大壩心墻料分散性及處理措施試驗(yàn)研究

陳勁松,顧纈琴，盛小濤, 定培中

(1.長江科學(xué)院 a.巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; b.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢　430010；2.長江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 工程檢測(cè)中心，武漢　430011)

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大壩心墻料分散性及處理措施試驗(yàn)研究

陳勁松1a，1b,顧纈琴2，盛小濤1a，1b, 定培中1a，1b

(1.長江科學(xué)院 a.巖土力學(xué)與工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室; b.國家大壩安全工程技術(shù)研究中心，武漢430010；2.長江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院 工程檢測(cè)中心，武漢430011)

摘要：分散性黏土是一種特殊土，具有易被水沖蝕的特性。隨著國內(nèi)外土石壩發(fā)展迅速，心墻土的選擇范圍也不斷擴(kuò)大，能否選用分散性黏土作為心墻填料以及分散性黏土在反濾層保護(hù)下防滲效果如何，是工程設(shè)計(jì)中十分關(guān)心的問題。針對(duì)某水利樞紐2個(gè)料場(chǎng)的心墻料取樣開展了與分散性有關(guān)的試驗(yàn)研究，通過針孔、碎塊、孔隙水溶液及雙比重計(jì)4種室內(nèi)試驗(yàn)鑒定方法對(duì)心墻料的分散性進(jìn)行判定。對(duì)分散性心墻料摻加不同比例的水泥或生石灰進(jìn)行了改性，并對(duì)改性前后的心墻料滲透特性和反濾保護(hù)措施效果進(jìn)行對(duì)比研究。試驗(yàn)成果表明：料場(chǎng)的部分心墻料具有分散性；2個(gè)料場(chǎng)的土料在水泥摻量3%或者生石灰摻量3%～5%的情況下，基本可以消除土料的分散性；經(jīng)過摻水泥或石灰等方式改性的心墻料比未摻改性材料的心墻料能承受的水力比降更高；在合適的反濾料保護(hù)下，分散性黏土能承受較高的水力比降，在裂縫等不利情況下有良好的自愈能力。

關(guān)鍵詞：心墻料；分散性土；改性土；裂縫自愈；反濾保護(hù)

1研究背景

分散性黏土是一種特殊土，具有易被水沖蝕的特性，遇到低含鹽量的水就會(huì)分散流失，在低含鹽量水中(或純凈水中)細(xì)顆粒之間的黏聚力大部分甚至全部消失，呈團(tuán)聚體存在的顆粒體自行分散成原級(jí)的黏土顆粒。分散性土在水中分散的實(shí)質(zhì)是土粒間的連結(jié)在水的作用下破壞的過程，也是土粒間斥力超過吸引力，使得相互排斥作用占優(yōu)勢(shì)的結(jié)果。在土-水體系中，土粒間排斥作用與土粒表面擴(kuò)散雙電層的發(fā)育程度密切相關(guān)，當(dāng)雙電層充分?jǐn)U展，土-水體系由動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)均不穩(wěn)定的狀態(tài)變成基本上相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，處于這種穩(wěn)定狀態(tài)的分散土?？梢噪S水流動(dòng)，為土體的滲透變形和破壞提供了條件。它的工程特性是抗沖能力很低，容易出現(xiàn)大面積沖蝕孔洞或發(fā)生突然的管涌破壞，并且容易造成堤壩管涌、路基失穩(wěn)等，危害性很大。隨著國內(nèi)外土石壩發(fā)展迅速，心墻土體選擇范圍也不斷擴(kuò)大，在大壩運(yùn)行初期，防滲體更容易因土拱效應(yīng)和不均勻沉降而形成水平向和垂直向的非貫通性和部分貫通性裂縫，在水流的作用下易引起防滲體的沖蝕破壞，進(jìn)而危及整個(gè)大壩的安全。因此，能否選用分散性黏土作為心墻填料以及分散性黏土在反濾層保護(hù)下防滲效果是工程設(shè)計(jì)中十分關(guān)心的問題。本文以某水利樞紐心墻料試樣開展了相關(guān)試驗(yàn)研究。

