某新建水庫(kù)黃土料場(chǎng)分散性試驗(yàn)研究

魯 博，于前偉

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710065)

分散性土是一種低水力坡降下由于土體內(nèi)顆粒之間產(chǎn)生的排斥力大于吸引力而致使土體發(fā)生分散流失的黏性土[1]，具有的特點(diǎn)：一是鈉離子含量較高，二是偏堿性。分散性土具有遇水易流失，抗水蝕能力差，滲水性強(qiáng)等不良工程性質(zhì)。最早有關(guān)土的分散性報(bào)道可追溯到1949年美國(guó)俄克拉荷馬州Wister大壩出現(xiàn)的嚴(yán)重管涌破壞[2]，此后對(duì)分散性土的研究作為工程領(lǐng)域的熱點(diǎn)進(jìn)入了人們視野，我國(guó)學(xué)者就分散性土的鑒別和改良處理方法進(jìn)行了大量研究[3-7]。從以上研究可知：在與水有關(guān)的工程建設(shè)前需要對(duì)建設(shè)區(qū)的水質(zhì)、土是否具有分散性進(jìn)行研究，以確定具體的改良處理方法，土的分散性室內(nèi)試驗(yàn)鑒別方法主要有碎塊試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)、雙比重計(jì)試驗(yàn)、孔隙水可溶性陽離子試驗(yàn)以及交換性鈉離子百分比試驗(yàn)。

黃土廣泛分布于我國(guó)西北地區(qū)，隨著國(guó)家政策的傾斜，西北地區(qū)水利工程的大力發(fā)展。研究具有濕陷性、水敏性、結(jié)構(gòu)性的特殊土黃土是否具有分散性對(duì)于黃土地區(qū)筑壩料場(chǎng)選取、工程設(shè)計(jì)方案以及合理解釋一些工程事故提供了重要參考。本文針對(duì)引漢濟(jì)渭鯨魚溝水庫(kù)調(diào)蓄工程筑壩黃土料場(chǎng)進(jìn)行了分散性鑒定，判斷該土料是否可以作為筑壩材料，同時(shí)為陜西關(guān)中及相近地區(qū)黃土的分散性研究提供了參考，具有較大的工程意義。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 取樣及分組

土樣取自水庫(kù)周邊的南大康村和塘村，如圖1所示。采用探井方式全孔分段取樣(每4m一組取混合樣)。取土地層皆涉及Q3eol及Q2eol，主要是Q2eol地層，其中南大康村土料場(chǎng)取土9組(N1～N9)、塘村土料場(chǎng)取土8組(T1～T8)，共取樣17組。

圖1 土料場(chǎng)地理位置示意圖

1.2 土樣的基本物理化學(xué)及水質(zhì)分析

南大康村和塘村的土樣天然干密度1.44～1.61 g/cm3，含水率17.5%～26.9%。擊實(shí)最大干密度1.67～1.76 g/cm3(平均1.72 g/cm3)、最優(yōu)含水量17.5%～20.5%(平均18.7%)。比重2.70～2.72，顆粒組成以粉粒(0.075～0.005 mm)為主，其含量54.1%～64.7%，粘粒(<0.005 mm)35.3%～45.9%，膠粒(<0.002 mm)21.4%～31.3%。液限含水量36.9%～43.5%，塑限含水量18.0%～21.2%，塑性指數(shù)16.9～23.1，均為低液限粘土(CL)。土中易溶鹽含量0.364～0.878 g/kg，易溶鹽中含CO32-，在陰離子中HCO3-含量大，在陽離子中Ca2+含量大。pH值8.22～8.31，呈弱堿性，有機(jī)質(zhì)含量0.9～1.2 g/kg。

水質(zhì)分析結(jié)果表明，礦化度298.9～328.5 mg/L，陰離子主要以硫酸根離子(SO42-)為主，陽離子主要以鈣離子(Ca2+)為主，屬SO4·Cl-Ca·Mg型。pH值7.68～7.82，屬弱堿性。

