赤峰市東臺(tái)子水庫(kù)黏土心墻分散性試驗(yàn)研究

(遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，沈陽(yáng) 110006)

分散性黏土概念的提出最早見(jiàn)于20世紀(jì)50年代，澳大利亞的水利工作者發(fā)現(xiàn)了這一土體對(duì)水利工程的破壞作用，70年代初期我國(guó)國(guó)內(nèi)開(kāi)始對(duì)其有了認(rèn)識(shí)。相關(guān)研究表明：土體中Na+、Ca2+、Mg2+的含量多寡和相對(duì)含量對(duì)黏土分散性有重要作用,蒙脫石的存在是黏土分散性的重要因素,河水對(duì)黏土分散性有顯著影響。分散性黏土的破壞原理為：在水或低含鹽水流作用下，土粒間斥力超過(guò)吸引力，相互排斥作用占優(yōu)勢(shì)，進(jìn)而產(chǎn)生工程破壞。破壞形式主要有管涌、沖蝕裂縫、孔洞或在坡面形成溝槽等。

1 概 述

赤峰市東臺(tái)子水庫(kù)位于內(nèi)蒙古赤峰市林西縣新城子鎮(zhèn)半拉山村西拉木倫河干流上，距林西縣約70km，控制流域面積10764km2，總庫(kù)容3.26億m3，為大(2)型水庫(kù)。水庫(kù)按100年一遇洪水設(shè)計(jì)，2000年一遇洪水校核。開(kāi)發(fā)建設(shè)的任務(wù)為防洪、灌溉、供水，兼顧水力發(fā)電、養(yǎng)殖、旅游和改善生態(tài)環(huán)境等。水庫(kù)的主壩為黏土心墻堆石壩，心墻的填筑土料取自大壩附近的克德河西北側(cè)的紅土溝黏土料場(chǎng)。

與其他大型水利工程相似，東臺(tái)子水庫(kù)大壩黏土心墻土方用量較大，雖經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查勘初步判斷紅土溝黏土料場(chǎng)土料疑似為分散性土，可能增加工程處理投資，但綜合權(quán)衡比較替代方案后，仍決定采用該料場(chǎng)土料，并委托某設(shè)計(jì)院進(jìn)行土料特性分析，為工程處理提供依據(jù)。

考慮到該工程重要程度，采用野外調(diào)查與分析和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行綜合鑒定，以室內(nèi)試驗(yàn)為主、野外調(diào)查與分析為輔。野外調(diào)查與分析，主要是對(duì)料場(chǎng)區(qū)域下雨后路旁的水溝、水坑和河道里流水的顏色進(jìn)行判別，如水流混濁、顏色呈黃色或咖啡色則土料為分散性黏土的可能性較大；反之較小。也可以根據(jù)枯水期水坑坑底留下的黏土沉積形態(tài)進(jìn)行判別，如表面出現(xiàn)龜裂現(xiàn)象，則為分散性黏土的可能性較大。

野外調(diào)查與分析在本文中不作過(guò)多介紹，本文重點(diǎn)針對(duì)東臺(tái)子水庫(kù)大壩黏土心墻料場(chǎng)開(kāi)展的室內(nèi)檢測(cè)方法進(jìn)行說(shuō)明。分散性土室內(nèi)檢測(cè)方法目前國(guó)際上應(yīng)用較多的有針孔試驗(yàn)、雙比重計(jì)試驗(yàn)、孔隙水溶液試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)4種。相關(guān)研究成果表明：雖然針孔試驗(yàn)對(duì)于模擬壓力水頭下土體的滲透變形及接觸沖刷等有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但其對(duì)土體類別的誤判率也較高，目前尚不太適合工程應(yīng)用；孔隙水溶液試驗(yàn)雖然對(duì)于分散性土的破壞機(jī)理模擬較有針對(duì)性，但由于不同土體的化學(xué)成分差別較大，其試驗(yàn)結(jié)果僅能作為定性參考，應(yīng)用于工程也尚需時(shí)日。而雙比重計(jì)試驗(yàn)和碎塊試驗(yàn)雖也存在一定的弊端和不足，但其工程應(yīng)用較多，技術(shù)也較為成熟，遼寧省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院對(duì)于此兩項(xiàng)試驗(yàn)方法的熟練程度及經(jīng)驗(yàn)分析能力也相對(duì)較好，因此東臺(tái)子水庫(kù)黏土心墻土料分析中采用了雙比重計(jì)試驗(yàn)和碎塊試驗(yàn)兩種方法進(jìn)行分析，本文對(duì)兩種試驗(yàn)方法的操作步驟及注意事項(xiàng)進(jìn)行簡(jiǎn)要說(shuō)明，供同仁參考。

