防渗土体掺盐后工程特性试验

陈式华, 沈水进, 陈来华, 陆国鑫

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020; 2.浙江省水利防灾减灾重点实验室, 浙江 杭州 310020)

防渗土体掺盐后工程特性试验

陈式华1,2, 沈水进1,2, 陈来华1,2, 陆国鑫1

(1.浙江省水利河口研究院,浙江 杭州 310020; 2.浙江省水利防灾减灾重点实验室, 浙江 杭州 310020)

为研究防渗土体在掺入食盐后的工程特性变化,测定符合设计规范要求的掺盐量,分别在水库大坝和河道堤防的防渗土样中掺入不同类型、不同掺量的食盐,进行土样物理化学及力学特性试验。试验结果表明:低液限黏土在精盐掺量不大于3.29%,混合盐掺量不大于2.99%时,水溶盐质量分数均符合规范要求;在试验的掺盐范围内,渗透系数均在1×10-7～7.9×10-7cm/s之间,满足规范要求,其他指标虽有变化,但变幅不大。

防渗土体;掺盐量;工程特性;试验研究

我国南方属亚热带地区,特殊的自然地理条件十分适宜白蚁生存繁衍,是白蚁灾害的多发区域。白蚁主要通过在河道堤防、水库大坝中筑巢破坏防渗体结构及影响土体物理和化学性质[1-2],当水位上涨时可能引起堤坝管涌、流土、滑坡和坝体溃决。近年来,因白蚁危害而造成的垮坝溃堤等事故多有发生,蚁害已成为我国南方水利工程决堤溃坝的主要祸根之一,给水利工程的正常运行和人民的生命财产造成极大的威胁。

防治白蚁对堤坝的危害,以往采用的主要方法有挖穴取巢、投放白蚁诱饵剂、烟剂熏杀、毒土灌浆等[3],但这些方法存在诸如费时费力、实施难度大、有效时间短、环境污染大等问题，这就促使人们去寻找一种既经济又环保的防治方法。用食盐预防白蚁入侵堤坝的方法解决了这些问题[4-6],该方法是在白蚁筑巢部位的防渗黏土中掺入适量的食盐,阻止白蚁入侵到堤坝内部筑巢并破坏防渗体,从而达到从根本上防治白蚁入侵堤坝的目的,但掺盐后对防渗土体理化指标的影响程度尚不明确。本文通过对防渗土体掺盐前后土体工程特性的试验研究,分析了在土样中掺入不同种类、不同掺盐量的食盐对防渗土体工程特性的影响,提出了掺盐量的合理范围,掌握了掺盐后防渗土体特性的变化规律,并在具体工程实例中加以应用,取得了较好的效果。

1 试验方法

1.1 试验用料

试验用土取自某大坝套井回填土和某河道堤防的防渗土，分别简称土样1和土样2。

食盐选用3种类型，分别为:①浙江盐业集团有限公司出品的“雪涛”牌食用精盐;②一般食用粗盐;③浙江蓝海星盐制品有限公司出品的“蓝海星”牌健康平衡盐(混合盐)。

表1 原土的物理性质指标

表2 原土的化学性质指标

表3 原土的力学性质指标

注：直接剪切试验采用固结快剪测定方法，下同。

表4 掺盐前后界限含水率及物理化学试验结果

1.2 试样制备和测试方法

首先对原土风干、碾碎，并以四分法分成两部分：①过5 mm筛的土样，进行击实、颗粒分析、界限含水率等试验；②过2 mm筛的土样,进行力学、物理化学试验。直接剪切、固结、压缩、渗透等试验中的试样根据击实试验的成果和96%压实度进行制备。测试方法参照SL 237—1999《土工试验规程》[7]。

掺盐量(以100 g干土质量计)范围:0～4.0%。对这2种土样按不同类型、不同掺盐量的要求制备物理化学和力学试验试样。

2 试验结果

首先对选用的2种土样进行原土的击实试验、物理化学及力学性质试验,确定土样的最大干密度和最优含水率,不同粒径土体质量分数、界限含水率、水溶盐质量分数、氯化钠含量、有机质含量、pH值、分散性、渗透系数等指标试验结果见表1～3。

依据试验方案,在土样1、2中加入“雪涛”牌食用精盐研究掺盐量对防渗土工程特性的影响，试验结果分别如表4和表5所示。

为研究不同食盐类型对防渗土工程特性的影响,在土样2中分别掺入“雪涛”牌食用精盐、一般食用粗盐以及“蓝海星”牌混合盐,进行对比试验。这3种食盐的主要成分见表6,对比试验结果见表7、表8。

