土石壩天然防滲材料應用探討

楊建明，尤 鴻

(云南省水利水電勘測設計研究院，云南昆明 650021)

0 引言

云南省修建的大、中型水庫中很大部分為當?shù)靥烊环罎B材料壩。在不同地方修建水庫，當?shù)夭牧系臄?shù)量和質量也不一樣。很多地方只要勘測設計人員能放開視野，擴大尋找當?shù)胤罎B材料料源，客觀、科學、充分地利用好當?shù)靥烊环罎B材料，就能更好地為修建水庫服務。因此，總結和研究天然防滲材料特性，更好地利用當?shù)靥烊环罎B材料修建水庫，對修建土石壩具有重要意義。

1 天然防滲材料的種類及質量指標

根據(jù)《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(SL251—2000)規(guī)定，當?shù)胤罎B材料的種類劃分為土料(細粒類土料)和碎(礫)石類土料。其技術指標見表1和表2。

表1 土料主要質量指標［1］Table1 Main quality index of earth material

表2 碎(礫)石類土料主要質量指標Table 2 Main quality index of gravel earth material

在云南省大、中型水庫勘測設計過程中，對天然防滲材料的分類，常根據(jù)土的粒組、級配、細粒土含量、土的成因、顏色等劃分為粘性土料、紅粘土料、碎(礫)石類土料、風化料和混合料等，有時從是否具有膨脹性的角度劃分為膨脹土料和非膨脹土料。

2 天然防滲材料的特性

2.1 粘性土料

粘性土主要礦物有高嶺石族、伊利石族、蒙脫石族、蛭石族以及海泡石族等［2］。粘土礦物對粘性土工程性質影響很大。如蒙脫石是一種吸水膨脹、失水收縮的礦物，含有多量蒙脫石的粘土為具有較大膨脹變形能力的高塑性粘土(也叫膨脹土)。由于粘土具有較高塑性和低透水率的特點，常用來做土石壩的天然防滲材料。但純粘土(紅粘土除外)由于粘粒含量高、塑性指數(shù)高、天然含水量高，會給施工帶來很大的困難。相反，含礫、砂的粘性土就是較好的防滲材料。

2.2 紅粘土料

紅粘土是一種特殊的粘土。通常所說的紅粘土是指覆蓋于石灰?guī)r、白云巖等碳酸鹽類巖石之上的殘坡積土，鈣質被淋漓，氧化鋁和氧化鐵相對密集而形成紅褐、棕紅、黃褐等色的粘性土。本文所說的紅粘土指廣義上的紅粘土，包括不同的巖、土經風化淋漓作用后形成的殘坡積紅色粘土。

紅粘土主要粘土礦物成分為高嶺石、水云母和針鐵礦，具有粘粒含量較高、塑性指數(shù)較高、天然含水量較高、一定的抗剪強度和較低的最大干密度，其指標難以完全滿足防滲土料的要求，并且不同的巖、土風化產生的紅粘土物理力學指標又有較大差異，由表3及其它相關資料可知:

由碳酸鹽類巖石形成的紅粘土粘粒含量高，塑性指數(shù)IP10偏大，滲透系數(shù)很小，最大干密度較低，φ值較小，壓縮系數(shù)a0.1-0.2較大，擊實后孔隙比偏大。但當母巖含有砂粒時，其形成的紅粘土也含有較多堅硬的砂粒，粘粒含量和塑性指數(shù)IP10明顯降低，最大干密度和φ值明顯提高，壓縮系數(shù)和擊實后孔隙比明顯降低，指標向好的方向轉變。

由砂巖、硅質巖、含礫砂土等風化形成的紅粘土含有較多堅硬的砂粒，粘粒含量、塑性指數(shù)IP10適中，滲透系數(shù)較小，最大干密度較高，φ值較大，壓縮系數(shù)a0.1-0.2較小，擊實后孔隙比中等?？傮w指標明顯優(yōu)于純碳酸鹽類巖石形成的紅粘土。

