圍堰設計施工中高液限粘土特性研究及應用

洪 波，呂艷兵

（1.中水北方勘測設計研究有限責任公司，天津 300222；2.天津市水利勘測設計院，天津 300204）

斐濟群島共和國位于南太平洋，由333個島嶼組成，其中最大的島嶼為Viti Levu島，占斐濟國土面積的近60%。南德瑞瓦圖（Nadarivatu）水電站工程位于Viti Levu島中北部，主壩設計為混凝土重力壩，最大壩高41.5 m，壩頂長度87.835 m，最大庫容200萬m3。 主圍堰設計高約20m，采用粘土心墻外襯碎石和施工棄料，心墻最大設計底寬6.0 m，頂寬3.0 m，材料擬選用工程區附近出露的粘土。

粘土從地質成因上屬于坡殘積物，巖性為含礫石粘土，礫石含量多在20%～30%，為火山碎屑巖的風化產物，多呈紅棕色，最大厚度超過10 m。該粘土根據新西蘭巖土實驗室的試驗資料，具有非常特殊的物理力學性質，如含水量平均值56%、干密度13.6 kN/m3、濕密度 15.2 kN/m3、液限 77、塑限 39、無側限抗壓強度34 kPa、最優含水量38%、最大干密度13.9 kN/m3。那么這樣的粘土能否作為心墻的材料以及工程性質如何？結合現場試驗資料及施工中施工工藝的控制進行簡要敘述。

1 粘土的特性測試及分析

1.1 室內試驗分析

在工程區周圍出露的粘土層中不同深度、不同位置采取試樣進行室內試驗分析，首先對試樣進行X射線衍射分析，以確定其礦物組成。根據測試結果得出，該粘土由大量管狀多水高嶺土礦物組成，疏松多孔狀結構中填充有蝕變的蒙脫石礦物，具體見圖1。

從野外地質勘察中也可以觀察到，該粘土具有擠壓析水以及失水后收縮而出現裂縫等現象，可以看出該粘土具有輕微的“干縮濕脹”特性，詳見照片2。隨著土的含水量的變化，粘性土的體積也會發生變化。當粘性土的含量增加時，由于土在浸濕過程中使結合水膜變厚、土粒間的距離增大，土的體積將發生膨脹；反之，當粘性土的含水量減少時，由于土粒間的結合水膜變薄、土粒間距離減小，土的體積發生收縮。這種由于含水量變化而引起土的體積變化的性質，即土的遇水膨脹和失水收縮的特性稱為土的脹縮性。粘性土的脹縮性容易使工程土體產生不均勻變形，對建筑基坑、路堤、路塹及圍堰等工程邊坡的穩定性造成不利影響。

從粘土結構上看，團聚結構的孔隙中主要為結合水和空氣所充填，并對土體壓密起阻礙作用，有如下主要特征：

（1）孔隙度很大（多在 50%～60%），而各單獨孔隙的直徑很小，局部是聚粒絮凝結構的孔隙更小，但孔隙度更大，因此土的壓縮性更大。

（2）含水量很大，往往超過50%，且以結合水為主。排水困難，壓縮過程緩慢。

（3）具有較大的易變性、不穩定性。外界條件變化（如加壓、震動、干燥、浸濕以及水溶液成分和性質變化等）對其影響很敏感，且往往使之產生質的變化，故團聚結構又稱為易變結構。

從粘土構造上來看屬于結核狀構造：由均勻分布的土粒和大小不等的礫石所共同組成。

從土的結構和構造反映了土的物質成分的連結特點、空間分布和變化形式，可以看出該地區火山噴發后曾經存在過比較長時間的沉積環境，產生了火山碎屑巖沉積，歷經數萬年風化而形成的厚層含礫石粘土。

在實際工程中，任何施工都會使土中原有的應力狀態發生變化，從而引起土的變形甚至破壞。為保證工程的正常使用和經濟、牢固，應對土的力學性質進行研究。

室內土工試驗主要針對粘土的物理力學性質及顆粒組成分析，具體試驗結果詳見表1。

表1 粘土試驗成果匯總

1.2 碾壓實驗

為了解這種高液限和高含水量粘土的施工性能，僅進行室內測試還遠遠不夠，同時還進行了不同含水量土料的碾壓試驗，以觀察這種土料對不同鋪土和壓實方法的適應性以及能夠達到的最大干密度。進行3組碾壓試驗，計劃分別采用最小含水量（48%）＋5%進行分組，碾壓后在不同深度測試干密度、含水量以計算壓實度。結果顯示，最小含水量狀態下的粘土在同等碾壓條件下，干密度最大，分別超過低于最小含水量粘土和高于最小含水量粘土的10%和18%，因而決定采用48%作為控制含水量的土料來填筑圍堰心墻。

