泥巖摻量對筑壩粉土滲透性影響的試驗研究

趙憲民,劉金禹,劉惹梅

(1.陜西省水利水電建筑勘察設計研究院地質勘察分院,陜西 咸陽 712000;2.西北農林科技大學水利與建筑工程學院,陜西 楊凌 712100)

目前土石壩得以廣泛發展的主要因素是能最大限度地使用當地材料,減少外來材料的數量,這對邊遠地區及交通不便的工程特別重要[1]。我國西北大部地區淺表層土質多為戈壁土、砂、粉細沙或粉土質砂,滲透系數較大,大多難以滿足規范[2]對土石壩防滲材料的技術要求,無法直接利用;而局部地區地表下較深層存在分化程度不同的泥巖,泥巖中粘粒含量較高,滲透系數較小,是良好的壩體防滲填筑材料,但其含水率極小、質地堅硬開采及粉碎難度和成本很高,大規模開采、破碎成本和工期均無法滿足工程的要求。對滲透系數較大的粉細沙或粉土質砂摻入少量的泥巖料不僅可以增強土料的結構性強度,還可降低其滲透系數,提高作為土石壩填筑料的防滲性能。

本文試驗土樣取自西北某水利工地,其中泥巖為壩基和壩肩開挖料,含水率低(1%～3%),質地較堅硬,屬中等風化程度的軟質泥巖。壩址附近有大量的粉土、粉細沙,含水率較小,松散無粘性,使用該料作為壩體填筑料,其結構性較差、力學強度指標也較低,且做防滲功能的土料滲透系數指標亦無法滿足規范要求,若單獨使用泥巖料,開采難度很大、且大量塊狀體也難以充分粉碎,上壩填筑將可能形成密實不均勻、局部孔隙率大,蓄水運行后易產生滲漏通道等問題。

將少量有限的壩基和壩肩處理開挖的泥巖料并經較細致的粉碎處理與粉土、粉細沙適當比例摻混,既解決了開挖棄料堆放問題又解決了單用粉土、粉細沙填筑壩體的缺陷問題,當地材料得以合理、經濟的充分利用,提高了壩體的防滲性能和結構強度,既經濟又環保。

1 試驗與成果

1.1 顆粒分析試驗

試驗嚴格按照中華人民共和國行業標準中規定的篩分法、密度計法進行[3]。試驗結果見表1。本文暫且將低液限粘土、含細粒土砂和粘土質砂統稱為“粉土”。

1.2 擊實試驗

對15組土料進行了輕型擊實試驗,單位體積功592.2 kJ/m3;試驗按中華人民共和國行業標準《土工試驗規程》(SL237-011-1999)規定的方法進行。試驗結果見表2。

1.3 滲透系數試驗

滲透系數試驗采用南55型滲透儀,試驗嚴格按照中華人民共和國行業標準《土工試驗規程》(SL237-014-1999)中的試驗方法進行,試樣密度按壓實度98%對應的干密度控制,進行真空抽氣飽和。試驗結果見表2。

表1 物理性質試驗結果表

2 試驗成果分析

通過對粉土質砂不同泥巖摻量的擊實試驗成果看,泥巖摻量由0%增至10%,混合樣的最大干密度為逐漸增大趨勢,泥巖摻量由10%增至20%,混合樣的最大干密度則為逐漸減小的趨勢,對此3組土樣的擊實試驗結果看,泥巖摻量在9%～12%之間為最佳,見圖1。

泥巖原始樣品呈較堅硬塊狀,在顆粒分析試驗中,按規范方法進行了充分碾碎,浸泡、沸煮和添加分散劑得到的泥巖顆粒分析成果級配(見表1),而擊實試驗、滲透系數試驗土樣制備方法為僅將塊狀泥巖用木碾碾散,過5mm的土工篩,這樣實際擊實試驗、滲透系數試驗土樣中的泥巖較大比例僅呈較小的塊、或顆粒狀,未充分分散開,泥巖摻量超過一定量后,泥巖中的“塊、顆粒”即形成結構架空,產生較大的孔隙,繼而呈現泥巖摻量超過某一量后干密度逐漸變小,滲透系數逐漸變大的情況。

表2 擊實試驗及滲透系數試驗結果表

圖1 泥巖摻量與最大干密度的關系

由滲透試驗結果可以看出,3組土樣的滲透系數最小值亦出現在泥巖摻量在9%～12%之間,見圖2。泥巖摻入對原級配較粗、滲透系數較大的土樣2、土樣3滲透系數影響明顯,而對原級配較細、滲透系數較小的土樣1則影響較小,分析其原因主要是土樣1細粒、粘粒含量較土樣2、土樣3高,易形成較密實的結構,孔隙率也較小,混合后泥巖的細小顆粒填充的比率低,故對其滲透性能影響不甚明顯。

圖2 泥巖摻量與滲透系數的關系

3 結 語

按常規理論,粘粒含量較高的細粒土,在同等壓實度條件下通常其滲透系數亦較小,而本次試驗結果,摻入適量的泥巖可以減小低液限粘土或粘土質砂的滲透系數,但摻量超過一定量后,混合土樣的最大干密度不升反降、滲透系數亦逐漸增大,其原因是泥巖的塊狀、顆粒結構未能充分粉碎和分散,少量摻入進“粉土”后,部分顆粒較細小的泥巖充填入了“粉土”中的孔隙,粒徑較大泥巖顆粒由于含量較小未能對混合后的土料形成架空結構,故孔隙率逐漸變小、滲透系數亦逐漸變小,而隨著泥巖摻量增大,混合土料中架空結構逐現,滲透系數繼而增大,這與工程實際是相符合的。望本試驗研究能為類似相近情況工程的設計、施工提供借鑒和參考。

[1]H.H.羅扎諾夫主編.土石壩[M].水利電力部黃河水利委員會科技情報站譯.北京:水利水電出版社,1986.

[2]中華人民共和國建設部.GB50021-2001.巖土工程勘察規范[S].北京:中國建筑工業出版社,2002.

[3]南京水利科學研究院.SL237-1999.土工試驗規程[S].北京:中國水利水電出版社,1999.