趙永川

(云南省水利水電勘測設(shè)計研究院，云南 昆明 650021)

水利樞紐工程中紅黏土特性研究

趙永川

(云南省水利水電勘測設(shè)計研究院，云南 昆明 650021)

以水利樞紐工程為例，從原生紅黏土的礦物成分、顆粒級配、顆粒微觀結(jié)構(gòu)、基本物理性質(zhì)、可塑性、透水性、擊實性、脹縮性、壓縮性、抗剪強度等方面入手，研究紅黏土的物理力學(xué)性質(zhì)，探討團粒之間膠結(jié)物中水的惰性，分析膠結(jié)物的聯(lián)接強度，紅黏土具有較好的壓實性、較小滲透性、較高的抗剪強度指標，是較好的心墻防滲料。從次生紅黏土的顆粒組成、天然容重、天然含水率、孔隙比、飽和度、液限、塑性指數(shù)、力學(xué)強度、壓縮系數(shù)、透水性、容許水力坡降等方面入手，研究紅黏土的工程地質(zhì)性質(zhì)，提出工程處理措施。

紅黏土；物理力學(xué)特性；工程地質(zhì)特性；工程處理措施

中國紅黏土主要分布在南方，以貴州、云南和廣西最為典型和廣泛，其次在四川盆地南緣和東部、鄂西、湘西、湘南、粵北、皖南和浙西等地也有分布。在西部，主要分布在較低的溶蝕夷平面及巖溶洼地、谷地；在中部，主要分布在峰林谷地、孤峰準平原及丘陵洼地；在東部，主要分布在高階地以上的丘陵區(qū)。

暮底河水庫[1]設(shè)計為黏土心墻堆石壩，壩高67.10 m，總庫容5 850.7×104m3。工程區(qū)位于云貴高原的南緣斜坡地帶，灰?guī)r出露面積約占80%～90%，風(fēng)化形成的殘積紅黏土廣泛分布，為原生紅黏土。研究紅黏土的物理力學(xué)性質(zhì)，就地取材填筑大壩防滲心墻，對降低工程投資有十分重要的意義。

壩塘水庫位于石頭地向斜東翼天然溶蝕洼地中，總庫容為1 841×104m3，夾持于小江深大斷裂東支(大白河斷裂)與西支(烏龍街斷裂)之間，灰?guī)r巖溶發(fā)育，四周都有低鄰谷，地下水低于庫底140～170 m，為懸托型巖溶水庫，庫區(qū)滲漏是水庫的主要工程地質(zhì)問題[2]，防滲處理區(qū)大面積出露洪積紅黏土，為次生紅黏土。研究紅黏土的工程地質(zhì)性質(zhì)，對防滲處理區(qū)地基基礎(chǔ)進行工程地質(zhì)評價和分析，提出處理措施，為防滲處理方案選擇提供基礎(chǔ)資料，對水庫正常發(fā)揮效益提供技術(shù)支撐。

1 暮底河水庫原生紅黏土的利用研究

本文以暮底河水庫土料場的原生紅黏土為研究對象。

1.1 概況

料場有用層為棕紅色的黏土，殘積成因，為原生紅黏土，有用層厚度變化大，最薄1.1 m，最厚達7.3 m，平均開采深度4.24 m；下部基巖為石炭系中統(tǒng)威寧組(C2w)的灰?guī)r、含生物碎屑灰?guī)r。αw=0.42～0.70，為硬塑—堅硬狀態(tài)；偶見裂隙，呈致密狀結(jié)構(gòu)。Ir=1.36～1.73，I＇r=1.68～1.89，Ir

1.2 礦物成分

紅黏土的礦物成分包括碎屑礦物和黏土礦物兩類。碎屑礦物主要為石英[SiO2]、針鐵礦[FeO(OH)]、銳鈦礦[TiO2]、微斜長石[KAlSi3O8]；含量32.1%～45.7%，平均值38.5%。其中針鐵礦含量16.4%～22.0%，平均值18.6%，約占碎屑礦物的一半。

黏土礦物以高嶺石[Al2Si2O5(OH)4]為主，含量54.3%～67.9%，平均值61.5%(見表1)。

表1 紅黏土的礦物成分Table 1 The mineral composition of red clay

1.3 顆粒級配

紅黏土的顆粒級配由砂粒(2～0.05 mm)、粉粒(0.05～0.005 mm)、黏粒(<0.005 mm)組成，其中砂粒含量9.7%～38.0%，平均值25.7%；粉粒含量30.7%～53.5%，平均值40.0%；黏粒含量26.0%～45.5%，平均值34.3%。