由于粘性填土存在著最佳含水量，因此在填土施工時應將土料的含水量控制在最佳含水量左右，以期用較小的能量獲得最好的密度。當含水量控制在最佳含水量的干側時（即小于最佳含水量），壓實土的結構具有凝聚結構的特征。這種土比較均勻，強度較高，較脆硬，不易壓密，但浸水時容易產生附加沉降。當含水量控制在最佳含水量的濕側時（即大于最佳含水量），土具有分散結構的特征。這種土的可塑性大，適應變形的能力強，但強度較低，且具有不等向性。這是因為含水量接近和大于最佳值時，土孔隙中的氣體越來越處于與大氣不連通的狀態，碾壓作用已不能將其排出體外，亦即壓實土是不可能被碾壓到完全飽和的。

2 應用實例

2.1 圍堰心墻設計

設計過程中采用有限元應力分析論證了圍堰心墻出現的拱效應和水力劈裂的可能性，計算時采用了不同的心墻厚度，考慮到符合要求的土料料源豐富和心墻施工困難等因素，心墻厚度不宜太小；同時，為使心墻下部在最不利荷載組合情況下都能保持壓應力從而防止水力劈裂，也要求心墻有足夠的厚度。岸坡突變之處用混凝土補平，以限制突變岸坡造成的拉應力導致心墻開裂。心墻下游面的反濾層包括碎、礫石和砂粒，其粒徑小于75 μm顆粒含量不小于3%，以防止更細的心墻料遭受滲透破壞。同時，在心墻不同高度內安裝水管式沉降計，以測定心墻的固結沉降。

2.2 填土處理

2.2.1 摻灰處理

由于該粘土具有“干縮濕脹”性，粘粒成分主要是由親水礦物組成，因此設計采用摻入一定量的石灰對該粘土進行處理，可以有效改良土性。摻入主要含鈣鎂成分的石灰，在總體上使親水礦物表面吸附的陽離子的離子價有所提高，可降低其膨脹性。此外摻入石灰后，石灰與土中的礦物成分發生化學反應，使土體表面硬化，從而使土的粘粒含量有所下降，提高壓實度，同時由于石灰水化產生的水化熱可降低土體含水量和提高土體的強度。這個處理過程主要分為2個步驟：

（1）石灰水化：CaO＋H2O＝Ca（OH）2。 水化熱可吸收土中的水分，以降低填土含水量；同時，由于氫氧化鈣結晶的析出可改善土體性質，提高土體的壓實度。

（2）氫氧化鈣硬化，形成表面致密層。 Ca（OH）2＋CO2＋nH2O＝CaCO3＋（n＋1）H2O，CaCO3＋H2O＋CO2＝Ca（HCO3）2。

2.2.2 摻灰比例

由于該工程填土最優含水量基本與最小含水量接近，而且最大含水量與最小含水量差距較大，因此經過實驗配比驗證，摻灰量為6%時填土的含水量在44%～49%之間，接近于最優含水量。若含水量較高，則填土粘性較大，石灰難以摻入；含水量過低，則填土強度高，難以破碎，影響碾壓效果。

3 心墻施工過程中試驗控制

壓實土質量控制是指通過包括探坑和探槽或者儀器等察看填土結構是否良好，以獲得填筑土的含水量、干密度、比重以及無側限抗壓強度等數據。測試中除發現含水量與密度存在一定程度的不相關性外，其他數據基本與室內試驗或碾壓實驗中取得的數據基本吻合。填筑結束后一個月的沉降值為354mm，兩個月的沉降值為219 mm，沉降目前正在測試中，但是逐漸減小的趨勢是明顯的；壓縮系數在0.12～0.26 MPa－1，填土滲透系數平均值為 3.2×10-7cm/s。

4 結語

上述的經驗僅僅是根據特定的環境條件、地質條件和施工條件總結出來的，可能存在不甚完善之處。在室內試驗分析研究以及圍堰心墻設計過程中，各種影響因素十分復雜，建議類似工程應根據具體的技術要求和不同運行工況對施工工藝進行調整。