肯尼亚Karim enuⅡ大坝填筑土料试验研究

黄 星

[上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092]

1 概述

土料就地取材，土料场位于大坝上游50～1000 m处，采用库区内广泛分布的高液限粉（黏）土作为心墙防渗土料，该土层为火山喷发岩风化产物，具有塑性指数大，黏粒含量高特点，按《碾压式土石坝设计规范》（SL 274—2020）中术语解释，可定义为红黏土。

红黏土是指石灰岩或其它熔岩经红土化后形成的富含铁铝氧化物的褐红色粉土或黏土，液限一般大于或等于50%[1-2]。具有高孔隙比，高液限、高塑限、高黏粒含量，低密度，压实度差等特点，同时红黏土还具有抗剪强度较高、中压缩性、较好的抗渗性等特点。国内云南、贵州、广西分广泛布，可用于筑坝材料[3]。在肯尼亚当地，用红黏土作为心墙填料修建了锡卡大坝，经现场碾压试验，心墙填料的含水率为最优含水率为+7%～+10%[4]。

根据合同要求，该项目勘察设计采用中国标准，试验由在中方当地设置的试验室完成，主要进行室内试验项目有：含水率、塑性指数、黏粒含量、干密度、击实试验、有机质含量、水溶盐含量，原状土的剪切试验、室内渗透试验、重塑土的剪切试验、室内渗透试验等。

试验结果，土料的剪切强度较高，渗透性等指标满足防渗土料的技术要求，黏粒含量和塑性指数等指标不符合防渗土料的技术要求，于是进行了现场碾压试验，进一步评价该红黏土作为填筑料的可行性，获得了大量数据，为下步设计施工提供了充分依据。

2 原状土室内试验

原状土样的试验内容包括含水率（ω）、塑性指数（Ip）、黏粒含量、干密度（ρd）、击实试验、有机质含量、水溶盐含量等。

2.1 料场原状土的物理性质

土料场Q3dpl 土料以高液限粉土为主，天然含水率（ω）39.5～65.4%，平均值48.2%，塑性指数（Ip）31.8～49.7，平均值39.3，黏粒含量27.3～67.3%，平均值46.7%，干密度（ρd）为0.85～1.12g/cm3，平均值为1.00 g/cm3。自由膨胀率为15 ～39%，平均为18.9%，不具膨胀性。水溶盐含量为0.018～0.102%，平均值0.04%；有机质含量为0.146～0.467%，平均值0.260%，见表1、表2。

表1 原状土天然状态下物理指标统计表

表2 原状土天然状态下物理指标统计表

2.2 击实试验

采用轻型击实试验，锤重2.5 kg，落距30 cm，布置3 层，每层击数30 击，得其最优含水率为（ωop）44.4～55.1%，平均值为48.5%，最大干密度（ρdmax）为1.04～1.20 g/cm3，平均值为1.13 g/cm3。（如图1 所示）。

图1 击实干密度随含水率变化的曲线

2.3 颗粒分析

颗粒分析试验采用筛析法、密度计法，料场土样以高液限粉土为主，黏粒含量27.3～67.3%，平均值46.7%（见表3）。

而事后张三爷也对这两个传说做了解释，他说：“人无翅膀岂能会飞？我虽瘦，也有差不多一百斤，我哪能在水面行走？不过是挑拣着墙根砖棱的一点干地方，蹬一下借个劲，往前蹿一下，再换个砖棱借劲，不停步向前蹿，这样跳跃过去的，换步慢了不成，自然踩不到泥。”

表3 颗分数据表

3 配样后土料室内试验

根据击实试验成果，按照设计方案0.96 的压实度要求配样，对所配土样进行了试验，试验内容包括含水率（ω）、饱和度（Sr）、孔隙比（e）、压缩试验、渗透系数（K），以及饱和状态下的压缩试验、三轴UU、CU试验。

3.1 配样后土料的物理性质

对所配土样进行了渗透试验，其垂直渗透系数（Kv）为1.50×10-7～6.01×10-6cm/s，平均值为2.51×10-6cm/s，具极微渗透性，见表4、表5。

表4 土样配样后(非饱和状态)物理性质试验成果统计表

表5 土样配样后（饱和状态）物理性质试验成果统计表

3.2 配样后土料的剪切试验

按照填筑标准0.96 压实度进行配样，对所配的土样进行三轴剪切试验，饱和不固结不排水（UU）条件下其凝聚力（c）为19.0～83.3 kPa，平均值为37.0 kPa，内摩擦角（φ）为4.5°～11.0°，平均值为6.4°；固结不排水（CU）条件下其凝聚力（c）为16.4～58.6 kPa，平均值为39.3 kPa，内摩擦角φ 为11.0°～19.5°，平均值为13.7°，有效凝聚力（c'）为16.6 ～56.0 kPa,平均值为33.4 kPa，有效内摩擦角（φ'）为25.0°～34.0°，平均值为27.9°。试验成果见图2，从该图可知：由平均值计算得出的c 值为38.6kPa，φ值为13.9°，c' 值为30.4 kPa，φ' 值为27.7°，样品的剪切强度较高（见表6）。

