亞湖水庫(kù)花崗巖風(fēng)化殘積土防滲應(yīng)用研究

馮義武 彭倞 岳娟

摘要：在亞湖水庫(kù)防滲加固工程中，缺少可就地取材的防滲性黏土與砂土材料，但在水庫(kù)周邊山體上分布有大量的火成巖風(fēng)化殘積土。為研究殘積土在堤壩防滲工程中的應(yīng)用，進(jìn)行了殘積土礦物化學(xué)成分分析和漿液物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)研究。結(jié)果表明：相比于普通黏土，殘積土的氧化硅、三氧化二鋁、三氧化二鐵等膠凝活性礦物含量高;不同成分殘積土配制的黏土漿、水泥黏土漿、水泥黏土砂漿和細(xì)礫混凝土的力學(xué)、防滲性質(zhì)受水泥的配比、水料比以及土料種類影響較大。用殘積土配合而成的水泥黏土漿是一種理想的防滲材料，為防滲材料投資節(jié)省了一半的費(fèi)用，可供同類型工程參考。

關(guān)鍵詞：殘積土; 物理力學(xué)性質(zhì); 防滲材料; 防滲加固; 亞湖水庫(kù)

中圖法分類號(hào)：TV441 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.04.010

文章編號(hào)：1006 - 0081（2022）04 - 0061 - 06

0 引 言

殘積土作為一種特殊土，多分布于東南沿海地區(qū)，已被廣泛應(yīng)用于許多地基回填工程[1-3]。不少學(xué)者就殘積土的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了研究：如溫勇等[4]就廣州地區(qū)花崗巖殘積土開(kāi)展了一系列常規(guī)力學(xué)試驗(yàn)研究，對(duì)比分析了室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值;周小文等[5]與安然等[6]就結(jié)構(gòu)性花崗巖殘積土的剪切特性進(jìn)行了研究;尹松等[7]通過(guò)夯擊試驗(yàn)、承載比試驗(yàn)等研究了殘積土的壓實(shí)性能與基本力學(xué)性能，證明殘積土通過(guò)土性改良可用于路基填料;Fonseca等[8]進(jìn)一步對(duì)殘積土的力學(xué)性能及其應(yīng)用性進(jìn)行了研究。也有不少學(xué)者就殘積土的滲透性能進(jìn)行了研究：Hua等[9]分析了礦渣粉、水泥、膨潤(rùn)土在不同摻入比下對(duì)花崗巖殘積土滲透性的影響，發(fā)現(xiàn)水泥的摻入對(duì)花崗巖殘積土的滲透性能影響明顯;黎玉彬[10]對(duì)風(fēng)化花崗巖殘積土水泥土進(jìn)行了大量室內(nèi)正交試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)花崗巖殘積土水泥土用于管道防滲具有極優(yōu)的防滲性能與防滲效益。闕云等[11]認(rèn)為當(dāng)殘積土應(yīng)用于路堤時(shí)，適當(dāng)提高壓實(shí)度可提高路堤防滲能力。然而，殘積土的物理性質(zhì)受其土質(zhì)礦物成分影響較大，且礦物成分與其殘余強(qiáng)度息息相關(guān)[12-13];此外，殘積土在天然狀態(tài)下常表現(xiàn)出遇水濕化、易崩解等較差的力學(xué)特性[14-15]。對(duì)于殘積土的特殊性質(zhì)是否會(huì)影響其在堤壩防滲中的應(yīng)用，目前尚未有相關(guān)研究。同時(shí)，在許多堤壩工程中，常存在防滲材料缺乏或異地購(gòu)置成本過(guò)高的問(wèn)題。因此，研究殘積土在堤壩防滲工程中的應(yīng)用具有實(shí)際意義。該研究以福建省亞湖水庫(kù)防滲加固工程為例，對(duì)不同種類花崗巖殘積土的礦物成分、漿液的性能和物理指標(biāo)及其與水泥配比的材料性能進(jìn)行試驗(yàn)，分析其抗壓強(qiáng)度、防滲性能，研究了不同種類花崗巖殘積土在堤壩防滲中的應(yīng)用。

