大石峽水電站筑壩土料分散性綜合判定及改性研究

巨娟麗，樊恒輝，劉俊民

(西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌712100)

大石峽水電站筑壩土料分散性綜合判定及改性研究

巨娟麗，樊恒輝，劉俊民

(西北農林科技大學水利與建筑工程學院，陜西楊凌712100)

分散性土的抗沖蝕能力很低，對許多工程的安全性造成嚴重威脅。在分析土樣物理化學性質和礦物學性質的基礎上，采用雙比重計、碎塊、針孔、孔隙水陽離子和交換性鈉百分比等試驗方法，對大石峽水電站大壩防滲土料的分散性及其改性措施進行了研究。研究結果表明，土樣1號和4號屬于分散性土，2號、3號、5號屬于過渡性土。土樣產生分散的主要原因：一是土樣中含有數量較多的鈉離子，使得伊利土也像那鈉基蒙脫土一樣具有較強的分散性；二是酸堿度較高，使得土顆粒之間的斥力能大于引力能，促使土樣分散；摻入質量分數0.26%的AlCl3·6H2O或質量分數0.35%的CaCl2都會對分散性土樣產生顯著的改性作用。結果表明：土樣產生分散的條件是土樣中含有大量的鈉離子和較高的pH值；AlCl3·6H2O的改性效果明顯優于CaCl2，是一種有效的分散性土改性劑。

分散性土；物理化學性質； 綜合判定；改性；大石峽水電站

0 引 言

大石峽水電站工程位于新疆維吾爾自治區阿克蘇市阿克蘇河一級支流——庫瑪拉克河中下游溫宿縣與烏什縣交界處，工程裝機容量780 MW，是一座兼灌溉、防洪、生態用水與發電的綜合利用工程。大壩為粘土心墻堆石壩，最大壩高256 m，壩址位于大石峽峽谷出口處，壩址下游距在建的小石峽壩址約11 km，距協和拉水文站約14 km，距阿克蘇市約100 km。本文通過雙比重計、針孔、碎塊、交換性鈉百分比和孔隙水可溶鹽陽離子等5種試驗方法，并結合土樣的物理化學性質和礦物成分分析，對大石峽水電站大壩防滲土料的分散機理以及改性應用進行探討，為工程的規劃設計、施工以及管理工作提供科學依據。

表2 土樣化學性質

1 土樣的物理化學性質和礦物成分

1.1 土樣的物理性質

土樣的基本物理性質結果見表1。5組土樣的比重在2.71～2.73之間，顆粒組成上以粉粒為主，其含量在59.2%～70.5%之間，粘粒含量約占18%～39%，砂礫含量約占0.5%～22.1%。界限含水率中液限WL為25.3%～32.1%，塑限WP為15.2%～18.7%，塑性指數Ip為10.1～13.4，都屬于低液限粘土(CL)。土樣的最大干密度為1.68～1.77 g/cm3，最優含水率為13.3%～18.6%。

1.2 土樣的化學性質

土樣的基本化學性質結果見表2。5組土樣的易溶鹽含量為1.58～18.56 g/kg，除5號土樣外都屬于鹽漬土[13]；陽離子主要以鈉離子為主，其次是鈣離子、鎂離子和鉀離子；中溶鹽含量為0.45～5.54 g/kg，難溶鹽含量為248.82～428.14 g/kg，有機質含量為2.39～4.91 g/kg。土樣pH值為8.23～9.37，其中土樣2號、5號呈微堿性(7.5～8.5)，其余呈強堿性(>8.5)。

1.2 土樣礦物成分分析

土樣的礦物成分采用日本理學電機公司的X射線衍射儀進行分析，結果見表3。從表3中可看出，5組土樣的粘土礦物成分以伊利石為主，含量為14.2%～16.4%，少量的伊利石以伊-蒙混層礦物的形式存在；其次是綠泥石和高嶺石，蒙脫石僅占全土的0.7%～1.4%，且以伊-蒙混層礦物形式存在。非粘土礦物主要是方解石，其次是石英、白云石等其它礦物。

