曼维莱高液限粘土作芯墙筑坝材料研究

时间：2024-07-28

胡宁，滕杰，徐建闽，王进城，张学东

(中水北方勘察设计研究有限责任公司，天津 300222)

0 引言

作为一般的筑坝材料使用，中国相关规范中有如表1规定。

当粘粒含量＞30%或40%时，需进行专门论证。

曼维莱水电站位于喀麦隆南部地区，地表多为残积粘土，其母岩为下元古界恩特姆组(Pt1N)片麻岩或辉绿岩。粘土，褐黄色—棕黄色，天然状态下可塑—硬塑状，其主要物理力学指标统计见表2。

表1 规范中对筑坝材料的相关规定Table 1 The specification requirements about material of dam construction

表2 曼维莱粘土物理特征统计值表Table 2 Statistical results of MEMVE’ELE clay physical characteristics

显然，该粘土为典型的高液限粘土，其液限高达65左右，塑性指数高达30以上。该土在塑性图中的位置如图1。

图1 曼维莱粘土塑性图Fig.1 The Atterberg limits of MEMVE’ELE clay

1 特性分析

曼维莱粘土的试验成果见表2－表5，图1－图2。

表3 击实试验统计值表Table 3 Statistical results of compaction test

图2 曼维莱粘土颗分曲线Fig.2 Grain-size analysis curves of MEMVE’ELE clay

表4 自由膨胀率试验统计成果表Table 4 Statistical results of free expansion ratio test

表5 分散性试验统计成果表Table 5 Statistical results of dispersibility test

曼维莱高液限粘土，从颗分曲线上得知:胶粒(＜0.002 mm)含量高，部分粘粒(＞0.002 mm ～＜0.005 mm)缺失，细粒含量高，含10%左右粗粒或砾粒;从塑性图得知:液限与塑性指数呈相关关系，且接近于IP=0.73(WL－20)直线;从孔隙比与塑性指数关系曲线得知(图3)，孔隙比与塑性指数存在近似正相关关系。这与曼维莱粘土的母岩成分、风化演变特征、颗粒组成、结构、粘土矿物含量、颗粒排列等相关。

另外，非洲中部地区从新生界以来，极少新构造运动，在长期的酸性环境水的作用下，片麻岩长石等在以化学风化为主的风化营力作用下，长石转变为高岭石、蛭石等，然后历经漫长的地质时间，完全转化为残积粘土。因此，曼维莱粘土胶粒含量很高，其颗粒间的胶合力大于排斥力。由于未经搬运作用，天然土体相对较致密，最大击实干密度仅略大于天然干密度。

图3 孔隙比与液限关系散点图Fig.3 Scatter diagram of porosity＆liquid limit

分析认为，重塑土(98%压实度)的渗透性满足要求，即满足粘土芯墙的最根本条件;再者，其有机质含量和易溶盐含量均满足规范要求;天然含水量同最优含水率接近;土料属非膨胀性、非分散性土;唯独粘粒含量和塑性指数偏高。

其实，现行相关规范中，对高液限粘土，并没有明确表明不能作为填筑料使用，其主要是考虑施工难度问题。一般不宜压密，容易造成“弹簧土”现象，进而造成粘土芯墙坝或均质土坝的湿陷开裂，甚至进一步破坏的可能。中国有关地区的高液限粘土(南方红粘土)普遍具有中—高膨胀性、分散性问题。其同样属于湿热条件下形成的粘土，而母岩主要为沉积岩灰岩等。曼维莱粘土，由于主要母岩为片麻岩(变质岩)，本身母岩结构比沉积岩要致密，最终形成的残积土密度相对较大。因而同国内红粘土性状也不尽相同。

由于土料存在粘粒含量偏高，且液限＞40%的质量缺陷，土料含水率对碾压效果十分敏感，施工取土时，应尽量使上坝土料含水率与其最优含水率接近，以确保碾压质量。