水利枢纽工程中红黏土特性研究

赵永川

(云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021)

水利枢纽工程中红黏土特性研究

赵永川

(云南省水利水电勘测设计研究院，云南 昆明 650021)

以水利枢纽工程为例，从原生红黏土的矿物成分、颗粒级配、颗粒微观结构、基本物理性质、可塑性、透水性、击实性、胀缩性、压缩性、抗剪强度等方面入手，研究红黏土的物理力学性质，探讨团粒之间胶结物中水的惰性，分析胶结物的联接强度，红黏土具有较好的压实性、较小渗透性、较高的抗剪强度指标，是较好的心墙防渗料。从次生红黏土的颗粒组成、天然容重、天然含水率、孔隙比、饱和度、液限、塑性指数、力学强度、压缩系数、透水性、容许水力坡降等方面入手，研究红黏土的工程地质性质，提出工程处理措施。

红黏土；物理力学特性；工程地质特性；工程处理措施

中国红黏土主要分布在南方，以贵州、云南和广西最为典型和广泛，其次在四川盆地南缘和东部、鄂西、湘西、湘南、粤北、皖南和浙西等地也有分布。在西部，主要分布在较低的溶蚀夷平面及岩溶洼地、谷地；在中部，主要分布在峰林谷地、孤峰准平原及丘陵洼地；在东部，主要分布在高阶地以上的丘陵区。

暮底河水库[1]设计为黏土心墙堆石坝，坝高67.10 m，总库容5 850.7×104m3。工程区位于云贵高原的南缘斜坡地带，灰岩出露面积约占80%～90%，风化形成的残积红黏土广泛分布，为原生红黏土。研究红黏土的物理力学性质，就地取材填筑大坝防渗心墙，对降低工程投资有十分重要的意义。

坝塘水库位于石头地向斜东翼天然溶蚀洼地中，总库容为1 841×104m3，夹持于小江深大断裂东支(大白河断裂)与西支(乌龙街断裂)之间，灰岩岩溶发育，四周都有低邻谷，地下水低于库底140～170 m，为悬托型岩溶水库，库区渗漏是水库的主要工程地质问题[2]，防渗处理区大面积出露洪积红黏土，为次生红黏土。研究红黏土的工程地质性质，对防渗处理区地基基础进行工程地质评价和分析，提出处理措施，为防渗处理方案选择提供基础资料，对水库正常发挥效益提供技术支撑。

1 暮底河水库原生红黏土的利用研究

本文以暮底河水库土料场的原生红黏土为研究对象。

1.1 概况

料场有用层为棕红色的黏土，残积成因，为原生红黏土，有用层厚度变化大，最薄1.1 m，最厚达7.3 m，平均开采深度4.24 m；下部基岩为石炭系中统威宁组(C2w)的灰岩、含生物碎屑灰岩。αw=0.42～0.70，为硬塑—坚硬状态；偶见裂隙，呈致密状结构。Ir=1.36～1.73，I＇r=1.68～1.89，Ir

1.2 矿物成分

红黏土的矿物成分包括碎屑矿物和黏土矿物两类。碎屑矿物主要为石英[SiO2]、针铁矿[FeO(OH)]、锐钛矿[TiO2]、微斜长石[KAlSi3O8]；含量32.1%～45.7%，平均值38.5%。其中针铁矿含量16.4%～22.0%，平均值18.6%，约占碎屑矿物的一半。

黏土矿物以高岭石[Al2Si2O5(OH)4]为主，含量54.3%～67.9%，平均值61.5%(见表1)。

表1 红黏土的矿物成分Table 1 The mineral composition of red clay

1.3 颗粒级配

红黏土的颗粒级配由砂粒(2～0.05 mm)、粉粒(0.05～0.005 mm)、黏粒(<0.005 mm)组成，其中砂粒含量9.7%～38.0%，平均值25.7%；粉粒含量30.7%～53.5%，平均值40.0%；黏粒含量26.0%～45.5%，平均值34.3%。

