某新建水庫黃土料場分散性試驗研究

魯 博，于前偉

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，陜西 西安 710065)

分散性土是一種低水力坡降下由于土體內顆粒之間產生的排斥力大于吸引力而致使土體發生分散流失的黏性土[1]，具有的特點：一是鈉離子含量較高，二是偏堿性。分散性土具有遇水易流失，抗水蝕能力差，滲水性強等不良工程性質。最早有關土的分散性報道可追溯到1949年美國俄克拉荷馬州Wister大壩出現的嚴重管涌破壞[2]，此后對分散性土的研究作為工程領域的熱點進入了人們視野，我國學者就分散性土的鑒別和改良處理方法進行了大量研究[3-7]。從以上研究可知：在與水有關的工程建設前需要對建設區的水質、土是否具有分散性進行研究，以確定具體的改良處理方法，土的分散性室內試驗鑒別方法主要有碎塊試驗、針孔試驗、雙比重計試驗、孔隙水可溶性陽離子試驗以及交換性鈉離子百分比試驗。

黃土廣泛分布于我國西北地區，隨著國家政策的傾斜，西北地區水利工程的大力發展。研究具有濕陷性、水敏性、結構性的特殊土黃土是否具有分散性對于黃土地區筑壩料場選取、工程設計方案以及合理解釋一些工程事故提供了重要參考。本文針對引漢濟渭鯨魚溝水庫調蓄工程筑壩黃土料場進行了分散性鑒定，判斷該土料是否可以作為筑壩材料，同時為陜西關中及相近地區黃土的分散性研究提供了參考，具有較大的工程意義。

1 試驗材料及方法

1.1 取樣及分組

土樣取自水庫周邊的南大康村和塘村，如圖1所示。采用探井方式全孔分段取樣(每4m一組取混合樣)。取土地層皆涉及Q3eol及Q2eol，主要是Q2eol地層，其中南大康村土料場取土9組(N1～N9)、塘村土料場取土8組(T1～T8)，共取樣17組。

圖1 土料場地理位置示意圖

1.2 土樣的基本物理化學及水質分析

南大康村和塘村的土樣天然干密度1.44～1.61 g/cm3，含水率17.5%～26.9%。擊實最大干密度1.67～1.76 g/cm3(平均1.72 g/cm3)、最優含水量17.5%～20.5%(平均18.7%)。比重2.70～2.72，顆粒組成以粉粒(0.075～0.005 mm)為主，其含量54.1%～64.7%，粘粒(<0.005 mm)35.3%～45.9%，膠粒(<0.002 mm)21.4%～31.3%。液限含水量36.9%～43.5%，塑限含水量18.0%～21.2%，塑性指數16.9～23.1，均為低液限粘土(CL)。土中易溶鹽含量0.364～0.878 g/kg，易溶鹽中含CO32-，在陰離子中HCO3-含量大，在陽離子中Ca2+含量大。pH值8.22～8.31，呈弱堿性，有機質含量0.9～1.2 g/kg。

水質分析結果表明，礦化度298.9～328.5 mg/L，陰離子主要以硫酸根離子(SO42-)為主，陽離子主要以鈣離子(Ca2+)為主，屬SO4·Cl-Ca·Mg型。pH值7.68～7.82，屬弱堿性。

1.3 土樣礦物成分分析

根據X射線衍射分析結果可知，黏土礦物主要成分均是伊利石，其含量占全土的3.15%～6.81%，平均值4.96%；其次含有少量的蒙脫石、綠泥石、高嶺石。蒙脫石含量較伊利石少，其含量占全土的0.58%～3.60%，平均值1.80%。非粘土礦物主要以石英、鉀長石、鈉長石以及方解石為主。

2 試驗結果及分散性評價

為鑒定南大康村和塘村黃土土料的分散性，進行了系統的分散性試驗專項研究。采用雙比重計試驗、碎塊試驗、針孔試驗、孔隙水可溶性陽離子試驗和交換性鈉離子百分比試驗五種試驗方法，各試驗方法的具體操作可參考相關規范標準[8-12]，根據試驗結果并結合礦物X衍射報告，對兩個土料場的分散性進行綜合鑒定分析，本文試驗結果見表1。

2.1 雙比重計試驗

雙比重計試驗中分散度的計算表達式為：

(1)

式中：D表示分散度，%；N(m,nd)表示未采取分散措施的黏粒或膠粒含量，%；N(m,d)表示采用分散劑的黏粒或膠粒含量，%。判別方法：D<30，為非分散性土；3050，為分散性土。

從試驗結果可明顯看出，南大康村和塘村黃土料場土樣的分散度均大于50%，判定為分散性土。

2.2 碎塊試驗

碎塊試驗是將天然土塊或特定尺寸土塊浸泡純水中，經過一段時間觀察土塊表面變化及其四周水是否出現渾濁現象，進而判斷試樣的分散性。試驗中，將N1～N2土樣放入水中水解后，土塊周圍很快出現少量云狀渾濁，擴散范圍比較小，水解反應比較輕微，屬于過渡性土；其余放入水中水解后，土塊四周幾乎沒有渾濁，土體塌落后成顆粒狀堆積，屬于非分散性土。具體結果見表1。

