大石峡水电站筑坝土料分散性综合判定及改性研究

巨娟丽，樊恒辉，刘俊民

(西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100)

大石峡水电站筑坝土料分散性综合判定及改性研究

巨娟丽，樊恒辉，刘俊民

(西北农林科技大学水利与建筑工程学院，陕西杨凌712100)

分散性土的抗冲蚀能力很低，对许多工程的安全性造成严重威胁。在分析土样物理化学性质和矿物学性质的基础上，采用双比重计、碎块、针孔、孔隙水阳离子和交换性钠百分比等试验方法，对大石峡水电站大坝防渗土料的分散性及其改性措施进行了研究。研究结果表明，土样1号和4号属于分散性土，2号、3号、5号属于过渡性土。土样产生分散的主要原因：一是土样中含有数量较多的钠离子，使得伊利土也像那钠基蒙脱土一样具有较强的分散性；二是酸碱度较高，使得土颗粒之间的斥力能大于引力能，促使土样分散；掺入质量分数0.26%的AlCl3·6H2O或质量分数0.35%的CaCl2都会对分散性土样产生显著的改性作用。结果表明：土样产生分散的条件是土样中含有大量的钠离子和较高的pH值；AlCl3·6H2O的改性效果明显优于CaCl2，是一种有效的分散性土改性剂。

分散性土；物理化学性质； 综合判定；改性；大石峡水电站

0 引 言

大石峡水电站工程位于新疆维吾尔自治区阿克苏市阿克苏河一级支流——库玛拉克河中下游温宿县与乌什县交界处，工程装机容量780 MW，是一座兼灌溉、防洪、生态用水与发电的综合利用工程。大坝为粘土心墙堆石坝，最大坝高256 m，坝址位于大石峡峡谷出口处，坝址下游距在建的小石峡坝址约11 km，距协和拉水文站约14 km，距阿克苏市约100 km。本文通过双比重计、针孔、碎块、交换性钠百分比和孔隙水可溶盐阳离子等5种试验方法，并结合土样的物理化学性质和矿物成分分析，对大石峡水电站大坝防渗土料的分散机理以及改性应用进行探讨，为工程的规划设计、施工以及管理工作提供科学依据。

表2 土样化学性质

1 土样的物理化学性质和矿物成分

1.1 土样的物理性质

土样的基本物理性质结果见表1。5组土样的比重在2.71～2.73之间，颗粒组成上以粉粒为主，其含量在59.2%～70.5%之间，粘粒含量约占18%～39%，砂砾含量约占0.5%～22.1%。界限含水率中液限WL为25.3%～32.1%，塑限WP为15.2%～18.7%，塑性指数Ip为10.1～13.4，都属于低液限粘土(CL)。土样的最大干密度为1.68～1.77 g/cm3，最优含水率为13.3%～18.6%。

1.2 土样的化学性质

土样的基本化学性质结果见表2。5组土样的易溶盐含量为1.58～18.56 g/kg，除5号土样外都属于盐渍土[13]；阳离子主要以钠离子为主，其次是钙离子、镁离子和钾离子；中溶盐含量为0.45～5.54 g/kg，难溶盐含量为248.82～428.14 g/kg，有机质含量为2.39～4.91 g/kg。土样pH值为8.23～9.37，其中土样2号、5号呈微碱性(7.5～8.5)，其余呈强碱性(>8.5)。

1.2 土样矿物成分分析

土样的矿物成分采用日本理学电机公司的X射线衍射仪进行分析，结果见表3。从表3中可看出，5组土样的粘土矿物成分以伊利石为主，含量为14.2%～16.4%，少量的伊利石以伊-蒙混层矿物的形式存在；其次是绿泥石和高岭石，蒙脱石仅占全土的0.7%～1.4%，且以伊-蒙混层矿物形式存在。非粘土矿物主要是方解石，其次是石英、白云石等其它矿物。

“工作坊”英文为“workshop”，最早源于德国包豪斯学院现代建筑设计奠基人之一格拉皮乌斯的“工厂学徒制”教育理念[6]。“工作坊”是一种开放的交流方式，其构成要素包括：主题内容；学习方法；活动序列和社会环境[7]。“工作坊”的运行包括四个环节：工作坊创设-分组实训-成果交流-实训评价[8]，具体形式包括案例分析、角色扮演、集体分享、团体讨论、头脑风暴、教师点评等[6]。

