庆阳某水库土料分散性试验研究

黄 伟，代常友，谢承平

（黄河勘测规划设计研究院有限公司，郑州450003）

分散性土是一种在低含盐量水（或纯净水）中，由于离子相互排斥力超过相互吸引力而导致土体颗粒分散的黏性土［1］。 自20世纪50年代首次在澳大利亚发现后，世界上许多国家相继对其进行研究，并认识到其对工程的危害。我国在20世纪80年代初的黑龙江引嫩工程首次发现后，在海南［2］、河南［3］、山西［4］、新疆［5］、山东［6］、青海［7］、浙江［8］、宁夏［9］等省的工程实践中都曾遇到。分散性土具有抗冲蚀能力低、抗剪强度低、抗渗性能差的工程特性，作为筑坝土料容易引起大坝渗透变形破坏，对水利工程危害性大。 因此，在水利工程的勘察设计时， 必须对筑坝土料进行分散性判定，原则上不采用分散性土作为筑坝土料，若由于客观原因需作为筑坝土料时， 则必须采用工程处理措施降低土的分散性，使其满足筑坝土料要求。

庆阳某水库地处陇东黄土地区， 拟建大坝为碾压式壤土均质土坝，设计最大坝高82.6m，为目前国内均质土坝的最大高度。 土料分散性试验采用SL 251—2015 《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》推荐的双比重计试验、针孔试验、碎块试验、孔隙水阳离子试验等4种试验进行。

1 土样物理化学性质

土样基本物理性质如表1。 18组土样粉粒含量高，71.4%～85.4%， 平均78.1%， 黏粒含量14.6%～28.6%，液限27.7～34.0，塑性指数10.1～15.0，均为低液限黏土，土粒比重2.70～2.71。

表1 土样物理性质

土样化学性质如表2。由表2可知，18组土样有机质含量、易溶盐、中溶盐、水溶盐含量均较低，pH值8.55～9.61，平均9.0，呈强碱性。

表2 土料化学性质单位：%

根据土料的物理化学性质，18组土样均符合分散性土的一般特性，4种试验鉴定方法均适用。

2 土样分散性判别试验

土分散性试验采用由美国材料试验协会制定的双比重计法［10］、针孔试验［11］、碎块试验［12］和孔隙水可溶盐阳离子4种室内试验方法进行，土的分散性判别标准按照SL251—2015《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》规定执行。18组土样分散性试验成果汇总如表3。

表3 土分散性试验判别结果统计

续表3

由表3可知：碎块试验除2组为非分散性土外，有16组为过渡性土； 针孔试验有5组为过渡性土，13组为非分散性土； 双比重计试验有2组为过渡性土，16组为分散性土；孔隙水可溶盐阳离子试验有3组为分散性土，4组为过渡性土，11组为非分散性土。

3 土样分散性分析及综合判别

根据4种试验方法的试验结果来看，各试验方法的试验结果不尽相同，未见一组试验结果完全吻合，且不同试验方法出现完全相反的试验结果。 这主要是由于分散性黏土的分散机制是复杂的， 其遇水分散特征不仅是自身物理化学性质的综合体现， 且还受外界因素影响。 除此之外，另外一个重要原因是4种试验方法的判别机理和标准的差异性所致。 碎块试验是从胶体化学观点出发的， 采用胶体析出程度作为判别标准， 其判定只是定性判别， 缺乏定量指标， 且在进行定性判别时需要试验人员具备丰富的经验； 针孔试验运用渗流理论模拟了土体在集中渗透水流作用下的抗冲蚀条件， 采用定量和定性指标鉴定土样的分散性能和胶粒的抗冲蚀性能， 目前被认为是最直接可靠的试验方法； 双比重计试验是利用农业土壤物理化学分析中的土壤团粒分析， 通过计算土体中不加分散剂不煮沸所得的黏粒含量与加分散剂煮沸所得的黏粒含量的比值的百分率 （分散度）来进行判别，美国水土保持局（SCS）按分散度大于25%判别为分散性土，SL251—2000 《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》 按大于50%判别为分散性土，洪有纬等［13］和马秀媛等［6］根据各自研究土料特性分别按大于30%和大于35%判别为分散性土；孔隙水可溶盐试验是从分析化学观点出发的， 对影响分散性的关键性因素钠离子采用钠百分比定量指标对土样是否分散进行判定， 而孔隙水的抽取技术直接影响试验结果的测量精度。综上所述，由于各试验方法判别机理和标准的不同， 其试验结果出现不一致性。 深入研究各试验方法判别标准的一致性将是急需解决的重大难题。

在工程应用上，往往以针孔试验结果为主，碎块试验结果为辅， 然后参考双比重计试验和孔隙水可溶盐试验结果进行综合判别。樊恒辉［14］提出采用对5种试验方法（双比重计试验、碎块试验、针孔试验、孔隙水阳离子试验、交换钠离子百分比试验）附权重值进行综合判定。本文根据规范［15］推荐的4种试验方法赋予权重进行综合判别（简称权重法），分别赋予双比重计试验、碎块试验、针孔试验、孔隙水可溶性阳离子试验20%，20%，40%，20%， 根据试验结果计算土样的分散性、过渡性、非分散性等权重之和。 如果分散性权重大于50%，土样属于分散性土；分散性土权重等于50%时， 如果过渡性的权重大于等于20%时，则属于分散性土；反之，则属于过渡性土。分散性的权重小于50%时，如果“过渡性+分散性”的权重大于等于50%，则为过渡性，否则属于非分散性土。 4种试验结果权重综合判定结果如表4。

表4 土的分散性鉴定试验权重法综合判定结果

由表4可知，18组土样权重法综合判定结果6组为非分散性土，12组为过渡性土。 可见土料中约1/3为非分散性土，2/3为过渡性土，未有分散性土。 根据庆阳地区已建中小型水库运行情况， 水库大坝未发现分散性土的破坏现象。 因此可综合判定土料为非分散～过渡性土，权重法判定结果是合适的。 庆阳地区黄土广泛覆盖， 可用于筑坝材料的主要为Q3和Q22黄土。由于黄土成因（风成和水成）及黄土垂直深度上的差异性， 不同深度黄土的分散性亦可能具有差异性，因此本次综合判定结论是合适的。在工程实践中，对于筑坝土料既有非分散性土，又有过渡性土时，除分层取样外，应根据施工推荐的不同开采方法取混合样进行试验研究， 以做出工程应用的合理处置措施。鉴于本工程均质土坝坝高很高，对过渡性土应采取工程处理措施， 由于目前对过渡性土的工程处理研究很少，可按分散性土考虑采取如工程隔离、反滤及土性改良等工程处理措施。

4 结语

（1）本次采用规范［15］推荐的4种试验判定方法，试验结果不尽相同，除土分散性的复杂机制外，还与各试验方法的机理和判别标准密切相关。 分散性土的鉴定方法和判别标准有待进一步改进和完善，各试验方法及其判别标准的相关性及有效性有待进一步研究，使各方法更加准确和取得一致性。

（2）土分散性权重法综合判定为各试验方法试验结果的不一致性提供了解决途径， 可有效减少人为因素影响。本文对规范推荐的4种试验方法分别赋值综合判定土料为非分散性～过渡性土，根据已建大坝运行情况及黄土差异性分析，综合判定结果是合适的。

（3） 对于筑坝土料的分散性应根据工程实际取样进行试验研究，除单层取样外，还应结合施工时的开采方案进行混合取样。