大石峽水電站筑壩土料分散性綜合判定及改性研究

巨娟麗，樊恒輝，劉俊民

(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌712100)

大石峽水電站筑壩土料分散性綜合判定及改性研究

巨娟麗，樊恒輝，劉俊民

(西北農(nóng)林科技大學(xué)水利與建筑工程學(xué)院，陜西楊凌712100)

分散性土的抗沖蝕能力很低，對許多工程的安全性造成嚴(yán)重威脅。在分析土樣物理化學(xué)性質(zhì)和礦物學(xué)性質(zhì)的基礎(chǔ)上，采用雙比重計、碎塊、針孔、孔隙水陽離子和交換性鈉百分比等試驗方法，對大石峽水電站大壩防滲土料的分散性及其改性措施進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，土樣1號和4號屬于分散性土，2號、3號、5號屬于過渡性土。土樣產(chǎn)生分散的主要原因：一是土樣中含有數(shù)量較多的鈉離子，使得伊利土也像那鈉基蒙脫土一樣具有較強(qiáng)的分散性；二是酸堿度較高，使得土顆粒之間的斥力能大于引力能，促使土樣分散；摻入質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.26%的AlCl3·6H2O或質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.35%的CaCl2都會對分散性土樣產(chǎn)生顯著的改性作用。結(jié)果表明：土樣產(chǎn)生分散的條件是土樣中含有大量的鈉離子和較高的pH值；AlCl3·6H2O的改性效果明顯優(yōu)于CaCl2，是一種有效的分散性土改性劑。

分散性土；物理化學(xué)性質(zhì)； 綜合判定；改性；大石峽水電站

0 引 言

大石峽水電站工程位于新疆維吾爾自治區(qū)阿克蘇市阿克蘇河一級支流——庫瑪拉克河中下游溫宿縣與烏什縣交界處，工程裝機(jī)容量780 MW，是一座兼灌溉、防洪、生態(tài)用水與發(fā)電的綜合利用工程。大壩為粘土心墻堆石壩，最大壩高256 m，壩址位于大石峽峽谷出口處，壩址下游距在建的小石峽壩址約11 km，距協(xié)和拉水文站約14 km，距阿克蘇市約100 km。本文通過雙比重計、針孔、碎塊、交換性鈉百分比和孔隙水可溶鹽陽離子等5種試驗方法，并結(jié)合土樣的物理化學(xué)性質(zhì)和礦物成分分析，對大石峽水電站大壩防滲土料的分散機(jī)理以及改性應(yīng)用進(jìn)行探討，為工程的規(guī)劃設(shè)計、施工以及管理工作提供科學(xué)依據(jù)。

表2 土樣化學(xué)性質(zhì)

1 土樣的物理化學(xué)性質(zhì)和礦物成分

1.1 土樣的物理性質(zhì)

土樣的基本物理性質(zhì)結(jié)果見表1。5組土樣的比重在2.71～2.73之間，顆粒組成上以粉粒為主，其含量在59.2%～70.5%之間，粘粒含量約占18%～39%，砂礫含量約占0.5%～22.1%。界限含水率中液限WL為25.3%～32.1%，塑限WP為15.2%～18.7%，塑性指數(shù)Ip為10.1～13.4，都屬于低液限粘土(CL)。土樣的最大干密度為1.68～1.77 g/cm3，最優(yōu)含水率為13.3%～18.6%。

1.2 土樣的化學(xué)性質(zhì)

土樣的基本化學(xué)性質(zhì)結(jié)果見表2。5組土樣的易溶鹽含量為1.58～18.56 g/kg，除5號土樣外都屬于鹽漬土[13]；陽離子主要以鈉離子為主，其次是鈣離子、鎂離子和鉀離子；中溶鹽含量為0.45～5.54 g/kg，難溶鹽含量為248.82～428.14 g/kg，有機(jī)質(zhì)含量為2.39～4.91 g/kg。土樣pH值為8.23～9.37，其中土樣2號、5號呈微堿性(7.5～8.5)，其余呈強(qiáng)堿性(>8.5)。

1.2 土樣礦物成分分析

土樣的礦物成分采用日本理學(xué)電機(jī)公司的X射線衍射儀進(jìn)行分析，結(jié)果見表3。從表3中可看出，5組土樣的粘土礦物成分以伊利石為主，含量為14.2%～16.4%，少量的伊利石以伊-蒙混層礦物的形式存在；其次是綠泥石和高嶺石，蒙脫石僅占全土的0.7%～1.4%，且以伊-蒙混層礦物形式存在。非粘土礦物主要是方解石，其次是石英、白云石等其它礦物。