2試樣來源及土工試驗(yàn)成果

取樣地點(diǎn)位于該樞紐的2個(gè)心墻料料場(chǎng)(L和Y)。每個(gè)料場(chǎng)布置6個(gè)取樣點(diǎn)，其間距為300 m，取樣深度為50～100 cm。

2.1物理力學(xué)性能試驗(yàn)

心墻料物理力學(xué)性能試驗(yàn)成果見表1(下標(biāo)數(shù)字10和17分別代表試驗(yàn)中錐體沉入土中10和17 mm)。從表1可以看出，L料場(chǎng)除L1取樣點(diǎn)外，其余各點(diǎn)土樣均以黏粒(<0.005 mm)為主，含量為41.0%～62.3%，按塑性圖劃分為低液限黏土(CL)；L1取樣點(diǎn)以砂粒(0.25～0.075 mm)為主，定名為黏土質(zhì)砂。Y料場(chǎng)除Y2取樣點(diǎn)外以粉粒(0.075～0.005 mm)為主，含量為56.4%～65.9%，按塑性圖劃分為低液限黏土(CL)；Y2點(diǎn)以黏粒(<0.005 mm)為主，亦定名為低液限黏土。

2.2土樣成份分析試驗(yàn)

對(duì)土樣進(jìn)行了化學(xué)鹽類分析、全量分析和礦物成份分析以初步判斷其分散性，試驗(yàn)表明：

(1) 土的pH值均>8.5，屬堿性土料。由于黏土顆粒表面和邊緣有可能暴露出來的羥基具有分解的趨勢(shì)，會(huì)受到pH 值的強(qiáng)烈影響：pH 值越高，H+進(jìn)入溶液的趨勢(shì)越大，顆粒的有效負(fù)電荷就越大。并且暴露在黏土礦物邊緣的氧化鋁是兩性的，在pH值較高情況下表現(xiàn)為負(fù)電性，并使懸液穩(wěn)定或黏土顆粒分散。土呈堿性時(shí)，土粒表面易于形成擴(kuò)散雙電層使顆粒趨于分散，這種土一般分散度較高，塑性較大，遇水易于膨脹，失水易于收縮，所以認(rèn)為pH值較高的土樣是其可能產(chǎn)生分散性的原因之一。

表1　心墻料土工試驗(yàn)成果Table 1　 Geotechnical test results on core-wall materials

(2) 通過全量分析試驗(yàn)可知，黏土礦物組成以伊利石為主，伊利石含量為25%～34%，另外，還有2%～7%的伊蒙混層礦物。由于伊利石是較不穩(wěn)定的風(fēng)化中間產(chǎn)物，伊利石如果全部脫鉀，就與蒙脫土一樣，若部分脫鉀就部分具有蒙脫土的性質(zhì)，部分脫鉀的伊利石若大量吸附鈉離子，就會(huì)象鈉蒙脫土一樣具高分散性。

綜上所述，2個(gè)料場(chǎng)黏土樣的pH值均呈弱堿性，Na+離子含量不高，黏土礦物組成以伊利石為主，含少量伊蒙混層礦物。初步定性判斷，可能具有一定的分散性，但分散性程度需要通過試驗(yàn)鑒定確定。

3心墻防滲料分散性鑒定試驗(yàn)成果

目前國內(nèi)對(duì)分散性黏土的測(cè)試雖有多種方法[1-4]，但尚無統(tǒng)一的試驗(yàn)規(guī)程，一般還是遵循1976年6月美國材料試驗(yàn)學(xué)會(huì)(ASTM)第79次年會(huì)期間提出的方法。在鑒定分散性黏性土?xí)r，都應(yīng)做由美國水土保持局(SCS)首創(chuàng)的4個(gè)基本室內(nèi)試驗(yàn)，即：碎塊試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)、孔隙水溶液試驗(yàn)和雙比重計(jì)試驗(yàn)。本次試驗(yàn)研究中，采用蒸餾水形成恒定水頭，對(duì)12組土樣，分別進(jìn)行分散性黏土的針孔試驗(yàn)、土塊試驗(yàn)、孔隙水溶液中陽離子全量檢測(cè)等試驗(yàn)。按照危險(xiǎn)性程度由低到高的順序，鑒定結(jié)論有3種，即非分散性、過渡性、分散性。結(jié)論一致時(shí)以針孔試驗(yàn)結(jié)果判別，當(dāng)針孔試驗(yàn)和雙比重計(jì)試驗(yàn)結(jié)論不一致時(shí)，以兩者中更不利的結(jié)論來判別。

