亚湖水库花岗岩风化残积土防渗应用研究

冯义武 彭倞 岳娟

摘要：在亚湖水库防渗加固工程中，缺少可就地取材的防渗性黏土与砂土材料，但在水库周边山体上分布有大量的火成岩风化残积土。为研究残积土在堤坝防渗工程中的应用，进行了残积土矿物化学成分分析和浆液物理力学性质试验研究。结果表明：相比于普通黏土，残积土的氧化硅、三氧化二铝、三氧化二铁等胶凝活性矿物含量高;不同成分残积土配制的黏土浆、水泥黏土浆、水泥黏土砂浆和细砾混凝土的力学、防渗性质受水泥的配比、水料比以及土料种类影响较大。用残积土配合而成的水泥黏土浆是一种理想的防渗材料，为防渗材料投资节省了一半的费用，可供同类型工程参考。

关键词：残积土; 物理力学性质; 防渗材料; 防渗加固; 亚湖水库

中图法分类号：TV441 文献标志码：A DOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2022.04.010

文章编号：1006 - 0081（2022）04 - 0061 - 06

0 引 言

残积土作为一种特殊土，多分布于东南沿海地区，已被广泛应用于许多地基回填工程[1-3]。不少学者就残积土的力学性质进行了研究：如温勇等[4]就广州地区花岗岩残积土开展了一系列常规力学试验研究，对比分析了室内试验结果与现场实测值;周小文等[5]与安然等[6]就结构性花岗岩残积土的剪切特性进行了研究;尹松等[7]通过夯击试验、承载比试验等研究了残积土的压实性能与基本力学性能，证明残积土通过土性改良可用于路基填料;Fonseca等[8]进一步对残积土的力学性能及其应用性进行了研究。也有不少学者就残积土的渗透性能进行了研究：Hua等[9]分析了矿渣粉、水泥、膨润土在不同掺入比下对花岗岩残积土渗透性的影响，发现水泥的掺入对花岗岩残积土的渗透性能影响明显;黎玉彬[10]对风化花岗岩残积土水泥土进行了大量室内正交试验和现场试验，发现花岗岩残积土水泥土用于管道防渗具有极优的防渗性能与防渗效益。阙云等[11]认为当残积土应用于路堤时，适当提高压实度可提高路堤防渗能力。然而，残积土的物理性质受其土质矿物成分影响较大，且矿物成分与其残余强度息息相关[12-13];此外，残积土在天然状态下常表现出遇水湿化、易崩解等较差的力学特性[14-15]。对于残积土的特殊性质是否会影响其在堤坝防渗中的应用，目前尚未有相关研究。同时，在许多堤坝工程中，常存在防渗材料缺乏或异地购置成本过高的问题。因此，研究残积土在堤坝防渗工程中的应用具有实际意义。该研究以福建省亚湖水库防渗加固工程为例，对不同种类花岗岩残积土的矿物成分、浆液的性能和物理指标及其与水泥配比的材料性能进行试验，分析其抗压强度、防渗性能，研究了不同种类花岗岩残积土在堤坝防渗中的应用。

1 试验土样

在防渗工程施工中，振动沉模灌浆工艺需要大量的细骨料和黏性土，劈裂灌浆需要大量的黏性土，高喷灌浆也需要掺入部分黏土材料。要使用风化花岗岩残积土作为防渗材料，首先要了解其基本性质：材料的颗粒组成成分、矿物化学成分、浆液材料的性能指标与物理指标及浆料的配合比与物理力学性质。研究选择5种不同残积土进行试验分析，具体试样信息见表1。

2 试验与结果

首先对5种样品进行颗粒分析，然后取2， 3号土料样品进行矿物化学成分分析，取1， 4， 5号土料样品进行浆液性能及物理性质试验;选取8种不同浆料配合比进行试验，研究浆料的物理力学性能，以便分析与选用。

