围堰设计施工中高液限粘土特性研究及应用

洪 波，吕艳兵

（1.中水北方勘测设计研究有限责任公司，天津 300222；2.天津市水利勘测设计院，天津 300204）

斐济群岛共和国位于南太平洋，由333个岛屿组成，其中最大的岛屿为Viti Levu岛，占斐济国土面积的近60%。南德瑞瓦图（Nadarivatu）水电站工程位于Viti Levu岛中北部，主坝设计为混凝土重力坝，最大坝高41.5 m，坝顶长度87.835 m，最大库容200万m3。 主围堰设计高约20m，采用粘土心墙外衬碎石和施工弃料，心墙最大设计底宽6.0 m，顶宽3.0 m，材料拟选用工程区附近出露的粘土。

粘土从地质成因上属于坡残积物，岩性为含砾石粘土，砾石含量多在20%～30%，为火山碎屑岩的风化产物，多呈红棕色，最大厚度超过10 m。该粘土根据新西兰岩土实验室的试验资料，具有非常特殊的物理力学性质，如含水量平均值56%、干密度13.6 kN/m3、湿密度 15.2 kN/m3、液限 77、塑限 39、无侧限抗压强度34 kPa、最优含水量38%、最大干密度13.9 kN/m3。那么这样的粘土能否作为心墙的材料以及工程性质如何？结合现场试验资料及施工中施工工艺的控制进行简要叙述。

1 粘土的特性测试及分析

1.1 室内试验分析

在工程区周围出露的粘土层中不同深度、不同位置采取试样进行室内试验分析，首先对试样进行X射线衍射分析，以确定其矿物组成。根据测试结果得出，该粘土由大量管状多水高岭土矿物组成，疏松多孔状结构中填充有蚀变的蒙脱石矿物，具体见图1。

从野外地质勘察中也可以观察到，该粘土具有挤压析水以及失水后收缩而出现裂缝等现象，可以看出该粘土具有轻微的“干缩湿胀”特性，详见照片2。随着土的含水量的变化，粘性土的体积也会发生变化。当粘性土的含量增加时，由于土在浸湿过程中使结合水膜变厚、土粒间的距离增大，土的体积将发生膨胀；反之，当粘性土的含水量减少时，由于土粒间的结合水膜变薄、土粒间距离减小，土的体积发生收缩。这种由于含水量变化而引起土的体积变化的性质，即土的遇水膨胀和失水收缩的特性称为土的胀缩性。粘性土的胀缩性容易使工程土体产生不均匀变形，对建筑基坑、路堤、路堑及围堰等工程边坡的稳定性造成不利影响。

从粘土结构上看，团聚结构的孔隙中主要为结合水和空气所充填，并对土体压密起阻碍作用，有如下主要特征：

（1）孔隙度很大（多在 50%～60%），而各单独孔隙的直径很小，局部是聚粒絮凝结构的孔隙更小，但孔隙度更大，因此土的压缩性更大。

（2）含水量很大，往往超过50%，且以结合水为主。排水困难，压缩过程缓慢。

（3）具有较大的易变性、不稳定性。外界条件变化（如加压、震动、干燥、浸湿以及水溶液成分和性质变化等）对其影响很敏感，且往往使之产生质的变化，故团聚结构又称为易变结构。

从粘土构造上来看属于结核状构造：由均匀分布的土粒和大小不等的砾石所共同组成。

从土的结构和构造反映了土的物质成分的连结特点、空间分布和变化形式，可以看出该地区火山喷发后曾经存在过比较长时间的沉积环境，产生了火山碎屑岩沉积，历经数万年风化而形成的厚层含砾石粘土。

在实际工程中，任何施工都会使土中原有的应力状态发生变化，从而引起土的变形甚至破坏。为保证工程的正常使用和经济、牢固，应对土的力学性质进行研究。

室内土工试验主要针对粘土的物理力学性质及颗粒组成分析，具体试验结果详见表1。

表1 粘土试验成果汇总

1.2 碾压实验

为了解这种高液限和高含水量粘土的施工性能，仅进行室内测试还远远不够，同时还进行了不同含水量土料的碾压试验，以观察这种土料对不同铺土和压实方法的适应性以及能够达到的最大干密度。进行3组碾压试验，计划分别采用最小含水量（48%）＋5%进行分组，碾压后在不同深度测试干密度、含水量以计算压实度。结果显示，最小含水量状态下的粘土在同等碾压条件下，干密度最大，分别超过低于最小含水量粘土和高于最小含水量粘土的10%和18%，因而决定采用48%作为控制含水量的土料来填筑围堰心墙。