1.3 土樣礦物成分分析

根據(jù)X射線衍射分析結(jié)果可知，黏土礦物主要成分均是伊利石，其含量占全土的3.15%～6.81%，平均值4.96%；其次含有少量的蒙脫石、綠泥石、高嶺石。蒙脫石含量較伊利石少，其含量占全土的0.58%～3.60%，平均值1.80%。非粘土礦物主要以石英、鉀長(zhǎng)石、鈉長(zhǎng)石以及方解石為主。

2 試驗(yàn)結(jié)果及分散性評(píng)價(jià)

為鑒定南大康村和塘村黃土土料的分散性，進(jìn)行了系統(tǒng)的分散性試驗(yàn)專項(xiàng)研究。采用雙比重計(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)和交換性鈉離子百分比試驗(yàn)五種試驗(yàn)方法，各試驗(yàn)方法的具體操作可參考相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)[8-12]，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果并結(jié)合礦物X衍射報(bào)告，對(duì)兩個(gè)土料場(chǎng)的分散性進(jìn)行綜合鑒定分析，本文試驗(yàn)結(jié)果見表1。

2.1 雙比重計(jì)試驗(yàn)

雙比重計(jì)試驗(yàn)中分散度的計(jì)算表達(dá)式為：

(1)

式中：D表示分散度，%；N(m,nd)表示未采取分散措施的黏?；蚰z粒含量，%；N(m,d)表示采用分散劑的黏?；蚰z粒含量，%。判別方法：D<30，為非分散性土；3050，為分散性土。

從試驗(yàn)結(jié)果可明顯看出，南大康村和塘村黃土料場(chǎng)土樣的分散度均大于50%，判定為分散性土。

2.2 碎塊試驗(yàn)

碎塊試驗(yàn)是將天然土塊或特定尺寸土塊浸泡純水中，經(jīng)過一段時(shí)間觀察土塊表面變化及其四周水是否出現(xiàn)渾濁現(xiàn)象，進(jìn)而判斷試樣的分散性。試驗(yàn)中，將N1～N2土樣放入水中水解后，土塊周圍很快出現(xiàn)少量云狀渾濁，擴(kuò)散范圍比較小，水解反應(yīng)比較輕微，屬于過渡性土；其余放入水中水解后，土塊四周幾乎沒有渾濁，土體塌落后成顆粒狀堆積，屬于非分散性土。具體結(jié)果見表1。

表1 黃土土料的分散性鑒定試驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)

2.3 針孔試驗(yàn)

針孔試驗(yàn)是在不同的水頭高度(50 mm、180 mm、380 mm、1 020 mm)下將針頭穿入土體1 mm孔徑內(nèi)進(jìn)行沖蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)束后需要測(cè)量針頭孔徑大小、流量，并觀察試樣周邊水的渾濁程度，進(jìn)而判斷土的分散性。試驗(yàn)中，南大康村黃土料場(chǎng)中N1～N2(0～8 m范圍內(nèi))土樣在水頭高度為50 cm作用下孔徑擴(kuò)大小于1.5倍，四周水稍渾濁，因此判定為過渡狀態(tài)；在水頭高度為1 020 mm時(shí)作用下孔徑擴(kuò)大小于1.5倍，N3～N9(8～32 m范圍內(nèi))試樣四周水皆為透明，表明這幾組試樣均無分散性；塘村黃土料場(chǎng)中T1～T8(0～28 m范圍內(nèi))土樣同樣不具有分散性，具體見表1?？梢钥闯觯囼?yàn)結(jié)果同針孔試驗(yàn)一致。

2.4 孔隙水可溶性陽離子試驗(yàn)

試驗(yàn)通過測(cè)定試樣中Ca2+、Mg2+、Na+、K+四種陽離子含量，然后計(jì)算陽離子總量TDS、鈉占所有陽離子的百分比PS。判別試樣分散性的方法：在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中繪制PS與TDS關(guān)系，如圖2，若數(shù)據(jù)點(diǎn)落在A區(qū)，則土樣具有分散性；若數(shù)據(jù)點(diǎn)落在B區(qū)，則土樣為過渡性土；若數(shù)據(jù)點(diǎn)落在C區(qū)，則土樣不具分散性。試驗(yàn)結(jié)果(表1)可知：南大康村N1～N2(0～8 m)和塘村T1～T2(0～8 m)的土樣數(shù)據(jù)點(diǎn)位于A區(qū)，判定為分散性土，其余的土樣基本位于C區(qū)，判定為不具分散性。