2.1 颗粒分析

通过土的筛分与比重试验，联合测定了颗粒组成，绘成颗粒级配曲线如图1所示。

2.2 矿物化学成分分析

残积土是岩石风化后未经搬运、仍保留在原地的残积物，是风化岩的次生矿物，即由原生矿物经化学及物理作用而形成的新的矿物成分。次生矿物主要由黏土矿物、含水倍半氧化物与二氧化硅等组成。黏土矿物主要为含水铝硅酸盐，由硅酸盐矿物分解形成，颗粒很细，粒径一般小于5 μm，是构成黏土的主要成分，对土的性质有很大的影响。含水倍半氧化物常以R2O3-nH2O表示，其中R代表铝或铁;它是硅酸类矿物分解后残留的非溶性次生矿物，大多呈胶凝状，部分是结晶;颗粒极细，粒径小于0.1 μm，亲水性和活性强，对防渗体工程有特殊影响。次生二氧化硅一般含结晶水，也是由硅酸盐类矿物分解析出的次生矿物，呈胶凝状，颗粒较细，粒径小于0.2 μm，亲水性相对较弱，也会影响防渗体工程。

本区风化残积土的次生矿物成分经物理与化学分析，符合上述次生矿物的形成规律。经黏土的化学分析，其主要矿物化学成分为SiO2， Al2O3， Fe2O3，占85.0%～89.0%;含水倍半氧化物占29.0%～37.0%，如图2所示。经土的物理分析，其黏粒含量占21.7%～30.4%，胶粒含量占9.4%～16.0%。因此，残积土不同于一般黏性土，其中含有较多黏粒及胶凝物质，会影响土的浆液性能与防渗体材料的物理性质。

2.3 浆液性能

取1， 4， 5号3组土样中的黏性土配制浆液，开展浆液性能及物理性质试验。试验结果如图3～4所示。

由试验结果分析，浆液的突出特点是密度小、稠度大。当浆液密度为1.17～1.20 g/cm3，稠度达30～42 s，胶体率达80%～82%。

當用做劈裂灌浆材料时，根据规范规定，浆液密度不能小于1.3 g/cm3，而残积土的浆液达到1.3 g/cm3时，浆液很稠，不发生流动，无法进行灌浆，可见残积土与一般沉积土在浆液的物理性质上有显著差别。这说明：① 规程要求不适用于这类残积土;② 这类残积土具有高亲水性与胶黏性，不符合一般黏性土的规律。要使用这类土做劈裂灌浆，材料密度应小于1.20 g/cm3。这种黏土的浆液性能，反映出残积土中胶凝矿物的活性作用。

2.4 不同配合比材料的物理力学性质

试验所用浆液配比情况如表2所示。根据不同配合比材料所得物理力学性质试验结果如下。

2.4.1 黏土浆

采用不加水泥的5号残积土，按不同的水土比配制，经28 d养护后进行物理力学性质试验，所得成果如图5所示，黏土浆黏结体抗压强度为0.09～0.18 MPa，变形模量为34.9～72.3 MPa，渗透系数为（1.34～1.78）×10-6 cm/s，具有高于一般黏土的力学与防渗性能。

2.4.2 水泥黏土砂浆

水泥黏土砂浆由水泥与1号残积土配制而成，采用不同水泥配比及水料比进行的试验，结果如图6所示。

两种配比的力学性质差别不大，2组配比略大于1组配比，但水泥含量增加了一半。与黏土浆相比，在水泥成分含量接近的条件下，两者力学指标与防渗指标有显著的差别，水泥黏土砂浆的抗压强度是黏土浆的3倍多，渗透系数则降低超过4/5。由此说明，在水泥黏土浆内，增加一定含沙量不但能提高其力学强度，还明显提高其防渗性能。

