土石坝天然防渗材料应用探讨

杨建明，尤 鸿

(云南省水利水电勘测设计研究院，云南昆明 650021)

0 引言

云南省修建的大、中型水库中很大部分为当地天然防渗材料坝。在不同地方修建水库，当地材料的数量和质量也不一样。很多地方只要勘测设计人员能放开视野，扩大寻找当地防渗材料料源，客观、科学、充分地利用好当地天然防渗材料，就能更好地为修建水库服务。因此，总结和研究天然防渗材料特性，更好地利用当地天然防渗材料修建水库，对修建土石坝具有重要意义。

1 天然防渗材料的种类及质量指标

根据《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》(SL251—2000)规定，当地防渗材料的种类划分为土料(细粒类土料)和碎(砾)石类土料。其技术指标见表1和表2。

表1 土料主要质量指标［1］Table1 Main quality index of earth material

表2 碎(砾)石类土料主要质量指标Table 2 Main quality index of gravel earth material

在云南省大、中型水库勘测设计过程中，对天然防渗材料的分类，常根据土的粒组、级配、细粒土含量、土的成因、颜色等划分为粘性土料、红粘土料、碎(砾)石类土料、风化料和混合料等，有时从是否具有膨胀性的角度划分为膨胀土料和非膨胀土料。

2 天然防渗材料的特性

2.1 粘性土料

粘性土主要矿物有高岭石族、伊利石族、蒙脱石族、蛭石族以及海泡石族等［2］。粘土矿物对粘性土工程性质影响很大。如蒙脱石是一种吸水膨胀、失水收缩的矿物，含有多量蒙脱石的粘土为具有较大膨胀变形能力的高塑性粘土(也叫膨胀土)。由于粘土具有较高塑性和低透水率的特点，常用来做土石坝的天然防渗材料。但纯粘土(红粘土除外)由于粘粒含量高、塑性指数高、天然含水量高，会给施工带来很大的困难。相反，含砾、砂的粘性土就是较好的防渗材料。

2.2 红粘土料

红粘土是一种特殊的粘土。通常所说的红粘土是指覆盖于石灰岩、白云岩等碳酸盐类岩石之上的残坡积土，钙质被淋漓，氧化铝和氧化铁相对密集而形成红褐、棕红、黄褐等色的粘性土。本文所说的红粘土指广义上的红粘土，包括不同的岩、土经风化淋漓作用后形成的残坡积红色粘土。

红粘土主要粘土矿物成分为高岭石、水云母和针铁矿，具有粘粒含量较高、塑性指数较高、天然含水量较高、一定的抗剪强度和较低的最大干密度，其指标难以完全满足防渗土料的要求，并且不同的岩、土风化产生的红粘土物理力学指标又有较大差异，由表3及其它相关资料可知:

由碳酸盐类岩石形成的红粘土粘粒含量高，塑性指数IP10偏大，渗透系数很小，最大干密度较低，φ值较小，压缩系数a0.1-0.2较大，击实后孔隙比偏大。但当母岩含有砂粒时，其形成的红粘土也含有较多坚硬的砂粒，粘粒含量和塑性指数IP10明显降低，最大干密度和φ值明显提高，压缩系数和击实后孔隙比明显降低，指标向好的方向转变。

由砂岩、硅质岩、含砾砂土等风化形成的红粘土含有较多坚硬的砂粒，粘粒含量、塑性指数IP10适中，渗透系数较小，最大干密度较高，φ值较大，压缩系数a0.1-0.2较小，击实后孔隙比中等。总体指标明显优于纯碳酸盐类岩石形成的红粘土。

玄武岩风化形成的红粘土粘粒含量较高，塑性指数IP10偏大，渗透系数很小，最大干密度较低，φ值中等，压缩系数a0.1-0.2中等，击实后孔隙比偏大。但当土料中含有坚硬的碎块石时，粘粒含量和塑性指数IP10明显降低，最大干密度和φ值明显提高，压缩系数和击实后孔隙比明显降低，指标向好的方向转变。

泥岩风化形成的红粘土粘粒含量偏高，塑性指数IP10稍大，渗透系数很小，最大干密度较低，φ值中等，压缩系数 a0.1-0.2较小，击实后孔隙比中等。

表3 部分工程不同母岩形成的红粘土防渗料主要物理力学指标Table 3 Main physical and mechanical indexes of red clay imperviousmaterial

2.3 碎(砾)石类土料

实际上以碎石和砂砾石占主要成分的土作为防渗土料一般防渗指标达不到要求。根据《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》(SL251—2000)规定，粒径＞5 mm的颗粒的质量，小于总质量的60%的各类土、软岩及碾压后可碎的风化岩统称为碎(砾)石类土，本文所指的碎(砾)石类土料主要指风化岩料。根据禄劝县真金万水库使用的全风化泥岩夹少量粉砂岩和清水海海尾坝使用的全风化玄武岩(指标见表4)及其它相关资料可知，风化料与残坡积粘土相比有以下特点:①粘粒含量和塑性指数IP10明显降低、最大干密度有不同程度提高、力学指标一般会有所提高、压缩系数和击实后孔隙比会有不同程度降低，更符合质量要求;②含水量对风化料的影响没有红粘土那么敏感，有利于工程施工;③由于变形模量较高、压缩性较小，与坝壳变形较为协调，有利于大坝稳定;④抗渗性能会有所降低。因此风化料作为防渗土料不仅对母岩有选择，且对岩石风化程度更有要求。