“工作坊”英文為“workshop”，最早源于德國包豪斯學院現代建筑設計奠基人之一格拉皮烏斯的“工廠學徒制”教育理念[6]。“工作坊”是一種開放的交流方式，其構成要素包括：主題內容；學習方法；活動序列和社會環境[7]。“工作坊”的運行包括四個環節：工作坊創設-分組實訓-成果交流-實訓評價[8]，具體形式包括案例分析、角色扮演、集體分享、團體討論、頭腦風暴、教師點評等[6]。

2 土樣的分散性判別試驗

分散性土是一種特殊類型的土，土顆粒在水中通過反絮凝作用過程被侵蝕，因此不能憑借傳統的物理指標、化學指標及力學指標來進行鑒定，如土樣的界限含水率、土顆粒的級配分析結果以及壓實特性等。國內對于分散性粘土的研究較晚，目前仍沒有判斷分散性土的相關試驗規程。本次試驗參照美國材料與試驗協會制定的ASTM D4221—99《雙比重計試驗》[14]、ASTM D4647—93(1998)《針孔試驗》[15]、ASTM D6572—00《碎塊試驗》[16]等3種試驗規程，以及美國第一次關于分散性土的專題討論會中介紹的交換性鈉百分比試驗、孔隙水可溶鹽陽離子試驗[17-18]等5種試驗方法進行，根據5種試驗的結果綜

表3 土樣礦物成分

表4 土樣分散性試驗結果

合判定土樣的分散性。土樣的分散性試驗結果見表4。

2.1 雙比重計試驗

雙比重計試驗是美國水保局采用的鑒別粘土分散性的一種定量分析方法。該試驗首先將土樣放在盛有蒸餾水的抽濾瓶中，抽濾瓶與真空泵相連接并抽氣10 min，然后把土水混合液沖洗到量筒中，加蒸餾水至1000 mL，倒轉量筒并來回晃動約30次，讓粘土顆粒在水中自行分散，測得粘土中粘粒(<0.005 mm)的含量，再根據土工試驗規程中的常規試驗方法，加入化學分散劑并煮沸，測得粘土中粘粒的含量。采用兩次試驗所得粘粒含量比值的百分率，即分散度作為鑒定粘土分散性的定量指標。若分散度<30%，屬于非分散性土；若分散度在30%～50%之間，屬于過渡性土；若分散度>50%，屬于分散性土，即分散度越大，土體的分散的趨勢越高。試驗結果表明：5號土樣的分散度為56.4%，屬于分散性土，其余4組土樣的分散度均小于30%，均屬于非分散性土，但由于前4組土樣的易溶鹽含量較高，使得土水混合液中的土顆粒很快發生凝聚沉淀，水體澄清，從而使雙比重計試驗的結果很不準確，因此對含鹽量比較高的土體來說，其結果的可靠性較差，不能夠真實地反映土體的分散情況。

2.2 碎塊試驗

碎塊試驗是以膠體化學的基本觀點為基礎，認為土壤膠體顆粒的析出是粘性土產生分散的主要原因，因此以膠體顆粒析出程度的大小作為鑒定粘性土分散性的一個定性指標。碎塊試驗開始時，首先將天然含水率的原狀土塊或針孔試驗結束以后的試樣制成體積約為1 cm3的正方體土塊，再將制好的正方體土塊放進盛有一定量蒸餾水的燒杯中，浸放約5～10 min，最后根據土塊中的膠體顆粒在水中的分散性狀進行粘土分散性的判定。碎塊試驗的判定標準：若土塊水解后水體混濁，土顆粒很快擴散到整個量杯底部，且水呈霧狀，經久不清，則屬于分散性土；若土塊水解后四周有少量混濁，且擴散范圍較小，則屬于過渡性土；若土塊水解后以細顆粒狀平堆在量杯底部，水色是清亮的，或者稍混濁后很快又變清亮，則屬于非分散性土。從碎塊試驗結果來看，5組土樣都屬于過渡性土，即土樣水解后有少量渾濁，且擴散范圍不大。