1 試驗(yàn)土樣

在防滲工程施工中，振動(dòng)沉模灌漿工藝需要大量的細(xì)骨料和黏性土，劈裂灌漿需要大量的黏性土，高噴灌漿也需要摻入部分黏土材料。要使用風(fēng)化花崗巖殘積土作為防滲材料，首先要了解其基本性質(zhì)：材料的顆粒組成成分、礦物化學(xué)成分、漿液材料的性能指標(biāo)與物理指標(biāo)及漿料的配合比與物理力學(xué)性質(zhì)。研究選擇5種不同殘積土進(jìn)行試驗(yàn)分析，具體試樣信息見(jiàn)表1。

2 試驗(yàn)與結(jié)果

首先對(duì)5種樣品進(jìn)行顆粒分析，然后取2， 3號(hào)土料樣品進(jìn)行礦物化學(xué)成分分析，取1， 4， 5號(hào)土料樣品進(jìn)行漿液性能及物理性質(zhì)試驗(yàn);選取8種不同漿料配合比進(jìn)行試驗(yàn)，研究漿料的物理力學(xué)性能，以便分析與選用。

2.1 顆粒分析

通過(guò)土的篩分與比重試驗(yàn)，聯(lián)合測(cè)定了顆粒組成，繪成顆粒級(jí)配曲線如圖1所示。

2.2 礦物化學(xué)成分分析

殘積土是巖石風(fēng)化后未經(jīng)搬運(yùn)、仍保留在原地的殘積物，是風(fēng)化巖的次生礦物，即由原生礦物經(jīng)化學(xué)及物理作用而形成的新的礦物成分。次生礦物主要由黏土礦物、含水倍半氧化物與二氧化硅等組成。黏土礦物主要為含水鋁硅酸鹽，由硅酸鹽礦物分解形成，顆粒很細(xì)，粒徑一般小于5 μm，是構(gòu)成黏土的主要成分，對(duì)土的性質(zhì)有很大的影響。含水倍半氧化物常以R2O3-nH2O表示，其中R代表鋁或鐵;它是硅酸類礦物分解后殘留的非溶性次生礦物，大多呈膠凝狀，部分是結(jié)晶;顆粒極細(xì)，粒徑小于0.1 μm，親水性和活性強(qiáng)，對(duì)防滲體工程有特殊影響。次生二氧化硅一般含結(jié)晶水，也是由硅酸鹽類礦物分解析出的次生礦物，呈膠凝狀，顆粒較細(xì)，粒徑小于0.2 μm，親水性相對(duì)較弱，也會(huì)影響防滲體工程。

本區(qū)風(fēng)化殘積土的次生礦物成分經(jīng)物理與化學(xué)分析，符合上述次生礦物的形成規(guī)律。經(jīng)黏土的化學(xué)分析，其主要礦物化學(xué)成分為SiO2， Al2O3， Fe2O3，占85.0%～89.0%;含水倍半氧化物占29.0%～37.0%，如圖2所示。經(jīng)土的物理分析，其黏粒含量占21.7%～30.4%，膠粒含量占9.4%～16.0%。因此，殘積土不同于一般黏性土，其中含有較多黏粒及膠凝物質(zhì)，會(huì)影響土的漿液性能與防滲體材料的物理性質(zhì)。

2.3 漿液性能

取1， 4， 5號(hào)3組土樣中的黏性土配制漿液，開(kāi)展?jié){液性能及物理性質(zhì)試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果如圖3～4所示。

由試驗(yàn)結(jié)果分析，漿液的突出特點(diǎn)是密度小、稠度大。當(dāng)漿液密度為1.17～1.20 g/cm3，稠度達(dá)30～42 s，膠體率達(dá)80%～82%。

