分散性土筑堤破坏特征及分散机理分析

李兆宇，张家阳，苏安双，王远明

(1.黑龙江省水利科学研究院，黑龙江 哈尔滨 150080；2.黑龙江省三江工程建设管理局，黑龙江 哈尔滨 150081)

分散性土是一种在含盐量较低的水中或纯净水中，离子相互的排斥力超过相互吸引力，土体表面颗粒极易从土体表面脱落，从而形成土体颗粒分散的黏性土[1]。一般来说，分散性黏土在含盐量较低的水中或纯净水中，细颗粒之间的黏聚力大部分消失，也可能会全部消失，呈团聚体存在的颗粒体就会自行分散成原级的黏土颗粒[2]。土体颗粒间的排斥作用，会使颗粒松散，易随水流流出，形成潜在破坏通道，诱使工程事故发生[3]。所以分散性土的抗冲蚀能力很低，危害性很大，容易造成堤坝管涌、路基失稳等[4]。

20世纪50年代在澳大利亚发现了分散性土，在对冲蚀、管涌破坏的案例调查、分析和研究时，科研人员发现黏性土在有水条件下表现出分散现象，此现象归结为水利工程破坏的原因。此结论随后在各国引起重视，均出现分散性黏土引起工程事故的案例。美国学者从野外调查、室内试验以及补救措施等方面系统性研究了分散性土的分散机理、产生原因以及改进方法，并取得了良好的成果[5-6]，世界上许多国家也对其进行了相关研究。在黑龙江省发现分散性土后，国内学者也进行了深入试验研究[7]。随后在新疆、山东等省的工程建设中也遇到分散性土情况[8-15]，对分散性土筑坝在工程设计和施工中予以高度重视。

本文通过调研国内外分散性黏土工程破坏及溃坝案例，总结分散性土筑堤的破坏形式，分析季节冻土区分散土分散机理，同时提出分散性土筑堤工程措施，为减少分散性黏土的工程危害具有重大的现实意义。

1 分散性土筑堤案例调研

国内外由分散性黏土引发破坏失事的工程实例很多，如表1、表2所示[16-17]。

(1)威斯特大坝。建设在美国俄克拉何马州的波图河上的威斯特(Wister)坝，坝体为均质土坝，坝长度为1737 m，坝高为30 m，坝体施工时质量控制较好。但堤坝在蓄水使用过程中发生严重管涌。事故发生后进行修复并取样试验，经过分散性土鉴定试验，说明筑坝土料为强分散性土。

(2)基尔莫市挡水坝。澳大利亚基尔莫市，于1996年修建一座均质土挡水坝，坝高为13 m。蓄水使用后发生了管涌破坏，渗流冲蚀成孔洞，发展成贯穿性通道，直径达到11 m。经过技术修复后，在下游处再次出现直径为0.15 m空洞，引发管涌破坏。

(3)阿尔及利亚黏土坝。阿尔及利亚黏土坝建于1969年，用灰色高塑性膨胀黏土修筑长10 km、高15 m的土坝。坝顶出现了扩张的裂缝，并在上游边坡出现了一些滑坡，故使水库不能蓄水。

表2 国内分散土筑堤筑坝统计表

(4)格拉纳达坝。格林纳达大坝工程位于雅罗布莎河上，距离密西西比州的格林纳达镇约5 km，大坝坝堤长4236.7 m，顶部宽12.0 m，坝体最高24.0 m，顶部高程76.8 m。工程主要包括主坝上直径51.0 m的泄水口、60.0 m宽的混凝土陡槽式溢洪道。1949年大坝主体完成施工后，在下游坝坡出现了大量的雨水孔洞，大坝1954年完工蓄水，在集水管上面出现了相当大的塌陷。

(5)黑龙江省南部引嫩工程。黑龙江省南部引嫩工程17号土坝为均质土坝，由于雨水淋蚀，坝顶就出现多处淋蚀孔洞。经过一段时间发展，淋蚀孔洞己达到30多处。经室内试验，对该筑坝土料进行分散性试验鉴定发现筑坝土料具有较强的分散性。

2 分散性土筑堤破坏形式与成因

分散性土造成了许多堤防结构的破坏或病害。国外研究这些问题范围，包括堤防整个洪水过程破坏和各级控制建筑物结构运行条件。破坏问题可分为以下两大种类。

2.1 外部侵蚀

降雨和径流可以在裸露的分散性土边坡引起严重侵蚀。侵蚀在边坡上导致严重的斜向滑移和冲沟，进而造成堤防内部缺陷[18]。主要破坏型式如图1所示。

(1)“壶孔型侵蚀洞”——管涌。分散性黏土土堤在这种侵蚀类型下受到严重破坏。壶孔在堤防顶部可直接观察到，侵蚀洞至1.21 m深度并不罕见。

(2)陡峭边坡侵蚀——流土冲蚀沟。图1(b)显示了一个典型分散性土淤积渠道的边坡。侵蚀斜坡是严重的，具有很高的破坏度，边坡维护难度大。

(3)水流冲刷侵蚀——崩岸。堤防边坡堤脚分散性土受到水流浸泡。图1(c)显示了一个典型分散性土堤脚崩岸。边坡崩岸是显而易见的，表面具有很强的明显破坏。修复改造困难，堤防整体性防护也是一个难题。

