慶陽某水庫土料分散性試驗研究

黃 偉，代常友，謝承平

（黃河勘測規劃設計研究院有限公司，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致土體顆粒分散的黏性土［1］。 自20世紀50年代首次在澳大利亞發現后，世界上許多國家相繼對其進行研究，并認識到其對工程的危害。我國在20世紀80年代初的黑龍江引嫩工程首次發現后，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］等省的工程實踐中都曾遇到。分散性土具有抗沖蝕能力低、抗剪強度低、抗滲性能差的工程特性，作為筑壩土料容易引起大壩滲透變形破壞，對水利工程危害性大。 因此，在水利工程的勘察設計時， 必須對筑壩土料進行分散性判定，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， 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， 擬建大壩為碾壓式壤土均質土壩，設計最大壩高82.6m，為目前國內均質土壩的最大高度。 土料分散性試驗采用SL 251—2015 《水利水電工程天然建筑材料勘察規程》推薦的雙比重計試驗、針孔試驗、碎塊試驗、孔隙水陽離子試驗等4種試驗進行。

1 土樣物理化學性質

土樣基本物理性質如表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

土樣化學性質如表2。由表2可知，18組土樣有機質含量、易溶鹽、中溶鹽、水溶鹽含量均較低，pH值8.55～9.61，平均9.0，呈強堿性。

表2 土料化學性質單位：%

根據土料的物理化學性質，18組土樣均符合分散性土的一般特性，4種試驗鑒定方法均適用。

2 土樣分散性判別試驗

土分散性試驗采用由美國材料試驗協會制定的雙比重計法［10］、針孔試驗［11］、碎塊試驗［12］和孔隙水可溶鹽陽離子4種室內試驗方法進行，土的分散性判別標準按照SL251—2015《水利水電工程天然建筑材料勘察規程》規定執行。18組土樣分散性試驗成果匯總如表3。

表3 土分散性試驗判別結果統計

續表3

由表3可知：碎塊試驗除2組為非分散性土外，有16組為過渡性土； 針孔試驗有5組為過渡性土，13組為非分散性土； 雙比重計試驗有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4種試驗方法的試驗結果來看，各試驗方法的試驗結果不盡相同，未見一組試驗結果完全吻合，且不同試驗方法出現完全相反的試驗結果。 這主要是由于分散性黏土的分散機制是復雜的， 其遇水分散特征不僅是自身物理化學性質的綜合體現， 且還受外界因素影響。 除此之外，另外一個重要原因是4種試驗方法的判別機理和標準的差異性所致。 碎塊試驗是從膠體化學觀點出發的， 采用膠體析出程度作為判別標準， 其判定只是定性判別， 缺乏定量指標， 且在進行定性判別時需要試驗人員具備豐富的經驗； 針孔試驗運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鑒定土樣的分散性能和膠粒的抗沖蝕性能， 目前被認為是最直接可靠的試驗方法； 雙比重計試驗是利用農業土壤物理化學分析中的土壤團粒分析， 通過計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；孔隙水可溶鹽試驗是從分析化學觀點出發的， 對影響分散性的關鍵性因素鈉離子采用鈉百分比定量指標對土樣是否分散進行判定， 而孔隙水的抽取技術直接影響試驗結果的測量精度。綜上所述，由于各試驗方法判別機理和標準的不同， 其試驗結果出現不一致性。 深入研究各試驗方法判別標準的一致性將是急需解決的重大難題。

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

表4 土的分散性鑒定試驗權重法綜合判定結果

由表4可知，18組土樣權重法綜合判定結果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。 根據慶陽地區已建中小型水庫運行情況， 水庫大壩未發現分散性土的破壞現象。 因此可綜合判定土料為非分散～過渡性土，權重法判定結果是合適的。 慶陽地區黃土廣泛覆蓋， 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論是合適的。在工程實踐中，對于筑壩土料既有非分散性土，又有過渡性土時，除分層取樣外，應根據施工推薦的不同開采方法取混合樣進行試驗研究， 以做出工程應用的合理處置措施。鑒于本工程均質土壩壩高很高，對過渡性土應采取工程處理措施， 由于目前對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 結語

（1）本次采用規范［15］推薦的4種試驗判定方法，試驗結果不盡相同，除土分散性的復雜機制外，還與各試驗方法的機理和判別標準密切相關。 分散性土的鑒定方法和判別標準有待進一步改進和完善，各試驗方法及其判別標準的相關性及有效性有待進一步研究，使各方法更加準確和取得一致性。

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

（3） 對于筑壩土料的分散性應根據工程實際取樣進行試驗研究，除單層取樣外，還應結合施工時的開采方案進行混合取樣。