萬家寨引黃工程砂黃土工程特性試驗(yàn)研究

萬家寨引黃工程砂黃土工程特性試驗(yàn)研究

0黃土人工壩型萬家寨引黃工程是我國的大型跨流域引水工程。位于山西省西北部的洛杉磯高原。黃河萬家寨水庫是引水工程的開始，由三部分組成：總干、南干（包括南干連接段）和北干（見圖1）。該引水工程通過我國黃土高原西北部砂黃土區(qū)。20世紀(jì)80年代以來,盡管不少單位開展了大量的工程地質(zhì)勘察和線路比選工作,避開了不少黃土地段或工程不直接與黃土接觸,但仍有少量工程段受到黃土不良工程特性的制約。大梁水庫是引黃北干線上的一座調(diào)蓄水庫,位于山西省朔州市平魯區(qū)井坪鎮(zhèn)西北約3km的下稱溝谷地內(nèi)。水庫壩址附近廣為第四紀(jì)黃土覆蓋,受砂礫料儲(chǔ)量等因素限制,黃土成為首選的筑壩材料和天然防滲土料,因此主壩壩型設(shè)計(jì)為黃土砂石混合壩,主壩防滲體為黃土厚心墻,下游壩殼也需用黃土填筑。筆者通過對(duì)大梁水庫附近砂黃土的物質(zhì)組成、物化性質(zhì)和力學(xué)特性等特征分析,闡述砂黃土作為水庫大壩土料的適宜性,并對(duì)類似地區(qū)工程建設(shè)易出現(xiàn)的工程問題進(jìn)行分析探討。1第三系上新統(tǒng)三表現(xiàn)大梁水庫料場為黃土坡地,距主壩1.25～3.6km,黃土呈層狀分布,上層為第四系上更新統(tǒng)馬蘭黃土(Q3),下層為中更新統(tǒng)離石黃土(Q2)、下伏第三系上新統(tǒng)三趾馬紅土(N2)及基巖。Q3黃土平均厚度8.6m,呈淺黃色,底部含有少量鈣質(zhì)結(jié)核。Q3黃土含水率一般在8%～14%之間,干容重一般為12.05～15.39kN/m3。Q2黃土平均厚度11.6m,呈淺棕色或棕黃色,結(jié)構(gòu)稍密實(shí),含水率相對(duì)較高,大部分在14%～17%之間。1.1分層黏粒含量根據(jù)全分散法顆粒分析結(jié)果,黃土顆粒成分的最大特點(diǎn)是粒徑大于0.05mm的極細(xì)砂和細(xì)砂顆粒含量很高,0.05～0.1mm極細(xì)砂粒組含量都超過30%,并且所有樣品的砂粒含量均超過粗粉粒組含量(見表1),這是西北黃土高原典型自重濕陷性黃土所沒有的,黃土高原中部和東部地區(qū)更無此現(xiàn)象。從小于0.005mm黏粒含量看,Q2黃土的黏粒含量總體較高(大于20%),也較穩(wěn)定,僅個(gè)別樣品黏粒含量較低。Q3黃土黏粒含量比Q2黃土略低,一般為15.3%～19.7%。掃描電子顯微鏡下觀察表明,砂黃土中的黏土顆粒不是獨(dú)立存在的,而主要以碎屑顆粒表面黏附物的形式構(gòu)成顆粒間膠結(jié)物,僅少數(shù)與碳酸鹽微晶和細(xì)分散碎屑顆粒組成聚集體,并構(gòu)成黃土骨架的一部分。黏土顆粒的這種存在形式更增加了黃土的粉土性。1.2黏土礦物成分20世紀(jì)80年代以前,由于儀器精度的局限性和對(duì)混層黏土礦物缺乏認(rèn)識(shí),許多研究者都認(rèn)為黃土中的主要黏土礦物為伊利石。實(shí)際上,伊利石的存在形式有兩種:一是伊利石/蒙脫石的混層礦物(IL/S),二是獨(dú)立存在的伊利石。根據(jù)X射線衍射定量測定結(jié)果(見表2和圖2),研究區(qū)砂黃土小于0.002mm粒級(jí)主要黏土礦物成分為伊利石/蒙脫石混層礦物,其混層比大部分為50%,即混層礦物中伊利石與蒙脫石的比值接近1:1;混層礦物含量占整個(gè)小于0.002mm黏粒含量的60%～70%;次要黏土礦物為伊利石,一般占18%～21%;同時(shí)伴生少量的高嶺石(5%～8%)和綠泥石(5%～11%),這與20世紀(jì)80年代以來,我國西北黃土高原最新黏土礦物測試結(jié)果相一致。根據(jù)試驗(yàn)和計(jì)算結(jié)果(見表2),IL/S混層礦物最高僅占天然干土重的11.51%,通常為7.02%～9.31%;伊利石含量2.39%～3.72%;高嶺石含量0.67%～1.24%,綠泥石含量0.93%～1.31%。