1.4 顆粒微觀結(jié)構(gòu)

研究表明，紅黏土中的游離氧化鐵主要以針鐵礦[FeO(OH)]的形式存在[3]，暮底河水庫紅黏土中針鐵礦含量16.4%～22.0%，平均值18.6%。

灰?guī)r風(fēng)化形成片狀高嶺土等黏土礦物，顆粒通過邊面接觸形式形成絮凝結(jié)構(gòu)，游離氧化鐵顆粒極細，極易與水作用形成溶膠膠體，充填在絮凝結(jié)構(gòu)孔隙中，溶膠中的水化膠粒相互吸引聚合在一起，使聚合體失水形成凝膠而吸附在片狀黏土顆粒上，其中一部分則被吸附在黏土顆粒的邊—面接觸處形成膠結(jié)物，組成基本顆粒單元；基本顆粒單元通過膠結(jié)物形成較大粒團，粒團通過膠結(jié)物形成更大聚集體，土體由形態(tài)、大小各異的粒團、聚集體、膠結(jié)物堆積而成。

因此，紅黏土具有團粒結(jié)構(gòu)的特征，孔隙中充填溶膠性的水。

1.5 物理力學(xué)性質(zhì)

紅黏土的物理性質(zhì)包括土粒比重、天然含水量、最優(yōu)含水量、天然干密度、最大干密度、液限、塑限、塑性指數(shù)、含水比(αw)、孔隙比、飽和度、滲透系數(shù)、自由膨脹率等，暮底河水庫土料場紅黏土物理性質(zhì)試驗成果見表2。

紅黏土的力學(xué)性質(zhì)包括壓縮系數(shù)、飽和固結(jié)快剪的黏聚力、內(nèi)摩擦角等，暮底河水庫土料場紅黏土力學(xué)性質(zhì)試驗成果見表2。

表2 紅黏土的物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)Table 2 The physical property of red clay

1.6 質(zhì)量分析

質(zhì)量分析是指紅黏土作為心墻堆石壩防滲料的分析，主要從黏粒含量、孔隙比、飽和度、液限、塑限、塑性指數(shù)、含水比、干密度、含水量、滲透系數(shù)、自由膨脹率、壓縮系數(shù)、抗剪強度指標等物理力學(xué)性質(zhì)進行分析。

1.6.1 黏粒含量

紅黏土的黏粒含量最大值為45.5%，最小值為26.0%，平均值為34.3%。15組樣品中有11組超過30%，僅兩組超過40%，比一般黏性土高5%～10%[4]，按照一般黏性土評價，質(zhì)量一般，滿足心墻防滲料的要求。

1.6.2 孔隙比

紅黏土的天然孔隙比最大值為1.24，最小值為0.80，平均值為1.05，標準差0.12，變異系數(shù)0.11，離散程度較小。15組樣品中有12組的孔隙比超過1.0，比一般黏性土高，與貴州、廣西、四川、湖南的紅黏土指標基本一致。

1.6.3 飽和度

紅黏土的飽和度最大值為98.7%，最小值為85.3%，平均值為92.2%，標準差3.8%，變異系數(shù)0.04，離散程度小,飽和度高，與貴州、廣西、湖南的紅黏土指標基本一致。

1.6.4 液限

紅黏土的液限最大值為74.7%，最小值為43.7%，平均值為61.7%，標準差9.9%，變異系數(shù)0.16，離散程度較小。15組樣品中有13組的液限超過50%，為高液限土，比一般黏性土高10%～20%，與貴州、廣西、四川、湖南的紅黏土指標基本一致。

1.6.5 塑限

紅黏土的塑限最大值為54.0%，最小值為31.8%，平均值為43.1%，標準差7.3%，變異系數(shù)0.17，離散程度較小。15組樣品中有3組的塑限低于天然含水量0.4%～2.4%，其余12組的塑限高于天然含水量3.8%～23.2%，其中有5組塑限高于天然含水量12.1%～23.2%，比貴州、廣西、四川、湖南的紅黏土指標要高一些，土料的質(zhì)量不均一。

1.6.6 塑性指數(shù)(Ip10)