1.4 颗粒微观结构

研究表明，红黏土中的游离氧化铁主要以针铁矿[FeO(OH)]的形式存在[3]，暮底河水库红黏土中针铁矿含量16.4%～22.0%，平均值18.6%。

灰岩风化形成片状高岭土等黏土矿物，颗粒通过边面接触形式形成絮凝结构，游离氧化铁颗粒极细，极易与水作用形成溶胶胶体，充填在絮凝结构孔隙中，溶胶中的水化胶粒相互吸引聚合在一起，使聚合体失水形成凝胶而吸附在片状黏土颗粒上，其中一部分则被吸附在黏土颗粒的边—面接触处形成胶结物，组成基本颗粒单元；基本颗粒单元通过胶结物形成较大粒团，粒团通过胶结物形成更大聚集体，土体由形态、大小各异的粒团、聚集体、胶结物堆积而成。

因此，红黏土具有团粒结构的特征，孔隙中充填溶胶性的水。

1.5 物理力学性质

红黏土的物理性质包括土粒比重、天然含水量、最优含水量、天然干密度、最大干密度、液限、塑限、塑性指数、含水比(αw)、孔隙比、饱和度、渗透系数、自由膨胀率等，暮底河水库土料场红黏土物理性质试验成果见表2。

红黏土的力学性质包括压缩系数、饱和固结快剪的黏聚力、内摩擦角等，暮底河水库土料场红黏土力学性质试验成果见表2。

表2 红黏土的物理性质、力学性质Table 2 The physical property of red clay

1.6 质量分析

质量分析是指红黏土作为心墙堆石坝防渗料的分析，主要从黏粒含量、孔隙比、饱和度、液限、塑限、塑性指数、含水比、干密度、含水量、渗透系数、自由膨胀率、压缩系数、抗剪强度指标等物理力学性质进行分析。

1.6.1 黏粒含量

红黏土的黏粒含量最大值为45.5%，最小值为26.0%，平均值为34.3%。15组样品中有11组超过30%，仅两组超过40%，比一般黏性土高5%～10%[4]，按照一般黏性土评价，质量一般，满足心墙防渗料的要求。

1.6.2 孔隙比

红黏土的天然孔隙比最大值为1.24，最小值为0.80，平均值为1.05，标准差0.12，变异系数0.11，离散程度较小。15组样品中有12组的孔隙比超过1.0，比一般黏性土高，与贵州、广西、四川、湖南的红黏土指标基本一致。

1.6.3 饱和度

红黏土的饱和度最大值为98.7%，最小值为85.3%，平均值为92.2%，标准差3.8%，变异系数0.04，离散程度小,饱和度高，与贵州、广西、湖南的红黏土指标基本一致。

1.6.4 液限

红黏土的液限最大值为74.7%，最小值为43.7%，平均值为61.7%，标准差9.9%，变异系数0.16，离散程度较小。15组样品中有13组的液限超过50%，为高液限土，比一般黏性土高10%～20%，与贵州、广西、四川、湖南的红黏土指标基本一致。

1.6.5 塑限

红黏土的塑限最大值为54.0%，最小值为31.8%，平均值为43.1%，标准差7.3%，变异系数0.17，离散程度较小。15组样品中有3组的塑限低于天然含水量0.4%～2.4%，其余12组的塑限高于天然含水量3.8%～23.2%，其中有5组塑限高于天然含水量12.1%～23.2%，比贵州、广西、四川、湖南的红黏土指标要高一些，土料的质量不均一。

1.6.6 塑性指数(Ip10)

红黏土的塑性指数最大值为31.6，最小值为11.6，平均值为18.6,标准差4.9，变异系数0.26，离散程度较大。15组样品中有3组的塑性指数超过20，与一般黏性土指标基本一致。

1.6.7 含水比

红黏土的含水比最大值为0.71，最小值为0.42，平均值为0.56，标准差0.08，变异系数0.14，离散程度较小,与贵州、广西、四川、湖南的红黏土指标基本一致。

1.6.8 干密度

红黏土的天然干密度最大值为1.32 g/cm3，最小值为0.94 g/cm3，平均值仅1.13 g/cm3，标准差0.14 g/cm3，变异系数0.12，离散程度较小。