當(dāng)用做劈裂灌漿材料時(shí)，根據(jù)規(guī)范規(guī)定，漿液密度不能小于1.3 g/cm3，而殘積土的漿液達(dá)到1.3 g/cm3時(shí)，漿液很稠，不發(fā)生流動(dòng)，無(wú)法進(jìn)行灌漿，可見(jiàn)殘積土與一般沉積土在漿液的物理性質(zhì)上有顯著差別。這說(shuō)明：① 規(guī)程要求不適用于這類殘積土;② 這類殘積土具有高親水性與膠黏性，不符合一般黏性土的規(guī)律。要使用這類土做劈裂灌漿，材料密度應(yīng)小于1.20 g/cm3。這種黏土的漿液性能，反映出殘積土中膠凝礦物的活性作用。

2.4 不同配合比材料的物理力學(xué)性質(zhì)

試驗(yàn)所用漿液配比情況如表2所示。根據(jù)不同配合比材料所得物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果如下。

2.4.1 黏土漿

采用不加水泥的5號(hào)殘積土，按不同的水土比配制，經(jīng)28 d養(yǎng)護(hù)后進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，所得成果如圖5所示，黏土漿黏結(jié)體抗壓強(qiáng)度為0.09～0.18 MPa，變形模量為34.9～72.3 MPa，滲透系數(shù)為（1.34～1.78）×10-6 cm/s，具有高于一般黏土的力學(xué)與防滲性能。

2.4.2 水泥黏土砂漿

水泥黏土砂漿由水泥與1號(hào)殘積土配制而成，采用不同水泥配比及水料比進(jìn)行的試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。

兩種配比的力學(xué)性質(zhì)差別不大，2組配比略大于1組配比，但水泥含量增加了一半。與黏土漿相比，在水泥成分含量接近的條件下，兩者力學(xué)指標(biāo)與防滲指標(biāo)有顯著的差別，水泥黏土砂漿的抗壓強(qiáng)度是黏土漿的3倍多，滲透系數(shù)則降低超過(guò)4/5。由此說(shuō)明，在水泥黏土漿內(nèi)，增加一定含沙量不但能提高其力學(xué)強(qiáng)度，還明顯提高其防滲性能。

在兩種配比中，1組配比的材料優(yōu)質(zhì)廉價(jià)，具有一定的強(qiáng)度與塑性，防滲性能好，水泥用量低，對(duì)砂漿材料塑性的研究具有重要指導(dǎo)意義。

2.4.3 細(xì)礫混凝土

細(xì)礫混凝土即水泥加5號(hào)殘積土。該殘積土由細(xì)礫、砂、黏性土組成，粒徑較小，多為細(xì)礫。為了求得不同殘積土在不同配比條件下的力學(xué)性質(zhì)與防滲性能，按照表2配比進(jìn)行物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)，所得結(jié)果如圖7所示，隨著水泥含量由15%增加到25%，抗壓強(qiáng)度由1.68 MPa增加到4.28 MPa，增加了1.5倍，相應(yīng)變形模量由730 MPa增到1 118 MPa，滲透系數(shù)由1.25×10-6 cm/s降到2.6×10-7 cm/s，效果十分顯著。

2.4.4 水泥黏土漿

水泥黏土漿由水泥與殘積土中的黏土（4號(hào)土）配制而成，具體配比情況見(jiàn)表3。試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖8～9。

1組的水泥含量為13%，抗壓強(qiáng)度為0.16～0.56 MPa，與2組相比，1組抗壓強(qiáng)度大約增加5倍，變形模量增加超過(guò)4倍。1～2組水泥黏土漿的滲透系數(shù)與滲透坡降略有改善，但不明顯。3組的水泥含量分別為67%， 50%， 33%三種;抗壓強(qiáng)度為0.52～6.53 MPa，變化幅度較大;變形模量為288～1 393 MPa，變化幅度較小。4組的抗壓強(qiáng)度為0.051～5.630 MPa，略小于3組的抗壓強(qiáng)度，變形模量測(cè)試結(jié)果與3組的變形模量結(jié)果相似。以上試驗(yàn)結(jié)果表明，水料比的增大會(huì)劣化水泥黏土漿的力學(xué)性能。

