水利水電工程土料質(zhì)量評價指標(biāo)的商榷

牛書安

(黃河勘測規(guī)劃設(shè)計有限公司,河南 鄭州　450000)

1　現(xiàn)行水利水電工程規(guī)程、規(guī)范對土料的質(zhì)量要求

現(xiàn)行的《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(SL251—2000)于2000年7月13日發(fā)布,2000年8月1日實施,該規(guī)程關(guān)于土料的質(zhì)量評價指標(biāo)[1]見表1。

水利水電天然建筑材料勘察規(guī)程的編制應(yīng)以水利水電工程的相關(guān)設(shè)計規(guī)范為基礎(chǔ),并與其相適應(yīng)。就土料而言,與其相關(guān)的設(shè)計規(guī)范主要有《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274—2001)和《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB50286—98)[2-3]。

《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL274—2001)中,要求防滲土料應(yīng)滿足下列要求:①滲透系數(shù),均質(zhì)壩≤1×10-4cm/s,心墻和斜墻≤1×10-5cm/s;②水溶鹽含量(指易溶鹽和中溶鹽,按質(zhì)量計)≤3%;③有機質(zhì)含量(按質(zhì)量計),均質(zhì)壩≤5%,心墻和斜墻≤2%,超過此規(guī)定需進(jìn)行論證;④有較好的塑性和滲透穩(wěn)定性。

表1　土料質(zhì)量評價指標(biāo)

《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB50286—2013)中對土料要求:“均質(zhì)土堤的土料宜選用粘粒含量宜為10%～35%、塑料指數(shù)宜為7～20的粘性土,且不得含植物根莖、磚瓦垃圾等雜質(zhì);填筑土料含水率與最優(yōu)含水率的允許偏差為±3%;鋪蓋、心墻、斜墻等防滲體宜選用防滲性能好的土;堤后蓋重宜選用砂性土”[4]。

堤防工程設(shè)計規(guī)范與碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范相比,前者對堤防土料粘粒含量、塑性指數(shù)提出了明確要求,根據(jù)堤防工程特點沒有對滲透系數(shù)、有機質(zhì)含量、水溶鹽含量提出明確要求;后者對滲透系數(shù)、有機質(zhì)含量、水溶鹽含量提出了明確要求。

2　水利水電天然建筑材料勘察規(guī)程中幾個土料質(zhì)量評價指標(biāo)的商榷

2.1　pH值

“pH值”用于表述土的酸堿度指標(biāo),土的酸堿度對植物影響比較明顯,對工程的影響主要表現(xiàn)在其對混凝土和鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕性,而對評價土本身的工程性質(zhì)如土的壓縮性、擊實性、透水性等的作用不大。影響土pH值的主要因素有:氣候、地形、水文、地質(zhì)、生物、氧化還原條件等。中國土壤的酸堿性在地理分布上有“南酸北堿”的規(guī)律性,大致以長江為界,長江以南的土壤多為酸性土,且多為紅黏土。如西南、華南地區(qū)廣泛分布的紅黏土,pH值大多在4.5～5.5之間；華中、華東地區(qū)的紅黏土,pH值大多在5.5～6.5之間;長江以北的土壤多為中性和堿性土,如華北、西北地區(qū)的土壤pH一般在7.5～8.5之間,屬于強堿性土。

以往曾認(rèn)為,由于紅黏土具粘粒含量高、天然干密度低、壓實性差等特點,不適宜用作筑壩材料(規(guī)程中要求pH>7,主要是為限制使用紅黏土)。但實踐證明,紅黏土具有較高的抗剪強度和抗沖刷能力,且具有中等壓縮性,在中國云南、貴州、廣東、廣西等省已用紅黏土建成多座土石壩,并積累很多成功經(jīng)驗,如云南毛家村水庫(壩高80.3 m)、莊寨水庫(壩高27 m)采用紅黏土筑壩,已安全運行40年以上。鑒于紅黏土在高壓力下的變形特性,使得高壩的總沉降量往往偏大,因此,《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范SL274—2001》中規(guī)定,紅粘土可用于填筑壩的防滲體,用于高壩時應(yīng)對其壓縮性進(jìn)行論證。

