风积黄土分散性问题的探讨

周吉军

我国北方广泛分布的风积黄土，早已用于水利工程中，但作为防渗土料的抗冲蚀特性研究，特别是与一般分散性粘土的差异化认知还很欠缺。本文从分散性粘土的分散机理出发，用天山北坡风积黄土的相关参数与一般分散性土进行对比，分析了两者抗冲蚀能力差的不同原因，提出了改进风积黄土抗冲蚀特性研究方法的建议，供同行参考。

一、问题的提出

防渗用粘土料，从渗透稳定角度看，有分散性土和非分散性土两类，其中分散性土不宜用做防渗土料，规范已明确规定。肯斯瓦特水库大坝是处于Ⅷ度区的百米级高坝，工程区广泛分布风积黄土，如果此类土料能够排除分散性，粘土心墙坝将具有抗震安全方面的优势。通过对典型分散性土和风积黄土不同特性的对比分析发现，这两种土虽然抗冲蚀能力均较差，但性质有根本性差异，直接采用现行的鉴定方法，对风积黄土是不适宜的。

二、典型分散性土的特性

分散性粘土在低含盐量或纯净水中细颗粒之间的粘聚力大部分或全部丧失，呈团聚状的土体自行分散成原级的粘土颗粒，它的抗冲蚀能力很低，容易造成堤坝管涌，因此危害性很大。分散性土被水冲蚀破坏是一个复杂的物理、化学和力学过程，是多因素作用的结果，其中主要影响因素有：

粘粒含量：我们通常说的粘性土是指液限大于25%，塑性指数大于6的粘土或粉土，其粘粒含量一般大于10%，如果粘粒含量很低而导致土样出现分散现象，就不属于粘性土的分散性研究范围，而是无凝聚性土的研究范畴了，如粉砂和细砂在水中也分散，但机理与粘性土不同。

粘土矿物成分：常见的粘土矿物有高岭石类、蒙脱石类、伊利石类，它们是土中物理化学性质活跃的物质，对粘性土的工程性质有着显著影响。其中高岭石类矿物结晶牢固，遇水仅产生体积膨胀，不会分散；蒙脱石类晶层间联结弱，晶格具有扩展性，特别是吸附钠离子的钠蒙脱石具有强分散性；伊利石则介于两者之间。

有机质：土中的有机质具有胶体性质，可以促进土壤团粒结构的形成，且富含酸性物质，可以降低土体的酸碱度，能减少土体的分散倾向。

钠离子：在常态下，水是土中液相物质的主要成分，溶解于水中的各种电解质以离子或化合物的形式存在于水中，它和水以及水中的粘土颗粒构成“土-水-电解质”系统，影响土的工程性质。一般来说，粘土颗粒表面带负电荷，它会吸附阳离子在其周围形成吸附层和扩散层，研究人员称之为双电层，双电层越厚，颗粒分散性越强。在自然界的土体中，阳离子主要有Ca2+、Mg2+、Na+、K+，一价的Na+的双电层厚度是二价的Ca2+的两倍，因此若土样中含有大量的钠离子，使得土颗粒间双电层厚度增加，排斥力大于吸引力，则土样易产生分散。

酸碱度pH值：粘土矿物颗粒表面和边缘有可能暴露出来的羟基（SiOH）分解成SiO-和H+,它受到pH值的强烈影响，pH值越高，H+离子进入溶液的趋势越大，因此高pH值使颗粒分散，低pH值会导致颗粒从悬液中絮凝。

以上五个因素中，粘粒含量、粘土矿物成分和有机质含量属于土的固相组分，一般具有不可变性，但粘土矿物表面的电化学性质却随着空隙水中阳离子的种类及含量和pH值的变化而变化，因此粘土的分散性是土、水、电解质组成的整个系统共同影响的结果，因此分散性常常表现为溶蚀性的化学反应。

三、分散性土鉴定的现行方法

到目前为止，分散性土的鉴定方法还在改进之中，但总体认为野外调查和识别、常规室内试验、室内分散性鉴定试验三者缺一不可，而且三者相结合进行综合鉴定是当前大家公认的路径。

首先需要做好野外调查与识别，直观判断其抗纯净水冲蚀能力。重点包括观察土料场雨后水沟、水坑积水和干涸后情况，若发现水坑积水长期浑浊，干后坑底留下很细的粘土沉积龟裂，则土料可能具有分散性；观察坡面上冲沟和孔洞的发育情况；观察料场的新鲜土坡或坡下大土块的完整性；观察地表植被及有机质情况；了解粘土生成环境；尽早用简易碎块试验现场初判等。土样常规室内试验取得的颗粒级配、界限含水率、可溶盐和各类离子含量、pH值、有机质含量及粘土矿物组成等参数，是分散性研判的重要依据。对粘土矿物中蒙脱石含量多、阳离子中钠离子含量高、pH值高、有机质含量低的土料，进行深入研究是必要的。