由上述4種殘積土的配比試驗(yàn)結(jié)果可以看出：細(xì)礫混凝土不僅具有一定的抗壓強(qiáng)度，且有較理想的變形模量和很好的防滲性能，是一種十分理想的堤壩防滲灌漿材料，均可用于中低水位水庫(kù)的防滲。

3 防滲材料選擇

亞湖水庫(kù)的防滲加固方案采用組合技術(shù)，實(shí)施了劈裂灌漿、高噴灌漿、振動(dòng)沉模灌漿3種施工技術(shù)。這3種施工技術(shù)對(duì)防滲建筑材料（除水泥外）均有不同要求。劈裂灌漿一般可使用含砂的黏性土;高噴灌漿一般使用水泥，如遇砂礫石地層，為改善塑性、節(jié)省水泥，可摻入適量的黏性土，但對(duì)所含砂的粒徑有較嚴(yán)的要求;振動(dòng)沉模灌漿一般使用砂礫料，可摻入一定數(shù)量的膨潤(rùn)土或黏性土改善材料的塑性。

3.1 劈裂灌漿

劈裂灌漿施工材料一般使用黏性土。按規(guī)范要求，為便于漿液固結(jié)排水，需要土的黏粒含量為20%～30%，塑性指數(shù)8%～15%，含砂量10%～30%，漿液密度1.3～1.6 g/cm3，黏度20～70 s，膠體率大于70%，穩(wěn)定性0.10～0.15。

本區(qū)殘積土的物理性質(zhì)指標(biāo)與一般殘積土有很大差異，由其配制的黏土漿在分選去礫石后，黏粒含量達(dá)40.0%～43.5%，高于規(guī)范要求10%以上;而塑性指數(shù)為14.5%～14.9%，在規(guī)范要求以內(nèi)。黏土漿有兩項(xiàng)不符合要求：① 黏土含量，② 漿液密度。但對(duì)這兩項(xiàng)的規(guī)定緣于漿體的固結(jié)效應(yīng)。對(duì)一般黏土，黏粒含量高、密度小，不宜進(jìn)行漿液固結(jié)排水;如果漿液固結(jié)排水不受這兩項(xiàng)影響，則不拘于其規(guī)范要求。在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，本區(qū)殘積土與一般黏性土相比，雖然黏粒含量高、密度低，但固結(jié)硬化的時(shí)間相對(duì)較短，而且具有一定的強(qiáng)度與較好的防滲性能，因此可超出規(guī)范要求，按可用的低密度含量制漿。

從土的物理力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果可知，殘積土含有很高的膠凝物質(zhì)，活性與活易性好，有益于漿液的穩(wěn)定、流動(dòng)和可灌性，還有利于漿液的固結(jié)與防滲，是理想的劈裂灌漿防滲材料。其中5號(hào)土分選性好、黏性土含量高、儲(chǔ)量大、開(kāi)采方便，更適宜用于劈裂灌漿。

3.2 高噴灌漿

高噴灌漿一般使用水泥材料，制漿工藝比較簡(jiǎn)單。當(dāng)遇到砂礫地層，水泥砂漿凝固體呈脆性，為使凝固體增加塑性又節(jié)省水泥，可適量加入黏性土。本區(qū)選用4號(hào)土料進(jìn)行配比試驗(yàn)，所配制成的水泥黏土漿適用于高噴灌漿。該漿液性質(zhì)與劈裂灌漿相似，具有很好的和易性與抗?jié)B性能。此外，4號(hào)殘積土不含礫石與中粗砂，不用篩選，可直接攪拌使用，且開(kāi)采近便、成本低廉、防滲性能好，是一種適用、經(jīng)濟(jì)的防滲摻和材料。