2 土样的分散性判别试验

分散性土是一种特殊类型的土，土颗粒在水中通过反絮凝作用过程被侵蚀，因此不能凭借传统的物理指标、化学指标及力学指标来进行鉴定，如土样的界限含水率、土颗粒的级配分析结果以及压实特性等。国内对于分散性粘土的研究较晚，目前仍没有判断分散性土的相关试验规程。本次试验参照美国材料与试验协会制定的ASTM D4221—99《双比重计试验》[14]、ASTM D4647—93(1998)《针孔试验》[15]、ASTM D6572—00《碎块试验》[16]等3种试验规程，以及美国第一次关于分散性土的专题讨论会中介绍的交换性钠百分比试验、孔隙水可溶盐阳离子试验[17-18]等5种试验方法进行，根据5种试验的结果综

表3 土样矿物成分

表4 土样分散性试验结果

合判定土样的分散性。土样的分散性试验结果见表4。

2.1 双比重计试验

双比重计试验是美国水保局采用的鉴别粘土分散性的一种定量分析方法。该试验首先将土样放在盛有蒸馏水的抽滤瓶中，抽滤瓶与真空泵相连接并抽气10 min，然后把土水混合液冲洗到量筒中，加蒸馏水至1000 mL，倒转量筒并来回晃动约30次，让粘土颗粒在水中自行分散，测得粘土中粘粒(<0.005 mm)的含量，再根据土工试验规程中的常规试验方法，加入化学分散剂并煮沸，测得粘土中粘粒的含量。采用两次试验所得粘粒含量比值的百分率，即分散度作为鉴定粘土分散性的定量指标。若分散度<30%，属于非分散性土；若分散度在30%～50%之间，属于过渡性土；若分散度>50%，属于分散性土，即分散度越大，土体的分散的趋势越高。试验结果表明：5号土样的分散度为56.4%，属于分散性土，其余4组土样的分散度均小于30%，均属于非分散性土，但由于前4组土样的易溶盐含量较高，使得土水混合液中的土颗粒很快发生凝聚沉淀，水体澄清，从而使双比重计试验的结果很不准确，因此对含盐量比较高的土体来说，其结果的可靠性较差，不能够真实地反映土体的分散情况。

2.2 碎块试验

碎块试验是以胶体化学的基本观点为基础，认为土壤胶体颗粒的析出是粘性土产生分散的主要原因，因此以胶体颗粒析出程度的大小作为鉴定粘性土分散性的一个定性指标。碎块试验开始时，首先将天然含水率的原状土块或针孔试验结束以后的试样制成体积约为1 cm3的正方体土块，再将制好的正方体土块放进盛有一定量蒸馏水的烧杯中，浸放约5～10 min，最后根据土块中的胶体颗粒在水中的分散性状进行粘土分散性的判定。碎块试验的判定标准：若土块水解后水体混浊，土颗粒很快扩散到整个量杯底部，且水呈雾状，经久不清，则属于分散性土；若土块水解后四周有少量混浊，且扩散范围较小，则属于过渡性土；若土块水解后以细颗粒状平堆在量杯底部，水色是清亮的，或者稍混浊后很快又变清亮，则属于非分散性土。从碎块试验结果来看，5组土样都属于过渡性土，即土样水解后有少量浑浊，且扩散范围不大。

2.3 针孔试验

针孔试验模拟在一定的水头作用下，土壤颗粒所具有承受水流的冲蚀能力，藉此表示分离颗粒所需要力的大小。针孔试验可直接、定性的鉴定土样的分散性能和粘土胶粒的抗冲蚀性。由于针孔试验直接模拟了工程实际中渗透水流所具有的冲蚀条件，因此被认为是粘性土分散性鉴定中最具可靠性的一种鉴定方法。其判定标准为：非分散土在380～1 020 mm水头下针孔不扩大，出水流很清；过渡性土，在180～380 mm水头下针孔冲蚀速度较慢，出水水流稍混浊；分散性土在50 mm水头下针孔迅速扩大，出水水流混浊。试验结果表明，1号、4号属于非分散性土，2号、3号、5号属于分散性土。但对于灵敏度较高的土样，由于试验过程中土样容易受到扰动，土样的强度就会降低，抗冲蚀能力减小，针孔试验可能会误判为分散性土，因此对抗冲蚀能力较低的粉质粘土，根据针孔试验可能会造成误判，这一点需特别注意。

