全风化玄武岩防渗料可行性试验研究

贾　伟，李　庆，肖　杨

（1.凉山州水利电力勘测研究院，四川 西昌 615000；2.西昌大地勘察设计有限公司，四川 西昌 615000）

四川西南部地区以山地为主，属高烈度地震区，在水利建设中，土石坝有着较强的适宜性。防渗料是土石坝的主要筑坝材料之一，工程区附近防渗土料的分布、开采条件，物理力学性质等因素对工程的实施及投资有着较大的影响。川西南山区修建水利工程，工程区附近往往缺少集中分布的黏土料作为土石坝防渗土料，目前已有工程使用基岩风化料、洪积碎石土作为土石坝防渗料，但基岩风化料多以泥岩、粉砂岩全－强风化料为主。雷波县杉树堡水库和昭觉县斯穆补约水库工程区及附近，主要出露二叠系峨眉山玄武岩，区域内无集中土层分布，修建土石坝所需的防渗料，在选择上只有零星的残坡积土层和玄武岩全风化层，玄武岩全风化层是否适用作防渗料，成为坝型选择的关键。本文以雷波杉树堡水库防渗土料勘察试验为例，针对玄武岩全风化层作为防渗料的可行性，进行试验研究，以期对水利工程建设中类似环境下修建土石坝选择防渗料，提供借鉴。

1　工程概况

杉树堡水库位于四川省雷波县境内、金沙江左岸一级支流豆沙溪上游，是一座新建解决人饮、灌溉的综合性小一型水利工程。水库枢纽拦河大坝采用黏土心墙堆石坝，坝顶轴线长294.80 m，最大坝高52.71 m，坝顶高程1963.71 m，坝顶宽6.00 m。工程河段呈“U”型谷，地形相对较缓，河谷开阔。海拔高程多在1 900～2 000 m，属于深切割的构造侵蚀高中山河谷地貌，区域内的地层主要由第四系全新统松散堆积层（Q4）和二叠系上统峨眉山玄武岩（P2β），第四系松散堆积层分布零星，岩性杂乱[1]。

根据工程区地质条件，在天然建材勘察工作中，经过11处土料场的比较，最终确定坝址较近的为黄泥巴道坡—蛮岩洞—大河沟堡之间为防渗土料料场，并对该料场进行了详细勘察和取样试验。防渗土料为第四系残坡积土层和玄武岩全风化层[2]。

2　玄武岩全风化层分布特征

2.1　岩性特征

工程区二叠系峨眉山玄武岩为深灰-深灰绿色，主要由基性长石和辉石等矿物组成，隐晶质结构，块状构造，主要有致密状玄武岩，杏仁状玄武岩、斑状玄武岩等。根据风化程度，可分为全风化、强风化、弱风化、弱风化四类。

全风化玄武岩为灰褐-褐黄色，主要由基岩风化次生黏土矿物组成，岩石组织结构基本完全破坏，已崩解和分解成松散的土状，偶见混合土碎石状，但未移动，仍残留有原始结构痕迹，原岩矿物大部分风化蚀变为次生矿物，浸水易崩解；锤击有松软感，出现凹坑，矿物可手捏碎，用锹可以挖动。

2.2　分布特征

玄武岩风化全层分布受地形、地貌、原岩岩性、地质构造、气候条件等诸多因素的影响[3]。杉树堡水库防渗土料场位于工程区附近的山脊、斜坡，属于深切割的构造侵蚀高中山山地地貌。土料场地形一般为5°～25°斜坡，微地貌主要为宽缓斜坡及山脊地貌。根据勘察揭露该料场表层0.5～1.0 m为根植土层，其下1.5～6.1 m为残坡积粉质黏土层。下伏玄武岩，其中，玄武岩全风化层厚0.30～20.90 m，顶板埋深1.50～6.10 m，底板埋深2.70～31.20 m（局部含强风化玄武岩块碎石土层），风化土料有用层较稳定，储量丰富[4]。

3　全风化土料质量评价

在料场范围内不同地段对全风化玄武岩取样共计3件，进行土料大样试验(编号为N3、N4、N9)，12件小样进行室内土常规试验分析（编号为NZK1-2～ NZK2-6）。

