洪 波，呂艷兵

（1.中水北方勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，天津 300222；2.天津市水利勘測設(shè)計院，天津 300204）

斐濟群島共和國位于南太平洋，由333個島嶼組成，其中最大的島嶼為Viti Levu島，占斐濟國土面積的近60%。南德瑞瓦圖（Nadarivatu）水電站工程位于Viti Levu島中北部，主壩設(shè)計為混凝土重力壩，最大壩高41.5 m，壩頂長度87.835 m，最大庫容200萬m3。 主圍堰設(shè)計高約20m，采用粘土心墻外襯碎石和施工棄料，心墻最大設(shè)計底寬6.0 m，頂寬3.0 m，材料擬選用工程區(qū)附近出露的粘土。

粘土從地質(zhì)成因上屬于坡殘積物，巖性為含礫石粘土，礫石含量多在20%～30%，為火山碎屑巖的風(fēng)化產(chǎn)物，多呈紅棕色，最大厚度超過10 m。該粘土根據(jù)新西蘭巖土實驗室的試驗資料，具有非常特殊的物理力學(xué)性質(zhì)，如含水量平均值56%、干密度13.6 kN/m3、濕密度 15.2 kN/m3、液限 77、塑限 39、無側(cè)限抗壓強度34 kPa、最優(yōu)含水量38%、最大干密度13.9 kN/m3。那么這樣的粘土能否作為心墻的材料以及工程性質(zhì)如何？結(jié)合現(xiàn)場試驗資料及施工中施工工藝的控制進行簡要敘述。

1 粘土的特性測試及分析

1.1 室內(nèi)試驗分析

在工程區(qū)周圍出露的粘土層中不同深度、不同位置采取試樣進行室內(nèi)試驗分析，首先對試樣進行X射線衍射分析，以確定其礦物組成。根據(jù)測試結(jié)果得出，該粘土由大量管狀多水高嶺土礦物組成，疏松多孔狀結(jié)構(gòu)中填充有蝕變的蒙脫石礦物，具體見圖1。

從野外地質(zhì)勘察中也可以觀察到，該粘土具有擠壓析水以及失水后收縮而出現(xiàn)裂縫等現(xiàn)象，可以看出該粘土具有輕微的“干縮濕脹”特性，詳見照片2。隨著土的含水量的變化，粘性土的體積也會發(fā)生變化。當(dāng)粘性土的含量增加時，由于土在浸濕過程中使結(jié)合水膜變厚、土粒間的距離增大，土的體積將發(fā)生膨脹；反之，當(dāng)粘性土的含水量減少時，由于土粒間的結(jié)合水膜變薄、土粒間距離減小，土的體積發(fā)生收縮。這種由于含水量變化而引起土的體積變化的性質(zhì)，即土的遇水膨脹和失水收縮的特性稱為土的脹縮性。粘性土的脹縮性容易使工程土體產(chǎn)生不均勻變形，對建筑基坑、路堤、路塹及圍堰等工程邊坡的穩(wěn)定性造成不利影響。

從粘土結(jié)構(gòu)上看，團聚結(jié)構(gòu)的孔隙中主要為結(jié)合水和空氣所充填，并對土體壓密起阻礙作用，有如下主要特征：

（1）孔隙度很大（多在 50%～60%），而各單獨孔隙的直徑很小，局部是聚粒絮凝結(jié)構(gòu)的孔隙更小，但孔隙度更大，因此土的壓縮性更大。

（2）含水量很大，往往超過50%，且以結(jié)合水為主。排水困難，壓縮過程緩慢。

（3）具有較大的易變性、不穩(wěn)定性。外界條件變化（如加壓、震動、干燥、浸濕以及水溶液成分和性質(zhì)變化等）對其影響很敏感，且往往使之產(chǎn)生質(zhì)的變化，故團聚結(jié)構(gòu)又稱為易變結(jié)構(gòu)。

從粘土構(gòu)造上來看屬于結(jié)核狀構(gòu)造：由均勻分布的土粒和大小不等的礫石所共同組成。

從土的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造反映了土的物質(zhì)成分的連結(jié)特點、空間分布和變化形式，可以看出該地區(qū)火山噴發(fā)后曾經(jīng)存在過比較長時間的沉積環(huán)境，產(chǎn)生了火山碎屑巖沉積，歷經(jīng)數(shù)萬年風(fēng)化而形成的厚層含礫石粘土。

在實際工程中，任何施工都會使土中原有的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，從而引起土的變形甚至破壞。為保證工程的正常使用和經(jīng)濟、牢固，應(yīng)對土的力學(xué)性質(zhì)進行研究。

室內(nèi)土工試驗主要針對粘土的物理力學(xué)性質(zhì)及顆粒組成分析，具體試驗結(jié)果詳見表1。

表1 粘土試驗成果匯總

1.2 碾壓實驗

為了解這種高液限和高含水量粘土的施工性能，僅進行室內(nèi)測試還遠遠不夠，同時還進行了不同含水量土料的碾壓試驗，以觀察這種土料對不同鋪土和壓實方法的適應(yīng)性以及能夠達到的最大干密度。進行3組碾壓試驗，計劃分別采用最小含水量（48%）＋5%進行分組，碾壓后在不同深度測試干密度、含水量以計算壓實度。結(jié)果顯示，最小含水量狀態(tài)下的粘土在同等碾壓條件下，干密度最大，分別超過低于最小含水量粘土和高于最小含水量粘土的10%和18%，因而決定采用48%作為控制含水量的土料來填筑圍堰心墻。