在两种配比中，1组配比的材料优质廉价，具有一定的强度与塑性，防渗性能好，水泥用量低，对砂浆材料塑性的研究具有重要指导意义。

2.4.3 细砾混凝土

细砾混凝土即水泥加5号残积土。该残积土由细砾、砂、黏性土组成，粒径较小，多为细砾。为了求得不同残积土在不同配比条件下的力学性质与防渗性能，按照表2配比进行物理力学性质试验，所得结果如图7所示，随着水泥含量由15%增加到25%，抗压强度由1.68 MPa增加到4.28 MPa，增加了1.5倍，相应变形模量由730 MPa增到1 118 MPa，渗透系数由1.25×10-6 cm/s降到2.6×10-7 cm/s，效果十分显著。

2.4.4 水泥黏土浆

水泥黏土浆由水泥与残积土中的黏土（4号土）配制而成，具体配比情况见表3。试验结果见图8～9。

1组的水泥含量为13%，抗压强度为0.16～0.56 MPa，与2组相比，1组抗压强度大约增加5倍，变形模量增加超过4倍。1～2组水泥黏土浆的渗透系数与渗透坡降略有改善，但不明显。3组的水泥含量分别为67%， 50%， 33%三种;抗压强度为0.52～6.53 MPa，变化幅度较大;变形模量为288～1 393 MPa，变化幅度较小。4组的抗压强度为0.051～5.630 MPa，略小于3组的抗压强度，变形模量测试结果与3组的变形模量结果相似。以上试验结果表明，水料比的增大会劣化水泥黏土浆的力学性能。

由上述4种残积土的配比试验结果可以看出：细砾混凝土不仅具有一定的抗压强度，且有较理想的变形模量和很好的防渗性能，是一种十分理想的堤坝防渗灌浆材料，均可用于中低水位水库的防渗。

3 防渗材料选择

亚湖水库的防渗加固方案采用组合技术，实施了劈裂灌浆、高喷灌浆、振动沉模灌浆3种施工技术。这3种施工技术对防渗建筑材料（除水泥外）均有不同要求。劈裂灌浆一般可使用含砂的黏性土;高喷灌浆一般使用水泥，如遇砂砾石地层，为改善塑性、节省水泥，可掺入适量的黏性土，但对所含砂的粒径有较严的要求;振动沉模灌浆一般使用砂砾料，可掺入一定数量的膨润土或黏性土改善材料的塑性。

3.1 劈裂灌浆

劈裂灌浆施工材料一般使用黏性土。按规范要求，为便于浆液固结排水，需要土的黏粒含量为20%～30%，塑性指数8%～15%，含砂量10%～30%，浆液密度1.3～1.6 g/cm3，黏度20～70 s，胶体率大于70%，稳定性0.10～0.15。

本区残积土的物理性质指标与一般残积土有很大差异，由其配制的黏土浆在分选去砾石后，黏粒含量达40.0%～43.5%，高于规范要求10%以上;而塑性指数为14.5%～14.9%，在规范要求以内。黏土浆有两项不符合要求：① 黏土含量，② 浆液密度。但对这两项的规定缘于浆体的固结效应。对一般黏土，黏粒含量高、密度小，不宜进行浆液固结排水;如果浆液固结排水不受这两项影响，则不拘于其规范要求。在试验中发现，本区残积土与一般黏性土相比，虽然黏粒含量高、密度低，但固结硬化的时间相对较短，而且具有一定的强度与较好的防渗性能，因此可超出规范要求，按可用的低密度含量制浆。

从土的物理力学性质试验结果可知，残积土含有很高的胶凝物质，活性与活易性好，有益于浆液的稳定、流动和可灌性，还有利于浆液的固结与防渗，是理想的劈裂灌浆防渗材料。其中5号土分选性好、黏性土含量高、储量大、开采方便，更适宜用于劈裂灌浆。

3.2 高喷灌浆

高喷灌浆一般使用水泥材料，制浆工艺比较简单。当遇到砂砾地层，水泥砂浆凝固体呈脆性，为使凝固体增加塑性又节省水泥，可适量加入黏性土。本区选用4号土料进行配比试验，所配制成的水泥黏土浆适用于高喷灌浆。该浆液性质与劈裂灌浆相似，具有很好的和易性与抗渗性能。此外，4号残积土不含砾石与中粗砂，不用筛选，可直接搅拌使用，且开采近便、成本低廉、防渗性能好，是一种适用、经济的防渗掺和材料。