“工作坊”英文為“workshop”，最早源于德國包豪斯學(xué)院現(xiàn)代建筑設(shè)計奠基人之一格拉皮烏斯的“工廠學(xué)徒制”教育理念[6]?！肮ぷ鞣弧笔且环N開放的交流方式，其構(gòu)成要素包括：主題內(nèi)容；學(xué)習(xí)方法；活動序列和社會環(huán)境[7]。“工作坊”的運(yùn)行包括四個環(huán)節(jié)：工作坊創(chuàng)設(shè)-分組實(shí)訓(xùn)-成果交流-實(shí)訓(xùn)評價[8]，具體形式包括案例分析、角色扮演、集體分享、團(tuán)體討論、頭腦風(fēng)暴、教師點(diǎn)評等[6]。

2 土樣的分散性判別試驗

分散性土是一種特殊類型的土，土顆粒在水中通過反絮凝作用過程被侵蝕，因此不能憑借傳統(tǒng)的物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)及力學(xué)指標(biāo)來進(jìn)行鑒定，如土樣的界限含水率、土顆粒的級配分析結(jié)果以及壓實(shí)特性等。國內(nèi)對于分散性粘土的研究較晚，目前仍沒有判斷分散性土的相關(guān)試驗規(guī)程。本次試驗參照美國材料與試驗協(xié)會制定的ASTM D4221—99《雙比重計試驗》[14]、ASTM D4647—93(1998)《針孔試驗》[15]、ASTM D6572—00《碎塊試驗》[16]等3種試驗規(guī)程，以及美國第一次關(guān)于分散性土的專題討論會中介紹的交換性鈉百分比試驗、孔隙水可溶鹽陽離子試驗[17-18]等5種試驗方法進(jìn)行，根據(jù)5種試驗的結(jié)果綜

表3 土樣礦物成分

表4 土樣分散性試驗結(jié)果

合判定土樣的分散性。土樣的分散性試驗結(jié)果見表4。

2.1 雙比重計試驗

雙比重計試驗是美國水保局采用的鑒別粘土分散性的一種定量分析方法。該試驗首先將土樣放在盛有蒸餾水的抽濾瓶中，抽濾瓶與真空泵相連接并抽氣10 min，然后把土水混合液沖洗到量筒中，加蒸餾水至1000 mL，倒轉(zhuǎn)量筒并來回晃動約30次，讓粘土顆粒在水中自行分散，測得粘土中粘粒(<0.005 mm)的含量，再根據(jù)土工試驗規(guī)程中的常規(guī)試驗方法，加入化學(xué)分散劑并煮沸，測得粘土中粘粒的含量。采用兩次試驗所得粘粒含量比值的百分率，即分散度作為鑒定粘土分散性的定量指標(biāo)。若分散度<30%，屬于非分散性土；若分散度在30%～50%之間，屬于過渡性土；若分散度>50%，屬于分散性土，即分散度越大，土體的分散的趨勢越高。試驗結(jié)果表明：5號土樣的分散度為56.4%，屬于分散性土，其余4組土樣的分散度均小于30%，均屬于非分散性土，但由于前4組土樣的易溶鹽含量較高，使得土水混合液中的土顆粒很快發(fā)生凝聚沉淀，水體澄清，從而使雙比重計試驗的結(jié)果很不準(zhǔn)確，因此對含鹽量比較高的土體來說，其結(jié)果的可靠性較差，不能夠真實(shí)地反映土體的分散情況。

2.2 碎塊試驗

碎塊試驗是以膠體化學(xué)的基本觀點(diǎn)為基礎(chǔ)，認(rèn)為土壤膠體顆粒的析出是粘性土產(chǎn)生分散的主要原因，因此以膠體顆粒析出程度的大小作為鑒定粘性土分散性的一個定性指標(biāo)。碎塊試驗開始時，首先將天然含水率的原狀土塊或針孔試驗結(jié)束以后的試樣制成體積約為1 cm3的正方體土塊，再將制好的正方體土塊放進(jìn)盛有一定量蒸餾水的燒杯中，浸放約5～10 min，最后根據(jù)土塊中的膠體顆粒在水中的分散性狀進(jìn)行粘土分散性的判定。碎塊試驗的判定標(biāo)準(zhǔn)：若土塊水解后水體混濁，土顆粒很快擴(kuò)散到整個量杯底部，且水呈霧狀，經(jīng)久不清，則屬于分散性土；若土塊水解后四周有少量混濁，且擴(kuò)散范圍較小，則屬于過渡性土；若土塊水解后以細(xì)顆粒狀平堆在量杯底部，水色是清亮的，或者稍混濁后很快又變清亮，則屬于非分散性土。從碎塊試驗結(jié)果來看，5組土樣都屬于過渡性土，即土樣水解后有少量渾濁，且擴(kuò)散范圍不大。