由上可知,紅黏土即使pH值<7,用作土石壩的防滲體不存在太大問題,只是用于高壩時應(yīng)對其壓縮性進(jìn)行論證。因此,規(guī)程中要求pH>7,已經(jīng)不適宜作為評價土料的質(zhì)量技術(shù)指標(biāo)了。

2.2　緊密密度

該規(guī)程術(shù)語中,“緊密密度”定義為:骨料按規(guī)定方法顛實后單位體積的質(zhì)量。根據(jù)相關(guān)試驗規(guī)程,緊密堆積密度試驗:取試樣一份,分兩次裝入容量筒,裝完第一層后,在筒底墊放一根直徑為10 mm的圓鋼,將筒按住,左右交替擊地面各25次,然后裝入第二層;第二層裝滿后用同樣方法顛實(但筒底所墊鋼棒的方向與第一層時的方向垂直)后,再加試樣直至超過筒口,然后用直尺沿筒口中心線向兩邊刮平,稱出試樣和容量筒總質(zhì)量。然后,計算出緊密密度。

對土料來說“緊密密度”定義不明確,使用起來不盡統(tǒng)一。為了解利用該項指標(biāo)在評價土料場質(zhì)量中的情況,筆者隨機抽取了19個土料場質(zhì)量評價情況進(jìn)行統(tǒng)計:6個土料場采用“擊實后密度”代替“緊密密度”;2個土料場用了“緊密密度”進(jìn)行評價;11個土料場沒有評價該指標(biāo)。其中,采用“緊密密度”評價的2個料場,結(jié)果是緊密密度小于天然密度,該指標(biāo)不合格(注:該兩料場緊密密度試驗,是按照混凝土骨料的緊密密度試驗方法進(jìn)行的)。

從上述緊密密度的試驗方法看,土的緊密密度小于天然密度應(yīng)該具有必然性,“天然密度”是經(jīng)過了成千上萬年的沉積、壓實、固結(jié)等作用后所測得的密度,而“緊密密度”是經(jīng)過裝筒、顛實、稱重、計算后所測得密度,很明顯,前者比后者明顯密實得多。因此,土料質(zhì)量評價指標(biāo)中緊密密度“宜大于天然密度”這個條件很難成立。

2.3　SiO2/R2O3

二氧化硅和三二氧化物當(dāng)量比,即為“硅鐵鋁比”,多用k表示,化學(xué)表達(dá)式為“SiO2/(Al2O3+Fe2O3)或SiO2/R2O3”。該項指標(biāo)多用于土壤學(xué)研究中,研究意義主要有四個方面:①用以初步判斷土的礦物組成。在理想的、單一礦物條件下,硅鐵鋁比可反映不同的黏土礦物成分。在單一礦物條件下,一般高嶺石或多水高嶺石k在2左右,在3左右時可能是富硅高嶺土、伊利石,在4左右時可能是蒙脫石、葉蠟石。故在單一礦物條件下,根據(jù)硅鐵鋁比可粗略地判別粘土礦物的類型。②與母巖進(jìn)行對照,用以判斷紅土的成土過程特征。從硅鐵鋁比表達(dá)式可以看出,k值的大小,反映了去硅化程度,去硅化程度越高,k值就越小。表明在紅土的形成過程中,硅不斷淋失,鐵鋁相對富集,隨著紅土化作用過程的繼續(xù),SiO2的含量減少,Fe2O3和Al2O3的含量增多,倍半氧化物的含量也增大,相應(yīng)地游離氧化物越多,可以說紅土的化學(xué)成分是紅土化作用結(jié)果的反映。③通過上下層對比,判斷剖面中淋濾情況。④根據(jù)硅鐵鋁比判斷土壤中膠體陰陽電性的強弱。