玄武巖風化形成的紅粘土粘粒含量較高，塑性指數(shù)IP10偏大，滲透系數(shù)很小，最大干密度較低，φ值中等，壓縮系數(shù)a0.1-0.2中等，擊實后孔隙比偏大。但當土料中含有堅硬的碎塊石時，粘粒含量和塑性指數(shù)IP10明顯降低，最大干密度和φ值明顯提高，壓縮系數(shù)和擊實后孔隙比明顯降低，指標向好的方向轉變。

泥巖風化形成的紅粘土粘粒含量偏高，塑性指數(shù)IP10稍大，滲透系數(shù)很小，最大干密度較低，φ值中等，壓縮系數(shù) a0.1-0.2較小，擊實后孔隙比中等。

表3 部分工程不同母巖形成的紅粘土防滲料主要物理力學指標Table 3 Main physical and mechanical indexes of red clay imperviousmaterial

2.3 碎(礫)石類土料

實際上以碎石和砂礫石占主要成分的土作為防滲土料一般防滲指標達不到要求。根據(jù)《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(SL251—2000)規(guī)定，粒徑＞5 mm的顆粒的質量，小于總質量的60%的各類土、軟巖及碾壓后可碎的風化巖統(tǒng)稱為碎(礫)石類土，本文所指的碎(礫)石類土料主要指風化巖料。根據(jù)祿勸縣真金萬水庫使用的全風化泥巖夾少量粉砂巖和清水海海尾壩使用的全風化玄武巖(指標見表4)及其它相關資料可知，風化料與殘坡積粘土相比有以下特點:①粘粒含量和塑性指數(shù)IP10明顯降低、最大干密度有不同程度提高、力學指標一般會有所提高、壓縮系數(shù)和擊實后孔隙比會有不同程度降低，更符合質量要求;②含水量對風化料的影響沒有紅粘土那么敏感，有利于工程施工;③由于變形模量較高、壓縮性較小，與壩殼變形較為協(xié)調，有利于大壩穩(wěn)定;④抗?jié)B性能會有所降低。因此風化料作為防滲土料不僅對母巖有選擇，且對巖石風化程度更有要求。

一般情況由泥巖、頁巖等軟巖形成的全風化巖均能滿足防滲土料質量要求，甚至摻入10%左右的強風化巖也能滿足防滲土料質量要求，若中粗粒砂巖即便是全風化巖滲透指標也達不到要求。

表4 真金萬水庫泥巖、清水海海尾壩玄武巖全風化防滲料主要物理力學指標Table 4 Main physical and mechanical index of imperviousmaterial of basalt fully weathered

2.4 混合料

混合料使用廣泛。滲透指標達不到防滲土料質量要求的碎(礫)石類土摻入一定量的粘土后可以達到防滲土料質量要求;粘粒含量太高的粘土作為防滲土料會有很多指標不符合防滲土料質量要求，摻入一定量的砂、礫石后會大大改善質量指標。如賓川縣大銀甸水庫更新統(tǒng)湖積粘土(為中偏低膨脹土)，摻入上部礫質土后指標大大改善，使用效果很好;安寧市張家壩水庫使用殘坡積紅粘土摻入30%左右的全強風化泥巖效果也很好。

使用地表殘坡積粘土與下部全風化巖混合作為防滲土料的水庫很多，例如尋甸縣清水海海尾壩、景洪市黃草嶺水庫、景東縣青龍水庫、安寧市張家壩水庫、楚雄市青山嘴水庫等。根據(jù)祿勸縣真金萬水庫同一個料場下部全風化泥巖夾少量粉砂巖、上部殘坡積紅粘土以及兩種土按1∶1混合使用的主要物理力學指標(指標見表5)及其它相關資料可知:與粘土料相比，全風化巖與上部殘坡積紅粘土混合有以下特點:①粘粒含量和塑性指數(shù)IP10明顯降低、最大干密度有不同程度提高、力學指標一般會有所提高、壓縮系數(shù)和擊實后孔隙比會有不同程度降低，更符合質量要求;②含水量對風化料的影響沒有紅粘土那么敏感，有利于工程施工;③由于變形模量較高、壓縮性較小，與壩殼變形較為協(xié)調，有利于大壩穩(wěn)定;④可以增加土料開采厚度，減少土地征用面積，也能夠減少建庫的成本。