2.3 針孔試驗

針孔試驗?zāi)M在一定的水頭作用下，土壤顆粒所具有承受水流的沖蝕能力，藉此表示分離顆粒所需要力的大小。針孔試驗可直接、定性的鑒定土樣的分散性能和粘土膠粒的抗沖蝕性。由于針孔試驗直接模擬了工程實(shí)際中滲透水流所具有的沖蝕條件，因此被認(rèn)為是粘性土分散性鑒定中最具可靠性的一種鑒定方法。其判定標(biāo)準(zhǔn)為：非分散土在380～1 020 mm水頭下針孔不擴(kuò)大，出水流很清；過渡性土，在180～380 mm水頭下針孔沖蝕速度較慢，出水水流稍混濁；分散性土在50 mm水頭下針孔迅速擴(kuò)大，出水水流混濁。試驗結(jié)果表明，1號、4號屬于非分散性土，2號、3號、5號屬于分散性土。但對于靈敏度較高的土樣，由于試驗過程中土樣容易受到擾動，土樣的強(qiáng)度就會降低，抗沖蝕能力減小，針孔試驗可能會誤判為分散性土，因此對抗沖蝕能力較低的粉質(zhì)粘土，根據(jù)針孔試驗可能會造成誤判，這一點(diǎn)需特別注意。

2.4 孔隙水可溶鹽陽離子試驗

孔隙水陽離子試驗是農(nóng)業(yè)土壤學(xué)中的一個基本試驗。試驗開始時，首先用蒸餾水把土樣的含水率配制到接近液限的稠度，然后將其經(jīng)離心機(jī)脫水后得到孔隙水溶液，測定孔隙水溶液中Na+、K+、Ca2+、Mg2+的含量，計算孔隙水溶液中陽離子的總量(TDS)、鈉離子的百分比(PS)以及鈉吸附比(SAR)。

判定標(biāo)準(zhǔn)：①鈉百分比PS。若PS<40%，則為非分散性土；若PS在40%～60%之間，則為過渡性土；若PS>60%，則為分散性土。②鈉吸附比SAR。若TDS>5且SAR>2.7，則為分散性土；若TDS>10則需SAR>4.2；若TDS>100則需SAR>13。試驗結(jié)果見表1，表明1號、4號、5號屬于分散性土，2號屬于非分散性土，3號屬于過渡性土。

表6 土樣分散性綜合判別結(jié)果

2.5 交換性鈉百分比試驗

交換性鈉百分比(ESP)是指100 g干土中，交換性鈉離子占陽離子交換總量(CEC)的百分比，間接反映了土顆粒之間凝聚力的大小。判定標(biāo)準(zhǔn)：若ESP在7～10之間，屬中等分散性土；若ESP≥15，則屬于高分散性土，即存在嚴(yán)重管涌的可能性。試驗結(jié)果表明，2號土樣交換性鈉百分比含量為10.84%，屬于過渡性土，其余4組土樣的交換性鈉百分比含量都大于15%，屬于高分散性土。

2.6 土樣分散性的綜合判定

由以上結(jié)果可以看出，采用雙比重計、碎塊、針孔、孔隙水可溶鹽陽離子和交換性鈉百分比等5種試驗方法對土樣的分散性進(jìn)行判定，所得的試驗結(jié)果具有一定的離散性，導(dǎo)致結(jié)果不一致的原因主要有兩個，一是因為影響粘土分散性的因素比較復(fù)雜，且各影響因素之間相互作用；二是這5種試驗方法的判定標(biāo)準(zhǔn)是由大量的實(shí)踐資料統(tǒng)計分析得來的，雖具有一定的合理性和可靠性，但對有些土類也存在某些例外的情況。因此深入了解分散性土的基本特性和積累實(shí)踐經(jīng)驗，提高分散性土的鑒定水平是非常必要的。作者對實(shí)際工程中53組土樣的分散性鑒定結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計分析，若其中一項試驗的判定結(jié)果和最終的判定結(jié)果一致，記為1個土樣，若過渡性與非分散性或過渡性與分散性相遇時，記為0.5個土樣，把兩者結(jié)果一致的土樣個數(shù)與土樣總個數(shù)的比值稱為配合度，對配合度進(jìn)行歸一化處理就可以得到每種試驗方法所占的權(quán)重。若配合度越大，則這種試驗方法的參考價值越高，即這種試驗方法所占的權(quán)重越大，結(jié)果列于表5。由表5可見，針孔試驗的權(quán)重最大，占26%，其次是碎塊試驗，占23%，雙比重計試驗、孔隙水可溶性陽離子試驗、交換性鈉百分比試驗的權(quán)重差異不大，分別為16%、18%、17%。根據(jù)53組土樣的最終判定結(jié)果以及5種試驗方法所占的權(quán)重，計算土樣的非分散性、過渡性及分散性所占的總權(quán)重，并給出綜合判定準(zhǔn)則：若土樣的分散性權(quán)重>44%時，土樣屬于分散性土；若土樣的分散性權(quán)重=44%，而過渡性的權(quán)重≥39%時，土樣屬于分散性土，相反屬于過渡性土；若土樣的分散性權(quán)重<44%，但“過渡性+分散性”的權(quán)重≥44%時，土樣屬于過渡性土，否則土樣屬于非分散性土。根據(jù)此準(zhǔn)則綜合分析認(rèn)為，1號、4號土樣屬于分散性土，2號、3號、5號屬于過渡性土。5組土樣分散性綜合判定結(jié)果見表6。

