松嫩平原分散性粘土分布与形成机理研究

龙显助 戴春胜 孙飚 张洪志

（黑龙江省水利水电勘测设计研究院 黑龙江哈尔滨 150080）

1 简述

20世纪初期美国水土保持局土壤学者，提出土壤中高钠离子是产生分散土的主要原因，也是许多建筑物造成冲蚀、管涌事故的根源。30年代中期土壤学文献提出并承认分散性粘土的概念。直到60年代澳大利亚和美国等国一些土坝由于分散性粘土管涌造成破坏和垮坝，才广泛的认识到分散性粘土研究的重要性。

我国首次发现分散性粘土对工程破坏是黑龙江省兴建引嫩工程期间，为解决大庆石油工业生产、生活与农田灌溉用水的需要，70年代开始兴建北部引嫩、中部引嫩和南部引嫩工程，简称“三引”工程。1979年发现南部引嫩工程的南引水库17号坝出现雨水淋蚀的洞穴10多处，到1980年淋蚀洞穴已发展到300多处，直接影响工程的安全。为此，黑龙江省水利勘测设计院（黑龙江省水利水电勘测设计研究院的前身），组织了分散性粘土研究组，从1981年开始，收集了国内外资料，结合南部引嫩工程的实际，对分散性粘土进行了研究。

本文结合北部引嫩扩建、中部引嫩和南部引嫩工程近期研究，对松嫩平原分散性粘土的分布及形成机理做进一步的分析。

2 研究区分散性粘土的分布

研究区位于黑龙江省西部松嫩平原嫩江干流左侧乌裕尔河、双阳河、安肇新河与肇兰新河流域境内，行政区包括富裕、大庆（市区）、林甸、杜蒙、肇州、肇源、肇东、安达等8个区县的全部，讷河、明水、依安、青岗4个县的部分地区，幅员面积约4.5万km2，是国家石油工业、农牧渔生产基地。区内存在干旱、盐碱、洪涝、风蚀等自然灾害，由于三引工程的建设与不断完善，引、蓄、用与蓄、滞、泄水利工程已形成网络体系，改变了60年代中期前自然封闭的状态，为扩大引嫩工程发展灌溉防治土壤盐渍化创造了条件。

分散性粘土与盐碱化土壤密切相关，与苏打碱土、苏打盐土、盐化、碱化草甸土呈复区分布，由北向南，由东向西呈逐渐增加趋势。南部引嫩工程区盐渍化土壤分布面积大，分散性土分布较集中，北部引嫩工程区较轻，中部引嫩工程介于二者之间。

2.1 中部引嫩至龙虎泡水库引水干渠（八支干）分散土分布

上世纪90年代对中部引嫩工程进行扩建，在东升水库进水处建设分水闸，从闸开始至龙虎泡水库新建引水干渠（八支干），引水干渠全长97.1km，从1993年11月至12月进行分散土调查研究，在野外进行分散土简易试验并取样进行室内试验，取样的密度控制在间距500m左右，并适当选取剖面点，共取分散土样90个，土壤样16个，同时取水样6个。对分散土分布重点渠段 4km+600m——70km+700m 12个渠段调查89处，分散土55处，占总调查处的63.3%，平均分散度 63.3%；非分散土处占总调查处的38.20%。分散度平均为19.05%。

2.2 北部引嫩总干渠分散性土分布

尼尔基水库建成后，黑龙江省于2009年启动引嫩扩建骨干一期，北部引嫩总干渠开始扩建。黑龙江省水利水电勘测设计研究院，对北引总干渠分散性土的分布进行了研究。

乌裕尔河以北段，长 89.74km。对 12处堤段进行调查研究，分散性土共计长9900m，占总长的 11.03%，其中堤体 6处长 3500m；堤基 2处长1000m；堤基、堤体2处长4900m；其它处长500m。

乌裕尔河以南段，长 113.47km。此段为平原区，地形地貌较单一，但盐渍化土壤与分散性土分布面积较大，分散性土总长71726m，占总长的 63.2%；其中堤体 8处，长 8147m；堤基14处，长9685m，堤基、堤体17处长53894m。