2.3 針孔試驗

針孔試驗模擬在一定的水頭作用下，土壤顆粒所具有承受水流的沖蝕能力，藉此表示分離顆粒所需要力的大小。針孔試驗可直接、定性的鑒定土樣的分散性能和粘土膠粒的抗沖蝕性。由于針孔試驗直接模擬了工程實際中滲透水流所具有的沖蝕條件，因此被認為是粘性土分散性鑒定中最具可靠性的一種鑒定方法。其判定標準為：非分散土在380～1 020 mm水頭下針孔不擴大，出水流很清；過渡性土，在180～380 mm水頭下針孔沖蝕速度較慢，出水水流稍混濁；分散性土在50 mm水頭下針孔迅速擴大，出水水流混濁。試驗結果表明，1號、4號屬于非分散性土，2號、3號、5號屬于分散性土。但對于靈敏度較高的土樣，由于試驗過程中土樣容易受到擾動，土樣的強度就會降低，抗沖蝕能力減小，針孔試驗可能會誤判為分散性土，因此對抗沖蝕能力較低的粉質粘土，根據針孔試驗可能會造成誤判，這一點需特別注意。

2.4 孔隙水可溶鹽陽離子試驗

孔隙水陽離子試驗是農業土壤學中的一個基本試驗。試驗開始時，首先用蒸餾水把土樣的含水率配制到接近液限的稠度，然后將其經離心機脫水后得到孔隙水溶液，測定孔隙水溶液中Na+、K+、Ca2+、Mg2+的含量，計算孔隙水溶液中陽離子的總量(TDS)、鈉離子的百分比(PS)以及鈉吸附比(SAR)。

判定標準：①鈉百分比PS。若PS<40%，則為非分散性土；若PS在40%～60%之間，則為過渡性土；若PS>60%，則為分散性土。②鈉吸附比SAR。若TDS>5且SAR>2.7，則為分散性土；若TDS>10則需SAR>4.2；若TDS>100則需SAR>13。試驗結果見表1，表明1號、4號、5號屬于分散性土，2號屬于非分散性土，3號屬于過渡性土。

表6 土樣分散性綜合判別結果

2.5 交換性鈉百分比試驗

交換性鈉百分比(ESP)是指100 g干土中，交換性鈉離子占陽離子交換總量(CEC)的百分比，間接反映了土顆粒之間凝聚力的大小。判定標準：若ESP在7～10之間，屬中等分散性土；若ESP≥15，則屬于高分散性土，即存在嚴重管涌的可能性。試驗結果表明，2號土樣交換性鈉百分比含量為10.84%，屬于過渡性土，其余4組土樣的交換性鈉百分比含量都大于15%，屬于高分散性土。

2.6 土樣分散性的綜合判定

由以上結果可以看出，采用雙比重計、碎塊、針孔、孔隙水可溶鹽陽離子和交換性鈉百分比等5種試驗方法對土樣的分散性進行判定，所得的試驗結果具有一定的離散性，導致結果不一致的原因主要有兩個，一是因為影響粘土分散性的因素比較復雜，且各影響因素之間相互作用；二是這5種試驗方法的判定標準是由大量的實踐資料統計分析得來的，雖具有一定的合理性和可靠性，但對有些土類也存在某些例外的情況。因此深入了解分散性土的基本特性和積累實踐經驗，提高分散性土的鑒定水平是非常必要的。作者對實際工程中53組土樣的分散性鑒定結果進行統計分析，若其中一項試驗的判定結果和最終的判定結果一致，記為1個土樣，若過渡性與非分散性或過渡性與分散性相遇時，記為0.5個土樣，把兩者結果一致的土樣個數與土樣總個數的比值稱為配合度，對配合度進行歸一化處理就可以得到每種試驗方法所占的權重。若配合度越大，則這種試驗方法的參考價值越高，即這種試驗方法所占的權重越大，結果列于表5。由表5可見，針孔試驗的權重最大，占26%，其次是碎塊試驗，占23%，雙比重計試驗、孔隙水可溶性陽離子試驗、交換性鈉百分比試驗的權重差異不大，分別為16%、18%、17%。根據53組土樣的最終判定結果以及5種試驗方法所占的權重，計算土樣的非分散性、過渡性及分散性所占的總權重，并給出綜合判定準則：若土樣的分散性權重>44%時，土樣屬于分散性土；若土樣的分散性權重=44%，而過渡性的權重≥39%時，土樣屬于分散性土，相反屬于過渡性土；若土樣的分散性權重<44%，但“過渡性+分散性”的權重≥44%時，土樣屬于過渡性土，否則土樣屬于非分散性土。根據此準則綜合分析認為，1號、4號土樣屬于分散性土，2號、3號、5號屬于過渡性土。5組土樣分散性綜合判定結果見表6。