采用SnCl2容量法測定的砂黃土有效蒙脫石含量均小于10%,最大僅9.74%,與比表面積測試結(jié)果一致(見表1)。上述測試結(jié)果表明,盡管IL/S混層礦物為膨脹性黏土礦物,但由于絕對(duì)含量低,整個(gè)砂黃土的物理化學(xué)活性和親水性都較低,導(dǎo)致黃土濕陷敏感性較強(qiáng),飽和黃土在震動(dòng)和滲透壓力作用下具有液化的趨勢(shì),這對(duì)工程是極為不利的。2試驗(yàn)結(jié)果的壓實(shí)特性多級(jí)荷載(荷重分別為0.05,0.1,0.2,0.4,0.6,0.8,1.2MPa)下的壓縮變形試驗(yàn)結(jié)果表明,砂黃土的壓縮變形隨著分級(jí)加荷具有明顯的階段性。當(dāng)荷重為0.05MPa時(shí)壓縮系數(shù)較高,隨后變化不是很大;荷重為0.2MPa時(shí)壓縮系數(shù)又開始增大,當(dāng)荷重達(dá)到0.4MPa時(shí),壓縮系數(shù)即達(dá)到極值,在此之后變形開始減弱。根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果,Q3黃土和Q2黃土的壓實(shí)特性略有差異;同時(shí)代的黃土因取樣位置不同,擊實(shí)特性也表現(xiàn)出一定的分散性。Q3黃土的最大擊實(shí)干密度為1.78g/cm3,最優(yōu)平均含水率為14.5%;Q2黃土的最大擊實(shí)干密度為1.79g/cm3,最優(yōu)平均含水率為15.2%。砂黃土的滲透性是庫壩設(shè)計(jì)中需要重點(diǎn)考慮的問題。根據(jù)滲透試驗(yàn)結(jié)果,當(dāng)砂黃土干密度控制在1.65g/cm3時(shí),Q3黃土和Q2黃土的滲透系數(shù)雖略有差異,但一般為(4～6)×10-6cm/s,說明經(jīng)過壓實(shí)處理的砂黃土基本上可以達(dá)到筑壩防滲設(shè)計(jì)要求。3第二、其它非織造材料的壓縮處理對(duì)明確基礎(chǔ)薄弱地區(qū)患者可以提高預(yù)壓縮能力的影響,見表3為了選擇和確定大梁水庫大壩施工黃土碾壓處理的最佳技術(shù)條件,分別對(duì)Q3黃土和Q2黃土的天然土、壓縮土(0.2MPa)、壓縮浸水土和擊實(shí)土4種狀態(tài)的8組樣品進(jìn)行微結(jié)構(gòu)觀察和對(duì)比,掃描電鏡放大倍數(shù)均采用500倍。對(duì)比結(jié)果表明:(1)與壓縮土、壓縮后浸水土和擊實(shí)土相比,天然狀態(tài)的Q3黃土和Q2黃土均具有顯著的欠壓密結(jié)構(gòu)特征,即具有發(fā)育的骨架間架空孔隙,孔隙直徑可達(dá)50～100μm(見圖3(a)、(e))。天然狀態(tài)的Q3黃土比Q2黃土結(jié)構(gòu)更疏松、架空孔隙更發(fā)育,這也預(yù)示著天然狀態(tài)的Q3黃土具有較高的濕陷性和壓縮性。(2)Q3黃土和Q2黃土在0.2MPa荷載下壓縮穩(wěn)定后,原始結(jié)構(gòu)均遭受強(qiáng)烈破環(huán),碎屑顆粒(包括黏土團(tuán)聚體)呈鑲嵌結(jié)構(gòu)緊密接觸(見圖3(b)、(f))。相比而言,Q3黃土比Q2黃土壓縮效應(yīng)更加顯著。(3)經(jīng)壓縮浸水處理的Q3黃土比純壓縮處理樣品壓縮效果更好一些,主要表現(xiàn)在微結(jié)構(gòu)單元排列更加致密、剩余的架空孔隙數(shù)量變少、孔徑變小,具有比較好的加固效果(見圖3(c))。但Q2黃土壓縮浸水效果不太理想,架空孔隙仍較發(fā)育(見圖3(g))。