分散性土筑堤破壞特征及分散機(jī)理分析

李兆宇，張家陽，蘇安雙，王遠(yuǎn)明

(1.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省三江工程建設(shè)管理局，黑龍江 哈爾濱 150081)

分散性土是一種在含鹽量較低的水中或純凈水中，離子相互的排斥力超過相互吸引力，土體表面顆粒極易從土體表面脫落，從而形成土體顆粒分散的黏性土[1]。一般來說，分散性黏土在含鹽量較低的水中或純凈水中，細(xì)顆粒之間的黏聚力大部分消失，也可能會全部消失，呈團(tuán)聚體存在的顆粒體就會自行分散成原級的黏土顆粒[2]。土體顆粒間的排斥作用，會使顆粒松散，易隨水流流出，形成潛在破壞通道，誘使工程事故發(fā)生[3]。所以分散性土的抗沖蝕能力很低，危害性很大，容易造成堤壩管涌、路基失穩(wěn)等[4]。

20世紀(jì)50年代在澳大利亞發(fā)現(xiàn)了分散性土，在對沖蝕、管涌破壞的案例調(diào)查、分析和研究時，科研人員發(fā)現(xiàn)黏性土在有水條件下表現(xiàn)出分散現(xiàn)象，此現(xiàn)象歸結(jié)為水利工程破壞的原因。此結(jié)論隨后在各國引起重視，均出現(xiàn)分散性黏土引起工程事故的案例。美國學(xué)者從野外調(diào)查、室內(nèi)試驗(yàn)以及補(bǔ)救措施等方面系統(tǒng)性研究了分散性土的分散機(jī)理、產(chǎn)生原因以及改進(jìn)方法，并取得了良好的成果[5-6]，世界上許多國家也對其進(jìn)行了相關(guān)研究。在黑龍江省發(fā)現(xiàn)分散性土后，國內(nèi)學(xué)者也進(jìn)行了深入試驗(yàn)研究[7]。隨后在新疆、山東等省的工程建設(shè)中也遇到分散性土情況[8-15]，對分散性土筑壩在工程設(shè)計和施工中予以高度重視。

本文通過調(diào)研國內(nèi)外分散性黏土工程破壞及潰壩案例，總結(jié)分散性土筑堤的破壞形式，分析季節(jié)凍土區(qū)分散土分散機(jī)理，同時提出分散性土筑堤工程措施，為減少分散性黏土的工程危害具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

1 分散性土筑堤案例調(diào)研

國內(nèi)外由分散性黏土引發(fā)破壞失事的工程實(shí)例很多，如表1、表2所示[16-17]。

(1)威斯特大壩。建設(shè)在美國俄克拉何馬州的波圖河上的威斯特(Wister)壩，壩體為均質(zhì)土壩，壩長度為1737 m，壩高為30 m，壩體施工時質(zhì)量控制較好。但堤壩在蓄水使用過程中發(fā)生嚴(yán)重管涌。事故發(fā)生后進(jìn)行修復(fù)并取樣試驗(yàn)，經(jīng)過分散性土鑒定試驗(yàn)，說明筑壩土料為強(qiáng)分散性土。

(2)基爾莫市擋水壩。澳大利亞基爾莫市，于1996年修建一座均質(zhì)土擋水壩，壩高為13 m。蓄水使用后發(fā)生了管涌破壞，滲流沖蝕成孔洞，發(fā)展成貫穿性通道，直徑達(dá)到11 m。經(jīng)過技術(shù)修復(fù)后，在下游處再次出現(xiàn)直徑為0.15 m空洞，引發(fā)管涌破壞。

(3)阿爾及利亞黏土壩。阿爾及利亞黏土壩建于1969年，用灰色高塑性膨脹黏土修筑長10 km、高15 m的土壩。壩頂出現(xiàn)了擴(kuò)張的裂縫，并在上游邊坡出現(xiàn)了一些滑坡，故使水庫不能蓄水。

表2 國內(nèi)分散土筑堤筑壩統(tǒng)計表

(4)格拉納達(dá)壩。格林納達(dá)大壩工程位于雅羅布莎河上，距離密西西比州的格林納達(dá)鎮(zhèn)約5 km，大壩壩堤長4236.7 m，頂部寬12.0 m，壩體最高24.0 m，頂部高程76.8 m。工程主要包括主壩上直徑51.0 m的泄水口、60.0 m寬的混凝土陡槽式溢洪道。1949年大壩主體完成施工后，在下游壩坡出現(xiàn)了大量的雨水孔洞，大壩1954年完工蓄水，在集水管上面出現(xiàn)了相當(dāng)大的塌陷。