3 试验结果分析

由表1可知,土样1为高液限黏土,土样2为低液限黏土。由表2、表3可知,2种土样均为非分散性土;pH值分别为6.67和5.05,均属酸性土(pH值小于7);水溶盐质量分数分别为0.152%和0.266%,满足规范要求;土样2有机质质量分数为1.180%,满足规范要求[8]。2种土样96%压实度下的渗透系数分别为8.2×10-7cm/s和5.6×10-7cm/s,均满足规范要求[8],也符合防渗体填筑的质量要求[9-10]。

表5 掺盐前后力学试验结果

表7 土样2不同掺盐类型和掺盐量下界限含水率及物理化学试验结果

表8 土样2不同掺盐类型和掺盐量下力学试验结果

表6 3种食盐的主要成分

3.1 掺盐前后物理化学性质的对比

从表4可以看出,土样1和土样2在掺入精盐后,随着含盐量的增大,相应的液、塑限及塑性指数均有所减小,并随着掺盐量的增加其变化趋势有所放缓。这是因为在较低的掺盐量下,盐类溶解在水中,增大了土颗粒的水膜扩散层厚度,从而较快地降低了其可塑性;但随着掺盐量的增大,土体中盐分以两种形式存在,一部分溶解在水中,降低其可塑性,另一部分则析出，起到颗粒阻滑作用,从而抵消了可溶盐的掺入对可塑性的削弱[11-12],因此,液、塑限及塑性指数的减小后期放缓,其变化规律如图1所示。而由表7可知,在相同掺盐量下,不同食盐类型对土样界限含水率的影响不明显。

图1 界限含水率随掺盐量变化曲线

同样,从表4、表7可知,土样1和土样2的易溶盐随着掺盐量的增加而增加;在掺盐量为2%和3%时,土样2掺入不同类型食盐时其物理化学性质变化差异不大,这是由于掺入的食用盐以氯化钠为主,为易溶盐,因此,其水溶盐中的易溶盐质量分数必然随着掺盐量的增加而增加,且食盐的类型对土体物理化学性质的影响不是主要的。水溶盐的变化规律见图2。

图2 水溶盐质量分数随掺盐量变化规律

由图2可知,当土样2的精盐掺量增加到4.0%时,水溶盐质量分数达到3.84%;混合盐掺量增加到3.0%时,水溶盐质量分数达到3.01%,均不满足规范要求(小于或等于3%)。通过线性内插法计算可得,当水溶盐质量分数为3.0%时,对应的精盐掺量为3.29%,混合盐掺量为2.99%。

通过测定土样掺入食盐前后的pH值可以看出,虽然2种土样随着掺盐量的增加略有减小,但均不是很明显;从分散性角度上来看,这2种土样掺盐前后并无区别,仍为非分散性土。

3.2 掺盐前后力学性质的对比

a. 渗透系数。由表5、表8可知,2种土样在掺入食盐后,其渗透系数均在1×10-7～7.9×10-7cm/s,与原土相比均略有减小。这主要因为黏性土中结合水膜占据了土中大部分孔隙体积,而随着食盐的掺入,增大了细小土颗粒的水膜厚度,而这种结合水膜又是不流动的,所以导致渗透系数有所减小。

b. 抗剪强度。由表5可知,2种土样掺入精盐后,土样2的内摩擦角随着掺盐量的增加而减小,黏聚力变化不明显;对土样1来说,当掺盐量为0～0.8%时,黏聚力随着掺盐量的增加而略有减小,内摩擦角则基本不变,这可能是掺盐量变化幅度较小所致,当掺盐量为1.2%～2.0%时,出现的黏聚力和内摩擦角均大于掺盐量为0～0.8%时之值,其原因可能是试样的含水率不同所致。在相同掺盐量下,在土样2中掺入不同盐类后黏聚力和内摩擦角均表现为精盐大于混合盐大于粗盐的规律(表8)。假设作用于剪切面上的正应力为100kPa,则2种土样的抗剪强度变化规律如图3所示[13]。

图3 抗剪强度随掺盐量变化规律

c. 压缩特性。由表5可知,土样1在掺入精盐后,压缩系数在掺盐量为0.8%时达到一个峰值,而压缩模量达到一个谷值,即认为在试验条件下,存在一个临界掺盐量，为0.8%;而土样2在掺入不同盐类后,压缩系数变化趋势均表现为随着掺盐量的增加而增大,压缩模量则正好相反。这主要是由于含盐量的增加,土中的水能充分溶解掺入的盐,降低了土体的密实度,使得土的压缩性提高。而相同掺盐量下,对土样2掺入不同盐类后,其压缩系数上升幅度由大到小依次为混合盐、精盐、粗盐；压缩模量下降幅度由大到小依次为混合盐、精盐、粗盐(表8)。2种土样的压缩系数及压缩模量随掺盐量的变化规律分别见图4、图5。

