昔格達(dá)土筑壩材料工程特性試驗(yàn)研究

杜守來，肖富桔，杜國(guó)印

(1.攀枝花市水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)咨詢有限公司，四川 攀枝花，617000；2.山東昌利建設(shè)工程有限公司，山東 菏澤，274000)

1 引言

均質(zhì)土壩由于其對(duì)地基條件具有良好的適應(yīng)性、能就地取材、能充分利用建筑物開挖料、施工機(jī)械化程度高、造價(jià)較低等優(yōu)點(diǎn)，成為世界各國(guó)水利水電建設(shè)廣泛采用的壩型。攀西地區(qū)廣泛分布的昔格達(dá)地層，造就了昔格達(dá)土均質(zhì)壩在攀西地區(qū)的廣泛使用。但在工程界上昔格達(dá)土作為筑壩材料一直存在著爭(zhēng)議，因?yàn)槲舾襁_(dá)組是半成巖、也是一種工程性質(zhì)較差的極軟巖，其特點(diǎn)就是成巖低、結(jié)構(gòu)構(gòu)造不均一，富含粘粒及粘土礦物，壓縮性較強(qiáng)，遇水易軟化，脫水崩解等特點(diǎn)[1]。

目前的研究絕大多數(shù)集中在交通工程方面對(duì)昔格達(dá)土地層的工程性質(zhì)研究。王思敬[2]對(duì)攀西地區(qū)的昔格達(dá)地層進(jìn)行了工程地質(zhì)特性的研究，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析和工程地質(zhì)分區(qū)；李后強(qiáng)[3]在對(duì)攀西地區(qū)滑坡發(fā)育的理論研究中，得到了昔格達(dá)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(xiàn)[4-5]對(duì)昔格達(dá)組地層上面的滑坡發(fā)生機(jī)制以及滑坡特征進(jìn)行了描述，認(rèn)為昔格達(dá)地層自身的特點(diǎn)是滑坡發(fā)生的內(nèi)因，而開挖導(dǎo)致斜坡平衡破壞是外因；李小泉[6]說明了不同昔格達(dá)地層的性質(zhì)變化較大，但它可以作為廠房地基的持力層；吉隨旺等[7]認(rèn)為昔格達(dá)巖層可以作為結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)的持力層，并通過實(shí)驗(yàn)取得了泥質(zhì)粉砂巖的樁基承載參數(shù)；另外，成都理工大學(xué)聶德新[8]進(jìn)行了昔格達(dá)地層用作高速公路填料的試驗(yàn)研究；蔡先慶等[9]在西攀高速公路新久工點(diǎn)對(duì)昔格達(dá)地層進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)壓板荷載試驗(yàn)確定地層力學(xué)參數(shù)。昔格達(dá)地層在水利工程上的應(yīng)用研究相對(duì)較少。彭盛恩[10]在對(duì)昔格達(dá)土作為筑路壩特性材料的研究中，得出的結(jié)論為：昔格達(dá)組50%～33%的粘土礫土與50%～67%細(xì)砂礫土的混合土具有較高的抗剪強(qiáng)度和較低的壓縮性，滲透性中等，抗?jié)B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(dá)組泥巖的工程特性，認(rèn)為昔格達(dá)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(dá)組粉砂巖具有較好的抗剪強(qiáng)度，壓縮性中等偏低，滲透性中等，抗?jié)B透變形特征較好，可以作為筑壩土料。本文通過工程實(shí)例對(duì)昔格達(dá)泥巖夾粉砂巖作為筑壩材料進(jìn)行物理力學(xué)試驗(yàn)研究，表明昔格達(dá)土可以作為均質(zhì)壩的壩體土料，為昔格達(dá)土地層在水利工程上作為筑壩材料的應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。

2 工程實(shí)例

某水庫(kù)工程位于金沙江北岸一級(jí)小支流上，是一座以農(nóng)業(yè)灌溉為主，兼有農(nóng)村生活供水等綜合利用的中型水利工程。水庫(kù)正常蓄水位1169.1m，總庫(kù)容2069.2萬m3，推薦壩型為昔格達(dá)土均質(zhì)壩，最大壩高65.0m。所需筑壩土料料場(chǎng)位于擬建水庫(kù)左岸上游距壩軸線約150m，料場(chǎng)所在山梁地層大部分由昔格達(dá)組泥巖與粉砂巖互層構(gòu)成，表層為昔格達(dá)組地層風(fēng)化后形成的粉質(zhì)粘土混雜少量卵石，料場(chǎng)面積約20萬m2，儲(chǔ)量約600萬m3，遠(yuǎn)大于筑壩所需3倍儲(chǔ)量的要求。

3 昔格達(dá)土的物理性質(zhì)