表5 5種試驗的配合度與權重 %

2.7 土樣的分散機理分析

粘性土分散的主要原因是土顆粒之間的斥力能大于引力能，從而促使土-水-電解質系統中的粘土顆粒產生分散。在土水電解質體系中，土顆粒間的排斥作用與土顆粒表面擴散雙電層的發育程度密切相關，雙電層越厚，懸液中顆粒的絮凝作用就越小，即分散性能就越強；離子的化合價越高，其濃度越大，則擴散層的厚度越小，分散性越弱。此外，離子的半徑越小，其水化離子的半徑就越大，形成的水化膜就越厚，粘土顆粒越不容易聚結。從土樣的分散性判定試驗結果及化學性質可以看出，交換性鈉離子占陽離子交換總量的10.84%～21.06%，孔隙水中所含的鈉離子占孔隙水溶液中陽離子總量的33.4%～69.7%，易溶鹽中鈉離子的含量占陽離子總量的45.5%～90.08%，由此說明土樣中含有數量較多的鈉離子，而一價鈉離子的半徑相對較小，即水化鈉離子的半徑較大，形成的擴散層厚度就越大，從而使得土顆粒之間斥力能大于引力能，土樣產生分散。土樣的礦物成分分析表明，5組土樣中伊利石含量較多，蒙脫石含量較少，因此蒙脫石不是土樣產生分散的主要因素，但由于土樣中含有數量較多的鈉離子，使得伊利土也像鈉基蒙脫土一樣具有較強的分散性。此外，pH值越高，土顆粒表面的凈負電荷量越大，土顆粒表面的雙電層厚度越發育，促使土體分散。5組土樣的pH值在8.23～9.37之間，呈微堿性或強堿性。因此筆者認為，供試5組土樣產生分散性的主要原因是土樣中含有大量的鈉離子，且土樣酸堿度較高。