2.2 内部侵蚀

利用分散性土筑堤失败是由于通过裂缝或其他填筑孔隙而形成内部侵蚀。主要原因是干燥脱水、水力劈裂和不均匀沉降，破坏如图2所示。

(1)坝体层与层结合薄弱产生侵蚀通道裂缝。破坏原因为分散性土坝体碾压部位接合不良产生圆状破坏，坝体高压实区形成明显暴露的碾压分层，主要是分层填筑时，层与层之间结合不好，易产生层与层裂缝，会形成明显的薄弱界面，最终导致管涌溃坝。

图1 外部侵蚀破坏

图2 内部侵蚀破坏

(2)土体与其他结构接触薄弱界面引发侵蚀，如穿堤建筑物与坝体结合不良，产生裂缝管涌。或者降雨或漫滩流可以进入到在混凝土衬砌和堆石砌石覆盖层下的分散性黏土裂缝中，导致内部侵蚀、内部衬砌及抛石裂缝的扩大，形成管涌溃坝破坏。

3 分散性土分散机理分析

3.1 矿物影响

黏土中矿物是影响土体分散性的重要因素。常见的矿物有高岭石、伊利石、蒙脱石。蒙脱石晶体是由两个硅氧四面体晶片夹一个铝氧八面体晶片构成，相邻晶体氧层连接力极弱。若受到水分子和交换性阳离子作用，会产生较大的体积变化，具有极强膨胀性。而在耕作或淋溶作用土壤中，伊利石晶格破裂释放钾元素被冲蚀流失，部分脱钾区域土壤就具有蒙脱石的性质。同时，伊利石利用同晶置作用吸收离子后，同样会产生像蒙脱石那样具有强分散性的性质。

3.2 交换性钠影响

通过试验证明，交换性钠百分比、阳离子交换量与分散度呈现出明显的正相关线性关系，即交换性钠百分比、阳离子交换量越大，土体的分散性越强。其主要原因是土粒扩散层越厚，颗粒间的引力越小，土的分散性就越强。

3.3 pH值影响

pH值也是影响分散性大小的主要参数之一。试验表明土壤pH值与分散性呈现明显的正相关线性关系，即pH值越高，土粒表面越容易形成扩散双电层，促使颗粒趋于分散。

3.4 分散性影响因素

其他影响土体分散性的因素有：

(1)土壤水中离子浓度。离子浓度越低，潜在破坏风险越高。分散性土在离子浓度很低时，是最容易被水侵蚀的，如雨水。

(2)相对压实度和含水率。因为黏土颗粒非常小，低质量，颗粒很容易被水分离和运输，相对压实度和含水率较低时，容易造成土壤侵蚀。

(3)在水流冲蚀作用下，水稳性团聚体的数量和质量，影响着土的结构和抗蚀性，表现为水稳性团粒含量越高，土体抗冲蚀能力越强，从而土体的分散性越弱。

(4)微观结构与土体的分散性。在季节冻土区，土体在冻结时随着温度的降低，土体孔隙中冰晶不断增大，促使孔隙体积增大，造成土粒间的距离增大，进而减弱土颗粒间连结力，增强土体的分散性。同时孔隙体积增大，土体变得松散，形成裂隙，水更易通过裂隙进入，产生分散性。

4 分散性土筑堤工程措施

土坝利用分散性土作为防渗体时，经过必要的防治处理措施后，坝体才可以正常运行。针对分散性土坝的破坏原因及破坏型式，为保证大坝安全，可采用以下措施。

(1)分隔土体。可采用土工膜等防渗隔水材料，或者非分散性黏土及改性分散性黏土，将低溶盐水和分散性黏土隔离开来。

(2)改变黏土性质。是指把分散性黏土通过外加物质改变成非分散性黏土，或完全用非分散性黏土替换，改性方式可根据分散性原理进行改性。国内外对于分散性土改性措施，有很多较为有效的方式，均有成功的先例。

(3)加强反滤排水措施。设置适当级配的砂反滤层，用以截留坝体中的细颗粒，保证不流出坝体，减少流土和管涌风险。当出现管涌时，具体措施有设置反滤围井、反滤层压盖、透水压渗平台、蓄水反压方式。

(4)利用土工织物防止分散性黏土的冲蚀破坏。工程实践证明，土工织物用于分散上坡的反滤护坡是行之有效的。通过对黑龙江省西部地区边坡治理工程运行效果进行调查发现，渠道分散性土段经土工织物反滤护砌，均收到较好的运行效果，没发生渠道塌滑破坏现象。

5 结论与建议

(1)土体的分散性主要与交换性钠、pH值、矿物成分等有关，同时与其所在介质环境也存在密切关系。高钠、强碱性是土体分散性产生的两个重要条件。土颗粒组成和矿物组成成分是影响土体分散性强弱的另一项重要原因，同时微观结构在一定程度上也能够反映土体的分散性。

(2)分散土筑堤破坏主要是由降雨冲刷、径流淘刷等方式侵蚀堤防土料，利用堤体内部缺陷，形成裂缝，表现为流土冲蚀、管涌、崩岸等破坏型式，进而造成溃坝危害。

(3)建议利用合理有效的技术措施进行分散土改性处理，也要从坝体加固、反滤排水两方面着手，同时在分散性土坝顶、坝坡进行有效防护处理，才能有效避免渗流冲蚀，甚至溃坝情况的发生。