防滲土體摻鹽后工程特性試驗(yàn)

陳式華, 沈水進(jìn), 陳來(lái)華, 陸國(guó)鑫

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020; 2.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州 310020)

防滲土體摻鹽后工程特性試驗(yàn)

陳式華1,2, 沈水進(jìn)1,2, 陳來(lái)華1,2, 陸國(guó)鑫1

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020; 2.浙江省水利防災(zāi)減災(zāi)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 浙江 杭州 310020)

為研究防滲土體在摻入食鹽后的工程特性變化,測(cè)定符合設(shè)計(jì)規(guī)范要求的摻鹽量,分別在水庫(kù)大壩和河道堤防的防滲土樣中摻入不同類型、不同摻量的食鹽,進(jìn)行土樣物理化學(xué)及力學(xué)特性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:低液限黏土在精鹽摻量不大于3.29%,混合鹽摻量不大于2.99%時(shí),水溶鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)均符合規(guī)范要求;在試驗(yàn)的摻鹽范圍內(nèi),滲透系數(shù)均在1×10-7～7.9×10-7cm/s之間,滿足規(guī)范要求,其他指標(biāo)雖有變化,但變幅不大。

防滲土體;摻鹽量;工程特性;試驗(yàn)研究

我國(guó)南方屬亞熱帶地區(qū),特殊的自然地理?xiàng)l件十分適宜白蟻生存繁衍,是白蟻災(zāi)害的多發(fā)區(qū)域。白蟻主要通過(guò)在河道堤防、水庫(kù)大壩中筑巢破壞防滲體結(jié)構(gòu)及影響土體物理和化學(xué)性質(zhì)[1-2],當(dāng)水位上漲時(shí)可能引起堤壩管涌、流土、滑坡和壩體潰決。近年來(lái),因白蟻危害而造成的垮壩潰堤等事故多有發(fā)生,蟻害已成為我國(guó)南方水利工程決堤潰壩的主要禍根之一,給水利工程的正常運(yùn)行和人民的生命財(cái)產(chǎn)造成極大的威脅。

防治白蟻對(duì)堤壩的危害,以往采用的主要方法有挖穴取巢、投放白蟻誘餌劑、煙劑熏殺、毒土灌漿等[3],但這些方法存在諸如費(fèi)時(shí)費(fèi)力、實(shí)施難度大、有效時(shí)間短、環(huán)境污染大等問(wèn)題，這就促使人們?nèi)ふ乙环N既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保的防治方法。用食鹽預(yù)防白蟻入侵堤壩的方法解決了這些問(wèn)題[4-6],該方法是在白蟻筑巢部位的防滲黏土中摻入適量的食鹽,阻止白蟻入侵到堤壩內(nèi)部筑巢并破壞防滲體,從而達(dá)到從根本上防治白蟻入侵堤壩的目的,但摻鹽后對(duì)防滲土體理化指標(biāo)的影響程度尚不明確。本文通過(guò)對(duì)防滲土體摻鹽前后土體工程特性的試驗(yàn)研究,分析了在土樣中摻入不同種類、不同摻鹽量的食鹽對(duì)防滲土體工程特性的影響,提出了摻鹽量的合理范圍,掌握了摻鹽后防滲土體特性的變化規(guī)律,并在具體工程實(shí)例中加以應(yīng)用,取得了較好的效果。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)用料

試驗(yàn)用土取自某大壩套井回填土和某河道堤防的防滲土，分別簡(jiǎn)稱土樣1和土樣2。

食鹽選用3種類型，分別為:①浙江鹽業(yè)集團(tuán)有限公司出品的“雪濤”牌食用精鹽;②一般食用粗鹽;③浙江藍(lán)海星鹽制品有限公司出品的“藍(lán)海星”牌健康平衡鹽(混合鹽)。

表1 原土的物理性質(zhì)指標(biāo)