圖1　針孔試驗(yàn)裝置

3.1針孔試驗(yàn)

針孔試驗(yàn)是模擬在一定的水頭作用下，在孔壁上的土體顆粒承受一定水流沖蝕能力的試驗(yàn)，當(dāng)水流經(jīng)過土壤孔隙時(shí)，若為分散性土，則土壤將隨水流沖蝕、破壞。試驗(yàn)裝置如圖1所示。將土樣按最大干密度裝填后，穿過直徑為1.0 mm的小孔，在5～102 cm水頭下觀察針孔在一定時(shí)段下受水流的沖刷、滲流量、滲流水的混濁程度，最終根據(jù)針孔的直徑變化和滲流水的混濁程度來判定黏土的分散性。針孔試驗(yàn)?zāi)苤苯?、定量地判別土樣的分散性和膠粒的抗沖蝕性能，并且模擬了土體中的孔隙在滲透水流作用下所承受的沖蝕條件，被認(rèn)為是較可靠的鑒別方法。分散性黏土的分散性與水中鹽分有關(guān)，為確保試驗(yàn)成果的可靠性及可重現(xiàn)性，一般采用蒸餾水做試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明：12組土樣在5～18 cm水頭下均有一定沖蝕。

3.2碎塊試驗(yàn)

碎塊試驗(yàn)是將土塊放入純水中，觀察土樣在靜水中的變化，可反映土顆粒在水中的分散程度以及膠粒的析出程度。該試驗(yàn)從膠體化學(xué)的基本觀點(diǎn)出發(fā)，認(rèn)為某些黏性土在水中分散的原因是膠體顆粒的析出。碎塊試驗(yàn)是驗(yàn)證土樣分散性的方法之一。試驗(yàn)結(jié)果表明：12組土樣均在10 min內(nèi)塌散，水由于膠粒懸液的析出而渾濁，因此具有一定的分散性。

3.3孔隙水溶液試驗(yàn)

孔隙水溶液試驗(yàn)的方法是把土樣分別用蒸餾水拌和，直到含水率達(dá)到液限，用真空泵抽氣過濾設(shè)備抽出孔隙水樣，測(cè)定孔隙水樣中的鈣、鎂、鈉、鉀4種金屬陽離子，以mmol/L計(jì)，并求出其中鈉離子含量的百分?jǐn)?shù)。判斷的標(biāo)準(zhǔn)：分散性黏土，鈉離子百分比在60%以上；非分散性黏土，鈉離子百分比在40%以下；侵蝕緩慢的中間狀態(tài)土，即過渡型黏土，鈉離子百分比在40%～60%之間。

試驗(yàn)成果表明：12組試樣中，有8組試樣的鈉離子含量百分?jǐn)?shù)在61%～72%之間，判定為分散性土；Y3號(hào)土樣鈉離子含量為45%，為過渡型黏土；Y1，L3，L6這3個(gè)土樣的鈉離子含量為0，為非分散性黏土。

3.4雙比重計(jì)試驗(yàn)

由于分散性土中黏土顆粒極易變成懸浮質(zhì)，因而可將土直接倒入蒸餾水中，僅用真空泵抽氣，排除土塊中的空氣，進(jìn)行比重計(jì)測(cè)試。得到土料中黏粒含量后，將這種黏粒含量與標(biāo)準(zhǔn)比重計(jì)試驗(yàn)得出的黏粒含量作比較，其比值的百分?jǐn)?shù)(稱為分散率)可以作為一種判斷指標(biāo)。根據(jù)《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(SL251—2000)附錄A.2.5要求，對(duì)12組土樣進(jìn)行雙比重計(jì)試驗(yàn)，結(jié)果5個(gè)土樣為過渡性土，另外7個(gè)土樣為分散性土。

