全風(fēng)化玄武巖防滲料可行性試驗(yàn)研究

賈　偉，李　慶，肖　楊

（1.涼山州水利電力勘測(cè)研究院，四川 西昌 615000；2.西昌大地勘察設(shè)計(jì)有限公司，四川 西昌 615000）

四川西南部地區(qū)以山地為主，屬高烈度地震區(qū)，在水利建設(shè)中，土石壩有著較強(qiáng)的適宜性。防滲料是土石壩的主要筑壩材料之一，工程區(qū)附近防滲土料的分布、開(kāi)采條件，物理力學(xué)性質(zhì)等因素對(duì)工程的實(shí)施及投資有著較大的影響。川西南山區(qū)修建水利工程，工程區(qū)附近往往缺少集中分布的黏土料作為土石壩防滲土料，目前已有工程使用基巖風(fēng)化料、洪積碎石土作為土石壩防滲料，但基巖風(fēng)化料多以泥巖、粉砂巖全－強(qiáng)風(fēng)化料為主。雷波縣杉樹(shù)堡水庫(kù)和昭覺(jué)縣斯穆補(bǔ)約水庫(kù)工程區(qū)及附近，主要出露二疊系峨眉山玄武巖，區(qū)域內(nèi)無(wú)集中土層分布，修建土石壩所需的防滲料，在選擇上只有零星的殘坡積土層和玄武巖全風(fēng)化層，玄武巖全風(fēng)化層是否適用作防滲料，成為壩型選擇的關(guān)鍵。本文以雷波杉樹(shù)堡水庫(kù)防滲土料勘察試驗(yàn)為例，針對(duì)玄武巖全風(fēng)化層作為防滲料的可行性，進(jìn)行試驗(yàn)研究，以期對(duì)水利工程建設(shè)中類(lèi)似環(huán)境下修建土石壩選擇防滲料，提供借鑒。

1　工程概況

杉樹(shù)堡水庫(kù)位于四川省雷波縣境內(nèi)、金沙江左岸一級(jí)支流豆沙溪上游，是一座新建解決人飲、灌溉的綜合性小一型水利工程。水庫(kù)樞紐攔河大壩采用黏土心墻堆石壩，壩頂軸線長(zhǎng)294.80 m，最大壩高52.71 m，壩頂高程1963.71 m，壩頂寬6.00 m。工程河段呈“U”型谷，地形相對(duì)較緩，河谷開(kāi)闊。海拔高程多在1 900～2 000 m，屬于深切割的構(gòu)造侵蝕高中山河谷地貌，區(qū)域內(nèi)的地層主要由第四系全新統(tǒng)松散堆積層（Q4）和二疊系上統(tǒng)峨眉山玄武巖（P2β），第四系松散堆積層分布零星，巖性雜亂[1]。

根據(jù)工程區(qū)地質(zhì)條件，在天然建材勘察工作中，經(jīng)過(guò)11處土料場(chǎng)的比較，最終確定壩址較近的為黃泥巴道坡—蠻巖洞—大河溝堡之間為防滲土料料場(chǎng)，并對(duì)該料場(chǎng)進(jìn)行了詳細(xì)勘察和取樣試驗(yàn)。防滲土料為第四系殘坡積土層和玄武巖全風(fēng)化層[2]。

2　玄武巖全風(fēng)化層分布特征

2.1　巖性特征

工程區(qū)二疊系峨眉山玄武巖為深灰-深灰綠色，主要由基性長(zhǎng)石和輝石等礦物組成，隱晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要有致密狀玄武巖，杏仁狀玄武巖、斑狀玄武巖等。根據(jù)風(fēng)化程度，可分為全風(fēng)化、強(qiáng)風(fēng)化、弱風(fēng)化、弱風(fēng)化四類(lèi)。

全風(fēng)化玄武巖為灰褐-褐黃色，主要由基巖風(fēng)化次生黏土礦物組成，巖石組織結(jié)構(gòu)基本完全破壞，已崩解和分解成松散的土狀，偶見(jiàn)混合土碎石狀，但未移動(dòng)，仍殘留有原始結(jié)構(gòu)痕跡，原巖礦物大部分風(fēng)化蝕變?yōu)榇紊V物，浸水易崩解；錘擊有松軟感，出現(xiàn)凹坑，礦物可手捏碎，用鍬可以挖動(dòng)。