表2 原土的化學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

表3 原土的力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

注：直接剪切試驗(yàn)采用固結(jié)快剪測(cè)定方法，下同。

表4 摻鹽前后界限含水率及物理化學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

1.2 試樣制備和測(cè)試方法

首先對(duì)原土風(fēng)干、碾碎，并以四分法分成兩部分：①過(guò)5 mm篩的土樣，進(jìn)行擊實(shí)、顆粒分析、界限含水率等試驗(yàn)；②過(guò)2 mm篩的土樣,進(jìn)行力學(xué)、物理化學(xué)試驗(yàn)。直接剪切、固結(jié)、壓縮、滲透等試驗(yàn)中的試樣根據(jù)擊實(shí)試驗(yàn)的成果和96%壓實(shí)度進(jìn)行制備。測(cè)試方法參照SL 237—1999《土工試驗(yàn)規(guī)程》[7]。

摻鹽量(以100 g干土質(zhì)量計(jì))范圍:0～4.0%。對(duì)這2種土樣按不同類型、不同摻鹽量的要求制備物理化學(xué)和力學(xué)試驗(yàn)試樣。

2 試驗(yàn)結(jié)果

首先對(duì)選用的2種土樣進(jìn)行原土的擊實(shí)試驗(yàn)、物理化學(xué)及力學(xué)性質(zhì)試驗(yàn),確定土樣的最大干密度和最優(yōu)含水率,不同粒徑土體質(zhì)量分?jǐn)?shù)、界限含水率、水溶鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氯化鈉含量、有機(jī)質(zhì)含量、pH值、分散性、滲透系數(shù)等指標(biāo)試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1～3。

依據(jù)試驗(yàn)方案,在土樣1、2中加入“雪濤”牌食用精鹽研究摻鹽量對(duì)防滲土工程特性的影響，試驗(yàn)結(jié)果分別如表4和表5所示。

為研究不同食鹽類型對(duì)防滲土工程特性的影響,在土樣2中分別摻入“雪濤”牌食用精鹽、一般食用粗鹽以及“藍(lán)海星”牌混合鹽,進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。這3種食鹽的主要成分見(jiàn)表6,對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表7、表8。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由表1可知,土樣1為高液限黏土,土樣2為低液限黏土。由表2、表3可知,2種土樣均為非分散性土;pH值分別為6.67和5.05,均屬酸性土(pH值小于7);水溶鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.152%和0.266%,滿足規(guī)范要求;土樣2有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.180%,滿足規(guī)范要求[8]。2種土樣96%壓實(shí)度下的滲透系數(shù)分別為8.2×10-7cm/s和5.6×10-7cm/s,均滿足規(guī)范要求[8],也符合防滲體填筑的質(zhì)量要求[9-10]。

表5 摻鹽前后力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

表7 土樣2不同摻鹽類型和摻鹽量下界限含水率及物理化學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

表8 土樣2不同摻鹽類型和摻鹽量下力學(xué)試驗(yàn)結(jié)果

表6 3種食鹽的主要成分

3.1 摻鹽前后物理化學(xué)性質(zhì)的對(duì)比

從表4可以看出,土樣1和土樣2在摻入精鹽后,隨著含鹽量的增大,相應(yīng)的液、塑限及塑性指數(shù)均有所減小,并隨著摻鹽量的增加其變化趨勢(shì)有所放緩。這是因?yàn)樵谳^低的摻鹽量下,鹽類溶解在水中,增大了土顆粒的水膜擴(kuò)散層厚度,從而較快地降低了其可塑性;但隨著摻鹽量的增大,土體中鹽分以兩種形式存在,一部分溶解在水中,降低其可塑性,另一部分則析出，起到顆粒阻滑作用,從而抵消了可溶鹽的摻入對(duì)可塑性的削弱[11-12],因此,液、塑限及塑性指數(shù)的減小后期放緩,其變化規(guī)律如圖1所示。而由表7可知,在相同摻鹽量下,不同食鹽類型對(duì)土樣界限含水率的影響不明顯。

圖1 界限含水率隨摻鹽量變化曲線

同樣,從表4、表7可知,土樣1和土樣2的易溶鹽隨著摻鹽量的增加而增加;在摻鹽量為2%和3%時(shí),土樣2摻入不同類型食鹽時(shí)其物理化學(xué)性質(zhì)變化差異不大,這是由于摻入的食用鹽以氯化鈉為主,為易溶鹽,因此,其水溶鹽中的易溶鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)必然隨著摻鹽量的增加而增加,且食鹽的類型對(duì)土體物理化學(xué)性質(zhì)的影響不是主要的。水溶鹽的變化規(guī)律見(jiàn)圖2。