表6 配样后（饱和状态）力学性质试验成果统计表

图2 配样土平均破损应力圆

3.3 配样后土料的压缩试验

按照填筑标准0.96 压实度进行配样，对所配的土样进行压缩试验，试验最大压力为1200 kPa。配样后的压缩系数（a0.1-0.2）为0.14～0.40 MPa-1，平均值为0.26 MPa-1，具中等压缩性；饱和状态下压缩系数（a0.1-0.2）为0.33～0.66 MPa-1,平均值为0.47 MPa-1，具中等压缩性，见图3、图4。从试验结果分析，土料饱和后的压缩系数明显变大，变形是筑坝需考虑的重要因素。

图3 配样土压缩曲线

图4 配样土（饱和）压缩曲线

3.4 水力性质及破坏准则

高液限粉土属黏性土，其渗透类型主要是流土。据土工试验统计资料，高液限粉土孔隙比平均值为1.57，按孔隙比计算的孔隙率为61.10%，土的比重平均值取2.77，经计算，坝基流土型土的临界水力比降为0.69。根据最大干密度0.96 进行配样试验，临界比降为1.72，破坏比降为1.98，建议允许比降为0.86。

4 土料质量评价

根据《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》（SL 251—2015）第5.3 节质量技术要求进行评价如表7。

表7 土料与均质土坝及防渗体用土料质量要求对比表

从上表可知，土料场土料最优含水率与天然含水率相近，击实后渗透系数满足填筑料与防渗料规范要求；土料中水溶盐含量与有机质含量满足大坝填筑料与防渗料规范要求。土料场土料黏粒含量偏高，塑性指数偏大。

5 现场碾压试验

为进一步评价高液限粉土层筑填坝的可行性，进行了现场碾压试验，按压实度不低于设计要求96%，填筑时的含水率与最优含水率偏差-5%～+10%进行试验，其中土料经现场试验检测，料场天然含水率46.7%，最佳含水率51.3%，最大干密度1.09 g/cm3，填料的松铺厚度分别为30 cm、35 cm、40 cm，共三种，碾压遍数分别为4 遍、6 遍。

选用以下5 种不同含水率的合格土料分别进行试验：天然含水率（W）（相当于最优含水率ω0-5）、最优含水率（ω0）、最优含水率-2%（ω0-2）、最优含水率+5%（ω0+5）、最优含水率+10%（ω0+10），碾压试验结果如图5、图6。

图5 不同碾压遍数不同碾压厚度，干密度与含水率的关系曲线

图6 不同松铺厚度、不同含水率与压实度关系曲线

从图5 可知，当含水率越接近最优含水率ω0时，土的干密度会越来越大，在ω0-2%时土的干密度最大。当含水率超过ω0-2%时随着含水率的增加土的干密度会越来越小，土的压实度会越来越低，即土料不宜增水。土料的建议含水率控制在ω0-5%至ω0范围，最优碾压含水率是ω0-2%。采用天然含水率（相当于ω0-5%）压实度可以满足设计要求，即土料可以直接上坝填筑。

根据现场碾压试验结果，在碾压遍数一定的情况下，松铺厚度越大其压实效果越差，土的松铺厚度宜控制在30～35 cm；提高碾压遍数，可以提高压实度。

6 结语

（1）水库库区土料场土主要为高液限粉土，可定义为红黏土，具高孔隙比、高含水量、塑性指数大，黏粒含量高等特点。

（2）采用轻型击实试验，土料最优含水率为平均值为48.5%，与天然含水率相近，最大干密度平均值为1.13 g/cm3；黏粒含量平均值46.7%。自由膨胀率为15～39%，不具备膨胀性。水溶盐含量平均值0.04%；有机质含量平均值0.26%。

（3）按设计要求0.96 压实度配样后，土样具极微渗透性，中等压缩性，剪切强度较高。

（4）水库库区土料最优含水率黏粒含量及塑性指数超标，其余指标合格。

（5）经碾压试验，库区土料可满足施工质量控制要求。

（6）土的松铺厚度宜控制在30～35 cm；土料的建议含水率控制在ω0-5%至ω0范围，最优碾压含水率是ω0-2%，采用天然含水率压实度可以满足设计要求。