红黏土击实后的最大干密度最大值为1.53 g/cm3，最小值为1.27 g/cm3，平均值为1.37 g/cm3，标准差0.06 g/cm3，变异系数0.04，离散程度小。

天然干密度、击实后的最大干密度比一般黏性土低0.1～0.2 g/cm3。

击实干密度大于天然干密度，质量好，满足心墙防渗料的要求。

1.6.9 含水量

通过25组天然含水量测试，垂向上，随深度增加，红黏土的含水量有增大的趋势，地表以下3～4 m红黏土的含水量比地表以下1 m的含水量高1%～3%。

红黏土的天然含水量最大值为43.7%，最小值为21.8%，平均值为35.9%，标准差5.4%，变异系数0.15，离散程度较小。

红黏土的最优含水量最大值为40.4%，最小值为25.4%，平均值为34.5% ，标准差4.9%，变异系数0.14，离散程度较小。

15组样品中，有6组天然含水量小于最优含水量(-8.4%～-2.0%)，有6组天然含水量与最优含水量差值在-2.0%～+3.0%之间，有3组天然含水量大于最优含水量(+3.0%～+7.9%)。

天然含水量与最优含水量比一般黏性土高，比贵州、广西、湖南的红黏土指标要低一些。

天然含水量与最优含水量有6组较接近，有6组含水量低，可通过碾压前洒水提高含水量。有3组含水量高，减少红黏土的含水量较困难，虽然天然含水量大于最优含水量(+3.0%～+7.9%)，通过施工碾压质量检测和水库运行情况来看，红黏土质量好，防渗作用明显，满足心墙防渗料的要求。

红黏土的胶结物质是由极细的胶粒(针铁矿)为骨架的水化物聚合而成，具有较大的表面积和吸附水的能力，不具明显的离子交换性能。凝胶状胶结物在土体中占一定的体积，这部分水不会流动，属惰性水，虽然红黏土含水量较高，但仍有较好的压实性和较小的渗透性，是较好的心墙防渗料。

暮底河水库大坝经过7年高水位安全运行，渗漏量很小。

1.6.10 渗透系数

红黏土的垂直渗透系数最大值为8.86×10-7cm/s，最小值为5.90×10-8cm/s，平均值为3.00×10-7cm/s，标准差2.24×10-7cm/s，变异系数0.75，离散程度大。大值均值为4.62×10-7cm/s，<1.00×10-5cm/s，质量好，满足心墙防渗料的要求。

1.6.11 自由膨胀率

红黏土的自由膨胀率最大值为25%，最小值为5%，平均值为18%，标准差6.7%，变异系数0.37，离散程度较大，大值均值为22%，不具膨胀性。

1.6.12 压缩系数

红黏土的压缩系数最大值为0.24 MPa-1，最小值为0.12 MPa-1，平均值为0.18 MPa-1，标准差0.03 MPa-1，变异系数0.17，离散程度较小，大值均值为0.21 MPa-1，与一般黏性土的指标基本一致，比贵州、广西、四川、湖南的红黏土指标要小。

1.6.13 抗剪强度指标

红黏土的黏聚力最大值为46.2 kPa，最小值为11.6 kPa，平均值为33.7 kPa，标准差7.2 kPa，变异系数0.21，离散程度较大，小值均值为23.7 kPa。

红黏土的内摩擦角最大值为26.4°，最小值为22.63°，平均值为24.76°，标准差1.2°，变异系数0.05，离散程度小，小值均值为23.6°。

红黏土的抗剪强度指标较高，高于一般黏性土，比贵州、广西、四川、湖南的红黏土指标要大。联接团粒的胶结物是在成土过程中形成的，具有一定的稳定性和联接强度，使土体有较高的黏聚力和内摩擦角。

2 坝塘水库次生红黏土处理研究

本文以坝塘水库防渗处理区土工膜地基基础的次生红黏土为研究对象。

2.1 概况

防渗处理区地基基础为红黏土，洪积成因，属次生红黏土，有用层厚度变化大，最薄5 m，最厚达20 m，下部基岩为二叠系下统茅口组(P1m)灰岩。次生红黏土具有孔隙比大、压缩系数大、渗透系数大的特点。

