花敖泡蓄水调蓄工程填筑土料分散性与治理研究

董新荣，马振洲，高 崇

（1.吉林水利电力职业学院，吉林 长春 130000；2.吉林省水利水电勘测设计研究院，吉林 长春 130012）

1 工程概述

吉林省乾安县花敖泡蓄水调蓄工程水库总库容6.15 亿m3，属大（2）型水利工程，永久性主要建筑物挡水土坝（均质坝）采用折线型布置，坝长8 035.0 m，坝高17.6 m，坝顶宽6.0 m。设计填筑土方 700 万 m3。

在前期调查阶段，发现库区料场具有溶蚀小沟、溶蚀洞穴、积水浑浊、积水干涸后有粘土沉积、龟裂等分散性土具有的微地貌及现象，而且通过双比重计和孔隙阳离子法鉴别土料以分散性土和过渡性土为主。施工前期，为了减小施工难度、节省投资，扩大了料场调查范围，寻找非分散性土填筑料，工程区北侧30 km、南侧20 km、西侧25 km、东侧45 km 范围内，发现可用的粘性土多为不连续的分散性土或过渡型土，大概率具有分散性特点，故施工时仍选用库区范围内A1、A2 料场。对填筑土料的分散性及改性方案等进行了系统、深入的分析研究，为料场的选择、大坝加强性防护处理设计方案的拟定和施工组织设计等提供了科学决策依据。

2 土料的基本物理力学性质

土的基本物理性质包括比重、液塑限、颗粒分析、渗透特性、含水率及黏土矿物成分等；力学性质包括抗剪强度及压缩特性等。

2.1 物理性质

为了解土料的比重、界限含水率等基本物理指标，对A1 和A2 料场分别取样试验，试验依据国家标准GB/T 50123-2019《土工试验方法标准》的相关规定进行。结合施工取土深度，试验取样主要在地表下2.0 m 范围以内，所取土样基本为0.3～2.0 m 以内混合样。

经测定，其颗粒组成结果见表1 和图1。从料场土样的物理指标看，分别定名为含砂低液限粘土和低液限粘土；三角坐标分类分别定名为重粉质壤土和粉质黏土。

为了解土样的压实效果，对所取土样进行击实试验，土样的击实曲线如图2 所示。从土的物理性质来看与普通土没有明显区别。

2.2 力学性质

为了解土料的固结、抗剪特性，按土坝设计要求的压实度确定控制干密度和含水量进行力学试验。从表2试验结果中的A1和A2料场的饱和压缩系数来看压缩性不高。三轴试验抗剪强度高于直剪试验抗剪强度，A2料场粘粒含量高，凝聚力较A1料场稍高，内摩擦角较A1 料场偏小。从土的力学性质来看，符合一般规律，与普通土没有明显差别。

2.3 抗渗及抗冲性质

此次试验的目的是测定土料在无保护情况下的自身抗渗强度，给出土料的临界坡降、破坏坡降及允许坡降和破坏方式等。

从表3 的试验结果看，土料试样无破坏坡降；从试验过程看，试验过程中逐级加大渗流坡降时，试样几乎不透水，当水头无法再继续增加（试验水头3.6 m）时试样没有破坏。结合试验可知，分散性土不透水～微透水，抗渗比降较高，具有良好的防渗性能。

分散性土最明显的工程特点就是抗冲蚀能力差，冲蚀后易形成管涌孔洞。我国北方的非分散性土抗冲蚀流速在100 cm/s 左右，冲蚀水力坡降大于2.0，而分散性土抗净水冲蚀的流速很小，小于15 cm/s，冲蚀水力坡降甚至小于1.0，致使有些文献认为，分散性土抗冲蚀流速为0[1]。

