楊建明，尤 鴻

(云南省水利水電勘測設(shè)計研究院，云南昆明 650021)

0 引言

云南省修建的大、中型水庫中很大部分為當(dāng)?shù)靥烊环罎B材料壩。在不同地方修建水庫，當(dāng)?shù)夭牧系臄?shù)量和質(zhì)量也不一樣。很多地方只要勘測設(shè)計人員能放開視野，擴大尋找當(dāng)?shù)胤罎B材料料源，客觀、科學(xué)、充分地利用好當(dāng)?shù)靥烊环罎B材料，就能更好地為修建水庫服務(wù)。因此，總結(jié)和研究天然防滲材料特性，更好地利用當(dāng)?shù)靥烊环罎B材料修建水庫，對修建土石壩具有重要意義。

1 天然防滲材料的種類及質(zhì)量指標(biāo)

根據(jù)《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(SL251—2000)規(guī)定，當(dāng)?shù)胤罎B材料的種類劃分為土料(細(xì)粒類土料)和碎(礫)石類土料。其技術(shù)指標(biāo)見表1和表2。

表1 土料主要質(zhì)量指標(biāo)［1］Table1 Main quality index of earth material

表2 碎(礫)石類土料主要質(zhì)量指標(biāo)Table 2 Main quality index of gravel earth material

在云南省大、中型水庫勘測設(shè)計過程中，對天然防滲材料的分類，常根據(jù)土的粒組、級配、細(xì)粒土含量、土的成因、顏色等劃分為粘性土料、紅粘土料、碎(礫)石類土料、風(fēng)化料和混合料等，有時從是否具有膨脹性的角度劃分為膨脹土料和非膨脹土料。

2 天然防滲材料的特性

2.1 粘性土料

粘性土主要礦物有高嶺石族、伊利石族、蒙脫石族、蛭石族以及海泡石族等［2］。粘土礦物對粘性土工程性質(zhì)影響很大。如蒙脫石是一種吸水膨脹、失水收縮的礦物，含有多量蒙脫石的粘土為具有較大膨脹變形能力的高塑性粘土(也叫膨脹土)。由于粘土具有較高塑性和低透水率的特點，常用來做土石壩的天然防滲材料。但純粘土(紅粘土除外)由于粘粒含量高、塑性指數(shù)高、天然含水量高，會給施工帶來很大的困難。相反，含礫、砂的粘性土就是較好的防滲材料。

2.2 紅粘土料

紅粘土是一種特殊的粘土。通常所說的紅粘土是指覆蓋于石灰?guī)r、白云巖等碳酸鹽類巖石之上的殘坡積土，鈣質(zhì)被淋漓，氧化鋁和氧化鐵相對密集而形成紅褐、棕紅、黃褐等色的粘性土。本文所說的紅粘土指廣義上的紅粘土，包括不同的巖、土經(jīng)風(fēng)化淋漓作用后形成的殘坡積紅色粘土。

紅粘土主要粘土礦物成分為高嶺石、水云母和針鐵礦，具有粘粒含量較高、塑性指數(shù)較高、天然含水量較高、一定的抗剪強度和較低的最大干密度，其指標(biāo)難以完全滿足防滲土料的要求，并且不同的巖、土風(fēng)化產(chǎn)生的紅粘土物理力學(xué)指標(biāo)又有較大差異，由表3及其它相關(guān)資料可知:

由碳酸鹽類巖石形成的紅粘土粘粒含量高，塑性指數(shù)IP10偏大，滲透系數(shù)很小，最大干密度較低，φ值較小，壓縮系數(shù)a0.1-0.2較大，擊實后孔隙比偏大。但當(dāng)母巖含有砂粒時，其形成的紅粘土也含有較多堅硬的砂粒，粘粒含量和塑性指數(shù)IP10明顯降低，最大干密度和φ值明顯提高，壓縮系數(shù)和擊實后孔隙比明顯降低，指標(biāo)向好的方向轉(zhuǎn)變。

由砂巖、硅質(zhì)巖、含礫砂土等風(fēng)化形成的紅粘土含有較多堅硬的砂粒，粘粒含量、塑性指數(shù)IP10適中，滲透系數(shù)較小，最大干密度較高，φ值較大，壓縮系數(shù)a0.1-0.2較小，擊實后孔隙比中等?？傮w指標(biāo)明顯優(yōu)于純碳酸鹽類巖石形成的紅粘土。

玄武巖風(fēng)化形成的紅粘土粘粒含量較高，塑性指數(shù)IP10偏大，滲透系數(shù)很小，最大干密度較低，φ值中等，壓縮系數(shù)a0.1-0.2中等，擊實后孔隙比偏大。但當(dāng)土料中含有堅硬的碎塊石時，粘粒含量和塑性指數(shù)IP10明顯降低，最大干密度和φ值明顯提高，壓縮系數(shù)和擊實后孔隙比明顯降低，指標(biāo)向好的方向轉(zhuǎn)變。

