風積黃土分散性問題的探討

周吉軍

我國北方廣泛分布的風積黃土，早已用于水利工程中，但作為防滲土料的抗沖蝕特性研究，特別是與一般分散性粘土的差異化認知還很欠缺。本文從分散性粘土的分散機理出發(fā)，用天山北坡風積黃土的相關參數(shù)與一般分散性土進行對比，分析了兩者抗沖蝕能力差的不同原因，提出了改進風積黃土抗沖蝕特性研究方法的建議，供同行參考。

一、問題的提出

防滲用粘土料，從滲透穩(wěn)定角度看，有分散性土和非分散性土兩類，其中分散性土不宜用做防滲土料，規(guī)范已明確規(guī)定?？纤雇咛厮畮齑髩问翘幱冖葏^(qū)的百米級高壩，工程區(qū)廣泛分布風積黃土，如果此類土料能夠排除分散性，粘土心墻壩將具有抗震安全方面的優(yōu)勢。通過對典型分散性土和風積黃土不同特性的對比分析發(fā)現(xiàn)，這兩種土雖然抗沖蝕能力均較差，但性質(zhì)有根本性差異，直接采用現(xiàn)行的鑒定方法，對風積黃土是不適宜的。

二、典型分散性土的特性

分散性粘土在低含鹽量或純凈水中細顆粒之間的粘聚力大部分或全部喪失，呈團聚狀的土體自行分散成原級的粘土顆粒，它的抗沖蝕能力很低，容易造成堤壩管涌，因此危害性很大。分散性土被水沖蝕破壞是一個復雜的物理、化學和力學過程，是多因素作用的結(jié)果，其中主要影響因素有：

粘粒含量：我們通常說的粘性土是指液限大于25%，塑性指數(shù)大于6的粘土或粉土，其粘粒含量一般大于10%，如果粘粒含量很低而導致土樣出現(xiàn)分散現(xiàn)象，就不屬于粘性土的分散性研究范圍，而是無凝聚性土的研究范疇了，如粉砂和細砂在水中也分散，但機理與粘性土不同。

粘土礦物成分：常見的粘土礦物有高嶺石類、蒙脫石類、伊利石類，它們是土中物理化學性質(zhì)活躍的物質(zhì)，對粘性土的工程性質(zhì)有著顯著影響。其中高嶺石類礦物結(jié)晶牢固，遇水僅產(chǎn)生體積膨脹，不會分散；蒙脫石類晶層間聯(lián)結(jié)弱，晶格具有擴展性，特別是吸附鈉離子的鈉蒙脫石具有強分散性；伊利石則介于兩者之間。

有機質(zhì)：土中的有機質(zhì)具有膠體性質(zhì)，可以促進土壤團粒結(jié)構(gòu)的形成，且富含酸性物質(zhì)，可以降低土體的酸堿度，能減少土體的分散傾向。

鈉離子：在常態(tài)下，水是土中液相物質(zhì)的主要成分，溶解于水中的各種電解質(zhì)以離子或化合物的形式存在于水中，它和水以及水中的粘土顆粒構(gòu)成“土-水-電解質(zhì)”系統(tǒng)，影響土的工程性質(zhì)。一般來說，粘土顆粒表面帶負電荷，它會吸附陽離子在其周圍形成吸附層和擴散層，研究人員稱之為雙電層，雙電層越厚，顆粒分散性越強。在自然界的土體中，陽離子主要有Ca2+、Mg2+、Na+、K+，一價的Na+的雙電層厚度是二價的Ca2+的兩倍，因此若土樣中含有大量的鈉離子，使得土顆粒間雙電層厚度增加，排斥力大于吸引力，則土樣易產(chǎn)生分散。

酸堿度pH值：粘土礦物顆粒表面和邊緣有可能暴露出來的羥基（SiOH）分解成SiO-和H+,它受到pH值的強烈影響，pH值越高，H+離子進入溶液的趨勢越大，因此高pH值使顆粒分散，低pH值會導致顆粒從懸液中絮凝。

以上五個因素中，粘粒含量、粘土礦物成分和有機質(zhì)含量屬于土的固相組分，一般具有不可變性，但粘土礦物表面的電化學性質(zhì)卻隨著空隙水中陽離子的種類及含量和pH值的變化而變化，因此粘土的分散性是土、水、電解質(zhì)組成的整個系統(tǒng)共同影響的結(jié)果，因此分散性常常表現(xiàn)為溶蝕性的化學反應。

三、分散性土鑒定的現(xiàn)行方法

到目前為止，分散性土的鑒定方法還在改進之中，但總體認為野外調(diào)查和識別、常規(guī)室內(nèi)試驗、室內(nèi)分散性鑒定試驗三者缺一不可，而且三者相結(jié)合進行綜合鑒定是當前大家公認的路徑。

首先需要做好野外調(diào)查與識別，直觀判斷其抗純凈水沖蝕能力。重點包括觀察土料場雨后水溝、水坑積水和干涸后情況，若發(fā)現(xiàn)水坑積水長期渾濁，干后坑底留下很細的粘土沉積龜裂，則土料可能具有分散性；觀察坡面上沖溝和孔洞的發(fā)育情況；觀察料場的新鮮土坡或坡下大土塊的完整性；觀察地表植被及有機質(zhì)情況；了解粘土生成環(huán)境；盡早用簡易碎塊試驗現(xiàn)場初判等。土樣常規(guī)室內(nèi)試驗取得的顆粒級配、界限含水率、可溶鹽和各類離子含量、pH值、有機質(zhì)含量及粘土礦物組成等參數(shù)，是分散性研判的重要依據(jù)。對粘土礦物中蒙脫石含量多、陽離子中鈉離子含量高、pH值高、有機質(zhì)含量低的土料，進行深入研究是必要的。