2.4 孔隙水可溶盐阳离子试验

孔隙水阳离子试验是农业土壤学中的一个基本试验。试验开始时，首先用蒸馏水把土样的含水率配制到接近液限的稠度，然后将其经离心机脱水后得到孔隙水溶液，测定孔隙水溶液中Na+、K+、Ca2+、Mg2+的含量，计算孔隙水溶液中阳离子的总量(TDS)、钠离子的百分比(PS)以及钠吸附比(SAR)。

判定标准：①钠百分比PS。若PS<40%，则为非分散性土；若PS在40%～60%之间，则为过渡性土；若PS>60%，则为分散性土。②钠吸附比SAR。若TDS>5且SAR>2.7，则为分散性土；若TDS>10则需SAR>4.2；若TDS>100则需SAR>13。试验结果见表1，表明1号、4号、5号属于分散性土，2号属于非分散性土，3号属于过渡性土。

表6 土样分散性综合判别结果

2.5 交换性钠百分比试验

交换性钠百分比(ESP)是指100 g干土中，交换性钠离子占阳离子交换总量(CEC)的百分比，间接反映了土颗粒之间凝聚力的大小。判定标准：若ESP在7～10之间，属中等分散性土；若ESP≥15，则属于高分散性土，即存在严重管涌的可能性。试验结果表明，2号土样交换性钠百分比含量为10.84%，属于过渡性土，其余4组土样的交换性钠百分比含量都大于15%，属于高分散性土。

2.6 土样分散性的综合判定

由以上结果可以看出，采用双比重计、碎块、针孔、孔隙水可溶盐阳离子和交换性钠百分比等5种试验方法对土样的分散性进行判定，所得的试验结果具有一定的离散性，导致结果不一致的原因主要有两个，一是因为影响粘土分散性的因素比较复杂，且各影响因素之间相互作用；二是这5种试验方法的判定标准是由大量的实践资料统计分析得来的，虽具有一定的合理性和可靠性，但对有些土类也存在某些例外的情况。因此深入了解分散性土的基本特性和积累实践经验，提高分散性土的鉴定水平是非常必要的。作者对实际工程中53组土样的分散性鉴定结果进行统计分析，若其中一项试验的判定结果和最终的判定结果一致，记为1个土样，若过渡性与非分散性或过渡性与分散性相遇时，记为0.5个土样，把两者结果一致的土样个数与土样总个数的比值称为配合度，对配合度进行归一化处理就可以得到每种试验方法所占的权重。若配合度越大，则这种试验方法的参考价值越高，即这种试验方法所占的权重越大，结果列于表5。由表5可见，针孔试验的权重最大，占26%，其次是碎块试验，占23%，双比重计试验、孔隙水可溶性阳离子试验、交换性钠百分比试验的权重差异不大，分别为16%、18%、17%。根据53组土样的最终判定结果以及5种试验方法所占的权重，计算土样的非分散性、过渡性及分散性所占的总权重，并给出综合判定准则：若土样的分散性权重>44%时，土样属于分散性土；若土样的分散性权重=44%，而过渡性的权重≥39%时，土样属于分散性土，相反属于过渡性土；若土样的分散性权重<44%，但“过渡性+分散性”的权重≥44%时，土样属于过渡性土，否则土样属于非分散性土。根据此准则综合分析认为，1号、4号土样属于分散性土，2号、3号、5号属于过渡性土。5组土样分散性综合判定结果见表6。

表5 5种试验的配合度与权重 %

2.7 土样的分散机理分析

粘性土分散的主要原因是土颗粒之间的斥力能大于引力能，从而促使土-水-电解质系统中的粘土颗粒产生分散。在土水电解质体系中，土颗粒间的排斥作用与土颗粒表面扩散双电层的发育程度密切相关，双电层越厚，悬液中颗粒的絮凝作用就越小，即分散性能就越强；离子的化合价越高，其浓度越大，则扩散层的厚度越小，分散性越弱。此外，离子的半径越小，其水化离子的半径就越大，形成的水化膜就越厚，粘土颗粒越不容易聚结。从土样的分散性判定试验结果及化学性质可以看出，交换性钠离子占阳离子交换总量的10.84%～21.06%，孔隙水中所含的钠离子占孔隙水溶液中阳离子总量的33.4%～69.7%，易溶盐中钠离子的含量占阳离子总量的45.5%～90.08%，由此说明土样中含有数量较多的钠离子，而一价钠离子的半径相对较小，即水化钠离子的半径较大，形成的扩散层厚度就越大，从而使得土颗粒之间斥力能大于引力能，土样产生分散。土样的矿物成分分析表明，5组土样中伊利石含量较多，蒙脱石含量较少，因此蒙脱石不是土样产生分散的主要因素，但由于土样中含有数量较多的钠离子，使得伊利土也像钠基蒙脱土一样具有较强的分散性。此外，pH值越高，土颗粒表面的净负电荷量越大，土颗粒表面的双电层厚度越发育，促使土体分散。5组土样的pH值在8.23～9.37之间，呈微碱性或强碱性。因此笔者认为，供试5组土样产生分散性的主要原因是土样中含有大量的钠离子，且土样酸碱度较高。