圖2 水溶鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨摻鹽量變化規(guī)律

由圖2可知,當(dāng)土樣2的精鹽摻量增加到4.0%時(shí),水溶鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到3.84%;混合鹽摻量增加到3.0%時(shí),水溶鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到3.01%,均不滿足規(guī)范要求(小于或等于3%)。通過(guò)線性內(nèi)插法計(jì)算可得,當(dāng)水溶鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.0%時(shí),對(duì)應(yīng)的精鹽摻量為3.29%,混合鹽摻量為2.99%。

通過(guò)測(cè)定土樣摻入食鹽前后的pH值可以看出,雖然2種土樣隨著摻鹽量的增加略有減小,但均不是很明顯;從分散性角度上來(lái)看,這2種土樣摻鹽前后并無(wú)區(qū)別,仍為非分散性土。

3.2 摻鹽前后力學(xué)性質(zhì)的對(duì)比

a. 滲透系數(shù)。由表5、表8可知,2種土樣在摻入食鹽后,其滲透系數(shù)均在1×10-7～7.9×10-7cm/s,與原土相比均略有減小。這主要因?yàn)轲ば酝林薪Y(jié)合水膜占據(jù)了土中大部分孔隙體積,而隨著食鹽的摻入,增大了細(xì)小土顆粒的水膜厚度,而這種結(jié)合水膜又是不流動(dòng)的,所以導(dǎo)致滲透系數(shù)有所減小。

b. 抗剪強(qiáng)度。由表5可知,2種土樣摻入精鹽后,土樣2的內(nèi)摩擦角隨著摻鹽量的增加而減小,黏聚力變化不明顯;對(duì)土樣1來(lái)說(shuō),當(dāng)摻鹽量為0～0.8%時(shí),黏聚力隨著摻鹽量的增加而略有減小,內(nèi)摩擦角則基本不變,這可能是摻鹽量變化幅度較小所致,當(dāng)摻鹽量為1.2%～2.0%時(shí),出現(xiàn)的黏聚力和內(nèi)摩擦角均大于摻鹽量為0～0.8%時(shí)之值,其原因可能是試樣的含水率不同所致。在相同摻鹽量下,在土樣2中摻入不同鹽類后黏聚力和內(nèi)摩擦角均表現(xiàn)為精鹽大于混合鹽大于粗鹽的規(guī)律(表8)。假設(shè)作用于剪切面上的正應(yīng)力為100kPa,則2種土樣的抗剪強(qiáng)度變化規(guī)律如圖3所示[13]。

圖3 抗剪強(qiáng)度隨摻鹽量變化規(guī)律

c. 壓縮特性。由表5可知,土樣1在摻入精鹽后,壓縮系數(shù)在摻鹽量為0.8%時(shí)達(dá)到一個(gè)峰值,而壓縮模量達(dá)到一個(gè)谷值,即認(rèn)為在試驗(yàn)條件下,存在一個(gè)臨界摻鹽量，為0.8%;而土樣2在摻入不同鹽類后,壓縮系數(shù)變化趨勢(shì)均表現(xiàn)為隨著摻鹽量的增加而增大,壓縮模量則正好相反。這主要是由于含鹽量的增加,土中的水能充分溶解摻入的鹽,降低了土體的密實(shí)度,使得土的壓縮性提高。而相同摻鹽量下,對(duì)土樣2摻入不同鹽類后,其壓縮系數(shù)上升幅度由大到小依次為混合鹽、精鹽、粗鹽；壓縮模量下降幅度由大到小依次為混合鹽、精鹽、粗鹽(表8)。2種土樣的壓縮系數(shù)及壓縮模量隨摻鹽量的變化規(guī)律分別見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 壓縮系數(shù)隨摻鹽量變化規(guī)律