2.2　分布特征

玄武巖風(fēng)化全層分布受地形、地貌、原巖巖性、地質(zhì)構(gòu)造、氣候條件等諸多因素的影響[3]。杉樹(shù)堡水庫(kù)防滲土料場(chǎng)位于工程區(qū)附近的山脊、斜坡，屬于深切割的構(gòu)造侵蝕高中山山地地貌。土料場(chǎng)地形一般為5°～25°斜坡，微地貌主要為寬緩斜坡及山脊地貌。根據(jù)勘察揭露該料場(chǎng)表層0.5～1.0 m為根植土層，其下1.5～6.1 m為殘坡積粉質(zhì)黏土層。下伏玄武巖，其中，玄武巖全風(fēng)化層厚0.30～20.90 m，頂板埋深1.50～6.10 m，底板埋深2.70～31.20 m（局部含強(qiáng)風(fēng)化玄武巖塊碎石土層），風(fēng)化土料有用層較穩(wěn)定，儲(chǔ)量豐富[4]。

3　全風(fēng)化土料質(zhì)量評(píng)價(jià)

在料場(chǎng)范圍內(nèi)不同地段對(duì)全風(fēng)化玄武巖取樣共計(jì)3件，進(jìn)行土料大樣試驗(yàn)(編號(hào)為N3、N4、N9)，12件小樣進(jìn)行室內(nèi)土常規(guī)試驗(yàn)分析（編號(hào)為NZK1-2～ NZK2-6）。

3.1　基本物理性質(zhì)

對(duì)風(fēng)化土料（＜2 mm）部份進(jìn)行了級(jí)配、顆分、界限含水率和自由膨脹率物理性質(zhì)試驗(yàn)、化學(xué)分析等進(jìn)行試驗(yàn)，其結(jié)果見(jiàn)表1～3。

表1　杉樹(shù)堡水庫(kù)風(fēng)化土料細(xì)粒（＜2mm）物理性能試驗(yàn)

根據(jù)表1試驗(yàn)結(jié)果可以看出：（1）風(fēng)化土料自由膨脹率分別為26%～30%，無(wú)膨脹性；（2）風(fēng)化土料液限為51.5%～60.6%，為高液限；塑性指數(shù)Ip為17.8～25.8；（3）風(fēng)化土料按土料塑性分類(lèi)圖，土樣在塑性圖上的分布范圍大部分落于A線之下，其液限值高，一般都大于50%，屬高液限粉質(zhì)土類(lèi)，該料與典型的南方紅土特征基本吻合。雙比重計(jì)試驗(yàn)結(jié)果中，分散度為30%～50%，同樣證明該風(fēng)化土料紅土化，具有團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。

表2　杉樹(shù)堡水庫(kù)風(fēng)化土料化學(xué)試驗(yàn)　%

從表2的試驗(yàn)結(jié)果可以看出：風(fēng)化土料水溶鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.187 2%～0.224 2%，滿足規(guī)范土料水溶鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜3%的要求；有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.39%～0.98%，滿足規(guī)范對(duì)土料有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)＜2%的要求。

可以看出：大樣中黏粒占＜5 mm顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)12.8%～40.1%，小樣中黏粒占＜5 mm顆粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)10.62%～37.7%，基本符合規(guī)范粘粒質(zhì)量分?jǐn)?shù)占＜5 mm顆粒的15%～40%要求。

根據(jù)表1～3的試驗(yàn)結(jié)果，參照SL251—2015可以看出，玄武巖全風(fēng)化層土料為高液限（含礫）粉質(zhì)黏土[5]。

表3　杉樹(shù)堡水庫(kù)風(fēng)化土料級(jí)配試驗(yàn)