表5 5種試驗的配合度與權(quán)重 %

2.7 土樣的分散機(jī)理分析

粘性土分散的主要原因是土顆粒之間的斥力能大于引力能，從而促使土-水-電解質(zhì)系統(tǒng)中的粘土顆粒產(chǎn)生分散。在土水電解質(zhì)體系中，土顆粒間的排斥作用與土顆粒表面擴(kuò)散雙電層的發(fā)育程度密切相關(guān)，雙電層越厚，懸液中顆粒的絮凝作用就越小，即分散性能就越強(qiáng)；離子的化合價越高，其濃度越大，則擴(kuò)散層的厚度越小，分散性越弱。此外，離子的半徑越小，其水化離子的半徑就越大，形成的水化膜就越厚，粘土顆粒越不容易聚結(jié)。從土樣的分散性判定試驗結(jié)果及化學(xué)性質(zhì)可以看出，交換性鈉離子占陽離子交換總量的10.84%～21.06%，孔隙水中所含的鈉離子占孔隙水溶液中陽離子總量的33.4%～69.7%，易溶鹽中鈉離子的含量占陽離子總量的45.5%～90.08%，由此說明土樣中含有數(shù)量較多的鈉離子，而一價鈉離子的半徑相對較小，即水化鈉離子的半徑較大，形成的擴(kuò)散層厚度就越大，從而使得土顆粒之間斥力能大于引力能，土樣產(chǎn)生分散。土樣的礦物成分分析表明，5組土樣中伊利石含量較多，蒙脫石含量較少，因此蒙脫石不是土樣產(chǎn)生分散的主要因素，但由于土樣中含有數(shù)量較多的鈉離子，使得伊利土也像鈉基蒙脫土一樣具有較強(qiáng)的分散性。此外，pH值越高，土顆粒表面的凈負(fù)電荷量越大，土顆粒表面的雙電層厚度越發(fā)育，促使土體分散。5組土樣的pH值在8.23～9.37之間，呈微堿性或強(qiáng)堿性。因此筆者認(rèn)為，供試5組土樣產(chǎn)生分散性的主要原因是土樣中含有大量的鈉離子，且土樣酸堿度較高。