3 分散性粘土形成机理分析

3.1 地质地貌与水文气象

3.1.1 地质地貌

研究区地质构造属新华夏系第二沉降带，是在中生代坳陷盆地的基础上发育起来的冲积、湖积、冰水堆积物和风积物。沉积层上多为粘性土，以下为砂或砂砾石，在近嫩江干流左岸亦有风积沙丘的分布。

本区地貌的特征是北、东部为小兴安岭的南和西麓，地势较高，海拨高度在250～300m，水土流夫严重。南部、西部地势较低，海拔一般140～220m。大致以讷河——依安——安达——肇东连线为界，东部以高平原为主，西部以低平原为主。在林甸——大庆——安达——肇州——肇源一带，地势低平，泡沼较多，是盐渍化土壤与泡沼以及分散性土集中分布区。

3.1.2 水文气象

研究区河流主要有嫩江支流的乌裕尔河和双阳河两条天然河流，汇入林甸，杜蒙境内已无河床，南部明青高地，地面迳流通过低平原自然水线于肇州、肇源即嫩江左侧的河漫滩，与北面乌裕尔与双阳河汇集，形成自然的封闭区，靠自然蒸发渗漏平衡，为形成盐渍化沼泽化土壤创造了条件。

本区属半干旱季节性冻土区，降雨量时空分布不均，丰水年年均降雨量550mm以上，干旱年在 300mm左右，蒸发量为降雨量的 2～3倍，年内降雨量集中在 6～8三个月，年内土壤盐分积累主要在春、秋二季，雨季形成积盐与淋盐交替期，与土壤结冻与融冻潜水位的土壤水盐密切相关。

3.2 颗粒分析试验研究

分散性土的分散机理是与土颗粒表面的电化学性质自然有直接的关系，分散性粘土均属粘质土壤。南部引嫩17号坝5个土壤样物理性粘粒小于0.01mm，占66.4%；大于0.01mm占33.6%，以重壤质为主。北部引嫩总干渠对现有的堤体、堤基0.5～5.5m取的43组土样进行颗粒分析，均采用筛法（d＞0.075mm）和甲种比重计法（d＜0.075mm）联合测定土样的颗粒级配。由土样（常规）的级配曲线，43组土样分属重壤土11.63%、重粉质壤土11.62%、砂质粘土11.63%、粉质粘土37.21%和粘土27.91%组成。

3.3 粘土矿物成分与相对含量

在土的固相成分中，粘土矿物成分是影响分散性的重要条件，也是这次研究的重点，试验研究点较多，范围也较广，仅对区域南部的南引水库16、17、18、19与21等5个坝与17号坝以及位于北部的北引总干渠扩建段不同地点，根据人工2μ m土粒进行X射线分析，将矿物成分与含量分别概述如下：

3.3.1 南部引嫩坝粘土矿物成分与含量

八十年代已建成的16、18、19、21等4个坝共 9个试验资料：蒙脱石 28.92%；伊利石51.23%，而不具备分散的高岭石仅占 19.84%，对 17号坝不同距离坝体蒙脱石 40%；伊利石24%，二者共计64%，说明均为分散性土较为严重分布区（见表1）。

试验单位：中国水科院岩土所完成为<2μ部分矿物含量（%）。

3.3.2 北部引嫩总干渠堤体、堤基粘土矿物成分与含量

北部引嫩总干渠从嫩江进水闸到红旗泡水库总长245km。2011年对43处不同渠段进行了粘土矿物成分与含量的试验研究，其中乌北段3处，乌南渠段4处，总干渠7处。试验研究表明，伊利石/蒙脱石平均含量70.09%；伊利石15.94%；高岭石6.22%；绿泥7.51%，混层比伊利石/蒙脱石46.82%。以上土样中矿物成分中不含蒙脱石，但是含有较多的伊利石/蒙脱石混层矿物，且伊利石/蒙脱石混层中蒙脱石含量约为 50%，故具有产生分散性的内在因素。

3.4 钠吸附比（SAR）

SAR是以孔隙水溶液中Na+离子与Ca2+、Mg2+离子比值大小判定土的分散性，其计算公式如下：

试验方法：测出土的碟式液限含水率，将土样加去离子至碟式液限含水率附近，放置24小时以上，用真空泵吸取孔隙水溶液用原子吸收光谱测定K+、Na+、Ca2+、Mg2+含量，试验结果与SAR计算值见表3。南部引嫩Na+含量93.05%；TDS52.79me/L；北部引嫩总干Na+含量59.09%；SAR11.74%（见表2）。

