卜寺沟水电站库区黄土的湿陷特性初步探讨

杨凌云,李小泉,谢光明

(1.中国水电顾问集团成都勘测设计研究院,四川 成都 610072;2.四川省地质工程勘察院 岩土水质检测中心,四川 成都 610072)

1 场地概况

卜寺沟水电站库区黄土场地位于足木足河左岸,空间上三面临空,足木足河在此处形成大拐弯,地貌上为缓坡平台堆积地形,自然坡度一般 5°～15°,局部陡坎,后缘分布高程 2760m,前缘临河边。从空间分布及组成物质上看,主要以冲洪积堆积黄色含砾黏质粉土和下部砂卵砾石二元结构组成,并表现为二级阶地,地形较平坦,局部有阶坎。根据现场调查及所布置的钻孔揭露,从上至下依次为:黄色含砾黏质粉土,厚 5～9m不等;砂卵砾石层,厚 6～16m不等。其中的黄色含砾黏质粉土层在水库蓄水后部分位于水下,因此必须对湿陷性进行研究。其湿陷性研究和结果对水库水位选择起着十分重要的作用和影响。

2 基本物理特性及矿化成分

2.1 基本物理性质参数

黄土的颗粒粒径基本属于细粒土,原位密度试验宜采用环刀法测得,土的界限含水率采用联合法测定,土的比重采用比重瓶法测定,土的颗粒分析采用筛析法和密度计法结合测定。为避免试验产生误差,共测试了 6组黄土的物理性质参数。测试成果见表1、2。

由试验测得的参数知:卜寺沟黄土的干密度在1.43～1.54g/cm3之间;孔隙比 0.759～0.876;液限26.1%～31.0%;颗粒粒径小于 5mm含量超过98%,小于 0.075mm含量为 81.94%～95.62%,小于 0.005mm含量为 19.28%～26.22%。

表1 卜寺沟黄土的物理性质参数

2.2 矿物化学成分分析

共测试了 3组矿物化学成分,测试成果见表3。

易溶盐含量对黄土的湿陷影响十分重要,为了对比分析此黄土与附近土料的差异,还进行了附近土料的化学成分分析,对比易溶盐指标,成果见表4。

从表4可以看出,黄土的易溶盐含量平均为0.13%,是附近其余几个料场土料易溶盐含量的2.2～4.3倍。

本场地区域靠近甘肃,为进一步论证黄土湿陷性,收集了我国山西、陕西、甘肃等湿陷性黄土的资料,其易溶盐含量指标见表5。由表5可以看出,此黄土与甘肃境内黄土水溶盐含量 0.10%～0.90%较为吻合。

表2 卜寺沟黄土的颗粒分析%

表3 黄土的化学分析试验成果

表4 黄土与附近土料易溶盐含量对比

表5 湿陷黄土的易溶盐含量比较 %

表6 单线法湿陷性试验成果

3 单线法黄土湿陷性试验

试验采用的压力等级分别为 25、50、100、150、200、300、400kPa,每一等级压力下采用一原状试样,试样高度 h0为 20mm。试验时,在某级压力下待变形稳定后的试样高度为 h1,保持压力不变使试样浸水,浸水稳定后试样的高度为 h2,则某级压力下的湿陷变形系数 δs=(h1-h2)/h0。共进行 3组单线法湿陷性试验,成果见表6。

4 双线法黄土湿陷性试验

试验采用的压力等级分别为 50、100、200、300、400kPa,每一组湿陷试验需两个试样,试样高度h0为 20mm。试验时,第一个试样在天然含水率状态下,在第一级压力(50kPa)下变形稳定后的试样高度为 h1,然后依次分级施加压力到变形稳定,第 i级压力下的试样高度为 hi;第二个试样在天然含水率状态下,施加第一级压力变形稳定后浸水,待湿陷变形稳定后的试样高度为 h′1,然后按照第一个试样施加的压力等级施加各级压力到变形稳定,试样高度为h′i,则第 i级压力下的湿陷变形系数 δs=(hi-h′i)/h0。共进行 3组双线法湿陷性试验,成果见表7。

表7 双线法湿陷性试验成果

5 成果取值分析及评价标准

5.1 黄土湿陷性的定性分析

根据场地地形和地质结构特点,即场地位于二级阶地上,大致形成于晚更新世～全新世早期堆积(Q3～Q14),地质结构具有明显的二元结构,上覆粘质粉土不仅具有黄土的所有指标特征,而且孔隙发育,土中水溶盐含量较高,明显可见白色钙质结核或条带发育,遇水后极易溶解,再加之天然含水率小于塑限,因此无论从形成的地形、地貌条件,还是从土体微结构及其常规物理性质指标和化学成分分析,场地土体属于黄土,且存在湿陷性的可能。

