赤峰市东台子水库黏土心墙分散性试验研究

(辽宁省水利水电勘测设计研究院，沈阳 110006)

分散性黏土概念的提出最早见于20世纪50年代，澳大利亚的水利工作者发现了这一土体对水利工程的破坏作用，70年代初期我国国内开始对其有了认识。相关研究表明：土体中Na+、Ca2+、Mg2+的含量多寡和相对含量对黏土分散性有重要作用,蒙脱石的存在是黏土分散性的重要因素,河水对黏土分散性有显著影响。分散性黏土的破坏原理为：在水或低含盐水流作用下，土粒间斥力超过吸引力，相互排斥作用占优势，进而产生工程破坏。破坏形式主要有管涌、冲蚀裂缝、孔洞或在坡面形成沟槽等。

1 概 述

赤峰市东台子水库位于内蒙古赤峰市林西县新城子镇半拉山村西拉木伦河干流上，距林西县约70km，控制流域面积10764km2，总库容3.26亿m3，为大(2)型水库。水库按100年一遇洪水设计，2000年一遇洪水校核。开发建设的任务为防洪、灌溉、供水，兼顾水力发电、养殖、旅游和改善生态环境等。水库的主坝为黏土心墙堆石坝，心墙的填筑土料取自大坝附近的克德河西北侧的红土沟黏土料场。

与其他大型水利工程相似，东台子水库大坝黏土心墙土方用量较大，虽经现场查勘初步判断红土沟黏土料场土料疑似为分散性土，可能增加工程处理投资，但综合权衡比较替代方案后，仍决定采用该料场土料，并委托某设计院进行土料特性分析，为工程处理提供依据。

考虑到该工程重要程度，采用野外调查与分析和室内试验相结合的方法进行综合鉴定，以室内试验为主、野外调查与分析为辅。野外调查与分析，主要是对料场区域下雨后路旁的水沟、水坑和河道里流水的颜色进行判别，如水流混浊、颜色呈黄色或咖啡色则土料为分散性黏土的可能性较大；反之较小。也可以根据枯水期水坑坑底留下的黏土沉积形态进行判别，如表面出现龟裂现象，则为分散性黏土的可能性较大。

野外调查与分析在本文中不作过多介绍，本文重点针对东台子水库大坝黏土心墙料场开展的室内检测方法进行说明。分散性土室内检测方法目前国际上应用较多的有针孔试验、双比重计试验、孔隙水溶液试验、碎块试验4种。相关研究成果表明：虽然针孔试验对于模拟压力水头下土体的渗透变形及接触冲刷等有独特的优势，但其对土体类别的误判率也较高，目前尚不太适合工程应用；孔隙水溶液试验虽然对于分散性土的破坏机理模拟较有针对性，但由于不同土体的化学成分差别较大，其试验结果仅能作为定性参考，应用于工程也尚需时日。而双比重计试验和碎块试验虽也存在一定的弊端和不足，但其工程应用较多，技术也较为成熟，辽宁省水利水电勘测设计研究院对于此两项试验方法的熟练程度及经验分析能力也相对较好，因此东台子水库黏土心墙土料分析中采用了双比重计试验和碎块试验两种方法进行分析，本文对两种试验方法的操作步骤及注意事项进行简要说明，供同仁参考。

2 双比重计试验

2.1 试验原理

双比重计试验是国内外普遍采用的鉴别分散性黏土的试验方法。其试验原理是利用土样溶液在添加化学药剂前后比重的变化，根据公式推求土样的分散度。其理论基础认为分散性土遇水后土的团粒会分散成原级颗粒，而非分散性土遇水后则能保持其团粒结构。

2.2 试验步骤

该试验步骤主要为两大步，每一大步中又分若干小步。

第一步：取30g风干后试验土样，将其放在盛有200mL蒸馏水的抽滤瓶中，用真空泵去除瓶中气体使得土样与蒸馏水充分混合，然后将溶解后的土悬液冲洗到1000mL量筒中，加蒸馏水至1000mL。用密封盖盖好量筒，快速倒转量筒30次，摇晃的目的是使土体中黏粒水化分散，静置1min。打开量筒密封盖，用乙种比重计分别测得1min、5min、30min、120min、180min溶液的密度，根据密度值、量测温度、土样比重(一次试验中为固定值)，按照《土工试验标准》7.2中的计算公式求得试验土样的黏粒含量。此方法也称不加化学试剂法、不用机械振动法。

第二步：另取30g风干后试验土样，将土样放在盛有200mL蒸馏水的容量瓶中，将容量瓶放置于砂浴皿上，加热60min，待容量瓶中的溶液冷却至常温后，将容量瓶中的土悬液冲洗到1000mL量筒中，向量筒内加入六偏磷酸钠溶液(4%)10mL，加蒸馏水至1000mL，用搅拌棒或搅拌器充分搅拌，静置1min。用乙种比重计分别测得1min、5min、30min、120min、180min溶液的密度，根据密度量测值、量测温度、土样比重(一次试验中为固定值)按照《土工试验方法标准》7.2中的计算公式求得试验土样的黏粒含量。此方法也称加化学试剂法。