3.5分散性鑒定試驗(yàn)成果的綜合判別

判別原則：以針孔試驗(yàn)和雙比重計(jì)試驗(yàn)為準(zhǔn)，當(dāng)針孔試驗(yàn)和雙比重計(jì)試驗(yàn)結(jié)論一致時(shí)以針孔試驗(yàn)結(jié)果判別；當(dāng)針孔試驗(yàn)和雙比重計(jì)試驗(yàn)結(jié)論不一致時(shí)，以兩者中更不利的結(jié)論來判別。綜合判別成果見表2。

4分散性土改性及改性前后滲透變形試驗(yàn)成果

目前國內(nèi)水利工程[5-6]中，對(duì)于分散性土的處理措施一般有3種：①摻石灰或水泥改性；②控制含水量和壓實(shí)容重的影響；③反濾保護(hù)。本項(xiàng)試驗(yàn)研

表2　料場(chǎng)心墻料分散性綜合判別成果Table 2　Comprehensive analysis result of dispersibility of core-wall materials

究，著重進(jìn)行了分散性土的改性以及反濾保護(hù)試驗(yàn)研究。

4.1分散性土改性試驗(yàn)研究

分散性土改性實(shí)質(zhì)上是一種土質(zhì)改良措施。分散性土中一價(jià)鈉離子在土中的存在起到了分散劑的作用, 成為黏土分散的內(nèi)在因素, 按感膠離子序, 含有二價(jià)鈣離子的石灰分子(CaSO4) 或水泥(主要成分硅酸三鈣3CaO·SiO2、硅酸二鈣2CaO·SiO2、鋁酸三鈣3CaO·Al2O3)所產(chǎn)生的水化凝膠作用可吸附一價(jià)鈉離子(Na+) , 使鈉離子失掉對(duì)土顆粒的分散作用, 使分散土變?yōu)榉欠稚⑼? 這是石灰或水泥能夠改良土體分散性的微觀機(jī)理。

選取試樣Y1，Y3，L3，L6進(jìn)行改性試驗(yàn)。生石灰摻量有5種：0.5%，1.0%，2.0%，3.0%，5.0%；水泥摻量也有5種：1.0%，3.0%，5.0%，6.0%，8.0%。試樣制備方法如下：

(1) 稱取顆粒分析試驗(yàn)所需土的質(zhì)量，按質(zhì)量百分比稱取不同摻量的生石灰及水泥，將濕土分別與生石灰、水泥拌合后放入三角燒瓶?jī)?nèi)靜置24 h；

(2) 將靜置24 h后的生石灰土與水泥土加蒸餾水浸泡24 h。

不同摻量的生石灰或水泥的雙比重計(jì)試驗(yàn)成果表明，水泥摻量在1%～3%間，生石灰摻量≥3%，均可使原來分散性的土不再具有分散性。

針孔試驗(yàn)與土塊試驗(yàn)采用相應(yīng)土樣摻一定比例水泥或生石灰以后,按最優(yōu)含水率和最大干密度制樣。從試驗(yàn)成果看，水泥或生石灰摻量達(dá)到2%基本可以改變土樣的分散性。

綜合上述試驗(yàn)成果，2個(gè)料場(chǎng)土料在水泥摻量3%、生石灰摻量在3%～5%之間的情況下，基本可以消除土料的分散性。

4.2心墻防滲料改性前后滲透變形試驗(yàn)成果

心墻防滲料壓實(shí)度按0.98控制，采用輕型擊實(shí)。試樣裝填時(shí)不對(duì)儀器進(jìn)行護(hù)壁處理。滲透變形試驗(yàn)在直徑150 mm的垂直滲透儀內(nèi)進(jìn)行。根據(jù)改性試驗(yàn)成果，心墻料分別摻3%的石灰或水泥。限于篇幅，僅選取Y3土樣的試驗(yàn)成果進(jìn)行比較說明，見表3。