表7 土樣改性試驗結(jié)果

3 分散性土樣的改性試驗

綜合鑒定結(jié)果表明，1號、4號土樣屬于分散性土，由于1號土樣的鈉離子含量和酸堿度較高，因此對1號土樣加入AlCl3·6H2O和CaCl2進(jìn)行改性試驗研究。由于碎塊試驗和針孔試驗在土樣的分散性綜合判定中所占權(quán)重相對較高，因此對改性的土樣僅做了針孔試驗和碎塊試驗，試驗結(jié)果見表7。從表7可以看出，當(dāng)AlCl3·6H2O摻入的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.12%～0.17%時，針孔試驗呈現(xiàn)出分散性土的特征，摻量為0.22%時呈現(xiàn)為過渡性土的特征，摻量為0.26%時呈現(xiàn)出非分散性土的特征；碎塊試驗中，當(dāng)AlCl3·6H2O摻入的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.12%時呈現(xiàn)出分散性土的特征，摻量為0.17%時為過渡性土的特征，摻量為0.22%～0.30%時呈現(xiàn)出非分散性土的特征。由此可以得出，當(dāng)AlCl3·6H2O摻入的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥0.26%時，土樣由分散性土轉(zhuǎn)變?yōu)榉欠稚⑿酝?，? 020 m的水頭下，流量穩(wěn)定，出水清澈，孔徑基本無變化，碎塊試驗也呈現(xiàn)為非分散性土的特征。當(dāng)CaCl2摻入的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%時，針孔試驗呈現(xiàn)出分散性土的特征，摻量為0.25%～0.3%時呈現(xiàn)為過渡性土的特征，摻量為0.35%時表現(xiàn)為非分散性土的特征；碎塊試驗中當(dāng)CaCl2摻入的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.15%～0.25%時呈現(xiàn)出分散性土的特征，摻量為0.3%～0.40%時呈現(xiàn)為非分散性土的特征，因此當(dāng)CaCl2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥0.35%時，針孔試驗和碎塊試驗的結(jié)果才呈現(xiàn)為非分散性土的特征，即達(dá)到完全改性的目的。摻入AlCl3·6H2O或CaCl2具有良好改性效果的原因是Al3+和Ca2+會與粘土顆粒表面Na+發(fā)生交換，減少粘粒表面所吸附的Na+數(shù)量，使得土顆粒的雙電層厚度變薄，從而減弱粘土分散的趨勢，達(dá)到抑制效果。此外，從試驗過程可以看出，AlCl3的改性效果明顯優(yōu)于CaCl2，這是因為AlCl3是一種強(qiáng)酸弱堿鹽，水解顯酸性，可有效的降低土體的pH值，改變土體的堿性環(huán)境，從而有效抑制土樣的分散。從電化學(xué)角度來看，在離子濃度相同的情況下，價態(tài)越高的離子可以從土粒表面置換出更多的Na+，改性效果也就會越明顯，這也是Al3+較Ca2+對分散性土抑制作用更明顯的一個原因。

4 結(jié) 論

(1)采用統(tǒng)計分析的方法賦予雙比重計試驗16%的權(quán)重、碎塊試驗23%的權(quán)重、針孔試驗26%的權(quán)重、孔隙水可溶鹽陽離子試驗18%的權(quán)重，交換性鈉百分比試驗17%的權(quán)重，并給出定量化的綜合判定準(zhǔn)則。綜合判定認(rèn)為，1號和4號屬于分散性土，2號、3號及5號屬于過渡性土。

(2)土樣產(chǎn)生分散的主要原因：土樣中含有大量的鈉離子(包括易溶鹽中的鈉離子、交換性鈉離子及孔隙水中的鈉離子)，且土樣的酸堿度較高，因而形成的擴(kuò)散層就越厚，使得土顆粒之間的斥力大于引力，促使土樣產(chǎn)生分散。

(3)供試的5組土樣屬于過渡性土和分散性土，在工程施工中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)等于大于0.26%的AlCl3·6H2O或質(zhì)量分?jǐn)?shù)等于大于0.35%的CaCl2進(jìn)行處理，都能有效改善土樣的分散性，但前者的改性效果明顯優(yōu)于后者。

(4)土樣的物理化學(xué)性質(zhì)及分散機(jī)理不同，同一改性劑的改性的效果可能會存在一定的差異，有待進(jìn)一步研究。

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(責(zé)任編輯 王 琪)

Study on Dispersivity Identification and Modification of Dam Soil in Dashixia Hydropower Station

JU Juanli, FAN Henghui, LIU Junmin

(College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi, China)

Dispersive soil has very low erosion resistance capacity, so it seriously threatens engineering safety. Based on the analysis of physical and chemical properties, the dispersivity and modification of dam soil in Dashixia Hydropower Station are studied by using double-hydrometer test, crumb test, pinhole test, pore water salt test and exchangeable sodium percent test. The results show that the No. 1 and 4 soil samples are dispersive, and No. 2, 3 and 5 soil samples are transitional soil. A great quantity of sodium-ions in gerundive soil and higher alkalescence make the soil as well as montmorillonoid which is intense dispensability. When 0.26% of AlCl3·6H2O or 0.35% of CaCl2is added, the dispersion of soil can be restrained effectively. It is shown that the soil becomes dispersive clay only under the conditions of more sodium-ions and the higher pH, and compared with CaCl2, AlCl3·6H2O is an affective modifier of dispersive soil．

dispersive soil; physic-chemical property; comprehensive judgment; modification; Dashixia Hydropower Station

2016-04-13

國家自然科學(xué)基金資助項目(51579213，51579215);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)(2452016069)；西北農(nóng)林科技大學(xué)博士科研啟動基金資助項目(2452015290)

巨娟麗(1976—)，女，陜西乾縣人，講師，博士，主要從事水文水資源和環(huán)境巖土方面的研究．

TV443

A

0559-9342(2016)11-0114-06