3.3 振動(dòng)沉模灌漿

振動(dòng)沉模灌漿一般采用水泥砂石混合料，因灌漿空腹模板厚度所限，不宜采用較大石子。本區(qū)選用1號(hào)殘積土，采用3種配合比進(jìn)行比較試驗(yàn)。當(dāng)水泥的含量比例為15%～20%，殘積土的整體比例為80%～85%時(shí)，抗壓強(qiáng)度達(dá)到1.43～3.55 MPa，變形模量為629～1 054 MPa，既有一定的強(qiáng)度，又有較適宜的變形模量;其滲透系數(shù)為10-6～10-7 cm/s，滲透坡降大于500，是一種良好的防滲材料。該土粒無(wú)粗礫，又含有一定數(shù)量的黏粒和膠粒，具有很好的活性、和柔性、穩(wěn)定性及流動(dòng)性，是一種不易離析的灌漿材料。該材料開(kāi)采方便、不用分選、價(jià)格低廉，是一種優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)的防滲材料和澆灌材料。

4 結(jié) 論

本區(qū)殘積土具有很高的活性，這種活性緣于花崗巖風(fēng)化形成的含水倍半氧化物，由各種硅酸鹽類礦物分解后殘留的非溶性次生礦物構(gòu)成。這種礦物成分愈高，活性愈顯著。因殘積土保持了原有狀態(tài)，其礦物成分未被流失，保持了原來(lái)的活性;而對(duì)于一般沉積形成的黏性土，經(jīng)搬運(yùn)水沉以后，原有活性礦物被沖失與稀釋，在土層內(nèi)不顯活性。這是殘積土活性高于沉積土的根本原因，也是殘積土的特性與價(jià)值所在。由于殘積土內(nèi)含有較多的活性物質(zhì)，其顆粒極細(xì)，親水性強(qiáng)、活性好，能與其他材料產(chǎn)生激化作用，使其結(jié)構(gòu)致密、強(qiáng)度高、具塑性、防滲性能好，是用于堤壩防滲的一種優(yōu)質(zhì)材料。

以往常用的防滲建筑材料，大都為天然沉積的砂礫料及土料，或人工加工的碎石料，有的需要摻入膨潤(rùn)土或粉煤灰，采購(gòu)費(fèi)用一般較高。而本區(qū)水庫(kù)四周分布大量的花崗巖風(fēng)化殘積土，有各類礫質(zhì)壤土和黏性土，其中黏性土具有很高的活性，能替代部分水泥及膨潤(rùn)土，適用于各類混凝土灌漿材料、高噴灌漿材料、劈裂灌漿材料的要求，且儲(chǔ)蓄豐富、可就地取材、質(zhì)地優(yōu)良、價(jià)格便宜。就地取材與異地采購(gòu)的材料單價(jià)相比，能節(jié)省一半的材料投資和節(jié)約一半的水泥材料。該種殘積土已在福建省防滲加固中得到應(yīng)用，取得很好的效果?；◢弾r風(fēng)化殘積土作為廣泛分布于華南地區(qū)山體上的土體，可在堤壩防滲加固工程中推廣應(yīng)用。

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（編輯：高小雲(yún)）

Study on granite weathering residual soils in Yahu Reservoir for anti-seepage application

FENG Yiwu1， PENG Jing2， YUE Juan3

（1. Shandong Survey and Design Institute of Water Conservancy， Jinan 250061， China; 2. Water and Hydropower Development Corporation of China，Beijing 100054， China; 3. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering， Hohai University， Nanjing 210098， China）

Abstract： There was a lack of clay and sediment materials in the locality for reinforcement and seepage prevention project of Yahu Reservoir， however， plenty of granite weathering residual soils were found in the surrounding mountains. In order to study the application of residual soils in dam for anti-seepage， the mineral chemical composition of residual soils were analyzed and tests were conducted to study the physical and mechanical properties of the slurry. The results indicated that the residual soils had higher percentage of cementing mineral including monox， aluminium oxide， ferric oxide and so on， compared with common clay. Mechanical properties and seepage resistance performances of slurry， cement slurry and fine gravel concrete made from varied residual soils showed great dependence on water cement ratio， soil cement ratio and type of the soil. Cement slurry made by residual soil was a desirable anti-seepage material which could cut half of the investment on the anti-seepage material for seepage control engineering. This practice could be a reference for other similar projects.

Key words： residual soil; anti-seepage materials; reinforcement and seepage prevention; physical and mechanical property; seepage