亞湖水庫花崗巖風化殘積土防滲應用研究

馮義武 彭倞 岳娟

摘要：在亞湖水庫防滲加固工程中，缺少可就地取材的防滲性黏土與砂土材料，但在水庫周邊山體上分布有大量的火成巖風化殘積土。為研究殘積土在堤壩防滲工程中的應用，進行了殘積土礦物化學成分分析和漿液物理力學性質試驗研究。結果表明：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、水泥黏土砂漿和細礫混凝土的力學、防滲性質受水泥的配比、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，為防滲材料投資節省了一半的費用，可供同類型工程參考。

關鍵詞：殘積土; 物理力學性質; 防滲材料; 防滲加固; 亞湖水庫

中圖法分類號：TV441 文獻標志碼：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.04.010

文章編號：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，已被廣泛應用于許多地基回填工程[1-3]。不少學者就殘積土的力學性質進行了研究：如溫勇等[4]就廣州地區花崗巖殘積土開展了一系列常規力學試驗研究，對比分析了室內試驗結果與現場實測值;周小文等[5]與安然等[6]就結構性花崗巖殘積土的剪切特性進行了研究;尹松等[7]通過夯擊試驗、承載比試驗等研究了殘積土的壓實性能與基本力學性能，證明殘積土通過土性改良可用于路基填料;Fonseca等[8]進一步對殘積土的力學性能及其應用性進行了研究。也有不少學者就殘積土的滲透性能進行了研究：Hua等[9]分析了礦渣粉、水泥、膨潤土在不同摻入比下對花崗巖殘積土滲透性的影響，發現水泥的摻入對花崗巖殘積土的滲透性能影響明顯;黎玉彬[10]對風化花崗巖殘積土水泥土進行了大量室內正交試驗和現場試驗，發現花崗巖殘積土水泥土用于管道防滲具有極優的防滲性能與防滲效益。闕云等[11]認為當殘積土應用于路堤時，適當提高壓實度可提高路堤防滲能力。然而，殘積土的物理性質受其土質礦物成分影響較大，且礦物成分與其殘余強度息息相關[12-13];此外，殘積土在天然狀態下常表現出遇水濕化、易崩解等較差的力學特性[14-15]。對于殘積土的特殊性質是否會影響其在堤壩防滲中的應用，目前尚未有相關研究。同時，在許多堤壩工程中，常存在防滲材料缺乏或異地購置成本過高的問題。因此，研究殘積土在堤壩防滲工程中的應用具有實際意義。該研究以福建省亞湖水庫防滲加固工程為例，對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及其與水泥配比的材料性能進行試驗，分析其抗壓強度、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用。

1 試驗土樣

在防滲工程施工中，振動沉模灌漿工藝需要大量的細骨料和黏性土，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。要使用風化花崗巖殘積土作為防滲材料，首先要了解其基本性質：材料的顆粒組成成分、礦物化學成分、漿液材料的性能指標與物理指標及漿料的配合比與物理力學性質。研究選擇5種不同殘積土進行試驗分析，具體試樣信息見表1。

2 試驗與結果

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

2.1 顆粒分析

通過土的篩分與比重試驗，聯合測定了顆粒組成，繪成顆粒級配曲線如圖1所示。

2.2 礦物化學成分分析

殘積土是巖石風化后未經搬運、仍保留在原地的殘積物，是風化巖的次生礦物，即由原生礦物經化學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，粒徑一般小于5 μm，是構成黏土的主要成分，對土的性質有很大的影響。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，部分是結晶;顆粒極細，粒徑小于0.1 μm，親水性和活性強，對防滲體工程有特殊影響。次生二氧化硅一般含結晶水，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，粒徑小于0.2 μm，親水性相對較弱，也會影響防滲體工程。

本區風化殘積土的次生礦物成分經物理與化學分析，符合上述次生礦物的形成規律。經黏土的化學分析，其主要礦物化學成分為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，會影響土的漿液性能與防滲體材料的物理性質。

2.3 漿液性能

取1， 4， 5號3組土樣中的黏性土配制漿液，開展漿液性能及物理性質試驗。試驗結果如圖3～4所示。

由試驗結果分析，漿液的突出特點是密度小、稠度大。當漿液密度為1.17～1.20 g/cm3，稠度達30～42 s，膠體率達80%～82%。

當用做劈裂灌漿材料時，根據規范規定，漿液密度不能小于1.3 g/cm3，而殘積土的漿液達到1.3 g/cm3時，漿液很稠，不發生流動，無法進行灌漿，可見殘積土與一般沉積土在漿液的物理性質上有顯著差別。這說明：① 規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律。要使用這類土做劈裂灌漿，材料密度應小于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性質

