卜寺溝水電站庫(kù)區(qū)黃土的濕陷特性初步探討

楊凌云,李小泉,謝光明

(1.中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,四川 成都 610072;2.四川省地質(zhì)工程勘察院 巖土水質(zhì)檢測(cè)中心,四川 成都 610072)

1 場(chǎng)地概況

卜寺溝水電站庫(kù)區(qū)黃土場(chǎng)地位于足木足河左岸,空間上三面臨空,足木足河在此處形成大拐彎,地貌上為緩坡平臺(tái)堆積地形,自然坡度一般 5°～15°,局部陡坎,后緣分布高程 2760m,前緣臨河邊。從空間分布及組成物質(zhì)上看,主要以沖洪積堆積黃色含礫黏質(zhì)粉土和下部砂卵礫石二元結(jié)構(gòu)組成,并表現(xiàn)為二級(jí)階地,地形較平坦,局部有階坎。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及所布置的鉆孔揭露,從上至下依次為:黃色含礫黏質(zhì)粉土,厚 5～9m不等;砂卵礫石層,厚 6～16m不等。其中的黃色含礫黏質(zhì)粉土層在水庫(kù)蓄水后部分位于水下,因此必須對(duì)濕陷性進(jìn)行研究。其濕陷性研究和結(jié)果對(duì)水庫(kù)水位選擇起著十分重要的作用和影響。

2 基本物理特性及礦化成分

2.1 基本物理性質(zhì)參數(shù)

黃土的顆粒粒徑基本屬于細(xì)粒土,原位密度試驗(yàn)宜采用環(huán)刀法測(cè)得,土的界限含水率采用聯(lián)合法測(cè)定,土的比重采用比重瓶法測(cè)定,土的顆粒分析采用篩析法和密度計(jì)法結(jié)合測(cè)定。為避免試驗(yàn)產(chǎn)生誤差,共測(cè)試了 6組黃土的物理性質(zhì)參數(shù)。測(cè)試成果見(jiàn)表1、2。

由試驗(yàn)測(cè)得的參數(shù)知:卜寺溝黃土的干密度在1.43～1.54g/cm3之間;孔隙比 0.759～0.876;液限26.1%～31.0%;顆粒粒徑小于 5mm含量超過(guò)98%,小于 0.075mm含量為 81.94%～95.62%,小于 0.005mm含量為 19.28%～26.22%。

表1 卜寺溝黃土的物理性質(zhì)參數(shù)

2.2 礦物化學(xué)成分分析

共測(cè)試了 3組礦物化學(xué)成分,測(cè)試成果見(jiàn)表3。

易溶鹽含量對(duì)黃土的濕陷影響十分重要,為了對(duì)比分析此黃土與附近土料的差異,還進(jìn)行了附近土料的化學(xué)成分分析,對(duì)比易溶鹽指標(biāo),成果見(jiàn)表4。

從表4可以看出,黃土的易溶鹽含量平均為0.13%,是附近其余幾個(gè)料場(chǎng)土料易溶鹽含量的2.2～4.3倍。

本場(chǎng)地區(qū)域靠近甘肅,為進(jìn)一步論證黃土濕陷性,收集了我國(guó)山西、陜西、甘肅等濕陷性黃土的資料,其易溶鹽含量指標(biāo)見(jiàn)表5。由表5可以看出,此黃土與甘肅境內(nèi)黃土水溶鹽含量 0.10%～0.90%較為吻合。

表2 卜寺溝黃土的顆粒分析%

表3 黃土的化學(xué)分析試驗(yàn)成果

表4 黃土與附近土料易溶鹽含量對(duì)比

表5 濕陷黃土的易溶鹽含量比較 %

表6 單線法濕陷性試驗(yàn)成果

3 單線法黃土濕陷性試驗(yàn)

試驗(yàn)采用的壓力等級(jí)分別為 25、50、100、150、200、300、400kPa,每一等級(jí)壓力下采用一原狀試樣,試樣高度 h0為 20mm。試驗(yàn)時(shí),在某級(jí)壓力下待變形穩(wěn)定后的試樣高度為 h1,保持壓力不變使試樣浸水,浸水穩(wěn)定后試樣的高度為 h2,則某級(jí)壓力下的濕陷變形系數(shù) δs=(h1-h2)/h0。共進(jìn)行 3組單線法濕陷性試驗(yàn),成果見(jiàn)表6。

