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        非洲科特迪瓦殘積土特征研究

        2021-09-26 03:42:22張青宇李忠爽胡金山
        水電站設(shè)計 2021年3期

        張青宇,李忠爽,蘇 星,胡金山

        (中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計研究院有限公司,四川 成都 610072)

        0 前 言

        科特迪瓦位于非洲大陸的西部,地理位置大致為北緯5°~10°,西經(jīng)3°~8°,該地區(qū)除西部有少量山地外,其余大部分地勢平坦。在大地構(gòu)造上位于西非早元古代克拉通的中部,幾內(nèi)亞太古代地核的東緣,前寒武系地層構(gòu)成了科特迪瓦的基底[1],占該國國土面積的90%以上,巖性為花崗巖系。

        科特迪瓦地處熱帶,大部分地區(qū)平均氣溫26~28℃,自北向南降雨量為1 000~2 400 mm。該地區(qū)分為四個季節(jié):4月至7月中旬為大雨季,7月中旬至9月為大旱季,9月至11月為小雨季,12月至來年3月為小旱季。

        受巖體本身特性和氣候的影響,表層巖體風(fēng)化作用強烈,形成厚度不均的紅色-灰白色風(fēng)化殼,風(fēng)化殼上部即為殘積土,下部為風(fēng)化程度不同的巖體。隨著“一帶一路”倡議的實施,中國參與的工程建設(shè)已擴(kuò)展至非洲的多國,科特迪瓦已建、在建或即將建成一大批水電項目,例如,科特迪瓦蘇布雷(Soubre)水電站的順利投產(chǎn)、波波里(Popoli)水電站的開工建設(shè)、布杜布雷(Boutoubre)水電站也正在進(jìn)行可研階段的工作等。因此,殘積土已經(jīng)成為科特迪瓦境內(nèi)工程建設(shè)中經(jīng)常遇到的土體之一,不同的氣候條件、風(fēng)化環(huán)境、地形地貌均會造成殘積土在物質(zhì)組成及工程特性上的較大差異[2],而特性上的差異往往決定著工程成本,所以其工程性質(zhì)越來越受到關(guān)注。綜上所述,研究殘積土的特征具有重要的現(xiàn)實意義。

        1 殘積土的成因研究

        由于科特迪瓦境內(nèi)地勢總體低平,巖體在高溫多雨、水循環(huán)通暢的環(huán)境下,遭受了長期強烈的風(fēng)化作用,從而形成紅褐色-灰白色風(fēng)化殼。風(fēng)化殼的厚度與氣候、地形、構(gòu)造運動及水文地質(zhì)條件息息相關(guān),總體上風(fēng)化殼具有以下分類。

        (1)殘積土帶。巖體已經(jīng)風(fēng)化成土,除少量原生礦物外,其他礦物已經(jīng)完全風(fēng)化成次生礦物。其中,黏土礦物較多,原巖已經(jīng)完全破壞,主要呈紅褐色,少量呈灰黃色,較密實,可塑-硬塑。隨著深度增加,殘積土顏色逐漸變淺,由紅褐色漸變?yōu)榛野咨?,黏土含量也呈降低趨勢,但粗砂、礫石含量增加,厚度約在1~15 m之間。

        (2)全風(fēng)化帶。巖體已經(jīng)完全風(fēng)化,但保留了原巖結(jié)構(gòu),其中以中粗砂為主要組成部分,有少量細(xì)顆粒物質(zhì)充填,結(jié)構(gòu)總體較密實,厚度約在1~14 m之間。

        (3)強風(fēng)化帶。巖體風(fēng)化嚴(yán)重,部分原巖礦物已經(jīng)變質(zhì),巖體呈散體-碎裂狀,厚度約在1~8 m之間。

        (4)弱風(fēng)化帶。巖體較完整,裂隙較發(fā)育,裂面中-重度銹染,巖體以次塊狀為主,厚度約在2~7 m之間。

        (5)微風(fēng)化帶。巖體裂隙發(fā)育較少,裂面較新鮮,為較完整巖體。

        (6)新鮮巖體。巖體新鮮,偶見風(fēng)化痕跡,巖體完整。

        上述風(fēng)化帶是相對的,有的厚度較薄,甚至缺失。從鉆孔巖芯上看,其中弱風(fēng)化、微風(fēng)化、新鮮巖體的差異不是十分明顯,尤其是微風(fēng)化與新鮮巖體差異更小。強弱風(fēng)化間巖體屬于碎屑風(fēng)化階段,強風(fēng)化以上的風(fēng)化屬于巖石碎屑化向土化轉(zhuǎn)化的過程。