泥巖風(fēng)化形成的紅粘土粘粒含量偏高，塑性指數(shù)IP10稍大，滲透系數(shù)很小，最大干密度較低，φ值中等，壓縮系數(shù) a0.1-0.2較小，擊實后孔隙比中等。

表3 部分工程不同母巖形成的紅粘土防滲料主要物理力學(xué)指標(biāo)Table 3 Main physical and mechanical indexes of red clay imperviousmaterial

2.3 碎(礫)石類土料

實際上以碎石和砂礫石占主要成分的土作為防滲土料一般防滲指標(biāo)達(dá)不到要求。根據(jù)《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(SL251—2000)規(guī)定，粒徑＞5 mm的顆粒的質(zhì)量，小于總質(zhì)量的60%的各類土、軟巖及碾壓后可碎的風(fēng)化巖統(tǒng)稱為碎(礫)石類土，本文所指的碎(礫)石類土料主要指風(fēng)化巖料。根據(jù)祿勸縣真金萬水庫使用的全風(fēng)化泥巖夾少量粉砂巖和清水海海尾壩使用的全風(fēng)化玄武巖(指標(biāo)見表4)及其它相關(guān)資料可知，風(fēng)化料與殘坡積粘土相比有以下特點:①粘粒含量和塑性指數(shù)IP10明顯降低、最大干密度有不同程度提高、力學(xué)指標(biāo)一般會有所提高、壓縮系數(shù)和擊實后孔隙比會有不同程度降低，更符合質(zhì)量要求;②含水量對風(fēng)化料的影響沒有紅粘土那么敏感，有利于工程施工;③由于變形模量較高、壓縮性較小，與壩殼變形較為協(xié)調(diào)，有利于大壩穩(wěn)定;④抗?jié)B性能會有所降低。因此風(fēng)化料作為防滲土料不僅對母巖有選擇，且對巖石風(fēng)化程度更有要求。

一般情況由泥巖、頁巖等軟巖形成的全風(fēng)化巖均能滿足防滲土料質(zhì)量要求，甚至摻入10%左右的強風(fēng)化巖也能滿足防滲土料質(zhì)量要求，若中粗粒砂巖即便是全風(fēng)化巖滲透指標(biāo)也達(dá)不到要求。

表4 真金萬水庫泥巖、清水海海尾壩玄武巖全風(fēng)化防滲料主要物理力學(xué)指標(biāo)Table 4 Main physical and mechanical index of imperviousmaterial of basalt fully weathered

2.4 混合料

混合料使用廣泛。滲透指標(biāo)達(dá)不到防滲土料質(zhì)量要求的碎(礫)石類土摻入一定量的粘土后可以達(dá)到防滲土料質(zhì)量要求;粘粒含量太高的粘土作為防滲土料會有很多指標(biāo)不符合防滲土料質(zhì)量要求，摻入一定量的砂、礫石后會大大改善質(zhì)量指標(biāo)。如賓川縣大銀甸水庫更新統(tǒng)湖積粘土(為中偏低膨脹土)，摻入上部礫質(zhì)土后指標(biāo)大大改善，使用效果很好;安寧市張家壩水庫使用殘坡積紅粘土摻入30%左右的全強風(fēng)化泥巖效果也很好。

使用地表殘坡積粘土與下部全風(fēng)化巖混合作為防滲土料的水庫很多，例如尋甸縣清水海海尾壩、景洪市黃草嶺水庫、景東縣青龍水庫、安寧市張家壩水庫、楚雄市青山嘴水庫等。根據(jù)祿勸縣真金萬水庫同一個料場下部全風(fēng)化泥巖夾少量粉砂巖、上部殘坡積紅粘土以及兩種土按1∶1混合使用的主要物理力學(xué)指標(biāo)(指標(biāo)見表5)及其它相關(guān)資料可知:與粘土料相比，全風(fēng)化巖與上部殘坡積紅粘土混合有以下特點:①粘粒含量和塑性指數(shù)IP10明顯降低、最大干密度有不同程度提高、力學(xué)指標(biāo)一般會有所提高、壓縮系數(shù)和擊實后孔隙比會有不同程度降低，更符合質(zhì)量要求;②含水量對風(fēng)化料的影響沒有紅粘土那么敏感，有利于工程施工;③由于變形模量較高、壓縮性較小，與壩殼變形較為協(xié)調(diào)，有利于大壩穩(wěn)定;④可以增加土料開采厚度，減少土地征用面積，也能夠減少建庫的成本。