圖2 土的分散性分區(qū)圖

2.5 交換性鈉離子百分比試驗(yàn)

通過試驗(yàn)測(cè)定鈉離子交換量，并用其比上總的陽離子交換量，這就得到了交換性鈉離子所占總交換量的百分比，用ESP表示。該方法的分散性判別標(biāo)準(zhǔn)：ESP值位于7%～10%之間時(shí)，土樣具有中等分散性，而大于等于15%時(shí)，土樣具有較高的分散性，有發(fā)生嚴(yán)重管涌的可能。從表1可以看出，兩土料場(chǎng)的所有土樣的ESP值皆小于4%，且大部分小于2%，因此可判別所取土樣皆為非分散性土。

2.6 土料分散性綜合評(píng)價(jià)

由于試驗(yàn)方法不同，得到土的分散性結(jié)果具有明顯的離散性，因此需要綜合評(píng)價(jià)。雙比重計(jì)試驗(yàn)結(jié)果表明所有土樣皆為分散性土，但根據(jù)其他四種試驗(yàn)結(jié)果，反映出所取土樣大多數(shù)不具分散性，這與試驗(yàn)方法的局限性有很大關(guān)系。水庫(kù)蓄水時(shí)水的沖蝕作用明顯，因此針孔試驗(yàn)比重較其他試驗(yàn)要大，可借鑒樊恒輝等[13]利用權(quán)重的方法客觀定量地評(píng)價(jià)本次試驗(yàn)土樣的分散性，賦予雙比重計(jì)、碎塊、針孔、孔隙水可溶性陽離子和交換鈉離子百分比五種試驗(yàn)方法的權(quán)重值分別為20%、20%、40%、10%、10%，具體判定見表2。結(jié)合土樣的礦物成分分析成果，土樣黏土礦物(高嶺土、伊利石、蒙脫石、綠泥石)含量總體較小，平均值11.7%，其中蒙脫石含量占全土的0.58%～3.60%，平均值1.80%，占比小。土中蒙脫石的存在，尤其是鈉蒙脫石，是產(chǎn)生分散性的前提條件，依據(jù)工程類比，工程區(qū)黃土中蒙脫石多以鈣蒙脫石的形式存在，不易形成分散性土。最終判別南大康村的N1～N2(0～8 m)土樣為過渡性土，而N3～N9(8～32 m)土樣為非分散性土，塘村T1～T8(0～28 m)土樣皆為非分散性土。

表2 土的分散性綜合評(píng)價(jià)

3 結(jié)語

通過常用的五種鑒別分散性土的試驗(yàn)方法，對(duì)鯨魚溝新建車村水庫(kù)黃土料場(chǎng)是否具有分散性進(jìn)行了研究，得到以下結(jié)論：

(1)五種試驗(yàn)方法的判斷結(jié)果具有一定的離散性，主要表現(xiàn)在雙比重計(jì)試驗(yàn)結(jié)果為分散性土，其它四種試驗(yàn)結(jié)果除表層有極少量過渡性土外，其余均為非分散性土，試驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。

(2)土樣的礦物成分鈣蒙脫石含量極少，形成分散性土的可能性不大。

(3)結(jié)合工程實(shí)際，在水庫(kù)蓄水過程中土體內(nèi)部將產(chǎn)生滲流作用，可能發(fā)生管涌現(xiàn)象，而針孔試驗(yàn)可以很好地模擬這一過程。故綜合判定中針孔試驗(yàn)所占權(quán)重最大，最終判定：土樣所代表的料場(chǎng)土料為除表層有極少量過渡性土外，其余均為非分散性土。

在黃土地區(qū)進(jìn)行水利工程建設(shè)時(shí)都需要判別工程料場(chǎng)區(qū)黃土的分散性，但存在分散性黃土區(qū)域劃分還不夠明確，本文對(duì)白鹿原鯨魚溝黃土料場(chǎng)土樣分散性鑒別，對(duì)該地區(qū)分散性黃土地層、區(qū)域劃分具有參考價(jià)值，對(duì)該地區(qū)工程建設(shè)具有工程指導(dǎo)意義。