2 雙比重計(jì)試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)原理

雙比重計(jì)試驗(yàn)是國(guó)內(nèi)外普遍采用的鑒別分散性黏土的試驗(yàn)方法。其試驗(yàn)原理是利用土樣溶液在添加化學(xué)藥劑前后比重的變化，根據(jù)公式推求土樣的分散度。其理論基礎(chǔ)認(rèn)為分散性土遇水后土的團(tuán)粒會(huì)分散成原級(jí)顆粒，而非分散性土遇水后則能保持其團(tuán)粒結(jié)構(gòu)。

2.2 試驗(yàn)步驟

該試驗(yàn)步驟主要為兩大步，每一大步中又分若干小步。

第一步：取30g風(fēng)干后試驗(yàn)土樣，將其放在盛有200mL蒸餾水的抽濾瓶中，用真空泵去除瓶中氣體使得土樣與蒸餾水充分混合，然后將溶解后的土懸液沖洗到1000mL量筒中，加蒸餾水至1000mL。用密封蓋蓋好量筒，快速倒轉(zhuǎn)量筒30次，搖晃的目的是使土體中黏粒水化分散，靜置1min。打開(kāi)量筒密封蓋，用乙種比重計(jì)分別測(cè)得1min、5min、30min、120min、180min溶液的密度，根據(jù)密度值、量測(cè)溫度、土樣比重(一次試驗(yàn)中為固定值)，按照《土工試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)》7.2中的計(jì)算公式求得試驗(yàn)土樣的黏粒含量。此方法也稱不加化學(xué)試劑法、不用機(jī)械振動(dòng)法。

第二步：另取30g風(fēng)干后試驗(yàn)土樣，將土樣放在盛有200mL蒸餾水的容量瓶中，將容量瓶放置于砂浴皿上，加熱60min，待容量瓶中的溶液冷卻至常溫后，將容量瓶中的土懸液沖洗到1000mL量筒中，向量筒內(nèi)加入六偏磷酸鈉溶液(4%)10mL，加蒸餾水至1000mL，用攪拌棒或攪拌器充分?jǐn)嚢?，靜置1min。用乙種比重計(jì)分別測(cè)得1min、5min、30min、120min、180min溶液的密度，根據(jù)密度量測(cè)值、量測(cè)溫度、土樣比重(一次試驗(yàn)中為固定值)按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》7.2中的計(jì)算公式求得試驗(yàn)土樣的黏粒含量。此方法也稱加化學(xué)試劑法。

試驗(yàn)土樣的分散度可利用以上兩組試驗(yàn)成果采用下式進(jìn)行計(jì)算：

(黏粒含量為粒徑小于0.005mm的百分含量)

2.3 成果分析

根據(jù)美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)推薦鑒定標(biāo)準(zhǔn)：分散度小于30%屬于非分散性土；在30%～50%之間的屬于過(guò)渡性土；大于50%為分散性土。東臺(tái)子水庫(kù)大壩黏土心墻料場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)的6組土樣測(cè)定的分散度范圍為48.7%～49.7%，在30%～50%之間，單項(xiàng)評(píng)定結(jié)論為過(guò)渡型分散土。土樣外觀描述為：紅黃色、含有砂礫、有微量結(jié)核(見(jiàn)圖1)。

圖1 雙比重計(jì)試驗(yàn)情況

2.4 注意事項(xiàng)

a.第一步中量筒倒轉(zhuǎn)前須確保量筒密封蓋的堅(jiān)實(shí)、密閉。否則如在倒轉(zhuǎn)過(guò)程中造成試驗(yàn)溶液泄露將直接影響試驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度，甚至?xí)拐麄€(gè)試驗(yàn)失敗。

b.比重計(jì)測(cè)量時(shí)間的掌握。試驗(yàn)數(shù)據(jù)是從量筒停止倒轉(zhuǎn)操作，放置于試驗(yàn)操作平臺(tái)上開(kāi)始計(jì)時(shí)起，靜置1min后測(cè)得的，測(cè)量的時(shí)間非常重要，不同的時(shí)間內(nèi)土粒下沉的速度不同。

c.第二步中容量瓶冷卻方法應(yīng)采用自然冷卻法。必要時(shí)也可用水冷，切忌采取冰鎮(zhèn)、冷凍等快速降溫方式，以免造成容量瓶損壞，影響試驗(yàn)。

3 碎塊試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)原理

碎塊試驗(yàn)的試驗(yàn)原理是：利用分散土與非分散土水解后不同的分散特征，通過(guò)表象觀察進(jìn)行定性判斷，區(qū)分土體是分散性土、過(guò)渡型土或非分散性土。其理論基礎(chǔ)是以膠體化學(xué)的基本觀點(diǎn)出發(fā)的，黏性土在水中水解的原因是膠體顆粒的析出，以膠體析出的不同程度作為評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 試驗(yàn)步驟