表7 土样改性试验结果

3 分散性土样的改性试验

综合鉴定结果表明，1号、4号土样属于分散性土，由于1号土样的钠离子含量和酸碱度较高，因此对1号土样加入AlCl3·6H2O和CaCl2进行改性试验研究。由于碎块试验和针孔试验在土样的分散性综合判定中所占权重相对较高，因此对改性的土样仅做了针孔试验和碎块试验，试验结果见表7。从表7可以看出，当AlCl3·6H2O掺入的质量分数为0.12%～0.17%时，针孔试验呈现出分散性土的特征，掺量为0.22%时呈现为过渡性土的特征，掺量为0.26%时呈现出非分散性土的特征；碎块试验中，当AlCl3·6H2O掺入的质量分数为0.12%时呈现出分散性土的特征，掺量为0.17%时为过渡性土的特征，掺量为0.22%～0.30%时呈现出非分散性土的特征。由此可以得出，当AlCl3·6H2O掺入的质量分数≥0.26%时，土样由分散性土转变为非分散性土，在1 020 m的水头下，流量稳定，出水清澈，孔径基本无变化，碎块试验也呈现为非分散性土的特征。当CaCl2掺入的质量分数为0.15%时，针孔试验呈现出分散性土的特征，掺量为0.25%～0.3%时呈现为过渡性土的特征，掺量为0.35%时表现为非分散性土的特征；碎块试验中当CaCl2掺入的质量分数在0.15%～0.25%时呈现出分散性土的特征，掺量为0.3%～0.40%时呈现为非分散性土的特征，因此当CaCl2的质量分数≥0.35%时，针孔试验和碎块试验的结果才呈现为非分散性土的特征，即达到完全改性的目的。掺入AlCl3·6H2O或CaCl2具有良好改性效果的原因是Al3+和Ca2+会与粘土颗粒表面Na+发生交换，减少粘粒表面所吸附的Na+数量，使得土颗粒的双电层厚度变薄，从而减弱粘土分散的趋势，达到抑制效果。此外，从试验过程可以看出，AlCl3的改性效果明显优于CaCl2，这是因为AlCl3是一种强酸弱碱盐，水解显酸性，可有效的降低土体的pH值，改变土体的碱性环境，从而有效抑制土样的分散。从电化学角度来看，在离子浓度相同的情况下，价态越高的离子可以从土粒表面置换出更多的Na+，改性效果也就会越明显，这也是Al3+较Ca2+对分散性土抑制作用更明显的一个原因。

4 结 论

(1)采用统计分析的方法赋予双比重计试验16%的权重、碎块试验23%的权重、针孔试验26%的权重、孔隙水可溶盐阳离子试验18%的权重，交换性钠百分比试验17%的权重，并给出定量化的综合判定准则。综合判定认为，1号和4号属于分散性土，2号、3号及5号属于过渡性土。

(2)土样产生分散的主要原因：土样中含有大量的钠离子(包括易溶盐中的钠离子、交换性钠离子及孔隙水中的钠离子)，且土样的酸碱度较高，因而形成的扩散层就越厚，使得土颗粒之间的斥力大于引力，促使土样产生分散。

(3)供试的5组土样属于过渡性土和分散性土，在工程施工中加入质量分数等于大于0.26%的AlCl3·6H2O或质量分数等于大于0.35%的CaCl2进行处理，都能有效改善土样的分散性，但前者的改性效果明显优于后者。