为了研究红黏土随埋深增加工程地质性质的变化情况，根据埋深把土层分为七个单元:一单元土层埋深0～2 m，二单元土层埋深2～4 m，三单元土层埋深4～6 m，四单元土层埋深6～8 m，五单元土层埋深8～10 m，六单元土层埋深10～12 m，12 m以下的土层为七单元。

2.2 颗粒级配

对原状土样进行颗分试验：一单元土层粉粒含量42%～59%，黏粒含量41%～58%；二单元土层砂粒含量1%～2%，局部达20%，粉粒含量40%～45%，黏粒含量48%～53%；三单元土层砂粒含量1%～3%，粉粒含量43%～51%，黏粒含量46%～56%；四单元土层局部有砾粒含量10%～20%，砂粒含量1%～5%，局部达11%，粉粒含量37%～52%，黏粒含量30%～48%，局部达61%；五单元土层砂粒含量1%～2%，粉粒含量43%～49%，黏粒含量49%～54%；六单元土层局部有砾粒含量20%～30%，砂粒含量4%～6%，局部达15%，粉粒含量33%～45%，黏粒含量30%～45%，局部达56%～62%；七单元土层砂粒含量1%～3%，粉粒含量36%～47%，黏粒含量50%～62%。

土层的颗粒组成不均一，局部为含砾黏土；局部夹不连续的粉细砂层(厚度为0.2～0.3 m)；黏粒含量高，随深度无规律。

2.3 标贯试验

标准贯入试验是指在钻孔中将一定规格的贯入器打入土中，根据贯入击数判断土的性质，估算土的承载力的现场试验方法[5]。贯入击数分别为：一单元土层8.0，二单元土层6.9，三单元土层6.9，四单元土层7.5，五单元土层9.0，六单元土层10.2，七单元土层10.9;随深度增加，土层的贯入击数增大，一单元土层因无地下水，贯入击数偏高。

2.4 物理力学性质

对原状土样进行室内物理力学试验，试验成果见表3。

表3 红黏土试验成果表Table 3 The test results table of red clay

从表中可以看出，天然容重随深度增加而增大；天然含水率除0～2 m较小外，其余单元变化不大，无明显变化规律；孔隙比随深度增加而减小；饱和度随深度增加而增大，除0～2 m不饱和外，越向下越饱和；液限高，随深度无明显变化规律；塑性指数大，随深度无明显变化规律；凝聚力随深度增大有增大的趋势；内摩擦角随深度增加有增大的趋势；压缩系数明显变小，0～10 m为高压缩性土，10 m以下为中等压缩性土,0～12 m为欠固结土，12 m以下为正常固结土。

2.5 膨胀性

根据试验成果，红黏土自由膨胀率30%～56%，平均值42%，大值均值52%，有75%的样品自由膨胀率>40%，平均线缩率为4.4%，平均膨胀力8 kPa,平均体缩16.1%，具弱膨胀潜势。

2.6 渗透性

在钻孔中进行注水试验，红黏土渗透系数大值均值分别为：0～5 m(一、二、三单元土层)为3.7×10-3cm/s，5～10 m(四、五单元土层)为9.4×10-4cm/s，10 m以下(六、七单元土层)为3.5×10-4cm/s。在浅井进行试坑注水试验，试验深度为2～5 m，渗透系数大值均值为4.6×10-3cm/s，两种试验方法的成果基本一致。随深度增加，土层透水性逐渐减小。

2.7 工程地质问题分析

2.7.1 不均匀沉降

红黏土标贯击数从上到下有增大的趋势，标准贯入击数按照公式fk=80+20.2 N换算成承载力特征值fk[6-7]。一单元土层fk=241 kPa，二单元土层fk=219 kPa，三单元土层fk=219 kPa，四单元土层fk=232 kPa，五单元土层fk=261 kPa，六单元土层fk=286 kPa，七单元土层fk=300 kPa，一单元土层因无地下水承载力偏高。水库蓄水后，最大水头为27 m，承受水压力为270 kPa，因此，10 m以上的土层会产生压缩变形问题，及不均匀沉降。

