曼維萊高液限粘土作芯墻筑壩材料研究

胡 寧，滕 杰，徐建閩，王進(jìn)城，張學(xué)東

(中水北方勘察設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，天津 300222)

0 引言

作為一般的筑壩材料使用，中國相關(guān)規(guī)范中有如表1規(guī)定。

當(dāng)粘粒含量＞30%或40%時(shí)，需進(jìn)行專門論證。

曼維萊水電站位于喀麥隆南部地區(qū)，地表多為殘積粘土，其母巖為下元古界恩特姆組(Pt1N)片麻巖或輝綠巖。粘土，褐黃色—棕黃色，天然狀態(tài)下可塑—硬塑狀，其主要物理力學(xué)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)見表2。

表1 規(guī)范中對筑壩材料的相關(guān)規(guī)定Table 1 The specification requirements about material of dam construction

表2 曼維萊粘土物理特征統(tǒng)計(jì)值表Table 2 Statistical results of MEMVE’ELE clay physical characteristics

顯然，該粘土為典型的高液限粘土，其液限高達(dá)65左右，塑性指數(shù)高達(dá)30以上。該土在塑性圖中的位置如圖1。

圖1 曼維萊粘土塑性圖Fig.1 The Atterberg limits of MEMVE’ELE clay

1 特性分析

曼維萊粘土的試驗(yàn)成果見表2－表5，圖1－圖2。

表3 擊實(shí)試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)值表Table 3 Statistical results of compaction test

圖2 曼維萊粘土顆分曲線Fig.2 Grain-size analysis curves of MEMVE’ELE clay

表4 自由膨脹率試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)成果表Table 4 Statistical results of free expansion ratio test

表5 分散性試驗(yàn)統(tǒng)計(jì)成果表Table 5 Statistical results of dispersibility test

曼維萊高液限粘土，從顆分曲線上得知:膠粒(＜0.002 mm)含量高，部分粘粒(＞0.002 mm ～ ＜0.005 mm)缺失，細(xì)粒含量高，含10%左右粗粒或礫粒;從塑性圖得知:液限與塑性指數(shù)呈相關(guān)關(guān)系，且接近于IP=0.73(WL－20)直線;從孔隙比與塑性指數(shù)關(guān)系曲線得知(圖3)，孔隙比與塑性指數(shù)存在近似正相關(guān)關(guān)系。這與曼維萊粘土的母巖成分、風(fēng)化演變特征、顆粒組成、結(jié)構(gòu)、粘土礦物含量、顆粒排列等相關(guān)。

另外，非洲中部地區(qū)從新生界以來，極少新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，在長期的酸性環(huán)境水的作用下，片麻巖長石等在以化學(xué)風(fēng)化為主的風(fēng)化營力作用下，長石轉(zhuǎn)變?yōu)楦邘X石、蛭石等，然后歷經(jīng)漫長的地質(zhì)時(shí)間，完全轉(zhuǎn)化為殘積粘土。因此，曼維萊粘土膠粒含量很高，其顆粒間的膠合力大于排斥力。由于未經(jīng)搬運(yùn)作用，天然土體相對較致密，最大擊實(shí)干密度僅略大于天然干密度。

圖3 孔隙比與液限關(guān)系散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter diagram of porosity＆liquid limit

分析認(rèn)為，重塑土(98%壓實(shí)度)的滲透性滿足要求，即滿足粘土芯墻的最根本條件;再者，其有機(jī)質(zhì)含量和易溶鹽含量均滿足規(guī)范要求;天然含水量同最優(yōu)含水率接近;土料屬非膨脹性、非分散性土;唯獨(dú)粘粒含量和塑性指數(shù)偏高。

其實(shí)，現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范中，對高液限粘土，并沒有明確表明不能作為填筑料使用，其主要是考慮施工難度問題。一般不宜壓密，容易造成“彈簧土”現(xiàn)象，進(jìn)而造成粘土芯墻壩或均質(zhì)土壩的濕陷開裂，甚至進(jìn)一步破壞的可能。中國有關(guān)地區(qū)的高液限粘土(南方紅粘土)普遍具有中—高膨脹性、分散性問題。其同樣屬于濕熱條件下形成的粘土，而母巖主要為沉積巖灰?guī)r等。曼維萊粘土，由于主要母巖為片麻巖(變質(zhì)巖)，本身母巖結(jié)構(gòu)比沉積巖要致密，最終形成的殘積土密度相對較大。因而同國內(nèi)紅粘土性狀也不盡相同。

由于土料存在粘粒含量偏高，且液限＞40%的質(zhì)量缺陷，土料含水率對碾壓效果十分敏感，施工取土?xí)r，應(yīng)盡量使上壩土料含水率與其最優(yōu)含水率接近，以確保碾壓質(zhì)量。

2 結(jié)語

(1)曼維萊粘土為高液限粘土，粘粒、膠粒含量高，塑性指數(shù)高;液限與塑性指數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系;孔隙比與塑性指數(shù)存在近似正相關(guān)關(guān)系。

(2)曼維萊粘土擊實(shí)后(壓實(shí)度按0.98考慮)其主要防滲參數(shù)滲透系數(shù)在5.46 ×10－7～6.76 ×10－8cm/s之間，平均2.98×10－7cm/s。建議可用作芯墻防滲土料。

(3)對防滲土料的技術(shù)要求，不應(yīng)拘泥于規(guī)范，應(yīng)結(jié)合具體工況條件選料。

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