表5 祿勸真金萬水庫全風(fēng)化泥巖、殘坡積紅粘土及混合防滲料主要物理力學(xué)指標(biāo)Table 5 Main physical and mechanical index of fully weathered mudstone，red day and mixed imperviousmaterial

3 水庫當(dāng)?shù)靥烊环罎B材料的應(yīng)用現(xiàn)狀

使用殘坡積紅色粘土作為大、中型水庫的天然防滲材料在云南省已使用相當(dāng)普遍。比如在碳酸鹽類巖或玄武巖地區(qū)緩坡低洼地帶，常分布有一定厚度的第四系殘坡積紅色粘土，在這些地區(qū)修建水庫就很容易找到土石壩用的當(dāng)?shù)靥烊环罎B材料;在山高坡陡的花崗巖或變質(zhì)巖地區(qū)，就很難找到紅色粘土;在砂泥巖地區(qū)修建水庫，也常有第四系殘坡積紅色粘土，但粘土厚度薄，一般僅有1.0～2.0 m，而在當(dāng)今耕地或林地越來越貴，土地作為一種不可再生的寶貴資源，如果滿山遍野的去開采，不僅破壞了生態(tài)，占用或毀壞耕地，還增加了建庫的成本。

不同的地方修建水庫，當(dāng)?shù)靥烊徊牧系奶匦砸泊蟛灰粯印Ｓ械牡胤娇此撇痪哂行藿ó?dāng)?shù)靥烊环罎B材料壩的條件，但只要勘測設(shè)計人員能放開視野，擴大尋找當(dāng)?shù)胤罎B材料料源，客觀、科學(xué)、充分利用好當(dāng)?shù)靥烊环罎B材料，不僅能夠影響水庫設(shè)計壩型，還能夠降低水庫修建成本，更好地為工程服務(wù)。

近幾十年來云南省修建的大、中型水庫中使用風(fēng)化巖作為防滲土料的水庫越來越多，且多與地表殘坡積紅色粘土混合作為防滲土料使用。比如昆明市松華壩水庫、尋甸縣清水海海尾壩使用了風(fēng)化玄武巖與地表殘坡積紅色粘土混合料;景洪市黃草嶺水庫、景東縣青龍水庫、安寧市張家壩水庫、楚雄市青山嘴水庫等均使用了風(fēng)化泥巖與地表殘坡積紅色粘土混合料。與粘土比較，使用粘土與風(fēng)化巖混合料可以明顯降低土料中的粘粒含量，從而提高一系列的防滲土料質(zhì)量指標(biāo);與風(fēng)化巖比較，可以明顯提高土料的抗?jié)B性能和施工便利性，從而提高一系列的防滲土料質(zhì)量指標(biāo)。可以說使用風(fēng)化料與地表殘坡積紅色粘土混合料作為水庫天然防滲材料是勘測設(shè)計天然防滲材料的一種趨勢。

一般情況由泥巖、頁巖等軟巖形成的全風(fēng)化巖(甚至摻和少量的強風(fēng)化)均能滿足防滲土料質(zhì)量要求，在泥巖、頁巖等軟巖組成的緩坡地帶容易找到天然風(fēng)化防滲土料;在玄武巖組成的緩坡地帶也能找到天然風(fēng)化防滲土料;在花崗巖或變質(zhì)巖地區(qū)尋找天然風(fēng)化防滲土料較為困難。

4 結(jié)束語

殘坡積紅粘土作為大、中型水庫的天然防滲材料已使用相當(dāng)普遍，但我們在水庫的勘測設(shè)計過程中不能僅限于尋找和使用殘坡積紅粘土，還必須擴大尋找當(dāng)?shù)胤罎B材料料源。風(fēng)化料作為水庫的天然防滲材料前景廣闊，具有現(xiàn)實的工程意義，但不同的母巖風(fēng)化后能不能作為防滲料，或風(fēng)化到何種程度才能做防滲料是廣大科技工作者需要探討的問題。

與粘土料相比，粘土與風(fēng)化巖混合料可以大大降低土料中的粘粒含量，從而提高一系列的防滲土料質(zhì)量指標(biāo);與風(fēng)化料比較，使用混合料可以大大提高土料的抗?jié)B性能和施工便利性?？梢哉f使用混合料作為水庫天然防滲材料是勘測設(shè)計天然防滲材料的一種趨勢，也是我們在土石壩型設(shè)計中如何選定料場和料場開采規(guī)劃值得拓寬的勘測設(shè)計思路。

［1］SL251—2000，水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程［S］.

［2］水利水電工程地質(zhì)手冊(第七篇)［S］.北京:水利電力出版社，1985:155.