图4 压缩系数随掺盐量变化规律

图5 压缩模量随掺盐量变化规律

4 工程实例

龙溪水库位于浙江省玉环县中部龙溪乡大密溪村,始建于20世纪50年代,为黏土心墙坝,坝长210 m,坝高23.6 m,总库容331.67万m3，是一座以供水为主,兼有防洪、灌溉、供水等综合利用的小(1)型水库。由于多年运行,水库坝坡风化严重,沉降明显,下游有较大面积渗水;坝体内有白蚁活动迹象,虽经多次治理,但仍无法达到根治蚁害的目的。

2009年,在龙溪水库除险加固施工中,在大坝黏土心墙套井回填土料中掺入食盐，具体施工方案是在原坝体黏土心墙处采用冲抓套井取土,然后用掺盐量为0.8%的高液限防渗黏土进行回填,每层厚度0.3 m,施工质量以抽检防渗土料回填后压实度96%控制。工程完工后蓄水运行至今,水库坝体未发现白蚁活动迹象,下游坝坡也没有发现渗漏出水等工程隐患,水库向周边大部分地区供应饮用水,发挥着良好的经济和社会效益。

5 结 论

a. 掺入食盐后,液、塑限及塑性指数均随着掺盐量的增加逐渐变小,且变化趋势有所放缓;pH值随着掺盐量的增加略有减小的趋势;加盐后土样仍为非分散性土。

b. 在本文试验范围内,2种防渗土样的水溶盐质量分数随着掺入食盐量的增加有所增大;当精盐掺量不大于3.29%,混合盐掺量不大于2.99%时,土样2水溶盐质量分数满足规范要求。

c. 在各种试验条件下,适量掺盐对土样渗透系数的影响均不是很明显;抗剪强度随着食盐掺量的增加有所减小。

d. 在试验条件下,低液限黏土(土样2)压缩系数随着食盐掺量的增大而增大,而压缩模量则随之减小;但高液限黏土(土样1)在掺盐量0.8%时达到一个临界值,即压缩系数达到一个峰值,同时压缩模量达到一个谷值。

e. 在掺入不同类型、相同掺盐量的食盐时，土样的界限含水率变化不明显;抗剪强度变化幅度由大到小依次为精盐、混合盐、粗盐；压缩系数上升幅度由大到小依次为混合盐、精盐、粗盐；压缩模量下降幅度由大到小依次为混合盐、精盐、粗盐。

f. 工程实例应用情况表明,掺盐后防渗土体在工程特性没有不利变化的前提下,起到了防治白蚁入侵堤坝的效果,且经济有效、方便快捷,具备良好的推广应用价值。

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Test of engineering properties of impervious soil with salt//

CHEN Shihua1,2, SHEN Shuijin1,2, CHEN Laihua1,2, LU Guoxin1

(1.ZhejiangInstituteofHydraulicsandEstuary,Hangzhou310020,China; 2.ZhejiangProvincialKeyLaboratoryofWaterConservancyDisasterPreventionandReduction,Hangzhou310020,China)

In order to study changes in engineering properties of impervious soil with salt and to determine the critical value of salt content that conforms to design criterion, experiments were performed for testing physical, chemical, and mechanical properties of samples. These impervious soil samples were taken from river embankment and reservoir dam, and then they were mixed with various kinds and amounts of salt. The results show that the salt contents, in low liquid limit clay, all conform to the criterion with refined salt no more than 3.29% and mixed salt no more than 2.99%. Within the tested salt content range, the permeability coefficients are all between 1×10-7cm/s and 7.9×10-7cm/s, which satisfy the criterion. Moreover, other indicators in experiments do change, but not much.

impervious soil; salt content; engineering property; test research

浙江省重大科技专项(2011C13045);浙江省水利科技计划项目(RC1446)

陈式华(1962—),女,浙江浦江人,高级工程师,主要从事岩土工程测试和研究工作。E-mail:chensh@zjwater.gov.cn

10.3880/j.issn.1006-7647.2015.03.013

TV443

A

1006-7647(2015)03-0066-05

2014-03-18 编辑：郑孝宇)