肯尼亞Karim enuⅡ大壩填筑土料試驗研究

黃 星

[上海市政工程設計研究總院（集團）有限公司，上海市200092]

1 概述

土料就地取材，土料場位于大壩上游50～1000 m處，采用庫區內廣泛分布的高液限粉（黏）土作為心墻防滲土料，該土層為火山噴發巖風化產物，具有塑性指數大，黏粒含量高特點，按《碾壓式土石壩設計規范》（SL 274—2020）中術語解釋，可定義為紅黏土。

紅黏土是指石灰巖或其它熔巖經紅土化后形成的富含鐵鋁氧化物的褐紅色粉土或黏土，液限一般大于或等于50%[1-2]。具有高孔隙比，高液限、高塑限、高黏粒含量，低密度，壓實度差等特點，同時紅黏土還具有抗剪強度較高、中壓縮性、較好的抗滲性等特點。國內云南、貴州、廣西分廣泛布，可用于筑壩材料[3]。在肯尼亞當地，用紅黏土作為心墻填料修建了錫卡大壩，經現場碾壓試驗，心墻填料的含水率為最優含水率為+7%～+10%[4]。

根據合同要求，該項目勘察設計采用中國標準，試驗由在中方當地設置的試驗室完成，主要進行室內試驗項目有：含水率、塑性指數、黏粒含量、干密度、擊實試驗、有機質含量、水溶鹽含量，原狀土的剪切試驗、室內滲透試驗、重塑土的剪切試驗、室內滲透試驗等。

試驗結果，土料的剪切強度較高，滲透性等指標滿足防滲土料的技術要求，黏粒含量和塑性指數等指標不符合防滲土料的技術要求，于是進行了現場碾壓試驗，進一步評價該紅黏土作為填筑料的可行性，獲得了大量數據，為下步設計施工提供了充分依據。

2 原狀土室內試驗

原狀土樣的試驗內容包括含水率（ω）、塑性指數（Ip）、黏粒含量、干密度（ρd）、擊實試驗、有機質含量、水溶鹽含量等。

2.1 料場原狀土的物理性質

土料場Q3dpl 土料以高液限粉土為主，天然含水率（ω）39.5～65.4%，平均值48.2%，塑性指數（Ip）31.8～49.7，平均值39.3，黏粒含量27.3～67.3%，平均值46.7%，干密度（ρd）為0.85～1.12g/cm3，平均值為1.00 g/cm3。自由膨脹率為15 ～39%，平均為18.9%，不具膨脹性。水溶鹽含量為0.018～0.102%，平均值0.04%；有機質含量為0.146～0.467%，平均值0.260%，見表1、表2。

表1 原狀土天然狀態下物理指標統計表

表2 原狀土天然狀態下物理指標統計表

2.2 擊實試驗

采用輕型擊實試驗，錘重2.5 kg，落距30 cm，布置3 層，每層擊數30 擊，得其最優含水率為（ωop）44.4～55.1%，平均值為48.5%，最大干密度（ρdmax）為1.04～1.20 g/cm3，平均值為1.13 g/cm3。（如圖1 所示）。

圖1 擊實干密度隨含水率變化的曲線

2.3 顆粒分析

顆粒分析試驗采用篩析法、密度計法，料場土樣以高液限粉土為主，黏粒含量27.3～67.3%，平均值46.7%（見表3）。

而事后張三爺也對這兩個傳說做了解釋，他說：“人無翅膀豈能會飛？我雖瘦，也有差不多一百斤，我哪能在水面行走？不過是挑揀著墻根磚棱的一點干地方，蹬一下借個勁，往前躥一下，再換個磚棱借勁，不停步向前躥，這樣跳躍過去的，換步慢了不成，自然踩不到泥。”

表3 顆分數據表

3 配樣后土料室內試驗

根據擊實試驗成果，按照設計方案0.96 的壓實度要求配樣，對所配土樣進行了試驗，試驗內容包括含水率（ω）、飽和度（Sr）、孔隙比（e）、壓縮試驗、滲透系數（K），以及飽和狀態下的壓縮試驗、三軸UU、CU試驗。

3.1 配樣后土料的物理性質

對所配土樣進行了滲透試驗，其垂直滲透系數（Kv）為1.50×10-7～6.01×10-6cm/s，平均值為2.51×10-6cm/s，具極微滲透性，見表4、表5。

表4 土樣配樣后(非飽和狀態)物理性質試驗成果統計表

表5 土樣配樣后（飽和狀態）物理性質試驗成果統計表

3.2 配樣后土料的剪切試驗

按照填筑標準0.96 壓實度進行配樣，對所配的土樣進行三軸剪切試驗，飽和不固結不排水（UU）條件下其凝聚力（c）為19.0～83.3 kPa，平均值為37.0 kPa，內摩擦角（φ）為4.5°～11.0°，平均值為6.4°；固結不排水（CU）條件下其凝聚力（c）為16.4～58.6 kPa，平均值為39.3 kPa，內摩擦角φ 為11.0°～19.5°，平均值為13.7°，有效凝聚力（c'）為16.6 ～56.0 kPa,平均值為33.4 kPa，有效內摩擦角（φ'）為25.0°～34.0°，平均值為27.9°。試驗成果見圖2，從該圖可知：由平均值計算得出的c 值為38.6kPa，φ值為13.9°，c' 值為30.4 kPa，φ' 值為27.7°，樣品的剪切強度較高（見表6）。