表3　心墻料改性前后滲透變形試驗(yàn)成果Table 3　Results of seepage deformation test before and after modification of core-wall materials

從試驗(yàn)成果來看，土料的滲透性都在i×10-6cm/s這個(gè)數(shù)量級(jí)上(1≤i≤9)，其防滲性能滿足相關(guān)規(guī)范要求。其破壞形式為流土。但部分試樣在試驗(yàn)過程中下游面觀測(cè)到龜裂現(xiàn)象，土顆粒從裂縫中流失，同時(shí)伴以整體抬動(dòng)，這可能與該土料具有分散性有關(guān)?？傮w而言，其滲透變形特性與普通黏性土心墻料無明顯區(qū)別。摻入3%的石灰或水泥后，土樣的滲透性保持在i×10-6cm/s數(shù)量級(jí)，但破壞比降值有了很大的提升。說明在試驗(yàn)環(huán)境下，摻入的Ca2+離子與土中的Na+離子發(fā)生了置換，使土樣不再具有分散性，土樣下游面完整無裂縫。其滲透破壞形式更接近于黏性土。雖然破壞比降的提高還可能與儀器的邊壁效應(yīng)有關(guān)，但是鈣離子在分散土中形成的新的碳酸鈣等不溶于水的物質(zhì)使土樣與儀器邊壁的接觸更緊密也是重要的原因之一。

5分散性土的保護(hù)措施試驗(yàn)研究

工程上對(duì)分散性土的保護(hù)措施主要有在上游迎水面鋪設(shè)土工膜以及設(shè)置反濾層,以實(shí)現(xiàn)對(duì)心墻黏土料的反濾保護(hù)等。這一節(jié)主要研究反濾保護(hù)措施效果。

5.1分散性土反濾層工作原理

相關(guān)文獻(xiàn)表明，當(dāng)滲透水的水質(zhì)很純凈時(shí)，分散性土的滲透變形特性具有無黏性土的特點(diǎn)。黏粒含量較低(<30%)的土，細(xì)顆粒在土體中處于不穩(wěn)定狀態(tài)，滲透破壞形式為管涌。即使黏粒含量較高的分散性土，也有可能表現(xiàn)出無黏性土的滲透變形特征。劉杰等[7]的研究表明，分散性土即使發(fā)生管涌或過渡型滲透破壞，導(dǎo)致土體滲透系數(shù)增大，但仍小于無黏性土。分散性土的這一特征就使得從土體中帶出的顆粒淤塞反濾孔隙，而不致使淤塞后的反濾層的滲透系數(shù)小于滲透破壞后的土體滲透系數(shù)，這樣反濾層不會(huì)失效。由于反濾層允許淤塞，反濾的顆粒組成中粗顆粒可較多一些，在運(yùn)行中一旦發(fā)生滲透變形，土顆粒只能淤塞到反濾孔隙中，不會(huì)帶出到反濾層以外，使反濾層的孔隙進(jìn)一步減少，反濾作用進(jìn)一步加強(qiáng)。根據(jù)這一機(jī)理，選擇的反濾層若能保護(hù)住土中極細(xì)砂的顆粒，在反濾層與分散性土的接觸面上就可進(jìn)一步形成新的反濾屏障，從而充分保證分散性土不再繼續(xù)產(chǎn)生滲透變形。分散性土的反濾層在防止?jié)B透變形方面有2種作用：在小的水力比降下，它使土的孔洞或裂縫中的滲流速度不大于土中的沖刷流速，保證孔洞或裂縫由于土體的膨脹和崩解而自愈；在大的水力比降下，反濾層又起到阻止土顆粒流失的作用。流失的土顆粒在反濾層中淤塞形成新的反濾層，阻止?jié)B透變形的發(fā)生。