表5 祿勸真金萬水庫全風化泥巖、殘坡積紅粘土及混合防滲料主要物理力學指標Table 5 Main physical and mechanical index of fully weathered mudstone，red day and mixed imperviousmaterial

3 水庫當?shù)靥烊环罎B材料的應用現(xiàn)狀

使用殘坡積紅色粘土作為大、中型水庫的天然防滲材料在云南省已使用相當普遍。比如在碳酸鹽類巖或玄武巖地區(qū)緩坡低洼地帶，常分布有一定厚度的第四系殘坡積紅色粘土，在這些地區(qū)修建水庫就很容易找到土石壩用的當?shù)靥烊环罎B材料;在山高坡陡的花崗巖或變質巖地區(qū)，就很難找到紅色粘土;在砂泥巖地區(qū)修建水庫，也常有第四系殘坡積紅色粘土，但粘土厚度薄，一般僅有1.0～2.0 m，而在當今耕地或林地越來越貴，土地作為一種不可再生的寶貴資源，如果滿山遍野的去開采，不僅破壞了生態(tài)，占用或毀壞耕地，還增加了建庫的成本。

不同的地方修建水庫，當?shù)靥烊徊牧系奶匦砸泊蟛灰粯?。有的地方看似不具有修建當?shù)靥烊环罎B材料壩的條件，但只要勘測設計人員能放開視野，擴大尋找當?shù)胤罎B材料料源，客觀、科學、充分利用好當?shù)靥烊环罎B材料，不僅能夠影響水庫設計壩型，還能夠降低水庫修建成本，更好地為工程服務。

近幾十年來云南省修建的大、中型水庫中使用風化巖作為防滲土料的水庫越來越多，且多與地表殘坡積紅色粘土混合作為防滲土料使用。比如昆明市松華壩水庫、尋甸縣清水海海尾壩使用了風化玄武巖與地表殘坡積紅色粘土混合料;景洪市黃草嶺水庫、景東縣青龍水庫、安寧市張家壩水庫、楚雄市青山嘴水庫等均使用了風化泥巖與地表殘坡積紅色粘土混合料。與粘土比較，使用粘土與風化巖混合料可以明顯降低土料中的粘粒含量，從而提高一系列的防滲土料質量指標;與風化巖比較，可以明顯提高土料的抗?jié)B性能和施工便利性，從而提高一系列的防滲土料質量指標?？梢哉f使用風化料與地表殘坡積紅色粘土混合料作為水庫天然防滲材料是勘測設計天然防滲材料的一種趨勢。

一般情況由泥巖、頁巖等軟巖形成的全風化巖(甚至摻和少量的強風化)均能滿足防滲土料質量要求，在泥巖、頁巖等軟巖組成的緩坡地帶容易找到天然風化防滲土料;在玄武巖組成的緩坡地帶也能找到天然風化防滲土料;在花崗巖或變質巖地區(qū)尋找天然風化防滲土料較為困難。

4 結束語

殘坡積紅粘土作為大、中型水庫的天然防滲材料已使用相當普遍，但我們在水庫的勘測設計過程中不能僅限于尋找和使用殘坡積紅粘土，還必須擴大尋找當?shù)胤罎B材料料源。風化料作為水庫的天然防滲材料前景廣闊，具有現(xiàn)實的工程意義，但不同的母巖風化后能不能作為防滲料，或風化到何種程度才能做防滲料是廣大科技工作者需要探討的問題。

與粘土料相比，粘土與風化巖混合料可以大大降低土料中的粘粒含量，從而提高一系列的防滲土料質量指標;與風化料比較，使用混合料可以大大提高土料的抗?jié)B性能和施工便利性。可以說使用混合料作為水庫天然防滲材料是勘測設計天然防滲材料的一種趨勢，也是我們在土石壩型設計中如何選定料場和料場開采規(guī)劃值得拓寬的勘測設計思路。

［1］SL251—2000，水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程［S］.

［2］水利水電工程地質手冊(第七篇)［S］.北京:水利電力出版社，1985:155.