4 雙線法黃土濕陷性試驗(yàn)

試驗(yàn)采用的壓力等級(jí)分別為 50、100、200、300、400kPa,每一組濕陷試驗(yàn)需兩個(gè)試樣,試樣高度h0為 20mm。試驗(yàn)時(shí),第一個(gè)試樣在天然含水率狀態(tài)下,在第一級(jí)壓力(50kPa)下變形穩(wěn)定后的試樣高度為 h1,然后依次分級(jí)施加壓力到變形穩(wěn)定,第 i級(jí)壓力下的試樣高度為 hi;第二個(gè)試樣在天然含水率狀態(tài)下,施加第一級(jí)壓力變形穩(wěn)定后浸水,待濕陷變形穩(wěn)定后的試樣高度為 h′1,然后按照第一個(gè)試樣施加的壓力等級(jí)施加各級(jí)壓力到變形穩(wěn)定,試樣高度為h′i,則第 i級(jí)壓力下的濕陷變形系數(shù) δs=(hi-h′i)/h0。共進(jìn)行 3組雙線法濕陷性試驗(yàn),成果見(jiàn)表7。

表7 雙線法濕陷性試驗(yàn)成果

5 成果取值分析及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

5.1 黃土濕陷性的定性分析

根據(jù)場(chǎng)地地形和地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn),即場(chǎng)地位于二級(jí)階地上,大致形成于晚更新世～全新世早期堆積(Q3～Q14),地質(zhì)結(jié)構(gòu)具有明顯的二元結(jié)構(gòu),上覆粘質(zhì)粉土不僅具有黃土的所有指標(biāo)特征,而且孔隙發(fā)育,土中水溶鹽含量較高,明顯可見(jiàn)白色鈣質(zhì)結(jié)核或條帶發(fā)育,遇水后極易溶解,再加之天然含水率小于塑限,因此無(wú)論從形成的地形、地貌條件,還是從土體微結(jié)構(gòu)及其常規(guī)物理性質(zhì)指標(biāo)和化學(xué)成分分析,場(chǎng)地土體屬于黃土,且存在濕陷性的可能。

5.2 黃土濕陷性的判定及濕陷程度劃分

黃土的濕陷性應(yīng)按在一定壓力下測(cè)定的濕陷系數(shù)進(jìn)行判定,并應(yīng)符合以下規(guī)定:

(1)當(dāng)濕陷系數(shù) δs＜0.015時(shí),應(yīng)定為非濕陷性黃土;

(2)當(dāng)濕陷系數(shù) δs≥0.015時(shí),應(yīng)定為濕陷性黃土。

若是濕陷性黃土,其濕陷強(qiáng)弱還可根據(jù)濕陷系數(shù) δs值的大小進(jìn)一步判別:

(1)當(dāng) 0.015≤δs≤0.03時(shí),濕陷性輕微;

(2)當(dāng) 0.03＜δs≤0.07時(shí),濕陷性中等;

(3)當(dāng) δs＞0.07時(shí),濕陷性強(qiáng)烈。

現(xiàn)行規(guī)范規(guī)定,當(dāng)基底下 10m以內(nèi)為土層時(shí),測(cè)定濕陷系數(shù)的試驗(yàn)壓力應(yīng)用 200kPa,本場(chǎng)地黃土平均層厚 7m,因此考慮在 200kPa壓力下,測(cè)得濕陷系數(shù)(見(jiàn)表8)?？梢?jiàn),在標(biāo)準(zhǔn)壓力下黃土屬濕陷性強(qiáng)烈。

5.3 濕陷性黃土場(chǎng)地的自重濕陷性判定

黃土受水浸濕后,在上部土層的飽和自重壓力作用下而發(fā)生的濕陷被稱為自重濕陷,否則稱非自重濕陷。劃分自重濕陷和非自重濕陷黃土?xí)r,可根據(jù)黃土在室內(nèi)作浸水壓縮試驗(yàn),在土的飽和自重壓力下測(cè)土的自重濕陷系數(shù) δzs。當(dāng) δzs＜0.015時(shí),應(yīng)定為非自重濕陷性黃土;當(dāng) δzs≥0.015時(shí),應(yīng)定為自重濕陷性黃土。

