非洲科特迪瓦残积土特征研究

2021-09-26张青宇李忠爽胡金山

水电站设计 2021年3期

张青宇，李忠爽，苏星，胡金山

（中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川成都 610072）

0 前言

科特迪瓦位于非洲大陆的西部，地理位置大致为北纬5°～10°，西经3°～8°，该地区除西部有少量山地外，其余大部分地势平坦。在大地构造上位于西非早元古代克拉通的中部，几内亚太古代地核的东缘，前寒武系地层构成了科特迪瓦的基底［1］，占该国国土面积的90%以上，岩性为花岗岩系。

科特迪瓦地处热带，大部分地区平均气温26～28℃，自北向南降雨量为1 000～2 400 mm。该地区分为四个季节：4月至7月中旬为大雨季，7月中旬至9月为大旱季，9月至11月为小雨季，12月至来年3月为小旱季。

受岩体本身特性和气候的影响，表层岩体风化作用强烈，形成厚度不均的红色-灰白色风化壳，风化壳上部即为残积土，下部为风化程度不同的岩体。随着“一带一路”倡议的实施，中国参与的工程建设已扩展至非洲的多国，科特迪瓦已建、在建或即将建成一大批水电项目，例如，科特迪瓦苏布雷（Soubre）水电站的顺利投产、波波里（Popoli）水电站的开工建设、布杜布雷（Boutoubre）水电站也正在进行可研阶段的工作等。因此，残积土已经成为科特迪瓦境内工程建设中经常遇到的土体之一，不同的气候条件、风化环境、地形地貌均会造成残积土在物质组成及工程特性上的较大差异［2］，而特性上的差异往往决定着工程成本，所以其工程性质越来越受到关注。综上所述，研究残积土的特征具有重要的现实意义。

1 残积土的成因研究

由于科特迪瓦境内地势总体低平，岩体在高温多雨、水循环通畅的环境下，遭受了长期强烈的风化作用，从而形成红褐色-灰白色风化壳。风化壳的厚度与气候、地形、构造运动及水文地质条件息息相关，总体上风化壳具有以下分类。

（1）残积土带。岩体已经风化成土，除少量原生矿物外，其他矿物已经完全风化成次生矿物。其中，黏土矿物较多，原岩已经完全破坏，主要呈红褐色，少量呈灰黄色，较密实，可塑-硬塑。随着深度增加，残积土颜色逐渐变浅，由红褐色渐变为灰白色，黏土含量也呈降低趋势，但粗砂、砾石含量增加，厚度约在1～15 m之间。

（2）全风化带。岩体已经完全风化，但保留了原岩结构，其中以中粗砂为主要组成部分，有少量细颗粒物质充填，结构总体较密实，厚度约在1～14 m之间。

（3）强风化带。岩体风化严重，部分原岩矿物已经变质，岩体呈散体-碎裂状，厚度约在1～8 m之间。

（4）弱风化带。岩体较完整，裂隙较发育，裂面中-重度锈染，岩体以次块状为主，厚度约在2～7 m之间。

（5）微风化带。岩体裂隙发育较少，裂面较新鲜，为较完整岩体。

（6）新鲜岩体。岩体新鲜，偶见风化痕迹，岩体完整。

上述风化带是相对的，有的厚度较薄，甚至缺失。从钻孔岩芯上看，其中弱风化、微风化、新鲜岩体的差异不是十分明显，尤其是微风化与新鲜岩体差异更小。强弱风化间岩体属于碎屑风化阶段，强风化以上的风化属于岩石碎屑化向土化转化的过程。

从全风化层到残积土，风化程度更加彻底，石英含量明显减少。从筛分统计成果上看（见表1、图1），全风化带粗颗粒含量明显比残积土带含量多，且细粒含量明显比残积土带含量少。这是因为科特迪瓦气温高、雨量足、相对湿度大、温差大，花岗岩的化学风化作用更加强烈。化学风化主要是长石和石英在水、空气等综合作用下发生水解和碳酸化形成再生黏土矿物（如高岭石），再由赤铁矿铁染而成红色或紫红色。因此残积土以黏土矿物为主，且厚度通常较大。但残积土中的石英等在经历了漫长的地质作用下未被搬运，仍原地残留，因此与残积土中其他风化残积物之间有较好的连接强度与整体性［3-4］，且其本身也具有较高的结构强度，具弱-微透水性。

表1 Boutoubre水电站残积土与全风化平均粒组分布

图1 Boutoubre水电站残积土与全风化平均粒组分布

由于科特迪瓦相关试验数据较少，因此研究科特迪瓦残积土时参考了与国内残积土形成条件、母岩类型、形成物质相似的相关试验数据［4］（见表2和表3）。

由表2可知，残积土主要矿物成份是石英和高岭石，其次为长石、针铁矿、伊利石、绿泥石等。在小于2μm黏土矿物平均含量统计中，高岭石含量最高，其次为伊利石，绿泥石、蒙脱石含量较低，均在10%以内。