一般情况由泥岩、页岩等软岩形成的全风化岩均能满足防渗土料质量要求，甚至掺入10%左右的强风化岩也能满足防渗土料质量要求，若中粗粒砂岩即便是全风化岩渗透指标也达不到要求。

表4 真金万水库泥岩、清水海海尾坝玄武岩全风化防渗料主要物理力学指标Table 4 Main physical and mechanical index of imperviousmaterial of basalt fully weathered

2.4 混合料

混合料使用广泛。渗透指标达不到防渗土料质量要求的碎(砾)石类土掺入一定量的粘土后可以达到防渗土料质量要求;粘粒含量太高的粘土作为防渗土料会有很多指标不符合防渗土料质量要求，掺入一定量的砂、砾石后会大大改善质量指标。如宾川县大银甸水库更新统湖积粘土(为中偏低膨胀土)，掺入上部砾质土后指标大大改善，使用效果很好;安宁市张家坝水库使用残坡积红粘土掺入30%左右的全强风化泥岩效果也很好。

使用地表残坡积粘土与下部全风化岩混合作为防渗土料的水库很多，例如寻甸县清水海海尾坝、景洪市黄草岭水库、景东县青龙水库、安宁市张家坝水库、楚雄市青山嘴水库等。根据禄劝县真金万水库同一个料场下部全风化泥岩夹少量粉砂岩、上部残坡积红粘土以及两种土按1∶1混合使用的主要物理力学指标(指标见表5)及其它相关资料可知:与粘土料相比，全风化岩与上部残坡积红粘土混合有以下特点:①粘粒含量和塑性指数IP10明显降低、最大干密度有不同程度提高、力学指标一般会有所提高、压缩系数和击实后孔隙比会有不同程度降低，更符合质量要求;②含水量对风化料的影响没有红粘土那么敏感，有利于工程施工;③由于变形模量较高、压缩性较小，与坝壳变形较为协调，有利于大坝稳定;④可以增加土料开采厚度，减少土地征用面积，也能够减少建库的成本。

表5 禄劝真金万水库全风化泥岩、残坡积红粘土及混合防渗料主要物理力学指标Table 5 Main physical and mechanical index of fully weathered mudstone，red day and mixed imperviousmaterial

3 水库当地天然防渗材料的应用现状

使用残坡积红色粘土作为大、中型水库的天然防渗材料在云南省已使用相当普遍。比如在碳酸盐类岩或玄武岩地区缓坡低洼地带，常分布有一定厚度的第四系残坡积红色粘土，在这些地区修建水库就很容易找到土石坝用的当地天然防渗材料;在山高坡陡的花岗岩或变质岩地区，就很难找到红色粘土;在砂泥岩地区修建水库，也常有第四系残坡积红色粘土，但粘土厚度薄，一般仅有1.0～2.0 m，而在当今耕地或林地越来越贵，土地作为一种不可再生的宝贵资源，如果满山遍野的去开采，不仅破坏了生态，占用或毁坏耕地，还增加了建库的成本。

不同的地方修建水库，当地天然材料的特性也大不一样。有的地方看似不具有修建当地天然防渗材料坝的条件，但只要勘测设计人员能放开视野，扩大寻找当地防渗材料料源，客观、科学、充分利用好当地天然防渗材料，不仅能够影响水库设计坝型，还能够降低水库修建成本，更好地为工程服务。

近几十年来云南省修建的大、中型水库中使用风化岩作为防渗土料的水库越来越多，且多与地表残坡积红色粘土混合作为防渗土料使用。比如昆明市松华坝水库、寻甸县清水海海尾坝使用了风化玄武岩与地表残坡积红色粘土混合料;景洪市黄草岭水库、景东县青龙水库、安宁市张家坝水库、楚雄市青山嘴水库等均使用了风化泥岩与地表残坡积红色粘土混合料。与粘土比较，使用粘土与风化岩混合料可以明显降低土料中的粘粒含量，从而提高一系列的防渗土料质量指标;与风化岩比较，可以明显提高土料的抗渗性能和施工便利性，从而提高一系列的防渗土料质量指标。可以说使用风化料与地表残坡积红色粘土混合料作为水库天然防渗材料是勘测设计天然防渗材料的一种趋势。

一般情况由泥岩、页岩等软岩形成的全风化岩(甚至掺和少量的强风化)均能满足防渗土料质量要求，在泥岩、页岩等软岩组成的缓坡地带容易找到天然风化防渗土料;在玄武岩组成的缓坡地带也能找到天然风化防渗土料;在花岗岩或变质岩地区寻找天然风化防渗土料较为困难。

4 结束语

残坡积红粘土作为大、中型水库的天然防渗材料已使用相当普遍，但我们在水库的勘测设计过程中不能仅限于寻找和使用残坡积红粘土，还必须扩大寻找当地防渗材料料源。风化料作为水库的天然防渗材料前景广阔，具有现实的工程意义，但不同的母岩风化后能不能作为防渗料，或风化到何种程度才能做防渗料是广大科技工作者需要探讨的问题。

与粘土料相比，粘土与风化岩混合料可以大大降低土料中的粘粒含量，从而提高一系列的防渗土料质量指标;与风化料比较，使用混合料可以大大提高土料的抗渗性能和施工便利性。可以说使用混合料作为水库天然防渗材料是勘测设计天然防渗材料的一种趋势，也是我们在土石坝型设计中如何选定料场和料场开采规划值得拓宽的勘测设计思路。

［1］SL251—2000，水利水电工程天然建筑材料勘察规程［S］.

［2］水利水电工程地质手册(第七篇)［S］.北京:水利电力出版社，1985:155.