3.2　密度和滲透性

風(fēng)化土料最大干密度分別采用單位擊實(shí)功為592.2 kJ/m3輕型擊實(shí)和單位擊實(shí)功為2 684.9 kJ/m3重型擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)定[6-7]。根據(jù)類(lèi)似工程經(jīng)驗(yàn)和大壩等級(jí)，采用重型擊實(shí)試驗(yàn)，測(cè)得壓實(shí)度為0.96時(shí)的干密度作為試驗(yàn)控制干密度[8]，并采用控制干密度所對(duì)應(yīng)含水率制樣做滲透試驗(yàn)3組，見(jiàn)表4。

表4　風(fēng)化土料密度和滲透試驗(yàn)

風(fēng)化土料密度和滲透性試驗(yàn)結(jié)果可以看出：

（1）采用輕型擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得最大干密度1.25～1.46 g/cm3，最優(yōu)含水率30.4%～41.0%。天然含水率29.0%～42.5%，土料天然含水率在用最優(yōu)含水率填筑允許范圍內(nèi)。采用重型擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得最大干密度1.44～1.62 g/cm3，最優(yōu)含水率23.2%～33.3%。

（2）采用重型擊實(shí)試驗(yàn)，測(cè)得壓實(shí)度為0.96時(shí)的干密度作為試驗(yàn)控制干密度，并采用控制干密度所對(duì)應(yīng)含水率制作滲透試樣，滲透系數(shù)為4.6×10-7～3.7×10-6cm/s，滿足規(guī)范對(duì)防滲料滲透系數(shù)小于1.0×10-5cm/s要求。

3.3　壓縮性

采用重型擊實(shí)試驗(yàn)，測(cè)得壓實(shí)度為0.96時(shí)的干密度作為試驗(yàn)控制干密度，并采用控制干密度所對(duì)應(yīng)含水率制作壓縮樣進(jìn)行固結(jié)試驗(yàn)。結(jié)果表明風(fēng)化土料飽和壓縮指標(biāo)av0.1-0.2為0.140～0.214 MPa-1、Es0.1～0.2為5.397～13.078 MPa，屬中等壓縮性。

3.4　抗剪強(qiáng)度

采用重型擊實(shí)試驗(yàn)，測(cè)得壓實(shí)度為0.96時(shí)的干密度作為試驗(yàn)控制干密度，并采用控制干密度所對(duì)應(yīng)含水率制作直剪樣進(jìn)行直剪試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表5。

表5　杉樹(shù)堡水庫(kù)風(fēng)化土料直剪試驗(yàn)

風(fēng)化土料直剪試驗(yàn)表明：風(fēng)化土料非飽和不固結(jié)快剪體積分?jǐn)?shù)為24.7%～28.6%，C為63.6～105.6 kPa；飽和固結(jié)快剪體積分?jǐn)?shù)為19.9%～27.0%，C為19.3～58.5 kPa；飽和固結(jié)慢剪體積分?jǐn)?shù)為23.3%～29.8%，C為17.2～40.0 kPa，風(fēng)化土料具一定的抗剪強(qiáng)度。

3　結(jié)論

（1）玄武巖全風(fēng)化層為高液限（含礫）粉質(zhì)黏土，無(wú)膨脹性；風(fēng)化土料的有機(jī)質(zhì)含量、水溶鹽含量符合心墻壩防滲土料質(zhì)量技術(shù)要求。

（2）風(fēng)化土料壓實(shí)后，滿足規(guī)范對(duì)防滲料滲透系數(shù)要求，具有中等壓縮性。

（3）風(fēng)化土料擊實(shí)最大干密度較低、最優(yōu)含水率高、壓縮系數(shù)較低、壓縮模量較高、有一定的抗剪強(qiáng)度等性質(zhì)可以作為土石壩防滲料。

（4）由于風(fēng)化土料場(chǎng)土料性質(zhì)分布不均，建議使用時(shí)壓實(shí)度、干密度和含水率等填筑標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)結(jié)合土性和試驗(yàn)成果選取，應(yīng)控制粒徑＞5 mm質(zhì)量分?jǐn)?shù)≤50%，最大粒徑不超過(guò)150 mm；粒徑＜0.075 mm質(zhì)量分?jǐn)?shù)不低于15%。