阿尔及利亚玛乌阿纳大坝黏土细颗粒分析试验

贺志攀，孙占胜，贺志丹

（1.开封市城区水利局，河南 开封 475001；2.中国水利水电工程局第十三局有限公司，天津300384）

1 工程概况

玛乌阿纳（Mahouane）水利工程位于阿尔及利亚赛迪夫市玛乌阿纳镇东北的盖萨尔（Guessar）河上，主要功能是城市供水和农田灌溉。 该工程主要有黏土心墙堆石坝、导流洞和泄水底孔、取水塔等组成。其中，大坝坝顶全长为884 m，坝顶宽度为7 m，最大坝高为88 m。在正常蓄水位（高程1146.30 m）时，所形成的水库库容为14 800 万m3。

根据设计，大坝黏土心墙上下游沿坝轴线方向均需填筑3 m 宽的反滤料，反滤料设计粒径范围为0.08～6.3 mm，含泥量（〈0.08mm 颗粒）≤5%，设计填筑方量约为66.5 万m3。 为了提高反滤料生产率，加快大坝填筑进程，承包方工程师提出，对大坝填筑的黏土进行细颗粒分析试验（密度计法），并根据分析结果，适当放宽反滤料颗粒级配。

2 颗粒分析试验准备

黏土细颗粒试验是利用分散剂将细颗粒黏土（粒径小于0.08 mm，我国标准为0.075 mm）完全分散在混合溶液中，再通过密度计来观察各个时间段的溶液比重， 并根据密度计在溶液中的读数变化，得出黏土颗粒的粒径大小情况[1]。

2.1 试验所用分散剂的制备

试验所用分散剂为4%的六偏磷酸钠，即每4 g六偏磷酸钠晶体融于96 g 纯水中[2]。

2.2 试验仪器校正[3]

试验所用量筒高h=32 cm，容量为1 000 ml。 试验用密度计为TM-85 土壤密度计（甲种），其浮泡体积为63.24 cm3，浮泡中心至最低刻度的距离为8.40 cm，标尺总长13.80 cm。 密度计在出厂前已经进行校正。 但是，由于实验时的环境变化，还需进行以下校正。

（1）密度计的土粒沉降距离校正。 试验时，密度计的读数所表示的为密度计液泡体积中心点的溶液密度，而悬液面到密度计液泡体积中心点的距离即为土粒的沉降深度。 当悬液中放入密度计后，由于液面升高，导致土粒沉降距离测量值比实际的要大，所以要加以矫正。 其校正式为

式中：L 为土粒落距，㎝；R 为甲种密度计读数，㎝；a、b 为校正系数，对试验所用量筒，a=21.17，b=0.279。

（2）密度计在不同悬液温度中的校正。 甲种密度计的刻度是在20℃时刻制的。 试验时，水和密度计浮泡体积都会随着温度的变化发生变化，所以要对读数进行校正。 部分校正数值可查表1。

表1 实验悬液温度校正值Table 1 Experimental suspension temperature adjusted values

（3）密度计土粒比重校正。 密度计刻度是假定土粒比重为2.65 时刻制的。 在试验中，应先由比重法测出黏土颗粒比重，然后加以校正。 部分校正数值由表2 查得。

表2 土粒比重校正值Table 2 Soil particle specific weight adjusted values

（4）密度计的分散剂校正。 因为密度计的刻度是以纯水为标准的，当悬液中加入分散剂后，密度增大，因此需加以校正。 该试验校正值CD=0.5。

（5）密度计的弯液面计数校正。 密度计刻度刻值是以弯液面底为标准的，而试验时读数为弯液面顶部，所以要进行弯液面校正。 该试验弯液面校正值n=0.5。

2.3 试验样品处理[4]

将试验所需黏土样品在自然条件下风干，进行初步碾碎（如黏土中含有沙砾石，不得破坏其完整性）。 然后，用四分法取1 kg（称量应精准至1g）代表土样进行颗粒分析。 取得的土样在橡皮板上用木碾进行进一步破碎， 然后过2 mm 筛， 并用四分法取30 g 筛下土样进行小于0.08 mm 黏土细颗粒分析试验。

3 试验方法

3.1 粗颗粒筛分试验

（1）将1kg 风干土样置于瓷盆中浸水一天，使土样充分浸润，与粗细颗粒分离。

（2）将浸润后的混合液过2 mm 细筛，边搅拌、边冲洗、边过筛，直至筛上仅存大于2 mm 的颗粒为止。 然后，将筛上颗粒风干称量，精准至0.1 g。 取筛上风干式样倒入依次叠好的20 mm、10 mm、5 mm、2 mm 的粗筛的最上层筛中进行筛分试验。 试验结束后，将留在各筛上的土样分别称量，精准至0.1 g。

