王瑶水库加坝扩容工程筑坝土料分散性研究

徐铁铮， 樊邦稳， 徐天渊， 李 鹏

(1.陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710000； 2.宁夏大学，宁夏 银川 750021； 3.水利部 西北水利科学研究所 实验中心，陕西 杨凌 712100)

王瑶水库位于延安市延河支流杏子河(黄河二级支流)中游上，控制流域面积820 km2，多年平均径流量4 050万m2。王瑶水库为已成水库，均质土坝坝高55 m，设计总库容2.03亿m3，是一座以防洪为主，兼有城市供水、灌溉、发电等任务的Ⅱ等大(二)型水利枢纽，水库距离下游延安市约65 km，是延安市目前唯一可靠水源地，每年向延安市供水1 500万m3。现水库枢纽主要由均质土坝、1#和2#泄洪洞、输水洞、坝后电站和渠首建筑物等组成。由于淤积问题王瑶水库需加高扩容，即利用两岸广泛分布的黄土使坝高达到920 m，增加拦蓄水量保证有效供水率。

因本区广泛分布风积黄土，利用其作为筑坝材料既便捷又经济，但土料的分散性灾害随着人们的认识不断深入逐渐引起重视，加之本区水源问题突出，类似工程问题逐年巨增，而本区就其工程问题还未见相关实验研究，

故本文采用双比重计试验、碎块试验、针孔试验、孔隙水可溶性阳离子试验、交换性钠离子百分比试验[1]，就处于陕北的王瑶水库料源进行土料(分散性)特性研究分析[2]，以期对类似工程起到借鉴意义。为了全面衡量鉴别土料分散性，除进行必要的分散性试验还需对其土性及环境水的特征进行试验分析[3]。

1 土料基本特性

表1 料场土颗分试验成果汇总表Table 1 Result summary of stock field’s soil particle test

表2 料场土击实后物理力学试验成果汇总表Table 2 Result summary of stock field’s physical and mechanical test after compaction

2 土料矿化特征

根据流体力学中的斯托克斯沉降定理，采用水悬浮分离方法或离心分离方法分别提取粒径<10 μm和<2 μm的粘土矿物样品。粒径<10 μm的粘土矿物样品用于测定粘土矿物在原岩中的总相对含量；粒径<2 μm的粘土矿物样品用于测定各种粘土矿物各类的相对含量。矿物的晶体都具有特定的X-射线衍射图谱，图谱中的特征峰强度与样品中该矿物的含量正相关，采用实验的方式可以确定某矿物的含量与其特征衍射峰的强度之间的正相关关系——K值，进而通过测量未知样品中该矿物的特征峰强度求出该矿物的含量，这就是X-射线衍射定量分析中的“K值法”[5]。使用日本理学TTRⅢ多功能X-射线衍射仪，参考标准为SY/T 5163—2010沉积岩中粘土矿物和常见非粘土矿物X-射线衍射分析方法。试验结果见表3、表4。矿化特征表明，其土性与本区风积黄土极为相似，可以作为本区黄土的代表性土料。

表3 非粘土矿物X-射线衍射分析结果表Table 3 Analysis results of non-clay mineral’s X-ray diffraction

表4 粘土矿物X-射线衍射分析结果表Table 4 Analysis results of clay mineral’s X-ray diffraction

注：S为蒙皂石类；I/S为伊蒙混层；I为伊利石；K为高岭石；C为绿泥石;C/S为绿蒙混层。

3 土料化学性质

土的常规试验包括易溶盐及各种阴阳离子、中溶盐、有机质、酸碱度等试验，此类试验按照《土工试验规程》(SL237—1999)规定的方法进行。

土样化学性质试验结果见表5，3组土样的易溶盐含量在0.4～0.6 g/kg之间，中溶盐在0.6～1.6 g/kg之间，有机质在2.1～8.8 g/kg之间，pH值在9.00～9.11之间，均呈强碱性(>8.5)。

4 环境水(库水)化学性质

水质分析试验按照中华人民共和国电力行业标准《水电工程地质勘察水质分析规程》(NB/T 35052—2015)进行。库水化学性质试验结果见表6，库水的溶解性总固体含量475.9 mg/L，pH值8.32。