2.7.2 渗漏

红黏土为3.5×10-4～4.6×10-3cm/s，中等透水层，下部灰岩为强透水层，岩溶极发育，水库蓄水后，存在库水通过土层向下渗漏问题。

2.7.3 渗透变形

红黏土为中等透水层，根据渗透系数确定土层的容许水力坡降[8]为0.5～0.7，实际水力坡降最小为0.6～0.7，在东部，土层与基岩接触带实际水力坡降超过20，远大于容许水力坡降，因此，水库蓄水后，土层存在渗透变形条件，主要形式为流土破坏。

2.7.4 处理建议

红黏土具有颗粒组成不均一、孔隙比大、压缩系数高、承载力小、渗透系数大的特点，存在渗漏、不均匀沉降及渗透变形等工程地质问题，建议对红黏土进行强夯处理，以减少沉降量、提高承载力、提高抗渗透变形的能力。

3 结语

(1) 红黏土的矿物成分以高岭石和针铁矿为主。

(2) 红黏土具有团粒结构的特征，胶结物中水不会流动，属惰性水。

(3) 原生红黏土既有高含水量、高孔隙比、高塑性、低天然干密度的特点，又有低压缩性、较高承载力、较高抗剪强度指标的特点，具较好的压实性、较小的渗透性，是较好的心墙防渗料。

(4) 次生红黏土有孔隙比大、压缩系数大、渗透系数大的特点，存在渗漏、不均匀沉降及渗透变形等工程地质问题。

[1] 赵永川.文山暮底河水库渗漏分析[J].河海大学学报(自然科学版)，2007，35(z2):193-196.

[2] 赵永川.东川坝塘水库渗漏分析[J].人民长江，2005，36(9):14-15.

[3] 谭罗荣，孔令伟.某类红粘土的基本特性与微观结构模型[J]. 岩土工程学报，2001,23(4)：458-462.

[4] 关志诚,林昭,曹克明,等.水工设计手册:第6卷土石坝[M].第2版.北京：中国水利水电出版社，2014.

[5] 陈德基，徐福兴，姚楚光,等.中国水利百科全书水利工程勘测分册[M].北京：中国水利水电出版社，2004.

[6] 常士骠，张苏民,项勃,等.工程地质手册[M].第四版.北京：中国建筑工业出版社,2007.

[7] 曾国熙，卢肇钧，蒋国澄,等.地基处理手册[M].北京:中国建筑工业出版社，1989.

[8] 高尧基，徐台赛,邵维中,等.水利水电工程地质手册[M].北京:水利电力出版社，1985.

(责任编辑：于继红)

Study on Red Clay Characteristics in Water Conservancy Project

ZHAO Yongchuan

(YunnanProvinceHydraulicInvestigation,Design&ResearchInstitute,Kunming,Yunnan650021)

Taking the water conservancy project as an example,this paper starts from the aspects of mineral composition,particle gradation,particle microstructure,basic physical properties,plasticity,water permeability,compaction,shrinkage,compressibility and shear strength of the original red clay.The physical and mechanical properties of red clay were studied.The inertness of water in cement was analyzed,and the strength of cement was analyzed.The red clay had good compaction,less permeability and high shear strength.Better heart wall impermeable material.From the aspects of particle composition,natural bulk density,natural moisture content,porosity ratio,saturation,liquid limit,plasticity index,mechanical strength,compressive coefficient,water permeability and allowable hydraulic slope of secondary red clay,the study of red clay geological nature,put forward engineering measures.

red clay; physical and mechanical property; engineering geology property; engineering treatment

2017-07-12;改回日期:2017-07-21

赵永川(1966-),男,教授级高级工程师，矿产普查与勘探专业，从事水利水电工程地质勘察工作。E-mail:1429553715@qq.com

P642.13+2; TU446

A

1671-1211(2017)04-0454-06

10.16536/j.cnki.issn.1671-1211.2017.04.021

数字出版网址:http://www.cnki.net/kcms/detail/42.1736.X.20170727.1444.002.html 数字出版日期:2017-07-27 14:44