        從全風(fēng)化層到殘積土,風(fēng)化程度更加徹底,石英含量明顯減少。從篩分統(tǒng)計成果上看(見表1、圖1),全風(fēng)化帶粗顆粒含量明顯比殘積土帶含量多,且細(xì)粒含量明顯比殘積土帶含量少。這是因為科特迪瓦氣溫高、雨量足、相對濕度大、溫差大,花崗巖的化學(xué)風(fēng)化作用更加強烈?;瘜W(xué)風(fēng)化主要是長石和石英在水、空氣等綜合作用下發(fā)生水解和碳酸化形成再生黏土礦物(如高嶺石),再由赤鐵礦鐵染而成紅色或紫紅色。因此殘積土以黏土礦物為主,且厚度通常較大。但殘積土中的石英等在經(jīng)歷了漫長的地質(zhì)作用下未被搬運,仍原地殘留,因此與殘積土中其他風(fēng)化殘積物之間有較好的連接強度與整體性[3-4],且其本身也具有較高的結(jié)構(gòu)強度,具弱-微透水性。

        表1 Boutoubre水電站殘積土與全風(fēng)化平均粒組分布

        圖1 Boutoubre水電站殘積土與全風(fēng)化平均粒組分布

        由于科特迪瓦相關(guān)試驗數(shù)據(jù)較少,因此研究科特迪瓦殘積土?xí)r參考了與國內(nèi)殘積土形成條件、母巖類型、形成物質(zhì)相似的相關(guān)試驗數(shù)據(jù)[4](見表2和表3)。

        由表2可知,殘積土主要礦物成份是石英和高嶺石,其次為長石、針鐵礦、伊利石、綠泥石等。在小于2μm黏土礦物平均含量統(tǒng)計中,高嶺石含量最高,其次為伊利石,綠泥石、蒙脫石含量較低,均在10%以內(nèi)。

        表2 殘積土礦物成份統(tǒng)計

        由表3可知,殘積土化學(xué)成份全土部分和小于2μm部分都是以SiO2、Al2O3為主,F(xiàn)e2O3次之,F(xiàn)eO含量極少,硅鋁比較小,說明花崗巖殘積土風(fēng)化作用強烈,殘積率較大,經(jīng)歷了明顯的紅土化作用,研究成果與科特迪瓦殘積土的性狀非常契合。

        表3 殘積土化學(xué)成份統(tǒng)計

        2 殘積土粒度組成特征研究

        科特迪瓦殘積土是花崗巖系巖體經(jīng)物理風(fēng)化和化學(xué)風(fēng)化后殘留在原地的產(chǎn)物,母巖的礦物成分、晶體顆粒的大小對粒度組成有很大的影響。

        表4、圖2~3為科特迪瓦Soubre水電站、Popoli水電站、Boutoubre水電站、LougaⅠ水電站、LougaⅡ水電站等5座水電站殘積土的粒度平均組成情況及各粒組平均組成情況。

        表4 科特迪瓦5座水電站殘積土粒組分布

        從圖2~3可知,科特迪瓦殘積土的粒徑細(xì)粒土占主要部分,約占59.3%,而粗粒土占次要部分,約占40.7%。同時,殘積土粒度組成呈“兩頭高、中間低”的分布特征。

        圖2 科特迪瓦5座水電站殘積土粒組分布曲線

        圖3 科特迪瓦5座水電站殘積土平均粒組分布曲線

        粒度組成的分布特征決定了殘積土的物質(zhì)構(gòu)成:由粗粒構(gòu)成土骨架,細(xì)粒進(jìn)行填充,因此結(jié)構(gòu)較密實。經(jīng)分析,粗粒徑的礦物(主要指大于0.5 mm)主要成分為石英,物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,進(jìn)行物理化學(xué)風(fēng)化的速度相對較慢。而粒徑小于0.5 mm的顆粒,主要是長石風(fēng)化的產(chǎn)物,物理化學(xué)性質(zhì)的穩(wěn)定性差,粒度較小,比表面積較大,活性較高,進(jìn)行物理化學(xué)風(fēng)化的速度相對較快,容易進(jìn)一步風(fēng)化成粉粒和黏粒。

        3 殘積土物理特征研究

        筆者對科特迪瓦Soubre水電站、Popoli水電站、Boutoubre水電站、LougaⅠ水電站、LougaⅡ水電站的殘積土土體試驗成果進(jìn)行了物理特性研究,分析土體物理指標(biāo)之間的內(nèi)在聯(lián)系,進(jìn)而全面認(rèn)識殘積土的特性。其含水率與液限、含水率與塑限、含水率與塑性指數(shù)、液限與塑限之間的散點關(guān)系見圖4~7。