5.2 黄土湿陷性的判定及湿陷程度划分

黄土的湿陷性应按在一定压力下测定的湿陷系数进行判定,并应符合以下规定:

(1)当湿陷系数 δs＜0.015时,应定为非湿陷性黄土;

(2)当湿陷系数 δs≥0.015时,应定为湿陷性黄土。

若是湿陷性黄土,其湿陷强弱还可根据湿陷系数 δs值的大小进一步判别:

(1)当 0.015≤δs≤0.03时,湿陷性轻微;

(2)当 0.03＜δs≤0.07时,湿陷性中等;

(3)当 δs＞0.07时,湿陷性强烈。

现行规范规定,当基底下 10m以内为土层时,测定湿陷系数的试验压力应用 200kPa,本场地黄土平均层厚 7m,因此考虑在 200kPa压力下,测得湿陷系数(见表8)。可见,在标准压力下黄土属湿陷性强烈。

5.3 湿陷性黄土场地的自重湿陷性判定

黄土受水浸湿后,在上部土层的饱和自重压力作用下而发生的湿陷被称为自重湿陷,否则称非自重湿陷。划分自重湿陷和非自重湿陷黄土时,可根据黄土在室内作浸水压缩试验,在土的饱和自重压力下测土的自重湿陷系数 δzs。当 δzs＜0.015时,应定为非自重湿陷性黄土;当 δzs≥0.015时,应定为自重湿陷性黄土。

此场地黄土平均层厚 7m,假定黄土全部饱和,黄土干密度按 1.48g/cm3(试验平均值)计,黄土孔隙比按 0.824(试验平均值)计,黄土比重按 2.69(试验平均值)计,根据试验测得的湿陷系数和压力关系图(见图 1),黄土按 1m分一层,则 1～7m各层黄土上覆的饱和自重压力和在自重压力下从图中查得的湿陷系数见表9。由表9可见,从 1m以下黄土就具有自重湿陷性。

表8 黄土湿陷性判定

表9 黄土自重湿陷系数

5.4 湿陷性黄土场地地基的湿陷等级判定

湿陷性黄土地基的湿陷等级应根据基底下各土层累计的总湿陷量和计算自重湿陷量的大小等因素按表10判定。

图1 压力—湿陷系数关系对数回归分析曲线

湿陷性黄土地基浸水饱和后至稳定的总湿陷量,应按下式计算:

式中 δsi——第 i层土的湿陷系数;

hi——第 i层土的厚度,mm;

β——考虑基底下地基土体受水浸湿可能性和侧向挤出等因素的修正系数,这里取 β=1。

Δs的计算深度,应自基础底面(如基底标高不确定时,自地面下1.50m)算起;在非自重湿陷性黄土场地,累计至基底下10m(或地基压缩层)深度止;在自重湿陷性黄土场地,累计至非湿陷性黄土层的顶面止。

表10 湿陷性黄土地基的湿陷性等级

如场地中寺庙建筑基础建筑埋深 4.0m,按墙体高度 8m、平均容重 21kN/m3,则对地基土的基础荷载为 21(kN/m3)×8(m)=168kPa,由此可计算出地基总湿陷量为 42cm。湿陷性黄土场地自重湿陷量,可根据表9相应各土层湿陷系数计算,得出自重湿陷量为 14cm。

由此可以判定场地湿陷等级为Ⅱ级(中等)～Ⅲ级(严重)。

5.5 湿陷性黄土的湿陷起始压力

按室内压缩试验结果确定时,在 P-δs曲线上宜取 δs=0.015所对应的压力作为湿陷起始压力,可查得相应的起始压力为 9kPa。

6 结 语

针对卜寺沟水电站库区黄土的湿陷性评价,本文从黄土的物理性质试验、湿陷性的两种方法试验,黄土的化学分析,同时结合我国山西、陕西、甘肃等湿陷性黄土资料进行对比分析,论证了卜寺沟库区黄土的湿陷性,得出了湿陷相关参数,并进行了场地湿陷的初步分析评价,计算得出该场地为自重性湿陷黄土,湿陷等级为Ⅱ级(中等)～Ⅲ级(严重)。