湿陷性黄土筑坝关键物理力学参数研究

李润芝 李岳东

湿陷性黄土是一种以粉土颗粒为主，富含碳酸盐，具有大孔隙，黄色疏松的第四纪堆积物。其最大特点是受水浸湿后，在土的自重压力或自重压力和附加压力共同作用下，土体结构迅速破坏，产生大量而急剧的沉陷，使建筑物大幅度沉降、开裂、倾斜，严重危害建筑物安全。特别是大厚度湿陷性黄土，由于湿陷性土层厚度大，湿陷强烈，对建设工程带来更大的危害[1]。

目前，国内外利用湿陷性黄土修建的大坝较少，大部分均是在湿陷性黄土基础上修建的其他坝型，或以非湿陷性黄土作为心墙料修建的坝，如山西大梁水库，坝型为黄土心墙砂砾石坝，心墙黄土料无湿陷性[2]。少部分以湿陷性黄土修建的大坝均为中低坝，如山西吕梁的横泉水库为黄土均质坝，坝高36.7 m，筑坝黄土具有湿陷性，工程施工采用强夯处理消除黄土湿陷性[3]。因湿陷性黄土强度低，孔隙大，不易碾压密实，坝体沉降较大，故国内外目前尚无百米级黄土坝。

本文结合甘肃某百米黄土坝工程，结合室内土工试验对筑坝土料的物理力学特性进行分析研究，确定其各物理力学参数尤其是土料湿陷性、含水量及干密度之间的关系和变化规律，研究消除黄土湿陷性的方法并使黄土料达到筑坝材料要求的具体措施。

1 工程概况

甘肃某工程库坝区位于黄土中山丘陵区，沟谷呈宽“V”字形，库区两岸多为黄土覆盖，地形破碎，冲沟发育。库盆基岩主要为新近系粉砂质泥岩、泥岩。库坝区未发现大规模断裂构造通过，水库具备成库条件。

工程区附近均被湿陷性黄土覆盖，无其他天然建筑材料。坝址区河床覆盖15～32 m的冲洪积黄土状土，表层3～5 m多具湿陷性，向下含水量大，一般无湿陷性；两岸广泛覆盖马兰、离石黄土，一般厚度20～50 m，右岸钻孔揭露最大厚度为68.5 m，马兰黄土及离石黄土大部分具湿陷性。下伏基岩为新近系粉砂质泥岩、泥岩，透水率均在3 Lu以下，属弱透水—微透水性，具备建坝成库条件。坝址区主要存在黄土湿陷、深厚覆盖层渗漏及不均匀变形问题。

2 湿陷性黄土物理力学特性研究

工程区附近分布的马兰黄土和离石黄土，其黏粒含量普遍在18.4%～29.5%之间，平均24%左右，满足防渗土料黏粒含量在10%～30%的要求。对两种湿陷性黄土进行竖井取样并进行室内试验研究。

2.1 天然土料特征参数研究

2.1.1 土料的天然含水量及干密度

竖井土样天然含水量和干密度随深度分布如图1、2所示。

从图1、2表可知，马兰黄土和离石黄土天然含水量大部分处于10%～15%之间，随深度明显增加的趋势不明显。随着黄土深度增加，土样干密度逐渐增大，干密度从表层1.2 g/cm3增加至1.4 g/cm3左右（约26 m深度处）。

2.1.2 土料的湿陷系数

竖井土样湿陷系数随深度变化如图3所示。

从图3可知，随着黄土深度增加，土样天然湿陷系数随着深度增加逐渐变小，湿陷系数从表层土的0.137降为0.08。干密度与湿陷系数随深度增加的变化趋势相吻合，深度越深，土样干密度越大，湿陷系数越小，但湿陷性不会消除且大部分土样仍处于中-高度湿陷性。