目前常用的分散性鉴定试验方法包括双比重计试验、碎块试验、针孔试验、孔隙水可溶性阳离子试验、交换性钠离子百分比试验，实践中多采用五种试验结果分别赋予一定权重的方法判定分散性。

但在实际工作中，野外调查的结论往往被忽视，而试验研究方法的适宜性却较少被质疑，这是目前分散性土鉴定中的不良倾向。

四、风积黄土及其特性

1.本工程风积黄土特性指标

肯斯瓦特水库工程区广泛分布风积黄土，这些第四系上更新统风积物，从工程分类属于低液限粉土，储量丰富，开采运输便利。土中的粉粒含量77.0%，粘粒17.6%；塑性指数9.9；天然含水量9.0%，最优含水量14.3%，最大干密度1.83g/cm3，渗透系数1.8×10-7cm/s；有机质含量0.22%；水溶盐含量0.68%；pH值9.1；土粒比重2.70g/cm3；饱和固结快剪强度为Φ=27.9°，C=20.9kPa。与规范要求的心墙土料标准对比，土料天然含水量偏低，塑性指数偏低，与北方大多数风积黄土特性一致。

2.与分散性土的相似性分析

樊恒辉等收集了大量的工程实例，对一般分散性土进行了实验结果统计分析，总结出以下几个界限参数值：（1）土粒比重大于2.69g/cm3，一般不分散；（2）粘粒含量小于20%，多具有分散性；（3）塑性指数小于15，多属于分散性或过渡性；（4）有机质含量小于5g/kg，具有不确定性；（5）pH值大于8.6，多属于分散性或过渡性；（6）土体中易溶盐含量高特别是低价阳离子含量越高的土，分散性概率越大。

肯斯瓦特工程土料的特征参数与上述统计界限值对比，具有极高的吻合度，很容易将其当作分散性土。从2005年开始，本工程先后邀请三家科研单位开展了三轮分散性试验研究，均未能排除其分散性，因此工程决策时放弃了粘土心墙坝坝型。

五、质疑与建议

土的分散性问题是在高粘性土中发现的，表现为溶蚀为主的化学变化，而低粘性土抗冲蚀性差更像物理变化。无论是根据经验统计界限参数判定，还是试验判定，都是将这两种土料不加区分、使用同一个标准进行的，这是问题的关键所在。结合本工程研究过程与风积黄土的工程实践经验，提出以下几点看法：

一是对风积黄土与典型分散性粘土抗冲蚀能力差的原因，没有区别对待。从风积黄土的颗粒组成看，粉粒含量高达77.5%，粘粒含量不高，抗冲蚀性差是肯定的，但不太可能出现典型分散性粘土的溶蚀现象。二是对风积黄土野外抗冲蚀表现，没有高度重视。野外勘察发现，土体在雨水的作用下多出现湿陷、塌陷现象，并不存在冲沟和孔洞；土体在受冲蚀后形成的积水也暂时浑浊，一定时间后水质可恢复清澈，并不存在絮状物质，沉淀后底部出现粉细沉淀物，但干涸后不会出现龟裂。雨水对土体的冲刷以物理冲刷最为明显，形态与分散性土不同。三是对可交换钠离子的研究没有深入。当地土料易溶盐含量高，钠离子含量也高，但历次试验除了土样组数不足外，试验研究时对粘土矿物中高岭石、伊利石和蒙脱石占比的分析也不够，特别是钠蒙脱石含量没有重点研究。四是研究工作与工程结合不紧密。比如没有开展使用当地河水的针对性试验研究；另外模拟添加生石灰水调节含水量，再检验抗冲蚀性能的研究没有开展等。五是对工程类比经验重视不够。如新疆伊犁河恰甫其海水库工程，其粘土心墙料与肯斯瓦特水库土料基本相同，工程建成正常运行多年，说明此类土作为高坝的防渗心墙是经得起实践考验的。

综上所述，对于在我国北方广泛分布的风积黄土的抗渗安全性的认知还需要继续提升，建议重新审视现行的分散性土鉴定评价体系，研究探索适宜风积黄土的抗冲蚀安全评价方法，使风积黄土的防渗安全研究水平更进一步。