(4)土样的物理化学性质及分散机理不同，同一改性剂的改性的效果可能会存在一定的差异，有待进一步研究。

[1]SL 251—2000 水利水电工程天然建筑材料勘察规程[S]．

[2]王观平， 张来文， 阎仰中， 等. 分散性土与水利工程[M]. 北京： 中国水利水电出版社， 1999．

[3]McELORY C H. The use chemical additives to control the erosive behavior of dispersed calys[C]∥Engineering aspects of soil erosion， dispersive clays and loess. ASCE， New York， USA. 1987： 1-16．

[4]DEAN J. Dispersive clay embankment erosion-a case history[C]∥54th Highway Geology Symposium， Burlington， VT， USA， 2003： 306-320．

[5]SHERARD J L， DUNNIGAN L P， DECKER R S， et al. Pinhole test for identifying dispersive soils[C]∥Conference on Embankment Dams， ASCE， New York， USA， 1992： 279-296．

[6]洪有伟， 盛守田. 黑龙江省西部地区分散性土工程特性及处理措施[J]. 岩土工程学报， 1984， 6(6)： 42-52.

[7]GUTIÉRREZ F， DESIR G， GUTIÉRREZ M. Causes of the catastrophic failure of an earth dam built on gypsiferous alluvium and dispersive clays[J]. Environmental Geology， 2003， 43(7)： 842-851．

[8]PETRY T M. Identification of dispersive clay soils by a physical test[D]. Oklahoma： Oklahoma State University， 1974．

[9]杨昭， 席福来， 陈华. 盐渍土与分散性针孔试验影响[J]. 岩石力学， 2003， 24(增刊)： 253-254．

[10]樊恒辉， 李振. 青海班多一级水电站防渗土料物理化学性质及分散性鉴定试验[R]. 杨凌： 水利部西北水利科学研究所， 2005．

[11]马秀缓， 徐又建. 青岛市官路水库分散性土工程特性及改性试验研究[J]. 岩土工程学报， 2000， 22(7)： 441-444．

[12]樊恒辉， 孔令伟. 郭敏霞， 等. 文家沟水库筑坝土料分散性和抗渗性能试验[J]. 岩土工程学报， 2009， 31(3)： 458-463．

[13]GB 50021—2001 岩土工程勘察规范[S]．

[14]ASTM D4221—99 Standard Test Method for Dispersive Characteristics of Clay Soil by Double Hydrometer[S]．

[15]ASTM D6572—00 Standard Test Methods for Determining Dispersive Characteristics of Clayey Soils by the Crumb Test[S]．

[16]ASTM D4647—93 Standard Test Method for Identification and Classification of Dispersive Clay Soils by the PinholeTest[S]．

[17]BICHARANCOU R. An experimental study on Sherard’s chemical criterion with regard to the role of extraction water content on identifying dispersivity of soils[J]. Civil Engineering， 2000(1)： 13-19．

(责任编辑 王 琪)

Study on Dispersivity Identification and Modification of Dam Soil in Dashixia Hydropower Station

JU Juanli, FAN Henghui, LIU Junmin

(College of Water Resources and Architectural Engineering, Northwest A&F University, Yangling 712100, Shaanxi, China)

Dispersive soil has very low erosion resistance capacity, so it seriously threatens engineering safety. Based on the analysis of physical and chemical properties, the dispersivity and modification of dam soil in Dashixia Hydropower Station are studied by using double-hydrometer test, crumb test, pinhole test, pore water salt test and exchangeable sodium percent test. The results show that the No. 1 and 4 soil samples are dispersive, and No. 2, 3 and 5 soil samples are transitional soil. A great quantity of sodium-ions in gerundive soil and higher alkalescence make the soil as well as montmorillonoid which is intense dispensability. When 0.26% of AlCl3·6H2O or 0.35% of CaCl2is added, the dispersion of soil can be restrained effectively. It is shown that the soil becomes dispersive clay only under the conditions of more sodium-ions and the higher pH, and compared with CaCl2, AlCl3·6H2O is an affective modifier of dispersive soil．

dispersive soil; physic-chemical property; comprehensive judgment; modification; Dashixia Hydropower Station

2016-04-13

国家自然科学基金资助项目(51579213，51579215);中央高校基本科研业务费(2452016069)；西北农林科技大学博士科研启动基金资助项目(2452015290)

巨娟丽(1976—)，女，陕西乾县人，讲师，博士，主要从事水文水资源和环境岩土方面的研究．

TV443

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0559-9342(2016)11-0114-06