此場(chǎng)地黃土平均層厚 7m,假定黃土全部飽和,黃土干密度按 1.48g/cm3(試驗(yàn)平均值)計(jì),黃土孔隙比按 0.824(試驗(yàn)平均值)計(jì),黃土比重按 2.69(試驗(yàn)平均值)計(jì),根據(jù)試驗(yàn)測(cè)得的濕陷系數(shù)和壓力關(guān)系圖(見(jiàn)圖 1),黃土按 1m分一層,則 1～7m各層黃土上覆的飽和自重壓力和在自重壓力下從圖中查得的濕陷系數(shù)見(jiàn)表9。由表9可見(jiàn),從 1m以下黃土就具有自重濕陷性。

表8 黃土濕陷性判定

表9 黃土自重濕陷系數(shù)

5.4 濕陷性黃土場(chǎng)地地基的濕陷等級(jí)判定

濕陷性黃土地基的濕陷等級(jí)應(yīng)根據(jù)基底下各土層累計(jì)的總濕陷量和計(jì)算自重濕陷量的大小等因素按表10判定。

圖1 壓力—濕陷系數(shù)關(guān)系對(duì)數(shù)回歸分析曲線

濕陷性黃土地基浸水飽和后至穩(wěn)定的總濕陷量,應(yīng)按下式計(jì)算:

式中 δsi——第 i層土的濕陷系數(shù);

hi——第 i層土的厚度,mm;

β——考慮基底下地基土體受水浸濕可能性和側(cè)向擠出等因素的修正系數(shù),這里取 β=1。

Δs的計(jì)算深度,應(yīng)自基礎(chǔ)底面(如基底標(biāo)高不確定時(shí),自地面下1.50m)算起;在非自重濕陷性黃土場(chǎng)地,累計(jì)至基底下10m(或地基壓縮層)深度止;在自重濕陷性黃土場(chǎng)地,累計(jì)至非濕陷性黃土層的頂面止。

表10 濕陷性黃土地基的濕陷性等級(jí)

如場(chǎng)地中寺廟建筑基礎(chǔ)建筑埋深 4.0m,按墻體高度 8m、平均容重 21kN/m3,則對(duì)地基土的基礎(chǔ)荷載為 21(kN/m3)×8(m)=168kPa,由此可計(jì)算出地基總濕陷量為 42cm。濕陷性黃土場(chǎng)地自重濕陷量,可根據(jù)表9相應(yīng)各土層濕陷系數(shù)計(jì)算,得出自重濕陷量為 14cm。

由此可以判定場(chǎng)地濕陷等級(jí)為Ⅱ級(jí)(中等)～Ⅲ級(jí)(嚴(yán)重)。

5.5 濕陷性黃土的濕陷起始?jí)毫?/h3>

按室內(nèi)壓縮試驗(yàn)結(jié)果確定時(shí),在 P-δs曲線上宜取 δs=0.015所對(duì)應(yīng)的壓力作為濕陷起始?jí)毫?可查得相應(yīng)的起始?jí)毫?9kPa。

6 結(jié) 語(yǔ)

針對(duì)卜寺溝水電站庫(kù)區(qū)黃土的濕陷性評(píng)價(jià),本文從黃土的物理性質(zhì)試驗(yàn)、濕陷性的兩種方法試驗(yàn),黃土的化學(xué)分析,同時(shí)結(jié)合我國(guó)山西、陜西、甘肅等濕陷性黃土資料進(jìn)行對(duì)比分析,論證了卜寺溝庫(kù)區(qū)黃土的濕陷性,得出了濕陷相關(guān)參數(shù),并進(jìn)行了場(chǎng)地濕陷的初步分析評(píng)價(jià),計(jì)算得出該場(chǎng)地為自重性濕陷黃土,濕陷等級(jí)為Ⅱ級(jí)(中等)～Ⅲ級(jí)(嚴(yán)重)。