昔格达组粉砂岩作为筑坝土料的工程特性研究

左永振，张 伟，张晓川，党 琛

（1．长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2．攀枝花市水利水电勘测设计院，四川攀枝花 617000；3．攀枝花市西区梅子菁水库管理局，四川攀枝花 617000）



昔格达组粉砂岩作为筑坝土料的工程特性研究

左永振1，张 伟1，张晓川2，党 琛3

（1．长江科学院水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010；2．攀枝花市水利水电勘测设计院，四川攀枝花 617000；3．攀枝花市西区梅子菁水库管理局，四川攀枝花 617000）

摘 要：昔格达组地层是分布于四川西部攀枝花及西昌地区的一种特殊的工程性质较差的半成岩，攀西地区是我国能源富集的地区，也是我国需要重点发展的水电能源地区，开展昔格达组地层研究对当地的基础设施建设有重要的意义。针对梅子箐水库扩建工程拟采用的昔格达组粉砂岩，采用大尺寸试验设备，进行了物理力学性能试验，探讨其作为筑坝土料的适宜性问题。试验研究表明：昔格达组粉砂岩具有较好的抗剪强度指标，压缩性中等偏低，渗透性中等，抗渗透变形特性较好，可以作为筑坝土料。在力学性质上，昔格达组粉砂岩的性质更接近粉砂质土。

关键词：昔格达组；粉砂岩；筑坝土料；土工试验；工程性质

1 工程背景

昔格达组地层广泛分布在四川西部攀枝花、西昌地区，形成于第四纪早期，主要由浅黄色、肉红色、灰黑色泥岩与浅黄色细砂岩、粉砂岩、泥质粉砂岩成韵律互层组成的一套静水河湖相沉积地层［1－2］，主要以浅黄色黏土层和细砂层互层为主［3－5］。由于形成年代较新，没有完成沉积成岩作用，昔格达组地层在岩性上表现为似土非土、似岩非岩的半成岩特性［6－7］，工程性质较差。

自1937年常隆庆先生首次涉足昔格达组地层［2，8］以来，因其固结程度低、结构疏松、强度不稳定、易滑等工程性质，吸引了众多专家学者的关注，他们对其工程地质性质进行了深入的研究。

在水利水电方面，彭盛恩［3－4］研究得出昔格达组50%～33%的黏土砾土与50%～67%细砂砾土的混合土具有较高的抗剪强度和较低的压缩性，可用作均质土坝的土料。李小泉［9］（1996年）在粟子坪水电站的研究表明，昔格达土可用作厂房基础持力层。周云金等［10］（2000年）在进行红格提水工程设计时，分析认为昔格达地层成岩程度低，结构构造不均，并具有压缩性较强、遇水软化、脱水崩解等特点。杜守来等［11］（2014年）研究了昔格达组泥岩的工程特性，认为该泥岩可作为坝体的防渗土料。

在路基填料研究方面，向贵府等［6－7］（2004年）分析认为含水率指标与土料压实度、黏聚力、内摩擦角、承载比等具有一致的相关性。文丽娜等［12］（2005年）进行了直剪试验，分析了含水率与黏聚力、内摩擦角的关系。王维早［5］（2010年）分析了现场碾压机具、碾压方式等对压实度的影响。

在大面积高填方地基填料研究方面，杨碧等［13］（2010年）认为昔格达组地层具有遇水软化明显的水理性质。张威等［14］（2011年）进行了直剪试验，发现随着含水率的增加，黏土岩抗剪强度明显降低，含水率对黏土岩黏聚力及内摩擦角的影响具有明显的停滞性。薛尚铃等［15］（2009年）进行了现场碾压试验，确定了合适的碾压方式、碾压遍数、铺土厚度等参数。

在上述研究中，取得了一些优异的成果，但是室内试验的研究对象基本是针对粒径2 mm以下的细料，试验手段也局限在细料试验方面，如颗粒分析试验、矿物成分分析、轻型击实试验、细料直剪试验等。而昔格达组地层为半成岩状地层，在现场大面积施工过程中，不可能将其土料像试验室内一样进行碾细过筛，而只能将开挖的昔格达组土料掺拌后直接填筑碾压，因此有必要采用试样尺寸较大的试验设备进行室内试验，使试验土料的尺寸尽量与现场试验匹配，便于室内试验成果能更好的服务工程实际。

基于此，本文针对攀西地区梅子箐水库扩建工程中拟采用的昔格达组粉砂岩，采用最大粒径为60 mm的土料在室内进行大型击实试验、压缩试验、三轴试验、渗透试验等，研究昔格达组地层粉砂岩作为筑坝土料的适宜性。

2 物理性质研究

为了解昔格达组地层料场的基本特性，在料场选择了5个位置进行竖井取样，竖井的最大深度达到6．5 m，每个竖井在不同深度采用环刀取原状样6组，共取原状样30组。

同时，在料场采用挖掘机反铲方式取样，具体为剥除表层1 m厚的岩层，再进行取样，获得开挖料的级配。

试验按《土工试验规程》（SL237—1999）［16］进行。

2．1 原状样级配

原状样颗粒分析成果见图1，土料的最大粒径为20 mm，绝大部分粒径在2 mm以下，小于0．075 mm的细料含量为24．0%～92．0%，平均值为49．0%，与前人的研究基本一致。