3.3 振动沉模灌浆

振动沉模灌浆一般采用水泥砂石混合料，因灌浆空腹模板厚度所限，不宜采用较大石子。本区选用1号残积土，采用3种配合比进行比较试验。当水泥的含量比例為15%～20%，残积土的整体比例为80%～85%时，抗压强度达到1.43～3.55 MPa，变形模量为629～1 054 MPa，既有一定的强度，又有较适宜的变形模量;其渗透系数为10-6～10-7 cm/s，渗透坡降大于500，是一种良好的防渗材料。该土粒无粗砾，又含有一定数量的黏粒和胶粒，具有很好的活性、和柔性、稳定性及流动性，是一种不易离析的灌浆材料。该材料开采方便、不用分选、价格低廉，是一种优质、经济的防渗材料和浇灌材料。

4 结 论

本区残积土具有很高的活性，这种活性缘于花岗岩风化形成的含水倍半氧化物，由各种硅酸盐类矿物分解后残留的非溶性次生矿物构成。这种矿物成分愈高，活性愈显著。因残积土保持了原有状态，其矿物成分未被流失，保持了原来的活性;而对于一般沉积形成的黏性土，经搬运水沉以后，原有活性矿物被冲失与稀释，在土层内不显活性。这是残积土活性高于沉积土的根本原因，也是残积土的特性与价值所在。由于残积土内含有较多的活性物质，其颗粒极细，亲水性强、活性好，能与其他材料产生激化作用，使其结构致密、强度高、具塑性、防渗性能好，是用于堤坝防渗的一种优质材料。

以往常用的防渗建筑材料，大都为天然沉积的砂砾料及土料，或人工加工的碎石料，有的需要掺入膨润土或粉煤灰，采购费用一般较高。而本区水库四周分布大量的花岗岩风化残积土，有各类砾质壤土和黏性土，其中黏性土具有很高的活性，能替代部分水泥及膨润土，适用于各类混凝土灌浆材料、高喷灌浆材料、劈裂灌浆材料的要求，且储蓄丰富、可就地取材、质地优良、价格便宜。就地取材与异地采购的材料单价相比，能节省一半的材料投资和节约一半的水泥材料。该种残积土已在福建省防渗加固中得到应用，取得很好的效果。花岗岩风化残积土作为广泛分布于华南地区山体上的土体，可在堤坝防渗加固工程中推广应用。

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（编辑：高小雲）

Study on granite weathering residual soils in Yahu Reservoir for anti-seepage application

FENG Yiwu1， PENG Jing2， YUE Juan3

（1. Shandong Survey and Design Institute of Water Conservancy， Jinan 250061， China; 2. Water and Hydropower Development Corporation of China，Beijing 100054， China; 3. College of Water Conservancy and Hydropower Engineering， Hohai University， Nanjing 210098， China）

Abstract： There was a lack of clay and sediment materials in the locality for reinforcement and seepage prevention project of Yahu Reservoir， however， plenty of granite weathering residual soils were found in the surrounding mountains. In order to study the application of residual soils in dam for anti-seepage， the mineral chemical composition of residual soils were analyzed and tests were conducted to study the physical and mechanical properties of the slurry. The results indicated that the residual soils had higher percentage of cementing mineral including monox， aluminium oxide， ferric oxide and so on， compared with common clay. Mechanical properties and seepage resistance performances of slurry， cement slurry and fine gravel concrete made from varied residual soils showed great dependence on water cement ratio， soil cement ratio and type of the soil. Cement slurry made by residual soil was a desirable anti-seepage material which could cut half of the investment on the anti-seepage material for seepage control engineering. This practice could be a reference for other similar projects.

Key words： residual soil; anti-seepage materials; reinforcement and seepage prevention; physical and mechanical property; seepage