(5)黑龍江省南部引嫩工程。黑龍江省南部引嫩工程17號土壩為均質(zhì)土壩，由于雨水淋蝕，壩頂就出現(xiàn)多處淋蝕孔洞。經(jīng)過一段時間發(fā)展，淋蝕孔洞己達(dá)到30多處。經(jīng)室內(nèi)試驗(yàn)，對該筑壩土料進(jìn)行分散性試驗(yàn)鑒定發(fā)現(xiàn)筑壩土料具有較強(qiáng)的分散性。

2 分散性土筑堤破壞形式與成因

分散性土造成了許多堤防結(jié)構(gòu)的破壞或病害。國外研究這些問題范圍，包括堤防整個洪水過程破壞和各級控制建筑物結(jié)構(gòu)運(yùn)行條件。破壞問題可分為以下兩大種類。

2.1 外部侵蝕

降雨和徑流可以在裸露的分散性土邊坡引起嚴(yán)重侵蝕。侵蝕在邊坡上導(dǎo)致嚴(yán)重的斜向滑移和沖溝，進(jìn)而造成堤防內(nèi)部缺陷[18]。主要破壞型式如圖1所示。

(1)“壺孔型侵蝕洞”——管涌。分散性黏土土堤在這種侵蝕類型下受到嚴(yán)重破壞。壺孔在堤防頂部可直接觀察到，侵蝕洞至1.21 m深度并不罕見。

(2)陡峭邊坡侵蝕——流土沖蝕溝。圖1(b)顯示了一個典型分散性土淤積渠道的邊坡。侵蝕斜坡是嚴(yán)重的，具有很高的破壞度，邊坡維護(hù)難度大。

(3)水流沖刷侵蝕——崩岸。堤防邊坡堤腳分散性土受到水流浸泡。圖1(c)顯示了一個典型分散性土堤腳崩岸。邊坡崩岸是顯而易見的，表面具有很強(qiáng)的明顯破壞。修復(fù)改造困難，堤防整體性防護(hù)也是一個難題。

2.2 內(nèi)部侵蝕

利用分散性土筑堤失敗是由于通過裂縫或其他填筑孔隙而形成內(nèi)部侵蝕。主要原因是干燥脫水、水力劈裂和不均勻沉降，破壞如圖2所示。

(1)壩體層與層結(jié)合薄弱產(chǎn)生侵蝕通道裂縫。破壞原因?yàn)榉稚⑿酝翂误w碾壓部位接合不良產(chǎn)生圓狀破壞，壩體高壓實(shí)區(qū)形成明顯暴露的碾壓分層，主要是分層填筑時，層與層之間結(jié)合不好，易產(chǎn)生層與層裂縫，會形成明顯的薄弱界面，最終導(dǎo)致管涌潰壩。

圖1 外部侵蝕破壞

圖2 內(nèi)部侵蝕破壞

(2)土體與其他結(jié)構(gòu)接觸薄弱界面引發(fā)侵蝕，如穿堤建筑物與壩體結(jié)合不良，產(chǎn)生裂縫管涌。或者降雨或漫灘流可以進(jìn)入到在混凝土襯砌和堆石砌石覆蓋層下的分散性黏土裂縫中，導(dǎo)致內(nèi)部侵蝕、內(nèi)部襯砌及拋石裂縫的擴(kuò)大，形成管涌潰壩破壞。

3 分散性土分散機(jī)理分析

3.1 礦物影響

黏土中礦物是影響土體分散性的重要因素。常見的礦物有高嶺石、伊利石、蒙脫石。蒙脫石晶體是由兩個硅氧四面體晶片夾一個鋁氧八面體晶片構(gòu)成，相鄰晶體氧層連接力極弱。若受到水分子和交換性陽離子作用，會產(chǎn)生較大的體積變化，具有極強(qiáng)膨脹性。而在耕作或淋溶作用土壤中，伊利石晶格破裂釋放鉀元素被沖蝕流失，部分脫鉀區(qū)域土壤就具有蒙脫石的性質(zhì)。同時，伊利石利用同晶置作用吸收離子后，同樣會產(chǎn)生像蒙脫石那樣具有強(qiáng)分散性的性質(zhì)。