3.1 顆粒分析

昔格達(dá)土粒最大粒徑較小，級(jí)配良好可直接采用土粒的天然級(jí)配作為設(shè)計(jì)級(jí)配，其顆粒組成見表1[13]。

表1 昔格達(dá)土料顆粒組成

從表1中看出，所有土樣的最大粒徑為1mm，不含礫粒。根據(jù)《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(SL 251-2000)，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(xué)分析[13]，料場(chǎng)昔格達(dá)泥巖夾砂巖的可溶鹽含量為0.04%～0.06%，有機(jī)質(zhì)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(duì)于土的分散性質(zhì)研究，采用土塊試驗(yàn)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(yàn)，有7個(gè)土樣無分散出膠粒的反應(yīng)，水色是清的。有兩個(gè)土樣分解后周圍有微量渾濁水，但擴(kuò)散范圍很小，且很快變清，根據(jù)規(guī)范[14]可判斷昔格達(dá)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(wěn)定后的體積增量與原體積之比，膨脹率是指試樣在有測(cè)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(shí)所產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力[15]。通過對(duì)昔格達(dá)土料進(jìn)行自由膨脹率試驗(yàn)[13]，得到昔格達(dá)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(dá)土料為非膨脹性土。

3.5 滲透性

根據(jù)昔格達(dá)土的室內(nèi)滲透試驗(yàn)，昔格達(dá)土的滲透系數(shù)為7.84×10-6cm/s～8.83×10-5cm/s，為微透水～弱透水。

4 昔格達(dá)土的工程特性

4.1 擊實(shí)特性

考慮開挖料顆粒不均以及黏土質(zhì)充填物含量的不同，對(duì)昔格達(dá)土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)以確定填料的最優(yōu)含水率和最大干密度。擊實(shí)試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)儀進(jìn)行試驗(yàn)，得到昔格達(dá)土樣的最優(yōu)含水率為17.8%～19.0%，最大干密度為1.65g/cm3～1.71g/cm3，最優(yōu)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(xué)特征

(1)壓縮性

對(duì)昔格達(dá)土開挖料進(jìn)行飽和及非飽和的土樣壓縮試驗(yàn)，試驗(yàn)面積30cm3，高度5.0cm，最大豎向壓力0.8MPa，控制干密度按照壓實(shí)度0.97計(jì)算，控制干密度為1.64g/cm3。試驗(yàn)結(jié)果見表2和表3[13]。由表可知，飽和土樣的壓縮系數(shù)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(shù)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(jí)壓力下，非飽和土樣的壓縮系數(shù)稍小于飽和土樣，壓縮模量稍大于飽和土樣。

表2 昔格達(dá)飽和土樣壓縮試驗(yàn)成果

表3 昔格達(dá)非飽和土樣壓縮試驗(yàn)成果

(2)抗剪強(qiáng)度

對(duì)昔格達(dá)土料進(jìn)行非飽和不排水(氣)、飽和固結(jié)不排水、飽和固結(jié)排水三軸剪切試驗(yàn)。試驗(yàn)面積A=30cm3，高度12.0cm，最大圍壓0.4MPa，根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程[15]對(duì)不同剪切方法所規(guī)定的速率進(jìn)行剪切。試驗(yàn)結(jié)果見表4[13]，結(jié)果表明，昔格達(dá)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(yīng)的內(nèi)摩擦角φ介于20.2°～29.8°之間，平均值為25.6°；飽和固結(jié)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(yīng)的內(nèi)摩擦角φ介于23.5°～31.6°之間，平均值為28.2°；飽和固結(jié)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(yīng)的內(nèi)摩擦角φ介于27.2°～34.1°之間，平均值為31.4°。

表4 昔格達(dá)土料三軸剪切試驗(yàn)成果

5 結(jié)論

通過對(duì)昔格達(dá)土料的試驗(yàn)研究，表明昔格達(dá)土料的可溶鹽和有機(jī)質(zhì)含量以及pH值都滿足規(guī)范要求，且土料為非分散性、非膨脹土，滲透系數(shù)小于10-4cm/s，滿足規(guī)范對(duì)均質(zhì)壩土料的質(zhì)量技術(shù)要求。昔格達(dá)土為中等壓縮性土，其抗剪強(qiáng)度參數(shù)比一般粘性土好，可以作為均質(zhì)壩的壩體土料。但鑒于昔格達(dá)土自身的特點(diǎn)，作為筑壩材料在施工過程中應(yīng)注意對(duì)含水量的控制和對(duì)施工質(zhì)量的控制。根據(jù)已建工程的實(shí)際運(yùn)行情況，應(yīng)解決好下游壩體的排水問題，壩體在運(yùn)行過程中對(duì)于下游后壩坡壩排水問題還有待進(jìn)一步研究。