由于粘性填土存在着最佳含水量，因此在填土施工时应将土料的含水量控制在最佳含水量左右，以期用较小的能量获得最好的密度。当含水量控制在最佳含水量的干侧时（即小于最佳含水量），压实土的结构具有凝聚结构的特征。这种土比较均匀，强度较高，较脆硬，不易压密，但浸水时容易产生附加沉降。当含水量控制在最佳含水量的湿侧时（即大于最佳含水量），土具有分散结构的特征。这种土的可塑性大，适应变形的能力强，但强度较低，且具有不等向性。这是因为含水量接近和大于最佳值时，土孔隙中的气体越来越处于与大气不连通的状态，碾压作用已不能将其排出体外，亦即压实土是不可能被碾压到完全饱和的。

2 应用实例

2.1 围堰心墙设计

设计过程中采用有限元应力分析论证了围堰心墙出现的拱效应和水力劈裂的可能性，计算时采用了不同的心墙厚度，考虑到符合要求的土料料源丰富和心墙施工困难等因素，心墙厚度不宜太小；同时，为使心墙下部在最不利荷载组合情况下都能保持压应力从而防止水力劈裂，也要求心墙有足够的厚度。岸坡突变之处用混凝土补平，以限制突变岸坡造成的拉应力导致心墙开裂。心墙下游面的反滤层包括碎、砾石和砂粒，其粒径小于75 μm颗粒含量不小于3%，以防止更细的心墙料遭受渗透破坏。同时，在心墙不同高度内安装水管式沉降计，以测定心墙的固结沉降。

2.2 填土处理

2.2.1 掺灰处理

由于该粘土具有“干缩湿胀”性，粘粒成分主要是由亲水矿物组成，因此设计采用掺入一定量的石灰对该粘土进行处理，可以有效改良土性。掺入主要含钙镁成分的石灰，在总体上使亲水矿物表面吸附的阳离子的离子价有所提高，可降低其膨胀性。此外掺入石灰后，石灰与土中的矿物成分发生化学反应，使土体表面硬化，从而使土的粘粒含量有所下降，提高压实度，同时由于石灰水化产生的水化热可降低土体含水量和提高土体的强度。这个处理过程主要分为2个步骤：

（1）石灰水化：CaO＋H2O＝Ca（OH）2。 水化热可吸收土中的水分，以降低填土含水量；同时，由于氢氧化钙结晶的析出可改善土体性质，提高土体的压实度。

（2）氢氧化钙硬化，形成表面致密层。 Ca（OH）2＋CO2＋nH2O＝CaCO3＋（n＋1）H2O，CaCO3＋H2O＋CO2＝Ca（HCO3）2。

2.2.2 掺灰比例

由于该工程填土最优含水量基本与最小含水量接近，而且最大含水量与最小含水量差距较大，因此经过实验配比验证，掺灰量为6%时填土的含水量在44%～49%之间，接近于最优含水量。若含水量较高，则填土粘性较大，石灰难以掺入；含水量过低，则填土强度高，难以破碎，影响碾压效果。

3 心墙施工过程中试验控制

压实土质量控制是指通过包括探坑和探槽或者仪器等察看填土结构是否良好，以获得填筑土的含水量、干密度、比重以及无侧限抗压强度等数据。测试中除发现含水量与密度存在一定程度的不相关性外，其他数据基本与室内试验或碾压实验中取得的数据基本吻合。填筑结束后一个月的沉降值为354mm，两个月的沉降值为219 mm，沉降目前正在测试中，但是逐渐减小的趋势是明显的；压缩系数在0.12～0.26 MPa－1，填土渗透系数平均值为 3.2×10-7cm/s。

4 结语

上述的经验仅仅是根据特定的环境条件、地质条件和施工条件总结出来的，可能存在不甚完善之处。在室内试验分析研究以及围堰心墙设计过程中，各种影响因素十分复杂，建议类似工程应根据具体的技术要求和不同运行工况对施工工艺进行调整。