按规范［16］命名，29组为粉土质砂或含粗颗粒的细粒土，1组为黏土，说明料场的均一性较好。

图1　原状样级配曲线成果Fig．1 Grading curves of undisturbed samples

2．2 原状样干密度与含水率

原状样的干密度在1．24～1．64 g／cm3范围内，平均值为1．48 g／cm3，其分布见图2。根据柱状图分布，干密度主要集中在1．40～1．60 g／cm3范围内，占70%。原状样的含水率在8．5%～41．9%范围内，主要集中在15%～25%范围内，平均值为21．3%。

2．3 开挖料级配

开挖料的级配曲线见图3，可见最大粒径达到200 mm，按规范［16］命名，均为粉土质砂。

图2　原状样干密度成果Fig．2 Dry density of undisturbed sample

图3　开挖料级配曲线Fig．3 Grading curves of excavated materials

需要特别说明，昔格达组粉砂岩为半成岩，颗粒分析中的粒组＞1 mm的均为强风化粉砂岩团块，稍用力碾压后破碎为＜1 mm以下的粉细砂。

由于室内试验仪器限制，室内试验的最大粒径为60 mm，根据规范［16］采用等量替代法进行缩尺处理，得到室内试验级配，见图4。

图4　开挖料室内试验级配曲线Fig．4 Test grading curves of excavated material

2．4 矿物成分与化学组成

根据已有资料［3－4，13］，昔格达组粉砂岩的主要矿物为石英、长石、方解石，其次含有绿帘石、角闪石和磁铁矿等，化学成分以SiO2为主，其余成分按含量由高到低依次为Al2O3，Fe2O3，CaO，MgO，K2O等。

2．5 微观结构

根据已有资料［12－13］，昔格达组粉砂岩的颗粒大小较均一，排列无序但较紧密，粒间空隙较小，结构类型属不等粒结构，胶结类型为接触式胶结。

2．6 膨胀性与分散性

文献［3］、文献［11］、文献［13］表明，昔格达组粉砂岩无膨胀性、非分散性土，可溶盐含量为0．04%～0．06%、有机质含量为0．04%～0．12%，pH值为8．45～8．80。

3 力学性质研究

采用图4的试验级配（最大颗粒粒径60 mm）进行力学性能试验。

3．1 最大干密度与最优含水率

昔格达组土料的含水量对所能达到的最大干密度起着非常重要的作用［5－7］。当昔格达组土料含水量较小时，其粒间引力较大，在一定的外部压实功能作用下，不能有效地克服引力而使土粒相对移动，这时获得的干密度值就较小。当增大昔格达组土料含水量时，结合水膜逐渐增厚，减少了引力，土粒在相同压实功能条件下易于移动而挤密，可以获得较高的干密度值。但当昔格达组土料含水量增大到一定程度后，孔隙中就出现了自由水，此时自由水填充在孔隙中，从而阻止土粒移动，干密度值又趋于下降，因此存在一个最佳含水量对应的最大干密度。

采用重型击实试验仪器，对昔格达组粉砂岩级配包线进行击实试验，获得其最大干密度与最优含水率。试验击实筒尺寸Ф300 mm×H288 mm，击实锤质量35．2 kg，落高600 mm，试样分3层填装，每层击数88次，单位体积功能2 688．2 kJ／m3。获得的最大干密度和最优含水率成果见图5及表1。

图5　开挖料重型击实试验曲线Fig．5 Curves of heavy compaction test of excavated material

表1　开挖料重型击实试验成果Table 1 Result of heavy compaction test of excavated material

对＜5 mm的细料部分，同时进行轻型击实试验，击实筒尺寸Ф102 mm×H116 mm，击实锤质量2．5 kg，落高305 mm，试样分3层填装，每层击数25次，单位体积功能592．2 kJ／m3。获得最大干密度为1．69 g／cm3，最优含水率为18．2%。

按重型击实试验的压实度95%和轻型击实试验的压实度98%分别计算试验干密度，可发现二者非常近似，而轻型击实试验省时省力，因此在施工质量检测中可以采用轻型击实进行质量控制。

3．2 压缩指标

采用大型浮环式压缩仪进行试验，试样直径为500 mm，高为250 mm。成果见表2和图6，可见，昔格达组粉砂岩开挖料的压缩系数在0．179～0．219 MPa－1范围内，属于中等压缩性土。

表2　开挖料压缩指标成果Table 2 Result of compression test of excavated material

图6　开挖料压缩试验曲线Fig．6 Result of compression test of excavated material

3．3 抗剪强度

采用大型三轴试验仪进行抗剪强度测试，试样尺寸Ф300 mm×H600 mm，试验时的周围压力为0．3，0．6，0．9，1．2 MPa，加载速率为0．45 mm／min。

