分散性土料筑坝的危害分析

周志博 彭小川

1 研究背景

老挝色萨拉龙灌溉工程位于老挝Savannakhet省Tha Pang Thoong 地区，工程由水库、大坝、取水建筑物、溢洪道、引水渠及渠系建筑物等组成，主要任务是灌溉。

越南水资源研究所（Vietnam Institute for water resources research）在1999 年完成了老挝色萨拉龙灌溉工程的可行性研究设计、2000 年完成技施设计，挡水坝为均质土坝；工程于2002 年实施，在施工过程中发现筑坝土料有问题，填筑的部分坝体出现落水洞，随后停止施工。

2009 年老挝政府重启该项目。将该项目交给中方承包商，对该坝失败的原因进行分析和研究是做好新方案设计的首要工作。对大坝设计的成败起着决定性的作用。

2 分散性土的危害

越南水资源研究所在2000 年6 月完成的技施设计中，推荐坝型为均质土坝，筑坝土料主要来自A、B 料场。坝顶高程为206.0 m，坝顶宽度6.0 m，最大坝高20 m，上游坝坡为1∶3.5，下游坝坡为1∶3.0，坝基有截水槽。

坝体于2002年施工，已完成填筑方量约38万m3，靠近坝肩的部分已经填筑到设计坝顶高程。施工中发现，上坝土料被雨水淋蚀后出现“落水洞”，当时的技术人员认为“筑坝材料含有大量可溶物，遇水后该可溶物崩解，形成大量类似溶洞的孔洞”。发现土料有问题后，工程停工。

3 分散性土的确定

设计人员对失败的坝型进行了现场考察，了解料场周围地貌、地型、水文和岩性等特征，进行了初步的判断，通过以下几个原因初步分析土体具有分散性：

（1）料场区域下雨后的水沟河道里水都是混浊的，水坑里的水长期混浊，呈现黄色。水干后出现龟裂。

（2）出现了许多冲沟和孔洞等异常冲蚀形式的表面现象。

（3）从地质成因角度分析，在海相沉积形成的黏土岩和页岩而形成的残积土多具有分散性，考察现场发现了许多属于海相成因的贝壳等物体。

因此，根据野外初判和基本试验的结果分析，需要进一步进行分散性的专门试验。

常用的分散性土鉴定有碎块试验、针孔试验、双比重计试验、孔隙水可溶盐试验等多种方法，其中试验成果准确性较高的是针孔试验和双比重计试验。

针孔试验是美国著名工程师J.L.Sherard 首先提出来的。根据渗透理论可知，当水流流经土壤孔隙时，能将其动能传输给土壤颗粒，从而使土壤颗粒产生分散。针孔试验通过模拟在一定的水压力作用下，测定流经土壤孔隙的水流流量、颜色和孔隙尺寸的变化，反映土壤颗粒所具有承受水流的冲蚀能力，以此表示分离颗粒所需要力的大小。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，因此，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最直接和可靠的验证。

在特制针孔试验装置中，将击实到设计干密度的土样，穿一个直径为1.0 mm 的轴向细孔，用蒸馏水进行渗流试验，观察在各种水头下的针孔受水冲蚀情况，据此进行分散性鉴别。

过渡型土：在水头为5 cm 和18 cm 水头下，流出的水轻微混浊，10 min 后针孔孔径等于或大于原针孔孔径的1.5 倍。

非分散性土：在38 cm 或102 cm 水头作用下，

流出的水轻微混浊，胶质颗粒很少。

高抗冲蚀性土：在102 cm 水头作用下，水色清，孔径不变。

双比重计试验是由美国农业部土壤保持服务试验室1937 年发明的。该试验时对土样进行两次比重计试验来测定不同处理措施下的黏粒含量，因而称之“双比重计试验”。

试验原理：根据G.G.Stock 定律，颗粒直径与颗粒沉降的时间的平方根成反比，与距离的平方根成正比，因此，测得颗粒沉降的时间和距离就可以计算颗粒直径。利用土壤比重计测定黏土悬液比重的变化，根据定律计算各级土粒的粒级大小及百分含量或由颗粒大小级配曲线确定各级土粒的粒级百分含量，见表1。

