为0.094MPa－1～0.171MPa－1，平均值为0.127MPa－1，介于0.1MPa－1～0.5MPa－1之间，为中等压缩性土。在各级压力下，非饱和土样的压缩系数稍小于饱和土样，压缩模量稍大于饱和土样。(2)抗剪强度对昔格达土料进行非饱和不排水(气)、饱和固结不排水、饱和固结排水三轴剪切试验。试验面积A=30cm3，高度12.0cm，最大围压0.4MPa，根据试验规程［15］对不同剪切方法所规定的速率进行剪切。试验结果见表4［13］，结果表明，昔格达土料非饱和不排水(气)剪所得的粘聚力c值介于28.6kPa～74.2kPa之间，平均值为50.2kPa，相应的内摩擦角介于20.2°～29.8°之间，平均值为25.6°;饱和固结不排水剪所得的粘聚力c值介于18.2kPa～41.9kPa之间，平均值为29.1kPa，相应的内摩擦角介于23.5°～31.6°之间，平均值为28.2°;饱和固结排水剪所得的粘聚力c值介于11.1kPa～33.8kPa之间，平均值为18.5kPa，相应的内摩擦角介于27.2°～34.1°之间，平均值为31.4°。
5结论
通过对昔格达土料的试验研究，表明昔格达土料的可溶盐和有机质含量以及pH值都满足规范要求，且土料为非分散性、非膨胀土，渗透系数小于10－4cm/s，满足规范对均质坝土料的质量技术要求。昔格达土为中等压缩性土，其抗剪强度参数比一般粘性土好，可以作为均质坝的坝体土料。但鉴于昔格达土自身的特点，作为筑坝材料在施工过程中应注意对含水量的控制和对施工质量的控制。根据已建工程的实际运行情况，应解决好下游坝体的排水问题，坝体在运行过程中对于下游后坝坡坝排水问题还有待进一步研究。
作者:杜守来 肖富桔 杜国印 单位:攀枝花市水利水电勘测设计咨询有限公司 山东昌利建设工程有限公司