        圖4 殘積土含水率與液限關(guān)系散點

        圖5 殘積土含水率與塑限關(guān)系散點

        圖6 殘積土含水率與塑性指數(shù)關(guān)系散點

        圖7 殘積土液限與塑限關(guān)系散點

        通過圖4~7可以看出,科特迪瓦殘積土的含水率、液限、塑限、塑性指數(shù)間存在一定的關(guān)系,即含水率與液限、塑限、塑性指數(shù)間具有正相關(guān)性,呈一定的線性關(guān)系,隨著含水率的增加,液限、塑限、塑性指數(shù)呈增長趨勢;同時,液限與塑限也具有正相關(guān)性,呈一定的線性關(guān)系,隨著液限增加,塑限也呈增長趨勢。

        4 殘積土工程分類特征研究

        目前,采用較多的殘積土分類方法是顆粒級配分類法,即土體烘干后,用篩分的方法測量土體的粒度級配,根據(jù)粒度級配對土體進(jìn)行分類的方法。通過查找相關(guān)資料得出,目前主要分類方法有四種,分別為深圳規(guī)范法[5]、福建規(guī)范法[6]、港口規(guī)范法[7]、文獻(xiàn)法[8]。這四種分類方法均把殘積土分為黏性土、砂質(zhì)黏性土、礫質(zhì)黏性土三類,其中深圳規(guī)范法與福建規(guī)范法以不小于2 mm的顆粒含量對殘積土進(jìn)行分類,而文獻(xiàn)法是以大于0.5 mm顆粒含量對殘積土進(jìn)行分類,具體內(nèi)容見表5。

        表5 殘積土現(xiàn)有分類方法

        據(jù)深圳規(guī)范法、福建規(guī)范法及港口規(guī)范法判斷,科特迪瓦殘積土為砂質(zhì)黏性土;據(jù)文獻(xiàn)法判斷,科特迪瓦殘積土為黏性土。由此可知,該四種分類方法對殘積土工程分類上存在矛盾。

        根據(jù)《土體分類標(biāo)準(zhǔn)》、表1及表3可知,科特迪瓦殘積土屬于粒徑大于0.075 mm的顆粒占總數(shù)的34%,小于50%;塑性指數(shù)為18.86,大于17。由此可判斷科特迪瓦殘和土屬于黏性土。

        因此,根據(jù)幾種方法的比較,綜合認(rèn)為科特迪瓦殘積土為黏性土比較合適,對于低壩基礎(chǔ)或低地應(yīng)力建筑物基礎(chǔ)可以利用。

        5 殘積土工程應(yīng)用特征研究

        科特迪瓦殘積土廣泛分布,其上部分布較薄的沖積砂層或直接裸露,如果滿足質(zhì)量要求,將是工程樞紐區(qū)附近較為理想的防滲土料源,有利于發(fā)揮土石壩就地取材和就近取材的優(yōu)勢。表6搜集了科特迪瓦三座水電站殘積土試驗數(shù)據(jù),統(tǒng)計了科特迪瓦殘積土物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)。

        表6 科特迪瓦殘積土物理力學(xué)參數(shù)

        從表6可知,殘積土天然含水率分布范圍為19.70%~22.23%,平均值為21.38%,在最優(yōu)含水率(-2%~+3%)的范圍內(nèi);黏粒含量分布范圍為16.20%~19.51%,平均含量18.37%;塑性指數(shù)分布范圍為18.13~20.00,平均值為18.86。根據(jù)相關(guān)規(guī)范,科特迪瓦殘積土基本滿足土石壩防滲土料的質(zhì)量要求。

        6 結(jié) 論

        (1)科特迪瓦的花崗巖系巖體受氣候及巖體本身特性的影響,表層巖體風(fēng)化作用強烈,形成風(fēng)化殼,且呈帶狀分布,從上至下分別為殘積土帶、全風(fēng)化帶、強風(fēng)化帶、弱風(fēng)化帶、微風(fēng)化帶及新鮮巖體。

        (2)科特迪瓦殘積土全土及小于2μm黏土礦物成分主要以石英和高嶺石為主?;瘜W(xué)成份全土部分和小于2μm黏土部分都是以SiO2、Al2O3為主,硅鋁比較小,經(jīng)歷了明顯的紅土化作用。

        (3)經(jīng)粒度組成統(tǒng)計與分析,科特迪瓦殘積土的粒徑細(xì)粒土占主要部分,粗粒土占次要部分;粗粒部分粒度呈“兩頭多,中間少”的分布特征。

        (4)天然含水率與液限、塑限、塑性指數(shù)及液限與塑限間存在正相關(guān)性,呈一定的線性關(guān)系。

        (5)本文對科特迪瓦殘積土進(jìn)行工程分類,綜合比較認(rèn)為:科特迪瓦殘積土為黏性土比較合適,適用于低壩基礎(chǔ)或低地應(yīng)力建筑物基礎(chǔ)。

        (6)科特迪瓦殘積土廣泛分布,經(jīng)物理力學(xué)試驗研究,基本滿足防滲土料的質(zhì)量要求,是土石壩防滲土料的理想料源。

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