5.2分散性土的反濾保護(hù)試驗(yàn)研究

普通黏土與分散性黏土的滲流破壞機(jī)理有所差異, 所以兩者的反濾保護(hù)原理和準(zhǔn)則是不同的。分散土的反濾機(jī)理在于阻止分散顆粒被水流帶走, 使其在反濾層分界面逐漸累積并阻止分散顆粒的進(jìn)一步流失,因而要求反濾砂的粒徑較之普通反濾粒徑小。劉杰認(rèn)為，若用D20<0.5 mm的砂或礫質(zhì)砂作為反濾層將具有足夠的可靠性。本次反濾試驗(yàn)研究中，均采用D20=0.5 mm的砂礫石作為反濾層進(jìn)行試驗(yàn)研究。

5.2.1心墻出現(xiàn)裂縫時(shí)的反濾保護(hù)試驗(yàn)

工程經(jīng)驗(yàn)表明，在大壩運(yùn)行的初期，心墻防滲體容易因土拱效應(yīng)和不均勻沉降而形成水平向和垂直向的許多非貫通性和部分貫通性裂縫，成為防滲體中的集中滲流通道；隨著水庫水位的升高，由于水力劈裂作用使部分非貫通性裂縫也可能發(fā)展成貫通性裂縫，在水流的作用下易引起防滲體的沖蝕破壞，進(jìn)而危及整個(gè)大壩的安全。因此，選用分散性黏土作為心墻填料是否會(huì)造成事故隱患，以及選用天然級(jí)配砂礫料作為反濾層能否在心墻出現(xiàn)裂縫時(shí)有效地形成裂縫自愈，起到反濾保護(hù)作用，是研究人員尤為關(guān)注的問題。劉杰認(rèn)為，分散性土的反濾層在小的水力比降下，使土的孔洞或裂縫中的滲流速度不大于土的沖刷流速，保證孔洞或裂縫由于土體的膨脹和崩解而自愈，滲流量趨近于0。為驗(yàn)證在低水頭下分散性土裂縫的自愈情況，采用CT掃描技術(shù)，對(duì)分散性土裂隙自愈情況進(jìn)行了觀測(cè)。

試驗(yàn)在直徑150 mm的垂直滲透儀內(nèi)進(jìn)行，土樣為Y3，裝樣干密度1.67 g/cm3，裝樣高度10 cm。試樣中部設(shè)置從上至下的貫通裂縫，裂縫開度5 mm，長度即為儀器的直徑15 cm。試樣底部與透水板之間采用透水性的滌綸土工布隔離，土工布的等效孔徑O95約0.06～0.1 mm，用以模擬反濾層。試驗(yàn)儀器下游出口封閉，試驗(yàn)時(shí)將蒸餾水緩慢沿儀器內(nèi)壁注入儀器中，當(dāng)水面比土樣頂面高出5 cm時(shí)停止注水，立即開始CT掃描。不同時(shí)間裂縫掃描的斷面圖見圖2。

圖2　分散性土心墻裂縫遇水后裂縫變化過程的CT掃描圖像

從圖2可以看出，浸水5 min后，即可觀測(cè)到裂縫內(nèi)有土顆粒開始膨脹及崩解，22 min左右，裂縫已大部被崩解后淤積的土顆粒充滿；浸水2 h 53 min時(shí)，裂縫處土體顏色深度已與周圍土體相差不大，此時(shí)裂縫內(nèi)土體已具有一定的抗?jié)B能力。這說明，在下游有反濾層依托的情況下，分散性土在小的水力比降時(shí)，其裂縫處能形成淤塞自愈。

5.2.2分散性土的裂隙自愈反濾試驗(yàn)

心墻出現(xiàn)裂縫時(shí)的反濾保護(hù)試驗(yàn)采用未進(jìn)行改性的L1和L3試樣作為被保護(hù)土，采用砂礫石作為反濾料，其D20=0.5 mm。試驗(yàn)在直徑200 mm滲透儀內(nèi)進(jìn)行。裝樣時(shí)心墻料在上方，裝樣厚度10 cm；反濾料在下方，裝樣厚度15 cm。在心墻料中部開縫，裂縫為全貫通，即縫長等于儀器直徑，縫高等于心墻料裝樣高度，裂縫開度分為3 mm和5 mm兩種。試驗(yàn)時(shí)水流方向自上而下。在試樣上游、下游以及2種土料接觸面設(shè)置測(cè)壓管以監(jiān)測(cè)壓力變化情況。試驗(yàn)成果見表4。