（3）用带橡皮头的研杵研磨粒径小于2 mm 的混合液，稍待沉淀后，将上部悬液过0.08 mm 细筛。 再向瓷盆中加清水研磨，静置过筛。 如此反复，直至盆内悬液澄清。 最后将全部土料倒在0.08 mm 筛上，用水冲洗， 直至筛上仅留大于0.08 mm 的净沙为止。

（4）将粒径大于0.08 mm 的净沙烘干称量，精确至0.01 g。 取烘干试样倒入依次叠好的1 mm、0.6 mm、0.3 mm、0.15 mm、0.08 mm 的细筛的最上层筛中，进行筛分试验。 试验结束后，将留在各筛上的土样分别称量，精准至0.01 g。

3.2 黏土细颗粒分析试验

（1）将小于2 mm 的30 g 黏土颗粒装入烧杯中，注入200 ml 水浸泡24 h，然后放入沙浴中煮沸1 h。

（2）冷却后，用带橡皮头的研杵研磨，然后静置1 min，将上部悬液倒入量筒。 再加水搅拌研磨，静置约1 min，再将上部悬液倒入量筒，如此反复操作，直至杯内悬液澄清为止。 将杯中剩余颗粒全部倒入0.08 mm 筛上冲洗， 直至筛上仅留大于0.08 mm 的颗粒为止。

（3）将过筛悬液倒入量筒，加入4%浓度的六偏磷酸钠10 ml 于量筒溶液中，再注入纯水，至量筒悬液达1 000 ml。

（4）用搅拌器在量筒内沿整个悬液深度上下搅拌，1min 内往复各约30 次，搅拌时注意不要溅出悬液。

（5）取出搅拌器，将密度计放入悬液中，同时开始计时， 测出2 min、5 min、15 min、30 min、4 min、5 min、60 min、120 min、240 min、1 440 min 时密度计读数。 每次读数均应在预定时间前10～20 s 将密度计小心放入悬液接近读数的深度，并保持其在密度计量筒中部位置。 进行密度计读数时，以弯液面上缘为准，读数精确至0.5。 每次读数完毕后，应立即把密度计放入盛有纯水的量筒中，并测定相应悬液温度，准确至0.5℃。

4 试验数据整理与计算

4.1 颗粒粒径计算

颗粒粒径计算公式为[4]

式中：d 为颗粒直径，mm；k 为颗粒粒径计算系数， 可查表3；L 为某一时间t 内的土粒沉降距离，cm；t 为沉降时间，s。

4.2 小于某粒径的土质量百分数计算

小于某粒径的土质量百分数计算公式为[4]

式中：X 为小于某粒径土的质量百分数，%；md为试样干质量，g；Cs为土粒比重校正值；R 为甲种密度计读数；mt为温度校正值；n 为弯液面校正值，本次试验取0.5；CD为分散剂校正值，本次试验取0.5。

4.3 计算结果

经过数据计算和校正，得到小于0.08 mm 的颗粒粒径d 和其对应的小于某粒径的质量百分数X。 此处的小于某粒径的质量百分数X 是相对于试验所取的2 mm 以下的30 g 试验样品而言的。 对于整体黏土颗粒分析（即1 kg 代表土样）来说，小于某粒径的颗粒含量还要乘以小于2 mm 土质量的百分数。

表3 不同温度和比重的土粒粒径计算系数k值表Table 3 k values of different temperatures and specific weight of soil particle size calculation factors

现以2#料场为例，进行黏土颗粒分析，其粗颗粒筛分试验结果如表4 所示。 对其小于2 mm 的颗粒（质量百分数为95.93%）进行细颗粒筛分试验，其结果如表5 所示。

表4 土的粗颗粒筛分试验表Table 4 Coarse particles of soil screening test

以颗粒粒径（d）为横坐标，以小于某粒径土的质量百分（X）为纵坐标，在对数表格中可得出黏土的颗粒分析曲线（如图1 所示）。

图1 黏土颗粒分析曲线Fig.1 Clay particles analysis curve

表5 土的细颗粒分析试验表Table 5 Clay particles analysis test

5 结语

遵循上述试验方法，阿尔及利亚玛乌阿娜大坝工程试验室对所属2#、3#、4#、5#黏土料场分次取样，共计进行30 组试验， 并将试验数据与另一座同时填筑的土石坝（大坝设计基本相同，反滤料包络线完全一致） 的黏土细颗粒分析试验数据相结合，提交了反滤料优化申请，得到了设计部门的批准。

[1] GBJ145-90，土的分类标准[S].

[2] SL110-118-95，土工试验专用仪器检验标准[S].

[3] GBT15406-94，土工仪器的基本参数及通用技术条件[S].

[4] SL237-1999，土工试验规程[S].