图1 不同竖井土样天然含水量分布图

图2 不同竖井土样干密度分布

图3 不同竖井土样湿陷系数随深度变化图

2.2 土样击实试验研究

2.2.1 标准轻型击实试验

进行土料击实试验时，采用标准轻型击实功率但不同击数的试验方法，研究土料在不同击数条件下最大干密度和最优含水量的变化关系，试验成果见表1。

表1 土料击实试验成果统计表

从表1可知，采用标准轻型击实（25击、30击、40击）得出的最大干密度和最优含水量有所差别，击实功越大，最大干密度越大、最优含水率越低；但变化幅度较小，对比天然含水量差距仍较大，土料不满足上坝填筑要求，需要加水处理。

2.2.2 重型击实试验

针对以上问题，结合国内外土石坝及其他建筑物施工经验，提出采用“重型击实”的方法，此方法与标准轻型击实相比，加大了每一击的击实功率，其击实功率由轻型击实的592.2 kJ/m3提高为2 684.9 kJ/m3，使土料的最大干密度增大，从而减小其最优含水量。采用重型击实的试验结果见表2，标准轻型击实与重型击实的击实曲线对比如图4、5所示。

表2 土料击实试验成果统计表

图4 马兰黄土不同击实功竖井土样击实曲线

从图4、5可知，重型击实效果显著，可使最优含水率下降约3.2%，从25击时的16.8%下降为13.6%，最大干密度提高0.17 g/cm3。

竖井土样天然含水量普遍在10%～15%，若采用标准轻型击实，则天然含水量与最优含水量相差3～6个百分点，施工时需要加水，且用量较大，深厚黄土覆盖地区一般均属于干旱缺水地区，用水较困难。若采用重型击实，则天然含水量与最优含水量相差不大，基本可满足筑坝要求，减少施工工序和用水量，节省工程投资。

图5 离石黄土不同击实功竖井土样击实曲线

2.2.3 黄土击实后湿陷系数

采用标准轻型击实（25击）下土料（以马兰黄土为例）不同荷重条件下的湿陷系数和渗透系数见表3。

从表3可知，采用标准轻型击实（25击）后黄土渗透系数普遍小于1×10-5cm/s，以马兰黄土为例，水平渗流系数为3×10-6cm/s，垂直向渗透系数为8.91×10-8cm/s，均满足防渗要求。黄土湿陷系数均在0～0.003（最大荷重为800 kPa）之间，小于0.005，故经过碾压填筑，黄土的湿陷性基本消除，可以作为主要筑坝材料使用。

表3 土料击实后试验统计表

2.3 试验结论

（1）黄土天然含水量随深度增加的趋势不明显，干密度随深度增加逐渐增大。

（2）随着深度增加，黄土天然湿陷系数随着深度增加逐渐变小，但湿陷性不会消除且大部分土样仍处于中-高度湿陷性。

（3）黄土天然含水量及干密度均较低，采用标准轻型击实下的土料天然含水量仍达不到最优含水量，不满足上坝填筑要求。采用重型击实后，可降低土料的最优含水量，提高其最大干密度，使土料满足上坝填筑要求。

（4）黄土的天然湿陷性较严重，试验表明，经过碾压填筑，黄土的湿陷性基本消除，可作为主要筑坝材料使用。

（5）黄土料击实后水平渗透系数最大为3.0×10-6cm/s，最小为8.85×10-7cm/s，达到防渗土料的要求，可作为大坝防渗体。

3 结语

湿陷性黄土筑坝存在诸多难题，涉及因素众多，如筑坝土料湿陷性强、强度低、天然含水量低、干密度小等，且筑坝后坝体沉降较大、坝体易出现裂缝。本文以甘肃某黄土坝工程为例，对其筑坝土料进行了系统的试验研究，揭示了其各物理力学参数的相互关系和变化规律，并提出了“重型击实”的方法，可有效提高黄土的最大干密度并降低黄土的最优含水量，使土料满足上坝填筑要求。本文研究成果对湿陷性黄土筑坝具有一定的指导意义和参考价值。