試驗(yàn)時(shí)，從低到高逐漸增大水壓力，到達(dá)最大供水能力后再逐漸降低水壓力，期間觀測(cè)及記錄下游出口的出水流量、帶出顆粒情況以及各測(cè)壓管讀數(shù)。試驗(yàn)中對(duì)在飽和前形成的裂縫逐級(jí)施加水頭時(shí)，在水頭作用下，裂縫逐漸愈合，并使其抗?jié)B比降提高。心墻料J-V曲線基本上沿45°上行，滲透流速隨比降的增大而增大。此時(shí)在滲透水流的作用下，裂縫邊壁上的土粒不斷被帶到與反濾層接觸的部位，使裂縫底部的孔隙逐漸減小，土體變密實(shí)，滲透系數(shù)變??；加大水頭后，隨著較大滲透流速的持續(xù)作用，更多的心墻土料被帶到裂縫底部，并且由于水壓力的作用，使裂縫底部的土體進(jìn)一步壓密，滲透系數(shù)又開始減小。這一過程是不可逆的，即使到達(dá)最大比降后逐步減小壓力，土體的滲透系數(shù)也比上升過程中相同比降時(shí)要低。而反濾料的J-V曲線，在試驗(yàn)開始階段低比降時(shí)，與心墻料相似，約呈45°上升，但當(dāng)心墻料承受水力比降達(dá)到10～20左右時(shí)，反濾料J-V曲線開始時(shí)是不規(guī)則變化，然后陡峭抬升，且抬升時(shí)間略晚于水頭提升時(shí)間，這說明在較高的比降下，由于水頭升得太快，裂縫底部的疏松黏土顆粒在滲透水流的作用下還未來得及調(diào)整就有部分顆粒被帶走，在水流的持續(xù)作用下，又有部分顆粒被帶到裂縫底部與反濾層接觸處，暫時(shí)形成1個(gè)弱透水層，但該弱透水層是不穩(wěn)定的，在高水頭的作用下部分顆粒又被帶走，進(jìn)入砂礫石層的孔隙內(nèi)，如此反復(fù)下去，直到在此水頭作用下，能被滲透水流帶走的黏土顆粒在裂縫底部與反濾層交界處形成連續(xù)的弱透水層或進(jìn)入反濾料孔隙內(nèi)形成淤塞，使反濾層承受的壓力增加為止。

在本次進(jìn)行的所有反濾保護(hù)試驗(yàn)中，在試驗(yàn)最大比降下，下游出口水流保持澄清，未收集到土顆粒，說明裂縫處流失的心墻料顆粒在砂礫石反濾層淤塞，重新形成了新的防滲層，砂礫石層對(duì)心墻料起到了有效的反濾保護(hù)作用。

表4　心墻出現(xiàn)裂縫情況下的反濾保護(hù)試驗(yàn)成果Table 4　Test results under the protection of filtration materials when cracks occur in core-wall materials

表5　改性土心墻料裂縫自愈反濾試驗(yàn)成果Table 5　Test results under the protection of filtration materials when cracks occur in modified core-wall materials

5.2.3改性后分散性土的裂縫自愈反濾試驗(yàn)