試驗所用漿液配比情況如表2所示。根據不同配合比材料所得物理力學性質試驗結果如下。

2.4.1 黏土漿

采用不加水泥的5號殘積土，按不同的水土比配制，經28 d養護后進行物理力學性質試驗，所得成果如圖5所示，黏土漿黏結體抗壓強度為0.09～0.18 MPa，變形模量為34.9～72.3 MPa，滲透系數為（1.34～1.78）×10-6 cm/s，具有高于一般黏土的力學與防滲性能。

2.4.2 水泥黏土砂漿

水泥黏土砂漿由水泥與1號殘積土配制而成，采用不同水泥配比及水料比進行的試驗，結果如圖6所示。

兩種配比的力學性質差別不大，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，兩者力學指標與防滲指標有顯著的差別，水泥黏土砂漿的抗壓強度是黏土漿的3倍多，滲透系數則降低超過4/5。由此說明，在水泥黏土漿內，增加一定含沙量不但能提高其力學強度，還明顯提高其防滲性能。

在兩種配比中，1組配比的材料優質廉價，具有一定的強度與塑性，防滲性能好，水泥用量低，對砂漿材料塑性的研究具有重要指導意義。

2.4.3 細礫混凝土

細礫混凝土即水泥加5號殘積土。該殘積土由細礫、砂、黏性土組成，粒徑較小，多為細礫。為了求得不同殘積土在不同配比條件下的力學性質與防滲性能，按照表2配比進行物理力學性質試驗，所得結果如圖7所示，隨著水泥含量由15%增加到25%，抗壓強度由1.68 MPa增加到4.28 MPa，增加了1.5倍，相應變形模量由730 MPa增到1 118 MPa，滲透系數由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號土）配制而成，具體配比情況見表3。試驗結果見圖8～9。

1組的水泥含量為13%，抗壓強度為0.16～0.56 MPa，與2組相比，1組抗壓強度大約增加5倍，變形模量增加超過4倍。1～2組水泥黏土漿的滲透系數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組的抗壓強度為0.051～5.630 MPa，略小于3組的抗壓強度，變形模量測試結果與3組的變形模量結果相似。以上試驗結果表明，水料比的增大會劣化水泥黏土漿的力學性能。

由上述4種殘積土的配比試驗結果可以看出：細礫混凝土不僅具有一定的抗壓強度，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的防滲。

3 防滲材料選擇

亞湖水庫的防滲加固方案采用組合技術，實施了劈裂灌漿、高噴灌漿、振動沉模灌漿3種施工技術。這3種施工技術對防滲建筑材料（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、節省水泥，可摻入適量的黏性土，但對所含砂的粒徑有較嚴的要求;振動沉模灌漿一般使用砂礫料，可摻入一定數量的膨潤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。按規范要求，為便于漿液固結排水，需要土的黏粒含量為20%～30%，塑性指數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%，穩定性0.10～0.15。

本區殘積土的物理性質指標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40.0%～43.5%，高于規范要求10%以上;而塑性指數為14.5%～14.9%，在規范要求以內。黏土漿有兩項不符合要求：① 黏土含量，② 漿液密度。但對這兩項的規定緣于漿體的固結效應。對一般黏土，黏粒含量高、密度小，不宜進行漿液固結排水;如果漿液固結排水不受這兩項影響，則不拘于其規范要求。在試驗中發現，本區殘積土與一般黏性土相比，雖然黏粒含量高、密度低，但固結硬化的時間相對較短，而且具有一定的強度與較好的防滲性能，因此可超出規范要求，按可用的低密度含量制漿。

從土的物理力學性質試驗結果可知，殘積土含有很高的膠凝物質，活性與活易性好，有益于漿液的穩定、流動和可灌性，還有利于漿液的固結與防滲，是理想的劈裂灌漿防滲材料。其中5號土分選性好、黏性土含量高、儲量大、開采方便，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，制漿工藝比較簡單。當遇到砂礫地層，水泥砂漿凝固體呈脆性，為使凝固體增加塑性又節省水泥，可適量加入黏性土。本區選用4號土料進行配比試驗，所配制成的水泥黏土漿適用于高噴灌漿。該漿液性質與劈裂灌漿相似，具有很好的和易性與抗滲性能。此外，4號殘積土不含礫石與中粗砂，不用篩選，可直接攪拌使用，且開采近便、成本低廉、防滲性能好，是一種適用、經濟的防滲摻和材料。