圖5 壓縮模量隨摻鹽量變化規(guī)律

4 工程實(shí)例

龍溪水庫(kù)位于浙江省玉環(huán)縣中部龍溪鄉(xiāng)大密溪村,始建于20世紀(jì)50年代,為黏土心墻壩,壩長(zhǎng)210 m,壩高23.6 m,總庫(kù)容331.67萬(wàn)m3，是一座以供水為主,兼有防洪、灌溉、供水等綜合利用的小(1)型水庫(kù)。由于多年運(yùn)行,水庫(kù)壩坡風(fēng)化嚴(yán)重,沉降明顯,下游有較大面積滲水;壩體內(nèi)有白蟻活動(dòng)跡象,雖經(jīng)多次治理,但仍無(wú)法達(dá)到根治蟻害的目的。

2009年,在龍溪水庫(kù)除險(xiǎn)加固施工中,在大壩黏土心墻套井回填土料中摻入食鹽，具體施工方案是在原壩體黏土心墻處采用沖抓套井取土,然后用摻鹽量為0.8%的高液限防滲黏土進(jìn)行回填,每層厚度0.3 m,施工質(zhì)量以抽檢防滲土料回填后壓實(shí)度96%控制。工程完工后蓄水運(yùn)行至今,水庫(kù)壩體未發(fā)現(xiàn)白蟻活動(dòng)跡象,下游壩坡也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)滲漏出水等工程隱患,水庫(kù)向周邊大部分地區(qū)供應(yīng)飲用水,發(fā)揮著良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

5 結(jié) 論

a. 摻入食鹽后,液、塑限及塑性指數(shù)均隨著摻鹽量的增加逐漸變小,且變化趨勢(shì)有所放緩;pH值隨著摻鹽量的增加略有減小的趨勢(shì);加鹽后土樣仍為非分散性土。

b. 在本文試驗(yàn)范圍內(nèi),2種防滲土樣的水溶鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨著摻入食鹽量的增加有所增大;當(dāng)精鹽摻量不大于3.29%,混合鹽摻量不大于2.99%時(shí),土樣2水溶鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)滿足規(guī)范要求。

c. 在各種試驗(yàn)條件下,適量摻鹽對(duì)土樣滲透系數(shù)的影響均不是很明顯;抗剪強(qiáng)度隨著食鹽摻量的增加有所減小。

d. 在試驗(yàn)條件下,低液限黏土(土樣2)壓縮系數(shù)隨著食鹽摻量的增大而增大,而壓縮模量則隨之減小;但高液限黏土(土樣1)在摻鹽量0.8%時(shí)達(dá)到一個(gè)臨界值,即壓縮系數(shù)達(dá)到一個(gè)峰值,同時(shí)壓縮模量達(dá)到一個(gè)谷值。

e. 在摻入不同類型、相同摻鹽量的食鹽時(shí)，土樣的界限含水率變化不明顯;抗剪強(qiáng)度變化幅度由大到小依次為精鹽、混合鹽、粗鹽；壓縮系數(shù)上升幅度由大到小依次為混合鹽、精鹽、粗鹽；壓縮模量下降幅度由大到小依次為混合鹽、精鹽、粗鹽。

f. 工程實(shí)例應(yīng)用情況表明,摻鹽后防滲土體在工程特性沒(méi)有不利變化的前提下,起到了防治白蟻入侵堤壩的效果,且經(jīng)濟(jì)有效、方便快捷,具備良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

[ 1 ] SARCINELLI T S,SCHAEFER C E G R,LYNCH L S,et al.Chemical,physical and micromorphological properties of termite mounds and adjacent soills along a toposequence in Zona da Mata,Minas Gerais State,Brazil[J].Catena,2008(10):1-7.

[ 2 ] LéONARD J,RAJOT J L.Influence of termites on runoff and infiltration: quantification and analysis[J].Geoderma,2001,104(1): 17-40.

[ 3 ] 周維.水庫(kù)堤壩白蟻防治研究[D].合肥: 安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),2009.

[ 4 ] 陳來(lái)華,潘存鴻,陳森美,等.利用食鹽預(yù)防白蟻入侵堤壩的新技術(shù)[J].巖土工程學(xué)報(bào),2011,33(1): 140-144.(CHEN Laihua,PAN Cunhong,CHEN Senmei,et al.New technology of using salt to prevent termites for dikes and dams[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2011,33(1): 140-144.(in Chinese))

[ 5 ] 陳來(lái)華，陳森美.鹽土防治白蟻入侵堤壩的研究與應(yīng)用[R].杭州:浙江水利河口研究院,2008.