成果见表3和图7，可见昔格达组开挖料抗剪强度指标c值在39～54 kPa范围内，φ值在22．7°～23．1°之间。抗剪强度指标正常。

表3　开挖料抗剪强度成果Table 3 Result of shear strength of excavated material

3．4 渗透特性

采用垂直渗透仪进行试验，直径300 mm，渗径为200 mm。边壁采用1 mm厚黏土护壁。试验用水为蒸馏水，水流方向由下至上，出口无保护。

试验成果见表4，成果显示昔格达组粉砂岩的渗透系数在i×10－5cm／s量级，破坏形式为流土，已经达到适合做均质土坝的土料条件［4，17］。

图7　开挖料三轴试验代表性成果曲线（下包线）Fig．7 Representative result of triaxial test of excavated material

表4　开挖料渗透特性成果Table 4 Result of permeability of excavated material

4 成果对比分析

文献［11］、文献［13］、文献［15］均针对昔格达组粉砂岩进行了细料的渗透系数、压缩特性、抗剪强度等。与本文的成果对比见表5。

由表5可见本文得到的成果与前人的结论比较接近，而文献［11］、文献［13］、文献［15］均是采用细料试验得到的成果，这说明昔格达组粉砂岩是一种极软岩［8］，在受到外力荷载时极易破碎为粉砂质土，使采用大尺寸试验设备获得的力学参数与小尺寸试验设备得到的参数近似相同，从而使尺寸效应降低至最小。

5 土料上坝施工条件的讨论

（1）从昔格达组级配统计成果看，料场主要为粉土质砂和含粗颗粒的细粒土，局部位置为黏土料（占比3%），在料场开采时采用立采方式，使土料混合均匀，可基本消除黏土料的影响。同时，应控制土料的最大粒径＜150 mm，满足规范要求。

（2）昔格达组开挖料的天然含水率主要集中在15%～25%范围内，平均值为21．3%，轻型击实试验获得的最优含水率为18．2%，考虑到在土料开挖、运输过程中的水分蒸发，在土料筑坝碾压时的含水率将接近最优含水率，昔格达组开挖料可不进行翻晒，立采开挖后直接上坝。

（3）昔格达组开挖料在施工前应进行现场碾压试验，以确定可行的施工参数。结合文献［5］、文献［15］进行的现场碾压试验资料，碾压机具采用＞18 t压路机，铺土厚度35～40 cm，碾压遍数5遍以上，碾压采用先强振1遍，后弱振3遍，最后静压1遍的方式，可获得较好的碾压效果。

表5　昔格达组粉砂岩工程特性成果对比Table 5 Comparison of the engineering properties of Xigeda strata siltstone

6 结 语

昔格达组粉砂岩具有较好的抗剪强度指标，压缩性中等偏低，渗透性中等，抗渗透变形特性较好，适宜做筑坝土料，施工中应注意控制施工质量。

从击实试验和力学性试验成果看，昔格达组粉砂岩的性质更接近粉砂质土，与常规的宽级配粗粒料的性质差别较大。

参考文献：

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［4］ 彭盛恩．昔格达土作为筑坝土料特性的研究［J］．水文地质工程地质，1989，（6）：22－24．

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［16］SL237—1999，土工试验规程［S］．北京：中国水利水电出版社，1999．

［17］DL／T5395—2007，碾压式土石坝设计规范［S］．北京：中国电力出版社，2008．

（编辑：王 慰）

Engineering Properties of Xigeda Strata Siltstone as the Filling Material of Earth⁃Rock dam

ZUO Yong⁃zhen1，ZHANG Wei1，ZHANG Xiao⁃chuan2，DANG Chen3

（1．Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2．Panzhihua Water Conservancy and Hydropower Survey and Design Institute，Panzhihua 617000，China；3．Meizijing Reservoir Administration of Panzhihua Western City，Panzhihua 617000，China）

Abstract：The western region of Panzhihua city has abundant resources and will be the focus of development．Xige⁃da strata，which is distributed in this region，is a special soft rock with poor engineering properties．Research on Xigeda strata is of importance to the infrastructure construction and geologic disaster prevention in this region．Xige⁃da strata siltstone is planned to be used in the expansion project of Meizijing reservoir．In this paper we discuss the suitability of Xigeda strata siltstone as the filling material of earth⁃rock dam through a number of physical and me⁃chanical tests by using large size test equipment．Test result reveals that Xigeda strata siltstone has good shear strength，good resistance to penetration deformation，with medium compressibility and permeability．It can be used as the filling material of earth⁃rock dam．The nature of Xigeda strata siltstone is close to that of silty soil in mechani⁃cal properties．

Key words：Xigeda strata；siltstone；filling material of earth⁃rock dam；geotechnical test；engineering property

作者简介：左永振（1980－），男，山东临沂人，工程师，硕士，主要从事粗粒土力学性质研究，（电话）027－82820026（电子信箱）zuoyongzh＠163．com。

基金项目：国家自然科学青年基金项目（51309024）；水利部公益性行业科研专项经费项目（201201039）

收稿日期：2014－11－07；修回日期：2014－12－19

中图分类号：TU458．3；TV641．2

文献标志码：A

文章编号：1001－5485（2016）03－0084－05