由于粘性填土存在著最佳含水量，因此在填土施工時應(yīng)將土料的含水量控制在最佳含水量左右，以期用較小的能量獲得最好的密度。當(dāng)含水量控制在最佳含水量的干側(cè)時（即小于最佳含水量），壓實土的結(jié)構(gòu)具有凝聚結(jié)構(gòu)的特征。這種土比較均勻，強度較高，較脆硬，不易壓密，但浸水時容易產(chǎn)生附加沉降。當(dāng)含水量控制在最佳含水量的濕側(cè)時（即大于最佳含水量），土具有分散結(jié)構(gòu)的特征。這種土的可塑性大，適應(yīng)變形的能力強，但強度較低，且具有不等向性。這是因為含水量接近和大于最佳值時，土孔隙中的氣體越來越處于與大氣不連通的狀態(tài)，碾壓作用已不能將其排出體外，亦即壓實土是不可能被碾壓到完全飽和的。

2 應(yīng)用實例

2.1 圍堰心墻設(shè)計

設(shè)計過程中采用有限元應(yīng)力分析論證了圍堰心墻出現(xiàn)的拱效應(yīng)和水力劈裂的可能性，計算時采用了不同的心墻厚度，考慮到符合要求的土料料源豐富和心墻施工困難等因素，心墻厚度不宜太?。煌瑫r，為使心墻下部在最不利荷載組合情況下都能保持壓應(yīng)力從而防止水力劈裂，也要求心墻有足夠的厚度。岸坡突變之處用混凝土補平，以限制突變岸坡造成的拉應(yīng)力導(dǎo)致心墻開裂。心墻下游面的反濾層包括碎、礫石和砂粒，其粒徑小于75 μm顆粒含量不小于3%，以防止更細的心墻料遭受滲透破壞。同時，在心墻不同高度內(nèi)安裝水管式沉降計，以測定心墻的固結(jié)沉降。

2.2 填土處理

2.2.1 摻灰處理

由于該粘土具有“干縮濕脹”性，粘粒成分主要是由親水礦物組成，因此設(shè)計采用摻入一定量的石灰對該粘土進行處理，可以有效改良土性。摻入主要含鈣鎂成分的石灰，在總體上使親水礦物表面吸附的陽離子的離子價有所提高，可降低其膨脹性。此外摻入石灰后，石灰與土中的礦物成分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使土體表面硬化，從而使土的粘粒含量有所下降，提高壓實度，同時由于石灰水化產(chǎn)生的水化熱可降低土體含水量和提高土體的強度。這個處理過程主要分為2個步驟：

（1）石灰水化：CaO＋H2O＝Ca（OH）2。 水化熱可吸收土中的水分，以降低填土含水量；同時，由于氫氧化鈣結(jié)晶的析出可改善土體性質(zhì)，提高土體的壓實度。

（2）氫氧化鈣硬化，形成表面致密層。 Ca（OH）2＋CO2＋nH2O＝CaCO3＋（n＋1）H2O，CaCO3＋H2O＋CO2＝Ca（HCO3）2。

2.2.2 摻灰比例

由于該工程填土最優(yōu)含水量基本與最小含水量接近，而且最大含水量與最小含水量差距較大，因此經(jīng)過實驗配比驗證，摻灰量為6%時填土的含水量在44%～49%之間，接近于最優(yōu)含水量。若含水量較高，則填土粘性較大，石灰難以摻入；含水量過低，則填土強度高，難以破碎，影響碾壓效果。

3 心墻施工過程中試驗控制

壓實土質(zhì)量控制是指通過包括探坑和探槽或者儀器等察看填土結(jié)構(gòu)是否良好，以獲得填筑土的含水量、干密度、比重以及無側(cè)限抗壓強度等數(shù)據(jù)。測試中除發(fā)現(xiàn)含水量與密度存在一定程度的不相關(guān)性外，其他數(shù)據(jù)基本與室內(nèi)試驗或碾壓實驗中取得的數(shù)據(jù)基本吻合。填筑結(jié)束后一個月的沉降值為354mm，兩個月的沉降值為219 mm，沉降目前正在測試中，但是逐漸減小的趨勢是明顯的；壓縮系數(shù)在0.12～0.26 MPa－1，填土滲透系數(shù)平均值為 3.2×10-7cm/s。

4 結(jié)語

上述的經(jīng)驗僅僅是根據(jù)特定的環(huán)境條件、地質(zhì)條件和施工條件總結(jié)出來的，可能存在不甚完善之處。在室內(nèi)試驗分析研究以及圍堰心墻設(shè)計過程中，各種影響因素十分復(fù)雜，建議類似工程應(yīng)根據(jù)具體的技術(shù)要求和不同運行工況對施工工藝進行調(diào)整。