表2 残积土矿物成份统计

由表3可知，残积土化学成份全土部分和小于2μm部分都是以SiO2、Al2O3为主，Fe2O3次之，FeO含量极少，硅铝比较小，说明花岗岩残积土风化作用强烈，残积率较大，经历了明显的红土化作用，研究成果与科特迪瓦残积土的性状非常契合。

表3 残积土化学成份统计

2 残积土粒度组成特征研究

科特迪瓦残积土是花岗岩系岩体经物理风化和化学风化后残留在原地的产物，母岩的矿物成分、晶体颗粒的大小对粒度组成有很大的影响。

表4、图2～3为科特迪瓦Soubre水电站、Popoli水电站、Boutoubre水电站、LougaⅠ水电站、LougaⅡ水电站等5座水电站残积土的粒度平均组成情况及各粒组平均组成情况。

表4 科特迪瓦5座水电站残积土粒组分布

从图2～3可知，科特迪瓦残积土的粒径细粒土占主要部分，约占59.3%，而粗粒土占次要部分，约占40.7%。同时，残积土粒度组成呈“两头高、中间低”的分布特征。

图2 科特迪瓦5座水电站残积土粒组分布曲线

图3 科特迪瓦5座水电站残积土平均粒组分布曲线

粒度组成的分布特征决定了残积土的物质构成：由粗粒构成土骨架，细粒进行填充，因此结构较密实。经分析，粗粒径的矿物（主要指大于0.5 mm）主要成分为石英，物理化学性质稳定，进行物理化学风化的速度相对较慢。而粒径小于0.5 mm的颗粒，主要是长石风化的产物，物理化学性质的稳定性差，粒度较小，比表面积较大，活性较高，进行物理化学风化的速度相对较快，容易进一步风化成粉粒和黏粒。

3 残积土物理特征研究

笔者对科特迪瓦Soubre水电站、Popoli水电站、Boutoubre水电站、LougaⅠ水电站、LougaⅡ水电站的残积土土体试验成果进行了物理特性研究，分析土体物理指标之间的内在联系，进而全面认识残积土的特性。其含水率与液限、含水率与塑限、含水率与塑性指数、液限与塑限之间的散点关系见图4～7。

图4 残积土含水率与液限关系散点

图5 残积土含水率与塑限关系散点

图6 残积土含水率与塑性指数关系散点

图7 残积土液限与塑限关系散点

通过图4～7可以看出，科特迪瓦残积土的含水率、液限、塑限、塑性指数间存在一定的关系，即含水率与液限、塑限、塑性指数间具有正相关性，呈一定的线性关系，随着含水率的增加，液限、塑限、塑性指数呈增长趋势；同时，液限与塑限也具有正相关性，呈一定的线性关系，随着液限增加，塑限也呈增长趋势。

4 残积土工程分类特征研究

目前，采用较多的残积土分类方法是颗粒级配分类法，即土体烘干后，用筛分的方法测量土体的粒度级配，根据粒度级配对土体进行分类的方法。通过查找相关资料得出，目前主要分类方法有四种，分别为深圳规范法［5］、福建规范法［6］、港口规范法［7］、文献法［8］。这四种分类方法均把残积土分为黏性土、砂质黏性土、砾质黏性土三类，其中深圳规范法与福建规范法以不小于2 mm的颗粒含量对残积土进行分类，而文献法是以大于0.5 mm颗粒含量对残积土进行分类，具体内容见表5。

表5 残积土现有分类方法

据深圳规范法、福建规范法及港口规范法判断，科特迪瓦残积土为砂质黏性土；据文献法判断，科特迪瓦残积土为黏性土。由此可知，该四种分类方法对残积土工程分类上存在矛盾。

根据《土体分类标准》、表1及表3可知，科特迪瓦残积土属于粒径大于0.075 mm的颗粒占总数的34%，小于50%；塑性指数为18.86，大于17。由此可判断科特迪瓦残和土属于黏性土。

因此，根据几种方法的比较，综合认为科特迪瓦残积土为黏性土比较合适，对于低坝基础或低地应力建筑物基础可以利用。

5 残积土工程应用特征研究

科特迪瓦残积土广泛分布，其上部分布较薄的冲积砂层或直接裸露，如果满足质量要求，将是工程枢纽区附近较为理想的防渗土料源，有利于发挥土石坝就地取材和就近取材的优势。表6搜集了科特迪瓦三座水电站残积土试验数据，统计了科特迪瓦残积土物理力学参数指标。

表6 科特迪瓦残积土物理力学参数

从表6可知，残积土天然含水率分布范围为19.70%～22.23%，平均值为21.38%，在最优含水率（-2%～+3%）的范围内；黏粒含量分布范围为16.20%～19.51%，平均含量18.37%；塑性指数分布范围为18.13～20.00，平均值为18.86。根据相关规范，科特迪瓦残积土基本满足土石坝防渗土料的质量要求。