[ 6 ] 陳來(lái)華,徐有成.鹽堿土壤防治堤壩蟻害初探[J].科技通報(bào),2003,19(6):502-505.(CHEN Laihua,XU Youcheng.Primary discussion on prevention and control of ant damage in dikes with saline-alkali soil[J].Bulletin of Science and Technology,2003,19(6):502-504.(in Chinese))

[ 7 ] SL 237—1999 土工試驗(yàn)規(guī)程[S].

[ 8 ] SL 274—2001 碾壓式土石壩設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[ 9 ] 吳珺華,袁俊平,楊松,等.干濕循環(huán)下膨脹土脹縮性能試驗(yàn)[J].水利水電科技進(jìn)展,2013,33(1): 62-65.(WU Junhua,YUAN Junping,YANG Song,et al.Experimental study on swell-shrinking performance of expansive soil under wetting-drying cycles[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2013,33(1): 62-65.(in Chinese))

[10] 高鵬,吳世勇.兩河口水電站心墻防滲料摻礫試驗(yàn)[J].水利水電科技進(jìn)展,2012,32(5):64-66.(GAO Peng,WU Shiyong.An experimental study of gravelly impervious materials for core wall in Lianghekou Hydropower Station[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2012,32(5): 64-66.(in Chinese))

[11] 邴慧,何平.凍融循環(huán)對(duì)含鹽土物理力學(xué)性質(zhì)影響的試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2009,31(12): 1958-1962.(BING Hui,HE Ping.Influence of freeze-thaw cycles on physical and mechanical properties of salty soil[J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2009,31(12): 1958-1962.(in Chinese))[12] 梁健偉, 房營(yíng)光, 陳松. 濱海鹽漬土的強(qiáng)度特性試驗(yàn)與機(jī)理分析[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào), 2010, 27(7): 36-40.(LIANG Jianwei, FANG Yingguang, CHEN Song. Experiment and mechanism analysis on strength characteristics of coastal saline soil[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2010, 27(7): 36-40.(in Chinese)

[13] 洪安宇, 楊曉松, 黨進(jìn)謙，等.非飽和氯鹽漬土抗剪強(qiáng)度特性試驗(yàn)研究[J]. 長(zhǎng)江科學(xué)院院報(bào), 2013, 30(4): 52-55.(HONG Anyu, YANG Xiaosong, DANG Jinqian, et al. Shear strength property of unsaturated chlorine saline soill[J]. Journal of Yangtze River Scientific Research Institute, 2013, 30(4): 52-55.(in Chinese))

Test of engineering properties of impervious soil with salt//

CHEN Shihua1,2, SHEN Shuijin1,2, CHEN Laihua1,2, LU Guoxin1

(1.ZhejiangInstituteofHydraulicsandEstuary,Hangzhou310020,China; 2.ZhejiangProvincialKeyLaboratoryofWaterConservancyDisasterPreventionandReduction,Hangzhou310020,China)

In order to study changes in engineering properties of impervious soil with salt and to determine the critical value of salt content that conforms to design criterion, experiments were performed for testing physical, chemical, and mechanical properties of samples. These impervious soil samples were taken from river embankment and reservoir dam, and then they were mixed with various kinds and amounts of salt. The results show that the salt contents, in low liquid limit clay, all conform to the criterion with refined salt no more than 3.29% and mixed salt no more than 2.99%. Within the tested salt content range, the permeability coefficients are all between 1×10-7cm/s and 7.9×10-7cm/s, which satisfy the criterion. Moreover, other indicators in experiments do change, but not much.

impervious soil; salt content; engineering property; test research

浙江省重大科技專項(xiàng)(2011C13045);浙江省水利科技計(jì)劃項(xiàng)目(RC1446)

陳式華(1962—),女,浙江浦江人,高級(jí)工程師,主要從事巖土工程測(cè)試和研究工作。E-mail:chensh@zjwater.gov.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2015.03.013

TV443

A

1006-7647(2015)03-0066-05

2014-03-18 編輯：鄭孝宇)