采用改性后的L3土樣進(jìn)行裂縫自愈反濾試驗(yàn)。土樣改性方法為摻入3%石灰或3%水泥。成果見表5。

從表5的試驗(yàn)成果來看，裂縫自愈反濾保護(hù)試驗(yàn)中測(cè)得的改性土試驗(yàn)前后的滲透性比未改性土的滲透性大一個(gè)數(shù)量級(jí)左右。這主要是因?yàn)槲锤男缘姆稚⑿酝猎陲柡瓦^程中，以及較低的水頭作用下使裂縫邊壁土體充分濕化崩解，更有利于裂縫的自愈。即使裂縫暫時(shí)遭到局部沖蝕，在停止沖蝕后，隨著裂縫邊壁土體的繼續(xù)濕化崩解，經(jīng)過低水頭滲透水流的持續(xù)作用后，裂縫會(huì)愈合，即因土體的崩解和膨脹，土顆粒在裂縫間淤塞，因此測(cè)得的土體滲透性較低。而改性后的心墻料，由于已不再具有分散性，在低比降飽和時(shí)，土顆粒很少或者不發(fā)生崩解，裂縫基本保持完整，因此，測(cè)得的土體整體滲透性由于裂縫的存在而較大。從試驗(yàn)J-V曲線來看，反濾料的J-V曲線變化也較規(guī)整，且與心墻料J-V曲線的變化基本同步，說明進(jìn)入反濾層發(fā)生淤塞的心墻料顆粒較少，發(fā)生土體結(jié)構(gòu)調(diào)整的幅度較小。而下游出水口水流一直澄清，無細(xì)顆粒流出，說明在試驗(yàn)比降下反濾層能有效地對(duì)心墻料形成反濾保護(hù)。

6結(jié)論

通過本項(xiàng)目研究，可以得出以下初步結(jié)論：

(1) 2個(gè)料場(chǎng)的黏土料均具有一定程度的分散性。

(2) 2個(gè)料場(chǎng)土料在水泥摻量3%、生石灰摻量3%～5%的情況下，基本可以消除土料的分散性。

(3) 所選用的D20=0.5 mm的砂礫石反濾料對(duì)分散性黏土心墻土料可以起到有效的防護(hù)作用，使心墻在有、無裂縫的情況下均可承受的水力比降達(dá)到50以上；也可使心墻貫通性裂縫在試驗(yàn)過程中自行愈合，但反濾層的滲透性會(huì)有所降低。

(4) 對(duì)料場(chǎng)分散性土改性后，一旦心墻產(chǎn)生裂縫，其自愈能力可能有所降低，但反濾層的排水能力受到的影響較小。

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(編輯：占學(xué)軍)

收稿日期：2015-12-15； 修回日期：2016-01-15

作者簡(jiǎn)介：陳勁松(1967-)，男，湖北武漢人，高級(jí)工程師，主要從事巖土工程的研究，(電話) 027-82927480(電子信箱)chenjsong@21cn.com。

doi:10.11988/ckyyb.20151069

中圖分類號(hào)：TU411

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1001-5485(2016)04-0144-07

Experimental Research on the Dispersibility of CoreMaterial and Treatment Measures

CHEN Jin-song1,2, GU Xie-qin3， SHENG Xiao-tao1,2，DING Pei-zhong1,2

(1.Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of the Ministry of Water Resources,Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan430010, China; 2.National Research Center on Dam Safety Engineering Technology, Yangtze River Scientific Research Institute,Wuhan430010,China;3.Engineering Quality Inspection Center ,Changjiang Waterway Planning Design and Research Institute,Wuhan430011, China)

Abstract:Dispersive clay is a special soil which can be washed out by water easily. With the development of earth and rockfill dam, the range of choosing core material expands correspondingly. Dispersive clay as core material and its seepage-proofing effect under the protection of filters are issues concerned in engineering design. In this research we collected core materials from two stock grounds of a hydro-junction and conducted laboratory tests using pinhole, fragment, pore water solution and double areometers to determine the dispersibility of core material. By mixing different ratios of cement or quick lime, we modified the dispersibility of the core materials and compared their permeability and filter protection effect before and after modification. Results reveal that by mixing 3% of cement or 3%-5% of quick lime we can eliminate the dispersibility of the core materials from the two sites. Moreover, core material modified by cement or quick lime could bear higher hydraulic gradient than non-modified material does. Under the protection of proper filtration material, dispersive clay could bear high gradient, and has good self-healing ability in the presence of fissures.

Key words:core material; dispersive clay; modified soil; self-healing of crack; filter protection

2016,33(04):144-150