紅黏土的塑性指數(shù)最大值為31.6，最小值為11.6，平均值為18.6,標準差4.9，變異系數(shù)0.26，離散程度較大。15組樣品中有3組的塑性指數(shù)超過20，與一般黏性土指標基本一致。

1.6.7 含水比

紅黏土的含水比最大值為0.71，最小值為0.42，平均值為0.56，標準差0.08，變異系數(shù)0.14，離散程度較小,與貴州、廣西、四川、湖南的紅黏土指標基本一致。

1.6.8 干密度

紅黏土的天然干密度最大值為1.32 g/cm3，最小值為0.94 g/cm3，平均值僅1.13 g/cm3，標準差0.14 g/cm3，變異系數(shù)0.12，離散程度較小。

紅黏土擊實后的最大干密度最大值為1.53 g/cm3，最小值為1.27 g/cm3，平均值為1.37 g/cm3，標準差0.06 g/cm3，變異系數(shù)0.04，離散程度小。

天然干密度、擊實后的最大干密度比一般黏性土低0.1～0.2 g/cm3。

擊實干密度大于天然干密度，質(zhì)量好，滿足心墻防滲料的要求。

1.6.9 含水量

通過25組天然含水量測試，垂向上，隨深度增加，紅黏土的含水量有增大的趨勢，地表以下3～4 m紅黏土的含水量比地表以下1 m的含水量高1%～3%。

紅黏土的天然含水量最大值為43.7%，最小值為21.8%，平均值為35.9%，標準差5.4%，變異系數(shù)0.15，離散程度較小。

紅黏土的最優(yōu)含水量最大值為40.4%，最小值為25.4%，平均值為34.5% ，標準差4.9%，變異系數(shù)0.14，離散程度較小。

15組樣品中，有6組天然含水量小于最優(yōu)含水量(-8.4%～-2.0%)，有6組天然含水量與最優(yōu)含水量差值在-2.0%～+3.0%之間，有3組天然含水量大于最優(yōu)含水量(+3.0%～+7.9%)。

天然含水量與最優(yōu)含水量比一般黏性土高，比貴州、廣西、湖南的紅黏土指標要低一些。

天然含水量與最優(yōu)含水量有6組較接近，有6組含水量低，可通過碾壓前灑水提高含水量。有3組含水量高，減少紅黏土的含水量較困難，雖然天然含水量大于最優(yōu)含水量(+3.0%～+7.9%)，通過施工碾壓質(zhì)量檢測和水庫運行情況來看，紅黏土質(zhì)量好，防滲作用明顯，滿足心墻防滲料的要求。

紅黏土的膠結(jié)物質(zhì)是由極細的膠粒(針鐵礦)為骨架的水化物聚合而成，具有較大的表面積和吸附水的能力，不具明顯的離子交換性能。凝膠狀膠結(jié)物在土體中占一定的體積，這部分水不會流動，屬惰性水，雖然紅黏土含水量較高，但仍有較好的壓實性和較小的滲透性，是較好的心墻防滲料。

暮底河水庫大壩經(jīng)過7年高水位安全運行，滲漏量很小。

1.6.10 滲透系數(shù)

紅黏土的垂直滲透系數(shù)最大值為8.86×10-7cm/s，最小值為5.90×10-8cm/s，平均值為3.00×10-7cm/s，標準差2.24×10-7cm/s，變異系數(shù)0.75，離散程度大。大值均值為4.62×10-7cm/s，<1.00×10-5cm/s，質(zhì)量好，滿足心墻防滲料的要求。

1.6.11 自由膨脹率

紅黏土的自由膨脹率最大值為25%，最小值為5%，平均值為18%，標準差6.7%，變異系數(shù)0.37，離散程度較大，大值均值為22%，不具膨脹性。

1.6.12 壓縮系數(shù)

紅黏土的壓縮系數(shù)最大值為0.24 MPa-1，最小值為0.12 MPa-1，平均值為0.18 MPa-1，標準差0.03 MPa-1，變異系數(shù)0.17，離散程度較小，大值均值為0.21 MPa-1，與一般黏性土的指標基本一致，比貴州、廣西、四川、湖南的紅黏土指標要小。

1.6.13 抗剪強度指標

紅黏土的黏聚力最大值為46.2 kPa，最小值為11.6 kPa，平均值為33.7 kPa，標準差7.2 kPa，變異系數(shù)0.21，離散程度較大，小值均值為23.7 kPa。