表7 土樣改性試驗結果

3 分散性土樣的改性試驗

綜合鑒定結果表明，1號、4號土樣屬于分散性土，由于1號土樣的鈉離子含量和酸堿度較高，因此對1號土樣加入AlCl3·6H2O和CaCl2進行改性試驗研究。由于碎塊試驗和針孔試驗在土樣的分散性綜合判定中所占權重相對較高，因此對改性的土樣僅做了針孔試驗和碎塊試驗，試驗結果見表7。從表7可以看出，當AlCl3·6H2O摻入的質量分數為0.12%～0.17%時，針孔試驗呈現出分散性土的特征，摻量為0.22%時呈現為過渡性土的特征，摻量為0.26%時呈現出非分散性土的特征；碎塊試驗中，當AlCl3·6H2O摻入的質量分數為0.12%時呈現出分散性土的特征，摻量為0.17%時為過渡性土的特征，摻量為0.22%～0.30%時呈現出非分散性土的特征。由此可以得出，當AlCl3·6H2O摻入的質量分數≥0.26%時，土樣由分散性土轉變為非分散性土，在1 020 m的水頭下，流量穩定，出水清澈，孔徑基本無變化，碎塊試驗也呈現為非分散性土的特征。當CaCl2摻入的質量分數為0.15%時，針孔試驗呈現出分散性土的特征，摻量為0.25%～0.3%時呈現為過渡性土的特征，摻量為0.35%時表現為非分散性土的特征；碎塊試驗中當CaCl2摻入的質量分數在0.15%～0.25%時呈現出分散性土的特征，摻量為0.3%～0.40%時呈現為非分散性土的特征，因此當CaCl2的質量分數≥0.35%時，針孔試驗和碎塊試驗的結果才呈現為非分散性土的特征，即達到完全改性的目的。摻入AlCl3·6H2O或CaCl2具有良好改性效果的原因是Al3+和Ca2+會與粘土顆粒表面Na+發生交換，減少粘粒表面所吸附的Na+數量，使得土顆粒的雙電層厚度變薄，從而減弱粘土分散的趨勢，達到抑制效果。此外，從試驗過程可以看出，AlCl3的改性效果明顯優于CaCl2，這是因為AlCl3是一種強酸弱堿鹽，水解顯酸性，可有效的降低土體的pH值，改變土體的堿性環境，從而有效抑制土樣的分散。從電化學角度來看，在離子濃度相同的情況下，價態越高的離子可以從土粒表面置換出更多的Na+，改性效果也就會越明顯，這也是Al3+較Ca2+對分散性土抑制作用更明顯的一個原因。

4 結 論

(1)采用統計分析的方法賦予雙比重計試驗16%的權重、碎塊試驗23%的權重、針孔試驗26%的權重、孔隙水可溶鹽陽離子試驗18%的權重，交換性鈉百分比試驗17%的權重，并給出定量化的綜合判定準則。綜合判定認為，1號和4號屬于分散性土，2號、3號及5號屬于過渡性土。

(2)土樣產生分散的主要原因：土樣中含有大量的鈉離子(包括易溶鹽中的鈉離子、交換性鈉離子及孔隙水中的鈉離子)，且土樣的酸堿度較高，因而形成的擴散層就越厚，使得土顆粒之間的斥力大于引力，促使土樣產生分散。

(3)供試的5組土樣屬于過渡性土和分散性土，在工程施工中加入質量分數等于大于0.26%的AlCl3·6H2O或質量分數等于大于0.35%的CaCl2進行處理，都能有效改善土樣的分散性，但前者的改性效果明顯優于后者。

(4)土樣的物理化學性質及分散機理不同，同一改性劑的改性的效果可能會存在一定的差異，有待進一步研究。

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(責任編輯 王 琪)

Study on Dispersivity Identification and Modification of Dam Soil in Dashixia Hydropower Station

JU Juanli, FAN Henghui, LIU Junmin

(College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi, China)

Dispersive soil has very low erosion resistance capacity, so it seriously threatens engineering safety. Based on the analysis of physical and chemical properties, the dispersivity and modification of dam soil in Dashixia Hydropower Station are studied by using double-hydrometer test, crumb test, pinhole test, pore water salt test and exchangeable sodium percent test. The results show that the No. 1 and 4 soil samples are dispersive, and No. 2, 3 and 5 soil samples are transitional soil. A great quantity of sodium-ions in gerundive soil and higher alkalescence make the soil as well as montmorillonoid which is intense dispensability. When 0.26% of AlCl3·6H2O or 0.35% of CaCl2is added, the dispersion of soil can be restrained effectively. It is shown that the soil becomes dispersive clay only under the conditions of more sodium-ions and the higher pH, and compared with CaCl2, AlCl3·6H2O is an affective modifier of dispersive soil．

dispersive soil; physic-chemical property; comprehensive judgment; modification; Dashixia Hydropower Station

2016-04-13

國家自然科學基金資助項目(51579213，51579215);中央高校基本科研業務費(2452016069)；西北農林科技大學博士科研啟動基金資助項目(2452015290)

巨娟麗(1976—)，女，陜西乾縣人，講師，博士，主要從事水文水資源和環境巖土方面的研究．

TV443

A

0559-9342(2016)11-0114-06