泥岩掺量对筑坝粉土渗透性影响的试验研究

赵宪民,刘金禹,刘惹梅

(1.陕西省水利水电建筑勘察设计研究院地质勘察分院,陕西 咸阳 712000;2.西北农林科技大学水利与建筑工程学院,陕西 杨凌 712100)

目前土石坝得以广泛发展的主要因素是能最大限度地使用当地材料,减少外来材料的数量,这对边远地区及交通不便的工程特别重要[1]。我国西北大部地区浅表层土质多为戈壁土、砂、粉细沙或粉土质砂,渗透系数较大,大多难以满足规范[2]对土石坝防渗材料的技术要求,无法直接利用;而局部地区地表下较深层存在分化程度不同的泥岩,泥岩中粘粒含量较高,渗透系数较小,是良好的坝体防渗填筑材料,但其含水率极小、质地坚硬开采及粉碎难度和成本很高,大规模开采、破碎成本和工期均无法满足工程的要求。对渗透系数较大的粉细沙或粉土质砂掺入少量的泥岩料不仅可以增强土料的结构性强度,还可降低其渗透系数,提高作为土石坝填筑料的防渗性能。

本文试验土样取自西北某水利工地,其中泥岩为坝基和坝肩开挖料,含水率低(1%～3%),质地较坚硬,属中等风化程度的软质泥岩。坝址附近有大量的粉土、粉细沙,含水率较小,松散无粘性,使用该料作为坝体填筑料,其结构性较差、力学强度指标也较低,且做防渗功能的土料渗透系数指标亦无法满足规范要求,若单独使用泥岩料,开采难度很大、且大量块状体也难以充分粉碎,上坝填筑将可能形成密实不均匀、局部孔隙率大,蓄水运行后易产生渗漏通道等问题。

将少量有限的坝基和坝肩处理开挖的泥岩料并经较细致的粉碎处理与粉土、粉细沙适当比例掺混,既解决了开挖弃料堆放问题又解决了单用粉土、粉细沙填筑坝体的缺陷问题,当地材料得以合理、经济的充分利用,提高了坝体的防渗性能和结构强度,既经济又环保。

1 试验与成果

1.1 颗粒分析试验

试验严格按照中华人民共和国行业标准中规定的筛分法、密度计法进行[3]。试验结果见表1。本文暂且将低液限粘土、含细粒土砂和粘土质砂统称为“粉土”。

1.2 击实试验

对15组土料进行了轻型击实试验,单位体积功592.2 kJ/m3;试验按中华人民共和国行业标准《土工试验规程》(SL237-011-1999)规定的方法进行。试验结果见表2。

1.3 渗透系数试验

渗透系数试验采用南55型渗透仪,试验严格按照中华人民共和国行业标准《土工试验规程》(SL237-014-1999)中的试验方法进行,试样密度按压实度98%对应的干密度控制,进行真空抽气饱和。试验结果见表2。

表1 物理性质试验结果表

2 试验成果分析

通过对粉土质砂不同泥岩掺量的击实试验成果看,泥岩掺量由0%增至10%,混合样的最大干密度为逐渐增大趋势,泥岩掺量由10%增至20%,混合样的最大干密度则为逐渐减小的趋势,对此3组土样的击实试验结果看,泥岩掺量在9%～12%之间为最佳,见图1。

泥岩原始样品呈较坚硬块状,在颗粒分析试验中,按规范方法进行了充分碾碎,浸泡、沸煮和添加分散剂得到的泥岩颗粒分析成果级配(见表1),而击实试验、渗透系数试验土样制备方法为仅将块状泥岩用木碾碾散,过5mm的土工筛,这样实际击实试验、渗透系数试验土样中的泥岩较大比例仅呈较小的块、或颗粒状,未充分分散开,泥岩掺量超过一定量后,泥岩中的“块、颗粒”即形成结构架空,产生较大的孔隙,继而呈现泥岩掺量超过某一量后干密度逐渐变小,渗透系数逐渐变大的情况。

表2 击实试验及渗透系数试验结果表

图1 泥岩掺量与最大干密度的关系

由渗透试验结果可以看出,3组土样的渗透系数最小值亦出现在泥岩掺量在9%～12%之间,见图2。泥岩掺入对原级配较粗、渗透系数较大的土样2、土样3渗透系数影响明显,而对原级配较细、渗透系数较小的土样1则影响较小,分析其原因主要是土样1细粒、粘粒含量较土样2、土样3高,易形成较密实的结构,孔隙率也较小,混合后泥岩的细小颗粒填充的比率低,故对其渗透性能影响不甚明显。

图2 泥岩掺量与渗透系数的关系

3 结 语

按常规理论,粘粒含量较高的细粒土,在同等压实度条件下通常其渗透系数亦较小,而本次试验结果,掺入适量的泥岩可以减小低液限粘土或粘土质砂的渗透系数,但掺量超过一定量后,混合土样的最大干密度不升反降、渗透系数亦逐渐增大,其原因是泥岩的块状、颗粒结构未能充分粉碎和分散,少量掺入进“粉土”后,部分颗粒较细小的泥岩充填入了“粉土”中的孔隙,粒径较大泥岩颗粒由于含量较小未能对混合后的土料形成架空结构,故孔隙率逐渐变小、渗透系数亦逐渐变小,而随着泥岩掺量增大,混合土料中架空结构逐现,渗透系数继而增大,这与工程实际是相符合的。望本试验研究能为类似相近情况工程的设计、施工提供借鉴和参考。

[1]H.H.罗扎诺夫主编.土石坝[M].水利电力部黄河水利委员会科技情报站译.北京:水利水电出版社,1986.

[2]中华人民共和国建设部.GB50021-2001.岩土工程勘察规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.

[3]南京水利科学研究院.SL237-1999.土工试验规程[S].北京:中国水利水电出版社,1999.