碎塊試驗(yàn)大體分三步。

第一步：按照《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》10.0，做擾動(dòng)樣的擊實(shí)試驗(yàn)，測(cè)得土的最優(yōu)含水量和最大干密度。

第二步：利用最優(yōu)含水量那組土樣制成1/4～3/8英寸的(立方體)土塊，體積約1cm3。

第三步：用容積為250mL的燒杯盛蒸餾水150mL，將土樣放入水中，浸放5～10min并觀察記錄，待土塊完全水解后拍照記錄土粒在杯底的分散形狀。

3.3 成果分析

根據(jù)美國(guó)材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)推薦的鑒定標(biāo)準(zhǔn)，碎塊試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)下頁(yè)表。

碎塊試驗(yàn)評(píng)價(jià)土的分散性表

東臺(tái)子水庫(kù)大壩黏土心墻料場(chǎng)檢測(cè)試驗(yàn)土樣共有6組，測(cè)定的土樣最優(yōu)含水量在17.0%～18.8%之間，最大干密度在1.70～1.72g/cm3之間。

6組土塊放入燒杯中，土塊周圍水體即出現(xiàn)輕微渾濁現(xiàn)象，隨著土塊下沉(試驗(yàn)中建議用鑷子夾住土塊平緩放至杯底)，渾濁水體不斷變大，隨著時(shí)間推移，下層土塊周圍水體變得越發(fā)混濁，上層水體逐漸變清，至觀察時(shí)間結(jié)束(本次試驗(yàn)為10min)，土塊完全溶解，絕大多數(shù)土粒沉積在土塊周圍，少量漂浮在底層溶液中。土塊完全溶解狀態(tài)見(jiàn)圖2。

經(jīng)對(duì)6組土樣碎塊試驗(yàn)單項(xiàng)評(píng)定，確定該料場(chǎng)土料為過(guò)渡型分散土。

3.4 注意事項(xiàng)

a.試驗(yàn)土塊必須均為與最優(yōu)含水量同組的試樣。這是因?yàn)槭覂?nèi)試驗(yàn)應(yīng)是模擬大壩建設(shè)完成后土體狀況(在最優(yōu)含水量下進(jìn)行壓實(shí))，而現(xiàn)場(chǎng)取回的擾動(dòng)土，與擊實(shí)后最優(yōu)含水量的土樣制備試樣有一定差距，將影響試驗(yàn)的準(zhǔn)確性。

b.土塊放入燒杯中建議用鑷子夾住緩慢放至燒杯底部。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，從水平直接拋置試塊與用鑷子放入，試驗(yàn)結(jié)果有一定差別，這是因?yàn)閽佒迷噳K易造成試塊與杯底的撞擊，人為加速試塊溶解，進(jìn)而影響試驗(yàn)結(jié)果。

4 結(jié) 語(yǔ)

a.目前國(guó)際上流行的四種鑒定方法即孔隙水溶液試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、雙比重計(jì)試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)等，各有其優(yōu)缺點(diǎn)和適應(yīng)性，對(duì)于該工程可能碎塊試驗(yàn)和雙比重計(jì)試驗(yàn)更加合適，但對(duì)于其他工程還應(yīng)具體問(wèn)題具體分析，靈活運(yùn)用。

b.分散性土檢測(cè)方法及判別標(biāo)準(zhǔn)目前我國(guó)尚無(wú)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，多數(shù)試驗(yàn)及評(píng)定中經(jīng)驗(yàn)仍是不可或缺的因素，因此在注重室內(nèi)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，應(yīng)提高對(duì)現(xiàn)場(chǎng)查勘重要性的認(rèn)識(shí)，與當(dāng)?shù)厮ぷ髡呒叭罕姵浞纸涣?，避免理論脫離實(shí)際。

c.分散性土在工程中的應(yīng)用處理本文中未有涉及，但目前國(guó)際流行的處理方法也很多，如：土料中摻白灰及在壩體背水側(cè)設(shè)置反濾的方法等。土工試驗(yàn)的目的不僅是為工程提供參考，還應(yīng)對(duì)工程具有指引作用，因此根據(jù)不同類型分散性土及不同檢測(cè)指標(biāo)的分散性土給出建議處理模式，并盡可能用試驗(yàn)數(shù)據(jù)說(shuō)話，將是該領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展的一個(gè)重要方向，還需要所有水利工作者特別是土工試驗(yàn)工作者共同努力。