(4)與天然黃土相比,擊實(shí)處理后的黃土碎屑顆粒和黏土團(tuán)聚體雖然產(chǎn)生重新鑲嵌排列,但結(jié)構(gòu)體間界面顯現(xiàn),缺乏結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié),并表現(xiàn)出動(dòng)力剪切破壞機(jī)理(見圖3(d)、(h)),預(yù)示擊實(shí)處理后的砂黃土仍將具有一定的滲透性(k=10-6cm/s量級(jí))。4砂工程的問題分析4.1砂黃土壩底土料利用可行性濕陷性和較高滲透性是黃土天然地基最主要的不良工程性質(zhì),產(chǎn)生這種不良工程特性的原因在于天然黃土的高孔隙性(孔隙比高、干密度小),其本質(zhì)在于天然黃土中存在著與骨架碎屑顆粒尺寸同級(jí)別的架空孔隙或支撐孔隙。按工程特性進(jìn)行的壩基沉降量計(jì)算表明,未經(jīng)處理的此類土體壩基,在壩體荷載作用下將產(chǎn)生較大的壓縮和濕陷變形,并將由此導(dǎo)致壩體的不均勻沉陷,從而危及建筑物的安全運(yùn)營。根據(jù)壓縮土、壓縮浸水土和擊實(shí)土微觀結(jié)構(gòu)分析對(duì)比,壓縮浸水效果最為明顯。結(jié)合顆粒分析結(jié)果,Q2黃土作為筑壩的土料尤其是土石壩心墻防滲材料比較適宜,Q3黃土可作為下游壩殼填筑土料。應(yīng)當(dāng)指出,上述多種試驗(yàn)結(jié)果顯示,經(jīng)過嚴(yán)格壓實(shí)的砂黃土仍可能具有較高的滲透性,滲透率一般為(4～6)×106cm/s,因此在砂黃土區(qū)利用黃土作為土石壩心墻防滲土料時(shí),必須嚴(yán)格按筑壩要求進(jìn)行碾壓;并且施工期間在心墻上下游部位須采用多種途徑浸水,利用筑壩荷重預(yù)壓。此外,還可以采用初期控制水庫蓄水位等途徑進(jìn)行浸水預(yù)壓處理,使地基土逐漸完成固結(jié),這不僅可以減緩水庫開始蓄水時(shí)地基濕陷變形集中的矛盾,而且可以提高土層干密度值和強(qiáng)度指標(biāo)。4.2砂黃土力學(xué)特性砂黃土的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)在很大程度上決定著其力學(xué)特性,由于組成砂黃土的極細(xì)砂和粗粉粒含量很高,在微觀上表現(xiàn)為極微弱連結(jié)的粗骨架狀架空結(jié)構(gòu),因而砂黃土常具有較高的摩擦強(qiáng)度,內(nèi)摩擦角可以達(dá)到26°～31°。極低的黏粒含量決定此類黃土極低的黏聚力,根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果,砂黃土的c值一般僅為5～13kPa,這在黏性土中是非常罕見的。這些力學(xué)特性決定了黃土高原北部黃土厚度較大的邊坡常常會(huì)出現(xiàn)黃土滑塌災(zāi)害,坡體在滑移過程中主要表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)解體,而不是保持整體滑動(dòng),滑塌破壞后的滑床坡度仍然可以達(dá)45～50°。在引水工程設(shè)計(jì)和施工中應(yīng)該引起注4.3洞穴頂形成松弛帶在引水隧洞TBM施工中,砂黃土段塌方也是突出的工程問題,并且常常與滲漏相伴出現(xiàn)。由于砂黃土的黏聚力低,隧洞開挖后,很容易在隧洞上方形成較大范圍的松弛帶,使洞頂產(chǎn)生較大的向下位移。位于偏關(guān)縣的引黃總干線7號(hào)隧洞葛家山—水泉河段(開挖直徑6.01m,襯砌后內(nèi)徑5.46m)開挖在砂黃土中,采用卸載試驗(yàn)參數(shù)求得的隧洞開挖洞周位移結(jié)果表明,洞頂向下位移可達(dá)66mm,如果不進(jìn)行及時(shí)支護(hù)和處理,很容易引起塌方事故。5黃土的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)通過對(duì)萬家寨引黃工程大梁水庫周邊地區(qū)砂黃土的物質(zhì)組成、