试验土样的分散度可利用以上两组试验成果采用下式进行计算：

(黏粒含量为粒径小于0.005mm的百分含量)

2.3 成果分析

根据美国材料试验学会推荐鉴定标准：分散度小于30%属于非分散性土；在30%～50%之间的属于过渡性土；大于50%为分散性土。东台子水库大坝黏土心墙料场检测试验的6组土样测定的分散度范围为48.7%～49.7%，在30%～50%之间，单项评定结论为过渡型分散土。土样外观描述为：红黄色、含有砂砾、有微量结核(见图1)。

图1 双比重计试验情况

2.4 注意事项

a.第一步中量筒倒转前须确保量筒密封盖的坚实、密闭。否则如在倒转过程中造成试验溶液泄露将直接影响试验结果的准确度，甚至会使整个试验失败。

b.比重计测量时间的掌握。试验数据是从量筒停止倒转操作，放置于试验操作平台上开始计时起，静置1min后测得的，测量的时间非常重要，不同的时间内土粒下沉的速度不同。

c.第二步中容量瓶冷却方法应采用自然冷却法。必要时也可用水冷，切忌采取冰镇、冷冻等快速降温方式，以免造成容量瓶损坏，影响试验。

3 碎块试验

3.1 试验原理

碎块试验的试验原理是：利用分散土与非分散土水解后不同的分散特征，通过表象观察进行定性判断，区分土体是分散性土、过渡型土或非分散性土。其理论基础是以胶体化学的基本观点出发的，黏性土在水中水解的原因是胶体颗粒的析出，以胶体析出的不同程度作为评判标准。

3.2 试验步骤

碎块试验大体分三步。

第一步：按照《土工试验方法标准》10.0，做扰动样的击实试验，测得土的最优含水量和最大干密度。

第二步：利用最优含水量那组土样制成1/4～3/8英寸的(立方体)土块，体积约1cm3。

第三步：用容积为250mL的烧杯盛蒸馏水150mL，将土样放入水中，浸放5～10min并观察记录，待土块完全水解后拍照记录土粒在杯底的分散形状。

3.3 成果分析

根据美国材料试验学会推荐的鉴定标准，碎块试验评价标准见下页表。

碎块试验评价土的分散性表

东台子水库大坝黏土心墙料场检测试验土样共有6组，测定的土样最优含水量在17.0%～18.8%之间，最大干密度在1.70～1.72g/cm3之间。

6组土块放入烧杯中，土块周围水体即出现轻微浑浊现象，随着土块下沉(试验中建议用镊子夹住土块平缓放至杯底)，浑浊水体不断变大，随着时间推移，下层土块周围水体变得越发混浊，上层水体逐渐变清，至观察时间结束(本次试验为10min)，土块完全溶解，绝大多数土粒沉积在土块周围，少量漂浮在底层溶液中。土块完全溶解状态见图2。

经对6组土样碎块试验单项评定，确定该料场土料为过渡型分散土。

3.4 注意事项

a.试验土块必须均为与最优含水量同组的试样。这是因为室内试验应是模拟大坝建设完成后土体状况(在最优含水量下进行压实)，而现场取回的扰动土，与击实后最优含水量的土样制备试样有一定差距，将影响试验的准确性。

b.土块放入烧杯中建议用镊子夹住缓慢放至烧杯底部。根据经验，从水平直接抛置试块与用镊子放入，试验结果有一定差别，这是因为抛置试块易造成试块与杯底的撞击，人为加速试块溶解，进而影响试验结果。

4 结 语

a.目前国际上流行的四种鉴定方法即孔隙水溶液试验、碎块试验、双比重计试验、针孔试验等，各有其优缺点和适应性，对于该工程可能碎块试验和双比重计试验更加合适，但对于其他工程还应具体问题具体分析，灵活运用。

b.分散性土检测方法及判别标准目前我国尚无统一标准，多数试验及评定中经验仍是不可或缺的因素，因此在注重室内试验的基础上，应提高对现场查勘重要性的认识，与当地水利工作者及群众充分交流，避免理论脱离实际。

c.分散性土在工程中的应用处理本文中未有涉及，但目前国际流行的处理方法也很多，如：土料中掺白灰及在坝体背水侧设置反滤的方法等。土工试验的目的不仅是为工程提供参考，还应对工程具有指引作用，因此根据不同类型分散性土及不同检测指标的分散性土给出建议处理模式，并尽可能用试验数据说话，将是该领域未来发展的一个重要方向，还需要所有水利工作者特别是土工试验工作者共同努力。