眾所周知,土料的礦物成分是很復(fù)雜的,可分為原生礦物和次生礦物兩大類。巖石經(jīng)物理風(fēng)化作用后破碎形成的礦物顆粒,稱原生礦物。原生礦物在風(fēng)化過程中,其化學(xué)成分并沒有發(fā)生變化,它與母巖礦物成分是相同的。常見的原生礦物有石英、長石和云母等。巖石經(jīng)化學(xué)風(fēng)化作用所形成的礦物顆粒,稱次生礦物。常見的次生礦物有高嶺石、伊利石和蒙脫石三大黏土礦物類型。在實際工作中,理想的、單一礦物條件下的土料是比較少見的。而且,對于堤壩所用土料來說,其基本指標(biāo)主要是滲透系數(shù)、水溶鹽含量和有機質(zhì)含量,在相關(guān)設(shè)計規(guī)范中具有明確要求,對于硅鐵鋁比沒有進(jìn)行要求。一般來說,紅土的硅鐵鋁比1～2,《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》要求硅鐵鋁比>2,主要是為限制紅土作為堤壩用料,實際上紅土作為堤壩用料的實例已經(jīng)很多。

另外,筆者對四川、青海、甘肅、貴州、河南以及黃河下游勘察的113個土料場進(jìn)行了統(tǒng)計,除沒有做“硅鐵鋁比”指標(biāo)外,“硅鐵鋁比”最大值7.69,最小值2.89,平均5.96。尚未發(fā)現(xiàn)SiO2/R2O3≤2的樣品。從實際工作和相關(guān)設(shè)計要求看,隨著水利水電工程建設(shè)事業(yè)的迅速發(fā)展,硅鐵鋁比作為評價土料的指標(biāo),已欠妥當(dāng)。

2.4　塑性指數(shù)

土料質(zhì)量評價中的塑性指數(shù),對于均質(zhì)土壩宜為7～17,對于防滲體土料宜為10～20。該指標(biāo)在《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(SDJ17—78)中就是這么規(guī)定的。當(dāng)時塑性指數(shù)計算中的液限主要是采用圓錐儀法,即由相應(yīng)于76 g圓錐儀,錐角30°,入土深度為10 mm時測定的含水量ω10(相應(yīng)的塑性指數(shù)為I10)。在現(xiàn)行《土工試驗規(guī)程》(SL237—1999)中,為使液限與國際上多數(shù)國家一致,將入土深度為17 mm時測定的含水量ω17定義為液限(錐重仍為76 g、錐角仍為30°)。而在《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(SL251—2000)修編規(guī)程中,沒有對土料質(zhì)量評價中的塑性指數(shù)進(jìn)行相應(yīng)修改,也未說明,因此,在目前各單位運用過程中,有的用I10,有的用I17,比較混亂。

《土工試驗規(guī)程》(SL237—1999)中指出為了使用有關(guān)規(guī)范查承載力基本值,將塑性指數(shù)I10作為配套的專門規(guī)定,這說明試驗資料中可以同時提I17和I10兩個塑性指數(shù)值。因此,建議在進(jìn)行水利水電工程天然建筑材料修編時,應(yīng)對土料質(zhì)量評價中的塑性指數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,如仍采用I10,應(yīng)進(jìn)行特別說明。

3　結(jié)語

土料的質(zhì)量評價指標(biāo)pH值、緊密密度、硅鐵鋁比在《碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范》(SL 274—2001)和《堤防工程設(shè)計規(guī)范》(GB 50286—2013)中均沒有要求對其進(jìn)行直接評價,實際上這三項指標(biāo)對土料的水理性質(zhì)和滲透性沒有直接關(guān)系,只是在研究土的成因類型、成土過程、理想條件下的礦物成分等方面有些幫助,作為評價堤壩土料的質(zhì)量指標(biāo)已不相適宜。這些指標(biāo)不宜再作為評價土料是否合格的基本指標(biāo),建議在進(jìn)行再次修訂時予以取消。對于塑性指數(shù)，它是評價土料的塑性與黏性的主要指標(biāo),應(yīng)根據(jù)試驗規(guī)程的變化,對其進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整,如仍采用原來參數(shù),應(yīng)進(jìn)行特別說明。

參考文獻(xiàn):

[1]SL251—2000,水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程[S].

[2]SL274—2001，碾壓式土石壩設(shè)計規(guī)范[S].

[3]GB50286—98，堤防工程設(shè)計規(guī)范[S].

[4]GB50286—2013，堤防工程設(shè)計規(guī)范[S].