目前常用的分散性鑒定試驗方法包括雙比重計試驗、碎塊試驗、針孔試驗、孔隙水可溶性陽離子試驗、交換性鈉離子百分比試驗，實踐中多采用五種試驗結(jié)果分別賦予一定權(quán)重的方法判定分散性。

但在實際工作中，野外調(diào)查的結(jié)論往往被忽視，而試驗研究方法的適宜性卻較少被質(zhì)疑，這是目前分散性土鑒定中的不良傾向。

四、風積黃土及其特性

1.本工程風積黃土特性指標

肯斯瓦特水庫工程區(qū)廣泛分布風積黃土，這些第四系上更新統(tǒng)風積物，從工程分類屬于低液限粉土，儲量豐富，開采運輸便利。土中的粉粒含量77.0%，粘粒17.6%；塑性指數(shù)9.9；天然含水量9.0%，最優(yōu)含水量14.3%，最大干密度1.83g/cm3，滲透系數(shù)1.8×10-7cm/s；有機質(zhì)含量0.22%；水溶鹽含量0.68%；pH值9.1；土粒比重2.70g/cm3；飽和固結(jié)快剪強度為Φ=27.9°，C=20.9kPa。與規(guī)范要求的心墻土料標準對比，土料天然含水量偏低，塑性指數(shù)偏低，與北方大多數(shù)風積黃土特性一致。

2.與分散性土的相似性分析

樊恒輝等收集了大量的工程實例，對一般分散性土進行了實驗結(jié)果統(tǒng)計分析，總結(jié)出以下幾個界限參數(shù)值：（1）土粒比重大于2.69g/cm3，一般不分散；（2）粘粒含量小于20%，多具有分散性；（3）塑性指數(shù)小于15，多屬于分散性或過渡性；（4）有機質(zhì)含量小于5g/kg，具有不確定性；（5）pH值大于8.6，多屬于分散性或過渡性；（6）土體中易溶鹽含量高特別是低價陽離子含量越高的土，分散性概率越大。

肯斯瓦特工程土料的特征參數(shù)與上述統(tǒng)計界限值對比，具有極高的吻合度，很容易將其當作分散性土。從2005年開始，本工程先后邀請三家科研單位開展了三輪分散性試驗研究，均未能排除其分散性，因此工程決策時放棄了粘土心墻壩壩型。

五、質(zhì)疑與建議

土的分散性問題是在高粘性土中發(fā)現(xiàn)的，表現(xiàn)為溶蝕為主的化學變化，而低粘性土抗沖蝕性差更像物理變化。無論是根據(jù)經(jīng)驗統(tǒng)計界限參數(shù)判定，還是試驗判定，都是將這兩種土料不加區(qū)分、使用同一個標準進行的，這是問題的關鍵所在。結(jié)合本工程研究過程與風積黃土的工程實踐經(jīng)驗，提出以下幾點看法：

一是對風積黃土與典型分散性粘土抗沖蝕能力差的原因，沒有區(qū)別對待。從風積黃土的顆粒組成看，粉粒含量高達77.5%，粘粒含量不高，抗沖蝕性差是肯定的，但不太可能出現(xiàn)典型分散性粘土的溶蝕現(xiàn)象。二是對風積黃土野外抗沖蝕表現(xiàn)，沒有高度重視。野外勘察發(fā)現(xiàn)，土體在雨水的作用下多出現(xiàn)濕陷、塌陷現(xiàn)象，并不存在沖溝和孔洞；土體在受沖蝕后形成的積水也暫時渾濁，一定時間后水質(zhì)可恢復清澈，并不存在絮狀物質(zhì)，沉淀后底部出現(xiàn)粉細沉淀物，但干涸后不會出現(xiàn)龜裂。雨水對土體的沖刷以物理沖刷最為明顯，形態(tài)與分散性土不同。三是對可交換鈉離子的研究沒有深入。當?shù)赝亮弦兹茺}含量高，鈉離子含量也高，但歷次試驗除了土樣組數(shù)不足外，試驗研究時對粘土礦物中高嶺石、伊利石和蒙脫石占比的分析也不夠，特別是鈉蒙脫石含量沒有重點研究。四是研究工作與工程結(jié)合不緊密。比如沒有開展使用當?shù)睾铀尼槍π栽囼炑芯浚涣硗饽M添加生石灰水調(diào)節(jié)含水量，再檢驗抗沖蝕性能的研究沒有開展等。五是對工程類比經(jīng)驗重視不夠。如新疆伊犁河恰甫其海水庫工程，其粘土心墻料與肯斯瓦特水庫土料基本相同，工程建成正常運行多年，說明此類土作為高壩的防滲心墻是經(jīng)得起實踐考驗的。

綜上所述，對于在我國北方廣泛分布的風積黃土的抗?jié)B安全性的認知還需要繼續(xù)提升，建議重新審視現(xiàn)行的分散性土鑒定評價體系，研究探索適宜風積黃土的抗沖蝕安全評價方法，使風積黃土的防滲安全研究水平更進一步。