紅黏土的內(nèi)摩擦角最大值為26.4°，最小值為22.63°，平均值為24.76°，標準差1.2°，變異系數(shù)0.05，離散程度小，小值均值為23.6°。

紅黏土的抗剪強度指標較高，高于一般黏性土，比貴州、廣西、四川、湖南的紅黏土指標要大。聯(lián)接團粒的膠結(jié)物是在成土過程中形成的，具有一定的穩(wěn)定性和聯(lián)接強度，使土體有較高的黏聚力和內(nèi)摩擦角。

2 壩塘水庫次生紅黏土處理研究

本文以壩塘水庫防滲處理區(qū)土工膜地基基礎(chǔ)的次生紅黏土為研究對象。

2.1 概況

防滲處理區(qū)地基基礎(chǔ)為紅黏土，洪積成因，屬次生紅黏土，有用層厚度變化大，最薄5 m，最厚達20 m，下部基巖為二疊系下統(tǒng)茅口組(P1m)灰?guī)r。次生紅黏土具有孔隙比大、壓縮系數(shù)大、滲透系數(shù)大的特點。

為了研究紅黏土隨埋深增加工程地質(zhì)性質(zhì)的變化情況，根據(jù)埋深把土層分為七個單元:一單元土層埋深0～2 m，二單元土層埋深2～4 m，三單元土層埋深4～6 m，四單元土層埋深6～8 m，五單元土層埋深8～10 m，六單元土層埋深10～12 m，12 m以下的土層為七單元。

2.2 顆粒級配

對原狀土樣進行顆分試驗：一單元土層粉粒含量42%～59%，黏粒含量41%～58%；二單元土層砂粒含量1%～2%，局部達20%，粉粒含量40%～45%，黏粒含量48%～53%；三單元土層砂粒含量1%～3%，粉粒含量43%～51%，黏粒含量46%～56%；四單元土層局部有礫粒含量10%～20%，砂粒含量1%～5%，局部達11%，粉粒含量37%～52%，黏粒含量30%～48%，局部達61%；五單元土層砂粒含量1%～2%，粉粒含量43%～49%，黏粒含量49%～54%；六單元土層局部有礫粒含量20%～30%，砂粒含量4%～6%，局部達15%，粉粒含量33%～45%，黏粒含量30%～45%，局部達56%～62%；七單元土層砂粒含量1%～3%，粉粒含量36%～47%，黏粒含量50%～62%。

土層的顆粒組成不均一，局部為含礫黏土；局部夾不連續(xù)的粉細砂層(厚度為0.2～0.3 m)；黏粒含量高，隨深度無規(guī)律。

2.3 標貫試驗

標準貫入試驗是指在鉆孔中將一定規(guī)格的貫入器打入土中，根據(jù)貫入擊數(shù)判斷土的性質(zhì)，估算土的承載力的現(xiàn)場試驗方法[5]。貫入擊數(shù)分別為：一單元土層8.0，二單元土層6.9，三單元土層6.9，四單元土層7.5，五單元土層9.0，六單元土層10.2，七單元土層10.9;隨深度增加，土層的貫入擊數(shù)增大，一單元土層因無地下水，貫入擊數(shù)偏高。

2.4 物理力學(xué)性質(zhì)

對原狀土樣進行室內(nèi)物理力學(xué)試驗，試驗成果見表3。

表3 紅黏土試驗成果表Table 3 The test results table of red clay

從表中可以看出，天然容重隨深度增加而增大；天然含水率除0～2 m較小外，其余單元變化不大，無明顯變化規(guī)律；孔隙比隨深度增加而減??；飽和度隨深度增加而增大，除0～2 m不飽和外，越向下越飽和；液限高，隨深度無明顯變化規(guī)律；塑性指數(shù)大，隨深度無明顯變化規(guī)律；凝聚力隨深度增大有增大的趨勢；內(nèi)摩擦角隨深度增加有增大的趨勢；壓縮系數(shù)明顯變小，0～10 m為高壓縮性土，10 m以下為中等壓縮性土,0～12 m為欠固結(jié)土，12 m以下為正常固結(jié)土。

2.5 膨脹性

根據(jù)試驗成果，紅黏土自由膨脹率30%～56%，平均值42%，大值均值52%，有75%的樣品自由膨脹率>40%，平均線縮率為4.4%，平均膨脹力8 kPa,平均體縮16.1%，具弱膨脹潛勢。