表5 土样化学性质试验成果表Table 5 Results of soil sample’s chemical property test

表6 水样化学性质试验成果表(mg/L) Table 6 Results of water sample’s chemical property test

注：表中pH为无量纲。

5 土样的分散性鉴定试验

粘性土分散性鉴定试验方法，目前国内尚无统一的鉴定分散性土的试验规程，对其评价更无详细的标准，鉴于此种情况，本次试验是参照《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》(SL251—2000)、《分散性土研究》等所介绍的双比重计试验、碎块试验、针孔试验、孔隙水可溶性阳离子试验和交换性钠离子百分比试验等5种试验方法进行鉴定。同时还参照美国材料与试验协会(ASTM)分散性土研究等书中所介绍的试验方法进行试验。

5.1 双比重计试验

双比重计试验是最为常用的鉴定方法。其原理是对土样进行两次比重计试验来测定粘粒(<0.005 mm)含量，第一次是常规的加分散剂、煮沸、搅拌的方法(详见《土工试验规程》(SL237—1999))，得到一条曲线；第二次不加分散剂，先将土样放在盛有一定量纯水的抽滤瓶中，并与真空泵相连接抽气10 min，然后把土水悬液冲洗到量筒中，加纯水至1 000 mL，倒转量筒30次并来回摇晃，让粘土颗粒自行水化分散，得到另一条曲线。求得两次粘粒(<0.005 mm)的含量，用下式求得分散度(D)：

判断标准：非分散性土分散度<30%；过渡性土分散度30%～50%；分散性土分散度>50%。

3组土样的双比重计试验结果见表7[6-7]。试验结果表明，3组土样的分散度均>50%，属于分散性土。

表7 双比重计试验结果表Table 7 Results of double pycnometer test

5.2 碎块试验

将保持天然含水率的土块或室内针孔试验结束后的试样制成1 cm3左右的土块，放入盛有约200 mL纯水的250 mL烧杯中，浸放5～10 min后观察土块中胶粒的分散特征。试验结果表明，当试验用水采用纯水时，3组土样具有轻微反应，属于过渡性土；当试样用水采用库水时，其反应程度有所减弱，但从浸水后崩解特征来看，其仍具有轻微反应，依然属于过渡性土。以LTK7号土为例，见照片1[7]，两者差异不大。

碎块试验与双比重计试验共同反映土颗粒在水中的分散程度，以及胶粒的析出程度，但是这两种试验是在静水中进行的，没有考虑流动的水流具有动能，能够对土体产生剪切力。

照片1LTK7土样品碎块试验现象照片
Photo 1 LTK7 soil sample fragmentation experiment

5.3 针孔试验

针孔试验是美国著名工程师J.L.Sherard(1976年)首先提出来的[3]。根据渗透理论可知，当水流流经土体孔隙时，能将其动能传输给土颗粒，从而使土颗粒产生分散。针孔试验通过模拟在一定的水压力作用下，测定流经土体孔隙的水流流量、颜色和孔隙尺寸的变化，反映土颗粒所具有承受水流的冲蚀能力，藉此表示分离颗粒所需力的大小。针孔试验可直接、定性地鉴定试样的分散性能和粘性土胶粒的抗冲蚀性。由于针孔试验直观地模拟了土体中的孔隙在渗透水流作用下所具有的冲蚀能力，因而被认为是最可靠的鉴定方法，同时也是分散性土其他鉴定方法中最直接和可靠的验证,其详细结果见表8。

表8 针孔试验结果表Table 8 Results of pinhole test

试验结果表明，当试验用水采用纯水时，LTK6在50 mm水头下，针孔冲大，水色浑浊，属于分散性土；LTK7、LTK8在50 mm水头下针孔没有变化，水色透明；水头上升到180 mm时，针孔冲大，水色浑浊，属于过渡性土。当试验用水采用库水时，LTK6、LTK7和LTK8的表现基本一致，即在50 mm水头下针孔没有变化，水色透明，但在180 mm水头下针孔冲大，水色浑浊，属于过渡性土。结合碎块试验可看出，库水对土样的分散性具有一定的抑制作用，但效果有限。