3.1　基本物理性质

对风化土料（＜2 mm）部份进行了级配、颗分、界限含水率和自由膨胀率物理性质试验、化学分析等进行试验，其结果见表1～3。

表1　杉树堡水库风化土料细粒（＜2mm）物理性能试验

根据表1试验结果可以看出：（1）风化土料自由膨胀率分别为26%～30%，无膨胀性；（2）风化土料液限为51.5%～60.6%，为高液限；塑性指数Ip为17.8～25.8；（3）风化土料按土料塑性分类图，土样在塑性图上的分布范围大部分落于A线之下，其液限值高，一般都大于50%，属高液限粉质土类，该料与典型的南方红土特征基本吻合。双比重计试验结果中，分散度为30%～50%，同样证明该风化土料红土化，具有团粒结构。

表2　杉树堡水库风化土料化学试验　%

从表2的试验结果可以看出：风化土料水溶盐质量分数0.187 2%～0.224 2%，满足规范土料水溶盐质量分数＜3%的要求；有机质质量分数0.39%～0.98%，满足规范对土料有机质质量分数＜2%的要求。

可以看出：大样中黏粒占＜5 mm颗粒质量分数12.8%～40.1%，小样中黏粒占＜5 mm颗粒质量分数10.62%～37.7%，基本符合规范粘粒质量分数占＜5 mm颗粒的15%～40%要求。

根据表1～3的试验结果，参照SL251—2015可以看出，玄武岩全风化层土料为高液限（含砾）粉质黏土[5]。

表3　杉树堡水库风化土料级配试验

3.2　密度和渗透性

风化土料最大干密度分别采用单位击实功为592.2 kJ/m3轻型击实和单位击实功为2 684.9 kJ/m3重型击实试验测定[6-7]。根据类似工程经验和大坝等级，采用重型击实试验，测得压实度为0.96时的干密度作为试验控制干密度[8]，并采用控制干密度所对应含水率制样做渗透试验3组，见表4。

表4　风化土料密度和渗透试验

风化土料密度和渗透性试验结果可以看出：

（1）采用轻型击实试验测得最大干密度1.25～1.46 g/cm3，最优含水率30.4%～41.0%。天然含水率29.0%～42.5%，土料天然含水率在用最优含水率填筑允许范围内。采用重型击实试验测得最大干密度1.44～1.62 g/cm3，最优含水率23.2%～33.3%。

（2）采用重型击实试验，测得压实度为0.96时的干密度作为试验控制干密度，并采用控制干密度所对应含水率制作渗透试样，渗透系数为4.6×10-7～3.7×10-6cm/s，满足规范对防渗料渗透系数小于1.0×10-5cm/s要求。

3.3　压缩性

采用重型击实试验，测得压实度为0.96时的干密度作为试验控制干密度，并采用控制干密度所对应含水率制作压缩样进行固结试验。结果表明风化土料饱和压缩指标av0.1-0.2为0.140～0.214 MPa-1、Es0.1～0.2为5.397～13.078 MPa，属中等压缩性。

3.4　抗剪强度

采用重型击实试验，测得压实度为0.96时的干密度作为试验控制干密度，并采用控制干密度所对应含水率制作直剪样进行直剪试验，结果见表5。

表5　杉树堡水库风化土料直剪试验

风化土料直剪试验表明：风化土料非饱和不固结快剪体积分数为24.7%～28.6%，C为63.6～105.6 kPa；饱和固结快剪体积分数为19.9%～27.0%，C为19.3～58.5 kPa；饱和固结慢剪体积分数为23.3%～29.8%，C为17.2～40.0 kPa，风化土料具一定的抗剪强度。

3　结论

（1）玄武岩全风化层为高液限（含砾）粉质黏土，无膨胀性；风化土料的有机质含量、水溶盐含量符合心墙坝防渗土料质量技术要求。

（2）风化土料压实后，满足规范对防渗料渗透系数要求，具有中等压缩性。

（3）风化土料击实最大干密度较低、最优含水率高、压缩系数较低、压缩模量较高、有一定的抗剪强度等性质可以作为土石坝防渗料。

（4）由于风化土料场土料性质分布不均，建议使用时压实度、干密度和含水率等填筑标准应结合土性和试验成果选取，应控制粒径＞5 mm质量分数≤50%，最大粒径不超过150 mm；粒径＜0.075 mm质量分数不低于15%。