3.3 振動沉模灌漿

振動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。本區選用1號殘積土，采用3種配合比進行比較試驗。當水泥的含量比例為15%～20%，殘積土的整體比例為80%～85%時，抗壓強度達到1.43～3.55 MPa，變形模量為629～1 054 MPa，既有一定的強度，又有較適宜的變形模量;其滲透系數為10-6～10-7 cm/s，滲透坡降大于500，是一種良好的防滲材料。該土粒無粗礫，又含有一定數量的黏粒和膠粒，具有很好的活性、和柔性、穩定性及流動性，是一種不易離析的灌漿材料。該材料開采方便、不用分選、價格低廉，是一種優質、經濟的防滲材料和澆灌材料。

4 結 論

本區殘積土具有很高的活性，這種活性緣于花崗巖風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，其礦物成分未被流失，保持了原來的活性;而對于一般沉積形成的黏性土，經搬運水沉以后，原有活性礦物被沖失與稀釋，在土層內不顯活性。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值所在。由于殘積土內含有較多的活性物質，其顆粒極細，親水性強、活性好，能與其他材料產生激化作用，使其結構致密、強度高、具塑性、防滲性能好，是用于堤壩防滲的一種優質材料。

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，有的需要摻入膨潤土或粉煤灰，采購費用一般較高。而本區水庫四周分布大量的花崗巖風化殘積土，有各類礫質壤土和黏性土，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，且儲蓄豐富、可就地取材、質地優良、價格便宜。就地取材與異地采購的材料單價相比，能節省一半的材料投資和節約一半的水泥材料。該種殘積土已在福建省防滲加固中得到應用，取得很好的效果。花崗巖風化殘積土作為廣泛分布于華南地區山體上的土體，可在堤壩防滲加固工程中推廣應用。

參考文獻：

[1] 安然， 孔令偉， 張先偉. 殘積土孔內剪切試驗的強度特性及廣義鄧肯-張模型研究[J]. 巖土工程學報， 2020， 42（9）： 1723-1732.

[2] 胡其志， 洪昌偉， 劉恒， 等.黏粒含量對花崗巖殘積土滲透與強度特性的影響[J]. 長江科學院院報， 2020， 37（9）： 64-69.

[3] 欒帥， 王鳳來， 水偉厚. 殘積土回填地基高能級強夯有效加固深度試驗研究[J]. 建筑結構學報， 2014， 35（10）：151-158.

[4] 溫勇， 楊光華， 湯連生， 等.廣州地區花崗巖殘積土力學特性試驗及參數研究[J]. 巖土力學， 2016， 37（增2）： 209-215.

[5] 周小文， 劉攀， 胡黎明， 等. 結構性花崗巖殘積土的剪切屈服特性試驗研究[J]. 巖土力學， 2015， 36（增2）： 157-163.

[6] 安然， 黎澄生， 孔令偉， 等. 花崗巖殘積土原位力學特性的鉆探擾動與卸荷滯時效應[J]. 巖土工程學報， 2020， 42（1）： 109-116.

[7] 尹松， 孔令偉， 楊愛武， 等. 花崗巖殘積土填料路用工程特性室內試驗研究[J]. 巖土力學， 2016， 37（增2）： 287-293.

[8] FONSECA A V D， CARVALHO J， FERREIRA C， et al. Characterization of a profile of residual soil from granite combining geological， geophysical and mechanical testing techniques[J]. Geotechnical and Geological Engineering， 2006， 24（5）： 1307–1348.

[9] HUA H， XUAN W. Seepage improvement test and analysis of granite residual soil[J].IOP Conference Series： Earth and Environmental Science， 2020，? 643： 1755-1307.

[10] 黎玉彬. 風化花崗巖殘積土水泥土在渠道防滲中的應用[J]. 農田水利與小水電， 1987， （8）： 18-21.

[11] 闕云， 姚曉琴. 福建省花崗巖殘積填土的水力與熱物理參數分析[J]. 福州大學學報（自然科學版）， 2012， 40（5）： 657-663.

[12] 吳迪， 簡文彬， 徐超. 殘積土抗剪強度的環剪試驗研究[J]. 巖土力學， 2011， 32（7）： 2045-2050.

[13] 邱路陽， 劉毓氚， 李大勇. 高填方殘積土路堤降雨滑塌機理與治理對策[J]. 巖土力學， 2007， 28（10）： 2161-2166.

[14] 張先偉， 孔令偉， 臧濛. 雷州半島玄武巖殘積土的工程地質特性研究[J]. 巖土工程學報， 2014， 36（5）： 855-863.

[15] 張先偉， 李晶晶， 李峻， 等. 雷州半島玄武巖殘積土的物質成分與結構特征[J]. 工程地質學報，2014， 22（5）： 797-803.

（編輯：高小雲）

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