表1 南部引嫩工程坝粘土矿物成分与含量分析成果表

表2 孔隙水中阳离子含量与TDS值

3.5 交换性钠离子百分含量（ESP）测定

ESP的含义为存在于粘土矿物结构层的交换性Na离子占交换性阳离子总量的百分比，其计算公式如下：

离子交换总量（CEC）是用常规醋酸铵法测定，交换性 离子含量测定是先用50℃的50%酒精淋洗样品，然后用pH=9的醋酸铵——氢氧化铵溶液淋洗，在原子吸收光谱上测交换性的含量。根据美国与澳大利亚经验，土样的ESP值大于10属于分散性土；ESP值在10-7属于过渡型土料；ESP值小于7属于非分散性土。根据北部引嫩总干渠43个土样测定：分散性土18个占41.9%；非分散性土16个占37.2%，过渡型土9个占20.9%。

3.6 研究区地面、地下水化学类型与钠离子占阳离子总量

研究期间对区内地面水与典型灌区地下水以及深层地下水质进行了研究，凡盐渍化土壤（即分散土分布区），均属苏打类型水质，北部引嫩地面水 Na+离子含量 56.09%、3个水库为46.98%；中部引嫩水库 Na+离子含量 31.33%；南部引嫩水库 17号坝 Na+离子含量最高为74.55%。嫩江原水Na+离子含量最小只有17%。

本区地下水 Na+离子含量北引典型灌区平均 38.55%，城市供水自来水 5个县平均 Na+离子含量为62.75%（井深100-200m左右）。以深层温泉水Na+离子含量最高，林甸县2个温泉水平均为99.23%（970m以下），可见，Na+vf离子含量是研究区分散性土分布面大形成的内在因素（见表3）。成果资料全部由黑龙江省水文地质工程地察院实验室完成。

表3 研究区地面、地下水质阳离子总量与Na+占总量百分率表

4 结论

（1）研究区分散性粘土集中在苏打草甸盐土、草甸碱土、盐化、碱化草甸土、草甸沼泽土中，与碳酸盐草甸黑钙土呈复区区域分布，松嫩低平原分布较为集中。北部引嫩工程区乌北渠段分散土主要在 42km与 75km，其他地域为非分散性土，乌南渠段分散性土分布在42km以下至106km渠段，其他处为非分散性土或过渡型土。

（2）由于富含伊利石、钠蒙脱石，分散性粘土均呈膨胀性（湿膨胀、干收缩），但膨胀土不一定都是分散性土，主要取决于粘土矿物的成分与含量，如粘土矿物是钠蒙脱石或伊利石占优势则呈分散性，而高岭石占主导则一般无分散性。

（3）研究区低平原处大部分地面、地下水化学类型以苏打水为主，钠离子含量占阳离子总量以区内地下水与滞洪区最高，林甸县的温泉水钠离子含量可高达99.23%；地面水以南引17号坝最高为74.55%，中引水库31.33%，北引水库56.29%。高含量钠离子的存在是本区分散性粘土形成的内在因素，钠离子含量与分散土分布和强度存在密切关系。开展钠离子富含区水、土分布与矿物研究，对分散土利用和工程建设有重要意义。

1 王观平, 柯荣. 黑龙江省南部引嫩工程分散性粘土试验研究. 黑龙江省水利水电勘测设计研究院, 1987.3.

2 刘彦君, 龙显助等. 北部引嫩工程对环境影响与水土资源保护措施研究. 中国科学技术出版社, 1999.5.

3 彭旭明, 龙显助等. 北部引嫩工程冲刷淤积与土壤盐渍防治措施. 中国农业科学出版社, 2009.3.

4 北部引嫩总干渠工程地质勘察报告(第一册). 黑龙江省水利水电勘测设计研究院岩土工程处. 2010.12.

5 北引总干渠扩建一期工程分散性土试验报告. 中国水利水电科学研究院岩土所. 2012.4.