2.6 滲透性

在鉆孔中進行注水試驗，紅黏土滲透系數(shù)大值均值分別為：0～5 m(一、二、三單元土層)為3.7×10-3cm/s，5～10 m(四、五單元土層)為9.4×10-4cm/s，10 m以下(六、七單元土層)為3.5×10-4cm/s。在淺井進行試坑注水試驗，試驗深度為2～5 m，滲透系數(shù)大值均值為4.6×10-3cm/s，兩種試驗方法的成果基本一致。隨深度增加，土層透水性逐漸減小。

2.7 工程地質(zhì)問題分析

2.7.1 不均勻沉降

紅黏土標貫擊數(shù)從上到下有增大的趨勢，標準貫入擊數(shù)按照公式fk=80+20.2 N換算成承載力特征值fk[6-7]。一單元土層fk=241 kPa，二單元土層fk=219 kPa，三單元土層fk=219 kPa，四單元土層fk=232 kPa，五單元土層fk=261 kPa，六單元土層fk=286 kPa，七單元土層fk=300 kPa，一單元土層因無地下水承載力偏高。水庫蓄水后，最大水頭為27 m，承受水壓力為270 kPa，因此，10 m以上的土層會產(chǎn)生壓縮變形問題，及不均勻沉降。

2.7.2 滲漏

紅黏土為3.5×10-4～4.6×10-3cm/s，中等透水層，下部灰?guī)r為強透水層，巖溶極發(fā)育，水庫蓄水后，存在庫水通過土層向下滲漏問題。

2.7.3 滲透變形

紅黏土為中等透水層，根據(jù)滲透系數(shù)確定土層的容許水力坡降[8]為0.5～0.7，實際水力坡降最小為0.6～0.7，在東部，土層與基巖接觸帶實際水力坡降超過20，遠大于容許水力坡降，因此，水庫蓄水后，土層存在滲透變形條件，主要形式為流土破壞。

2.7.4 處理建議

紅黏土具有顆粒組成不均一、孔隙比大、壓縮系數(shù)高、承載力小、滲透系數(shù)大的特點，存在滲漏、不均勻沉降及滲透變形等工程地質(zhì)問題，建議對紅黏土進行強夯處理，以減少沉降量、提高承載力、提高抗?jié)B透變形的能力。

3 結(jié)語

(1) 紅黏土的礦物成分以高嶺石和針鐵礦為主。

(2) 紅黏土具有團粒結(jié)構(gòu)的特征，膠結(jié)物中水不會流動，屬惰性水。

(3) 原生紅黏土既有高含水量、高孔隙比、高塑性、低天然干密度的特點，又有低壓縮性、較高承載力、較高抗剪強度指標的特點，具較好的壓實性、較小的滲透性，是較好的心墻防滲料。

(4) 次生紅黏土有孔隙比大、壓縮系數(shù)大、滲透系數(shù)大的特點，存在滲漏、不均勻沉降及滲透變形等工程地質(zhì)問題。

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(責(zé)任編輯：于繼紅)

Study on Red Clay Characteristics in Water Conservancy Project

ZHAO Yongchuan

(YunnanProvinceHydraulicInvestigation,Design&ResearchInstitute,Kunming,Yunnan650021)

Taking the water conservancy project as an example,this paper starts from the aspects of mineral composition,particle gradation,particle microstructure,basic physical properties,plasticity,water permeability,compaction,shrinkage,compressibility and shear strength of the original red clay.The physical and mechanical properties of red clay were studied.The inertness of water in cement was analyzed,and the strength of cement was analyzed.The red clay had good compaction,less permeability and high shear strength.Better heart wall impermeable material.From the aspects of particle composition,natural bulk density,natural moisture content,porosity ratio,saturation,liquid limit,plasticity index,mechanical strength,compressive coefficient,water permeability and allowable hydraulic slope of secondary red clay,the study of red clay geological nature,put forward engineering measures.

red clay; physical and mechanical property; engineering geology property; engineering treatment

2017-07-12;改回日期:2017-07-21

趙永川(1966-),男,教授級高級工程師，礦產(chǎn)普查與勘探專業(yè)，從事水利水電工程地質(zhì)勘察工作。E-mail:1429553715@qq.com

P642.13+2; TU446

A

1671-1211(2017)04-0454-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.021

數(shù)字出版網(wǎng)址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170727.1444.002.html 數(shù)字出版日期:2017-07-27 14:44