3.2 交換性鈉影響

通過試驗(yàn)證明，交換性鈉百分比、陽離子交換量與分散度呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)線性關(guān)系，即交換性鈉百分比、陽離子交換量越大，土體的分散性越強(qiáng)。其主要原因是土粒擴(kuò)散層越厚，顆粒間的引力越小，土的分散性就越強(qiáng)。

3.3 pH值影響

pH值也是影響分散性大小的主要參數(shù)之一。試驗(yàn)表明土壤pH值與分散性呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)線性關(guān)系，即pH值越高，土粒表面越容易形成擴(kuò)散雙電層，促使顆粒趨于分散。

3.4 分散性影響因素

其他影響土體分散性的因素有：

(1)土壤水中離子濃度。離子濃度越低，潛在破壞風(fēng)險越高。分散性土在離子濃度很低時，是最容易被水侵蝕的，如雨水。

(2)相對壓實(shí)度和含水率。因?yàn)轲ね令w粒非常小，低質(zhì)量，顆粒很容易被水分離和運(yùn)輸，相對壓實(shí)度和含水率較低時，容易造成土壤侵蝕。

(3)在水流沖蝕作用下，水穩(wěn)性團(tuán)聚體的數(shù)量和質(zhì)量，影響著土的結(jié)構(gòu)和抗蝕性，表現(xiàn)為水穩(wěn)性團(tuán)粒含量越高，土體抗沖蝕能力越強(qiáng)，從而土體的分散性越弱。

(4)微觀結(jié)構(gòu)與土體的分散性。在季節(jié)凍土區(qū)，土體在凍結(jié)時隨著溫度的降低，土體孔隙中冰晶不斷增大，促使孔隙體積增大，造成土粒間的距離增大，進(jìn)而減弱土顆粒間連結(jié)力，增強(qiáng)土體的分散性。同時孔隙體積增大，土體變得松散，形成裂隙，水更易通過裂隙進(jìn)入，產(chǎn)生分散性。

4 分散性土筑堤工程措施

土壩利用分散性土作為防滲體時，經(jīng)過必要的防治處理措施后，壩體才可以正常運(yùn)行。針對分散性土壩的破壞原因及破壞型式，為保證大壩安全，可采用以下措施。

(1)分隔土體。可采用土工膜等防滲隔水材料，或者非分散性黏土及改性分散性黏土，將低溶鹽水和分散性黏土隔離開來。

(2)改變黏土性質(zhì)。是指把分散性黏土通過外加物質(zhì)改變成非分散性黏土，或完全用非分散性黏土替換，改性方式可根據(jù)分散性原理進(jìn)行改性。國內(nèi)外對于分散性土改性措施，有很多較為有效的方式，均有成功的先例。

(3)加強(qiáng)反濾排水措施。設(shè)置適當(dāng)級配的砂反濾層，用以截留壩體中的細(xì)顆粒，保證不流出壩體，減少流土和管涌風(fēng)險。當(dāng)出現(xiàn)管涌時，具體措施有設(shè)置反濾圍井、反濾層壓蓋、透水壓滲平臺、蓄水反壓方式。

(4)利用土工織物防止分散性黏土的沖蝕破壞。工程實(shí)踐證明，土工織物用于分散上坡的反濾護(hù)坡是行之有效的。通過對黑龍江省西部地區(qū)邊坡治理工程運(yùn)行效果進(jìn)行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，渠道分散性土段經(jīng)土工織物反濾護(hù)砌，均收到較好的運(yùn)行效果，沒發(fā)生渠道塌滑破壞現(xiàn)象。

5 結(jié)論與建議

(1)土體的分散性主要與交換性鈉、pH值、礦物成分等有關(guān)，同時與其所在介質(zhì)環(huán)境也存在密切關(guān)系。高鈉、強(qiáng)堿性是土體分散性產(chǎn)生的兩個重要條件。土顆粒組成和礦物組成成分是影響土體分散性強(qiáng)弱的另一項(xiàng)重要原因，同時微觀結(jié)構(gòu)在一定程度上也能夠反映土體的分散性。

(2)分散土筑堤破壞主要是由降雨沖刷、徑流淘刷等方式侵蝕堤防土料，利用堤體內(nèi)部缺陷，形成裂縫，表現(xiàn)為流土沖蝕、管涌、崩岸等破壞型式，進(jìn)而造成潰壩危害。

(3)建議利用合理有效的技術(shù)措施進(jìn)行分散土改性處理，也要從壩體加固、反濾排水兩方面著手，同時在分散性土壩頂、壩坡進(jìn)行有效防護(hù)處理，才能有效避免滲流沖蝕，甚至潰壩情況的發(fā)生。