表1 料场分散性试验成果表

从试验成果看3 个料场土均具有分散性，所以可以肯定坝区范围内土料普遍具有较强的分散性，由于分散性土存在较多的可交换的钠离子，使土粒周围水膜增厚，减少土粒间吸力，使斥力超过吸力，甚至在静水中土粒也可能相互排斥而形成悬浮状。很低的渗透流速即可将土粒冲蚀，使土坝招致管涌破坏，尤其当渗水含盐量低时，情况更比利。这也证明了该坝失败的主要原因就是对当地土料的分散性认识不足。

4 分散性土的处理方式

由于分散性土具有较大的危害性，不适宜作为上坝材料。所以工程上通常不建议采用分散性土作为筑坝材料。但是某些特殊地区由于土料均具有分散性，石料又不便于开采和运输，只能选择分散性土作为筑坝材料。通常的处理方式有两种：对分散性土进行改性和外包分散性土防止土颗粒流失两种方式。其中前一种应用较为普遍。

分散性土的改性主要是采用生石灰CaO 或者消石灰Ca（OH）2，还有水泥、硫酸铁、氯化钙等材料与分散性土相结合，使其分散性减弱至丧失。由于生石灰掺入土体后，会发生一系列的物理化学反应，首先是生石灰水解，生成氢氧化钙，氢氧化钙电离形成钙离子。钙离子是二价离子，其凝聚力比一价钠离子强，通过离子交换作用，将土颗粒吸附的钠离子交换下来，降低了土颗粒的双电层厚度，斥力和引力同时增加，但是引力增加较多，净势能表现为引力能，引起颗粒凝聚，抑制分散。能够提高土体颗粒之间的黏结力，有效克服分散性土的分散作用。因此，石灰是分散性土最有效的土壤改性剂。

根据本工程土料的特性，借鉴其他类似工程的经验，在土料中掺入适量的石灰，改善土的分散性。因此，进行了土料改性试验，即在判定具有分散性的土样中。因土料具有分散性及弱膨胀性，为改变土料的性状或组成，在试验中添加了3%的生石灰，改性试验表明，生石灰作为改性剂，效果较好，所有具有分散性的土样，掺入生石灰后，分散性都有所减少。其中针孔试验结果均表现为非分散性。而针孔试验较能真实反映渗流对土的冲蚀情况，比较可靠。从双比重计试验成果看，3%的生石灰作为添加剂效果很好，土样全部达到过渡性土和非分散性土的程度。膨胀性有少量减小，平均值从48%提高到41.7%；其分散度D平均值从72.4%降到到30.7%，降幅很明显，效果显著。

因此，可建议工程按照此方法进行改性土施工。保证改性土的性能具备上坝条件。

5 结 语

（1）世界许多地方都有分散性土分布，使用其作为堤、坝填筑土料不可避免，只要采取正确的工程处理措施，就能够保证工程的安全。当前分散性土在工程中的应用处理措施主要包括采用石灰、水泥、硫酸铝等或其它土壤固化（改良）材料进行改性，使分散性土的分散性减弱直至消失；采用非分散性土、土工布、膜料将分散性土包裹起来，使其与水隔离，减少水的进入；采用砂、土工布等反滤材料对分散性土进行保护，防止渗透破坏。

（2）国内外工程实例，多为均质低坝，上游采用改性土、土工膜等措施保护；高坝则多为黏土心墙堆石坝，使用分散性黏土作为心墙料，在心墙上、下游采用反滤或改性土保护。

（3）本工程实践中采用用3%的生石灰作为外加剂对土壤进行改性处理，处理后的土料由于全部达到过渡性土和分散性土的要求，可在相关的低坝工程中进行推广和应用。