慶陽某水庫土料分散性試驗(yàn)研究

黃 偉，代常友，謝承平

（黃河勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，鄭州450003）

分散性土是一種在低含鹽量水（或純凈水）中，由于離子相互排斥力超過相互吸引力而導(dǎo)致土體顆粒分散的黏性土［1］。 自20世紀(jì)50年代首次在澳大利亞發(fā)現(xiàn)后，世界上許多國家相繼對(duì)其進(jìn)行研究，并認(rèn)識(shí)到其對(duì)工程的危害。我國在20世紀(jì)80年代初的黑龍江引嫩工程首次發(fā)現(xiàn)后，在海南［2］、河南［3］、山西［4］、新疆［5］、山東［6］、青海［7］、浙江［8］、寧夏［9］等省的工程實(shí)踐中都曾遇到。分散性土具有抗沖蝕能力低、抗剪強(qiáng)度低、抗?jié)B性能差的工程特性，作為筑壩土料容易引起大壩滲透變形破壞，對(duì)水利工程危害性大。 因此，在水利工程的勘察設(shè)計(jì)時(shí)， 必須對(duì)筑壩土料進(jìn)行分散性判定，原則上不采用分散性土作為筑壩土料，若由于客觀原因需作為筑壩土料時(shí)， 則必須采用工程處理措施降低土的分散性，使其滿足筑壩土料要求。

慶陽某水庫地處隴東黃土地區(qū)， 擬建大壩為碾壓式壤土均質(zhì)土壩，設(shè)計(jì)最大壩高82.6m，為目前國內(nèi)均質(zhì)土壩的最大高度。 土料分散性試驗(yàn)采用SL 251—2015 《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》推薦的雙比重計(jì)試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、孔隙水陽離子試驗(yàn)等4種試驗(yàn)進(jìn)行。

1 土樣物理化學(xué)性質(zhì)

土樣基本物理性質(zhì)如表1。 18組土樣粉粒含量高，71.4%～85.4%， 平均78.1%， 黏粒含量14.6%～28.6%，液限27.7～34.0，塑性指數(shù)10.1～15.0，均為低液限黏土，土粒比重2.70～2.71。

表1 土樣物理性質(zhì)

土樣化學(xué)性質(zhì)如表2。由表2可知，18組土樣有機(jī)質(zhì)含量、易溶鹽、中溶鹽、水溶鹽含量均較低，pH值8.55～9.61，平均9.0，呈強(qiáng)堿性。

表2 土料化學(xué)性質(zhì)單位：%

根據(jù)土料的物理化學(xué)性質(zhì)，18組土樣均符合分散性土的一般特性，4種試驗(yàn)鑒定方法均適用。

2 土樣分散性判別試驗(yàn)

土分散性試驗(yàn)采用由美國材料試驗(yàn)協(xié)會(huì)制定的雙比重計(jì)法［10］、針孔試驗(yàn)［11］、碎塊試驗(yàn)［12］和孔隙水可溶鹽陽離子4種室內(nèi)試驗(yàn)方法進(jìn)行，土的分散性判別標(biāo)準(zhǔn)按照SL251—2015《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》規(guī)定執(zhí)行。18組土樣分散性試驗(yàn)成果匯總?cè)绫?。

表3 土分散性試驗(yàn)判別結(jié)果統(tǒng)計(jì)

續(xù)表3

由表3可知：碎塊試驗(yàn)除2組為非分散性土外，有16組為過渡性土； 針孔試驗(yàn)有5組為過渡性土，13組為非分散性土； 雙比重計(jì)試驗(yàn)有2組為過渡性土，16組為分散性土；孔隙水可溶鹽陽離子試驗(yàn)有3組為分散性土，4組為過渡性土，11組為非分散性土。

3 土樣分散性分析及綜合判別

根據(jù)4種試驗(yàn)方法的試驗(yàn)結(jié)果來看，各試驗(yàn)方法的試驗(yàn)結(jié)果不盡相同，未見一組試驗(yàn)結(jié)果完全吻合，且不同試驗(yàn)方法出現(xiàn)完全相反的試驗(yàn)結(jié)果。 這主要是由于分散性黏土的分散機(jī)制是復(fù)雜的， 其遇水分散特征不僅是自身物理化學(xué)性質(zhì)的綜合體現(xiàn)， 且還受外界因素影響。 除此之外，另外一個(gè)重要原因是4種試驗(yàn)方法的判別機(jī)理和標(biāo)準(zhǔn)的差異性所致。 碎塊試驗(yàn)是從膠體化學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)的， 采用膠體析出程度作為判別標(biāo)準(zhǔn)， 其判定只是定性判別， 缺乏定量指標(biāo)， 且在進(jìn)行定性判別時(shí)需要試驗(yàn)人員具備豐富的經(jīng)驗(yàn)； 針孔試驗(yàn)運(yùn)用滲流理論模擬了土體在集中滲透水流作用下的抗沖蝕條件， 采用定量和定性指標(biāo)鑒定土樣的分散性能和膠粒的抗沖蝕性能， 目前被認(rèn)為是最直接可靠的試驗(yàn)方法； 雙比重計(jì)試驗(yàn)是利用農(nóng)業(yè)土壤物理化學(xué)分析中的土壤團(tuán)粒分析， 通過計(jì)算土體中不加分散劑不煮沸所得的黏粒含量與加分散劑煮沸所得的黏粒含量的比值的百分率 （分散度）來進(jìn)行判別，美國水土保持局（SCS）按分散度大于25%判別為分散性土，SL251—2000 《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》 按大于50%判別為分散性土，洪有緯等［13］和馬秀媛等［6］根據(jù)各自研究土料特性分別按大于30%和大于35%判別為分散性土；孔隙水可溶鹽試驗(yàn)是從分析化學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)的， 對(duì)影響分散性的關(guān)鍵性因素鈉離子采用鈉百分比定量指標(biāo)對(duì)土樣是否分散進(jìn)行判定， 而孔隙水的抽取技術(shù)直接影響試驗(yàn)結(jié)果的測(cè)量精度。綜上所述，由于各試驗(yàn)方法判別機(jī)理和標(biāo)準(zhǔn)的不同， 其試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)不一致性。 深入研究各試驗(yàn)方法判別標(biāo)準(zhǔn)的一致性將是急需解決的重大難題。