5.4 孔隙水可溶性阳离子试验

将土样含水率配到液限，经离心机离心后得到孔隙水溶液，测定其中的Ca2+、Mg2+、Na+、K+含量，然后计算出孔隙水可溶性阳离子总量(TDS)、钠百分比(PS)。

孔隙水可溶盐总量(TDS)=CCa+CMg+CNa+CK

按照土的分散性与TDS、PS关系图，以TDS为横坐标、PS为纵坐标，在半对数坐标纸关系曲线图中的所处位置，对照判别其性质结果见表9。

表9 孔隙水可溶盐阳离子试验和交换性钠离子百分比试验结果表Table 9 Results of pore water-soluble cation test and percentage test of exchangeable sodium ion

5.5 交换性钠离子百分比试验

本方法可测定土中阳离子交换量(CEC)和交换性钠离子含量，求出交换性钠离子百分比(ESP)。

式中：C′Na为交换性钠离子含量，cmol/kg；CEC为阳离子交换量，cmol/kg。

判断标准：ESP=7%～10%，属中等分散性土；ESP≥15%，属高分散性土，即有严重管涌的可能性。研究表明，3组土样的ESP均较低，在0.5%～1.0%之间，属于非分散性土。

6 试验结果综合评判

从目前规范提供的5种试验方法分析，该类风积土分散性的结果具有一定的离散性，因此采用单一的试验结果难以对土样的分散性进行正确的判别。基于以上分析结果，同时结合各种试验的特点，按照樊恒辉、孔令伟《分散性土研究》[3]，采用权重分配法进行评判，即赋予双比重计试验、碎块试验、针孔试验、孔隙水可溶性阳离子试验和交换钠离子百分比试验的不同的权重值，其值分别取20%、20%、40%、10%、10%，计算土样的分散性、过渡性、非分散性权重(判别准则：①如果分散性的权重>50%，土样属于分散性土；②分散性的权重=50%时，如果过渡性的权重≥20%，则属于分散性土，反之则属于过渡性土；③分散性的权重<50%时，如果“过渡性+分散性”的权重≥50%，则为过渡性土，否则属于非分散性土)结果见表10。

表10 土样分散性试验综合判别结果Table 10 Comprehensive evaluation of soil sample’s dispersibility test

7 王瑶水库土料分散性研究意义

(1) 陕北风积黄土单从土性的抗冲蚀能力分析，具有分散性土遇水后容易分散的特征，容易导致土体产生渗透破坏，应在设计、施工中予以足够的重视。

(2) 王瑶水库土料在分散性特征上具有离散型，即使采用相同的实验分析方法土料的分散性结果也不相同。说明料源土性均匀性会影响其土性特征体现，进一步说明在鉴别分散性特征时，采用单一的方法难以合理地鉴别土料的分散性质。

(3) 为了准确地评价土料分散性，除按照常规的5种方法进行试验甄别外，加做了环境水试验是必要的。由于水是产生土料分散性的主要诱因，试验中采用环境水并观察其在土料分散性试验中的影响程度，是实证检验土料分散性试验最终评价是否合理的有效方法。在本工程试验中土性属过渡性料或分散性土，经环境水作用后所有样品均具过渡性(与最终评价结论一致)，基于当前对土料分散性评价还无统一的方法，尤显其结果的重要意义，同时说明环境水有一定的改良作用。

(4) 从环境水参与的实验结果来看，其对土性的改良作用有限，说明土的本质结构是土的分散性的主要原因。但对土性的鉴定评价结论其参考意义远大于其工程作用，即在土性类别各试验结果难以统一时，环境水参与的试验结果是验证土性类别结论的可靠标准。

(5) 由于土料分散性试验费时较长，有的实验难度较大，鉴于当前土料分散性特征研究状况，结合王瑶水库土料分散性试验结果，建议一般工程可以分步实施其评价，即采用初判加详判的方法完成，在可行性研究阶段初判采用双比重计与碎块试验，在初步设计阶段详判采用针孔试验加做环境水试验检验，可达到其目的。