表6 配樣后（飽和狀態）力學性質試驗成果統計表

圖2 配樣土平均破損應力圓

3.3 配樣后土料的壓縮試驗

按照填筑標準0.96 壓實度進行配樣，對所配的土樣進行壓縮試驗，試驗最大壓力為1200 kPa。配樣后的壓縮系數（a0.1-0.2）為0.14～0.40 MPa-1，平均值為0.26 MPa-1，具中等壓縮性；飽和狀態下壓縮系數（a0.1-0.2）為0.33～0.66 MPa-1,平均值為0.47 MPa-1，具中等壓縮性，見圖3、圖4。從試驗結果分析，土料飽和后的壓縮系數明顯變大，變形是筑壩需考慮的重要因素。

圖3 配樣土壓縮曲線

圖4 配樣土（飽和）壓縮曲線

3.4 水力性質及破壞準則

高液限粉土屬黏性土，其滲透類型主要是流土。據土工試驗統計資料，高液限粉土孔隙比平均值為1.57，按孔隙比計算的孔隙率為61.10%，土的比重平均值取2.77，經計算，壩基流土型土的臨界水力比降為0.69。根據最大干密度0.96 進行配樣試驗，臨界比降為1.72，破壞比降為1.98，建議允許比降為0.86。

4 土料質量評價

根據《水利水電工程天然建筑材料勘察規程》（SL 251—2015）第5.3 節質量技術要求進行評價如表7。

表7 土料與均質土壩及防滲體用土料質量要求對比表

從上表可知，土料場土料最優含水率與天然含水率相近，擊實后滲透系數滿足填筑料與防滲料規范要求；土料中水溶鹽含量與有機質含量滿足大壩填筑料與防滲料規范要求。土料場土料黏粒含量偏高，塑性指數偏大。

5 現場碾壓試驗

為進一步評價高液限粉土層筑填壩的可行性，進行了現場碾壓試驗，按壓實度不低于設計要求96%，填筑時的含水率與最優含水率偏差-5%～+10%進行試驗，其中土料經現場試驗檢測，料場天然含水率46.7%，最佳含水率51.3%，最大干密度1.09 g/cm3，填料的松鋪厚度分別為30 cm、35 cm、40 cm，共三種，碾壓遍數分別為4 遍、6 遍。

選用以下5 種不同含水率的合格土料分別進行試驗：天然含水率（W）（相當于最優含水率ω0-5）、最優含水率（ω0）、最優含水率-2%（ω0-2）、最優含水率+5%（ω0+5）、最優含水率+10%（ω0+10），碾壓試驗結果如圖5、圖6。

圖5 不同碾壓遍數不同碾壓厚度，干密度與含水率的關系曲線

圖6 不同松鋪厚度、不同含水率與壓實度關系曲線

從圖5 可知，當含水率越接近最優含水率ω0時，土的干密度會越來越大，在ω0-2%時土的干密度最大。當含水率超過ω0-2%時隨著含水率的增加土的干密度會越來越小，土的壓實度會越來越低，即土料不宜增水。土料的建議含水率控制在ω0-5%至ω0范圍，最優碾壓含水率是ω0-2%。采用天然含水率（相當于ω0-5%）壓實度可以滿足設計要求，即土料可以直接上壩填筑。

根據現場碾壓試驗結果，在碾壓遍數一定的情況下，松鋪厚度越大其壓實效果越差，土的松鋪厚度宜控制在30～35 cm；提高碾壓遍數，可以提高壓實度。

6 結語

（1）水庫庫區土料場土主要為高液限粉土，可定義為紅黏土，具高孔隙比、高含水量、塑性指數大，黏粒含量高等特點。

（2）采用輕型擊實試驗，土料最優含水率為平均值為48.5%，與天然含水率相近，最大干密度平均值為1.13 g/cm3；黏粒含量平均值46.7%。自由膨脹率為15～39%，不具備膨脹性。水溶鹽含量平均值0.04%；有機質含量平均值0.26%。

（3）按設計要求0.96 壓實度配樣后，土樣具極微滲透性，中等壓縮性，剪切強度較高。

（4）水庫庫區土料最優含水率黏粒含量及塑性指數超標，其余指標合格。

（5）經碾壓試驗，庫區土料可滿足施工質量控制要求。

（6）土的松鋪厚度宜控制在30～35 cm；土料的建議含水率控制在ω0-5%至ω0范圍，最優碾壓含水率是ω0-2%，采用天然含水率壓實度可以滿足設計要求。