表1 黃土土料的分散性鑒定試驗成果統計

2.3 針孔試驗

針孔試驗是在不同的水頭高度(50 mm、180 mm、380 mm、1 020 mm)下將針頭穿入土體1 mm孔徑內進行沖蝕試驗，試驗結束后需要測量針頭孔徑大小、流量，并觀察試樣周邊水的渾濁程度，進而判斷土的分散性。試驗中，南大康村黃土料場中N1～N2(0～8 m范圍內)土樣在水頭高度為50 cm作用下孔徑擴大小于1.5倍，四周水稍渾濁，因此判定為過渡狀態；在水頭高度為1 020 mm時作用下孔徑擴大小于1.5倍，N3～N9(8～32 m范圍內)試樣四周水皆為透明，表明這幾組試樣均無分散性；塘村黃土料場中T1～T8(0～28 m范圍內)土樣同樣不具有分散性，具體見表1。可以看出，試驗結果同針孔試驗一致。

2.4 孔隙水可溶性陽離子試驗

試驗通過測定試樣中Ca2+、Mg2+、Na+、K+四種陽離子含量，然后計算陽離子總量TDS、鈉占所有陽離子的百分比PS。判別試樣分散性的方法：在半對數坐標系中繪制PS與TDS關系，如圖2，若數據點落在A區，則土樣具有分散性；若數據點落在B區，則土樣為過渡性土；若數據點落在C區，則土樣不具分散性。試驗結果(表1)可知：南大康村N1～N2(0～8 m)和塘村T1～T2(0～8 m)的土樣數據點位于A區，判定為分散性土，其余的土樣基本位于C區，判定為不具分散性。

圖2 土的分散性分區圖

2.5 交換性鈉離子百分比試驗

通過試驗測定鈉離子交換量，并用其比上總的陽離子交換量，這就得到了交換性鈉離子所占總交換量的百分比，用ESP表示。該方法的分散性判別標準：ESP值位于7%～10%之間時，土樣具有中等分散性，而大于等于15%時，土樣具有較高的分散性，有發生嚴重管涌的可能。從表1可以看出，兩土料場的所有土樣的ESP值皆小于4%，且大部分小于2%，因此可判別所取土樣皆為非分散性土。

2.6 土料分散性綜合評價

由于試驗方法不同，得到土的分散性結果具有明顯的離散性，因此需要綜合評價。雙比重計試驗結果表明所有土樣皆為分散性土，但根據其他四種試驗結果，反映出所取土樣大多數不具分散性，這與試驗方法的局限性有很大關系。水庫蓄水時水的沖蝕作用明顯，因此針孔試驗比重較其他試驗要大，可借鑒樊恒輝等[13]利用權重的方法客觀定量地評價本次試驗土樣的分散性，賦予雙比重計、碎塊、針孔、孔隙水可溶性陽離子和交換鈉離子百分比五種試驗方法的權重值分別為20%、20%、40%、10%、10%，具體判定見表2。結合土樣的礦物成分分析成果，土樣黏土礦物(高嶺土、伊利石、蒙脫石、綠泥石)含量總體較小，平均值11.7%，其中蒙脫石含量占全土的0.58%～3.60%，平均值1.80%，占比小。土中蒙脫石的存在，尤其是鈉蒙脫石，是產生分散性的前提條件，依據工程類比，工程區黃土中蒙脫石多以鈣蒙脫石的形式存在，不易形成分散性土。最終判別南大康村的N1～N2(0～8 m)土樣為過渡性土，而N3～N9(8～32 m)土樣為非分散性土，塘村T1～T8(0～28 m)土樣皆為非分散性土。

表2 土的分散性綜合評價

3 結語

通過常用的五種鑒別分散性土的試驗方法，對鯨魚溝新建車村水庫黃土料場是否具有分散性進行了研究，得到以下結論：

(1)五種試驗方法的判斷結果具有一定的離散性，主要表現在雙比重計試驗結果為分散性土，其它四種試驗結果除表層有極少量過渡性土外，其余均為非分散性土，試驗結果具有較好的一致性。

(2)土樣的礦物成分鈣蒙脫石含量極少，形成分散性土的可能性不大。

(3)結合工程實際，在水庫蓄水過程中土體內部將產生滲流作用，可能發生管涌現象，而針孔試驗可以很好地模擬這一過程。故綜合判定中針孔試驗所占權重最大，最終判定：土樣所代表的料場土料為除表層有極少量過渡性土外，其余均為非分散性土。

在黃土地區進行水利工程建設時都需要判別工程料場區黃土的分散性，但存在分散性黃土區域劃分還不夠明確，本文對白鹿原鯨魚溝黃土料場土樣分散性鑒別，對該地區分散性黃土地層、區域劃分具有參考價值，對該地區工程建設具有工程指導意義。