在工程應(yīng)用上，往往以針孔試驗(yàn)結(jié)果為主，碎塊試驗(yàn)結(jié)果為輔， 然后參考雙比重計(jì)試驗(yàn)和孔隙水可溶鹽試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行綜合判別。樊恒輝［14］提出采用對(duì)5種試驗(yàn)方法（雙比重計(jì)試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)、孔隙水陽離子試驗(yàn)、交換鈉離子百分比試驗(yàn)）附權(quán)重值進(jìn)行綜合判定。本文根據(jù)規(guī)范［15］推薦的4種試驗(yàn)方法賦予權(quán)重進(jìn)行綜合判別（簡(jiǎn)稱權(quán)重法），分別賦予雙比重計(jì)試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)、孔隙水可溶性陽離子試驗(yàn)20%，20%，40%，20%， 根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果計(jì)算土樣的分散性、過渡性、非分散性等權(quán)重之和。 如果分散性權(quán)重大于50%，土樣屬于分散性土；分散性土權(quán)重等于50%時(shí)， 如果過渡性的權(quán)重大于等于20%時(shí)，則屬于分散性土；反之，則屬于過渡性土。分散性的權(quán)重小于50%時(shí)，如果“過渡性+分散性”的權(quán)重大于等于50%，則為過渡性，否則屬于非分散性土。 4種試驗(yàn)結(jié)果權(quán)重綜合判定結(jié)果如表4。

表4 土的分散性鑒定試驗(yàn)權(quán)重法綜合判定結(jié)果

由表4可知，18組土樣權(quán)重法綜合判定結(jié)果6組為非分散性土，12組為過渡性土。 可見土料中約1/3為非分散性土，2/3為過渡性土，未有分散性土。 根據(jù)慶陽地區(qū)已建中小型水庫運(yùn)行情況， 水庫大壩未發(fā)現(xiàn)分散性土的破壞現(xiàn)象。 因此可綜合判定土料為非分散～過渡性土，權(quán)重法判定結(jié)果是合適的。 慶陽地區(qū)黃土廣泛覆蓋， 可用于筑壩材料的主要為Q3和Q22黃土。由于黃土成因（風(fēng)成和水成）及黃土垂直深度上的差異性， 不同深度黃土的分散性亦可能具有差異性，因此本次綜合判定結(jié)論是合適的。在工程實(shí)踐中，對(duì)于筑壩土料既有非分散性土，又有過渡性土?xí)r，除分層取樣外，應(yīng)根據(jù)施工推薦的不同開采方法取混合樣進(jìn)行試驗(yàn)研究， 以做出工程應(yīng)用的合理處置措施。鑒于本工程均質(zhì)土壩壩高很高，對(duì)過渡性土應(yīng)采取工程處理措施， 由于目前對(duì)過渡性土的工程處理研究很少，可按分散性土考慮采取如工程隔離、反濾及土性改良等工程處理措施。

4 結(jié)語

（1）本次采用規(guī)范［15］推薦的4種試驗(yàn)判定方法，試驗(yàn)結(jié)果不盡相同，除土分散性的復(fù)雜機(jī)制外，還與各試驗(yàn)方法的機(jī)理和判別標(biāo)準(zhǔn)密切相關(guān)。 分散性土的鑒定方法和判別標(biāo)準(zhǔn)有待進(jìn)一步改進(jìn)和完善，各試驗(yàn)方法及其判別標(biāo)準(zhǔn)的相關(guān)性及有效性有待進(jìn)一步研究，使各方法更加準(zhǔn)確和取得一致性。

（2）土分散性權(quán)重法綜合判定為各試驗(yàn)方法試驗(yàn)結(jié)果的不一致性提供了解決途徑， 可有效減少人為因素影響。本文對(duì)規(guī)范推薦的4種試驗(yàn)方法分別賦值綜合判定土料為非分散性～過渡性土，根據(jù)已建大壩運(yùn)行情況及黃土差異性分析，綜合判定結(jié)果是合適的。

（3） 對(duì)于筑壩土料的分散性應(yīng)根據(jù)工程實(shí)際取樣進(jìn)行試驗(yàn)研究，除單層取樣外，還應(yīng)結(jié)合施工時(shí)的開采方案進(jìn)行混合取樣。