3 土料的化学性质及黏土矿物组成

3.1 化学性质

土料的化学性质主要指其酸碱度、有机质含量和含盐量等。从表4 可以看出，A1 土样的易溶盐0.264，A2 土样的易溶盐0.365，易溶盐含量随深度减小。阴离子以HCO3-为主，阳离子以Na+为主；土的pH 值测定采用哈希pH 计，经检测A1 和A2 土料均呈碱性，pH 值随着深度减小；A1 和A2土料有机质含量随深度减小。

有关分散性土的研究表明，土的分散性与可交换Na+离子含量和pH 值有密切的关系。分散性土所处的环境Na+离子含量高，而且多呈碱性，常为苏打盐碱土分布区。从土料化学分析试验结果来看，土样具有产生分散性的环境条件。

3.2 矿物成分

黏土矿物成分分析依据SY/T 5163-2018《沉积岩中黏土矿物和常见非黏土矿物X 射线衍射分析方法》，通过X 射线衍射仪定性分析，初步分析可得出：黏土中含有大量石英、杂卤石、钠长石等非黏土矿物，同时含有蒙脱石、伊利石及高岭土等黏土矿物。然后对于首先分离小于2 μm 黏土矿物，分别进行自然状态、乙二醇饱和和加热处理等步骤，分析各种黏土矿物相对含量。

经验表明，分散性黏土矿物成分中常常有一定量的钠蒙脱土，如土壤中钠蒙脱石含量较高，就易形成分散性黏土。从表5 试验结果来看，土样含有较多伊利石/蒙脱石混层矿物及伊利石，且二者含量约为50%，而伊利石脱K+后具有蒙脱石性质，因此，矿物分析结果表明，土样具有产生分散性的内在因素。

4 分散性土的分散机理及鉴定

4.1 分散机理

分散性土在水中分散的实质是土粒间的连结在水的作用下破坏的过程，也是土粒间斥力超过吸引力使得相互排斥作用占优势的结果。

一般来说，松嫩平原具有地质作用形成蒙脱石含量较高的土壤，低平原区接纳周边的来水和江水，排水不畅，形成了众多的积水洼地。而且松嫩平原具半干旱特征，在强烈的蒸发作用下，地表积水因蒸发而浓缩，水中离子聚集于地表；而地下潜水，通过毛细作用运移蒸发，盐分积累于土体中，最终形成苏打盐碱土。含一定量蒙脱石的土体中含有大量的钠离子，并且pH 值较高，则黏土颗粒带的负电荷增加，能够吸附大量的钠离子，使得土颗粒双电层厚度增加，颗粒之间的引力降低，斥力增加，促使土颗粒之间分散[2]。

但也有一些分散性士，它们矿物成分不是蒙脱石为主，而是伊利石为主或伊利石加蒙脱石为主。伊利石晶格间脱K+就具有与蒙脱石一样性质，在高钠离子环境中大量吸附钠离子后，也会像蒙脱石那样具有强分散性[3]。

4.2 分散土的鉴别

4.2.1 野外鉴别

一般来说，分散性土在野外自然环境条件下，特别是降雨、水流等冲刷作用下，形成较为特殊的溶蚀、冲蚀微地貌和一些特殊现象。土料场位于花敖泡的库区范围内，现为荒草地，具有明显分散性土的野外地质特征，普遍发育有溶蚀小沟、溶蚀洞穴,积水浑浊,积水干涸后有粘性土沉积、龟裂等微地貌现象，地表有碱蓬、虎尾草、马蹄莲、蒿草、狗尾巴草等耐盐碱性植物。

4.2.2 试验鉴别

由于分散性土的复杂性，单一的指标往往不能准确地鉴定分散性土，目前多采用综合鉴定方法。这些方法包括野外调查、经验数学模型和室内试验等，其中室内试验方法参照SL 251-2015《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》、美国材料与试验协会（ASTM）、《分散性土研究》等，常用的方法有双比重计试验、碎块试验、针孔试验、孔隙水阳离子试验,以及交换性钠离子百分比（ESP）、钠吸附比（SAR）等，钠离子含量百分数（PS）可通过易溶盐阳离子总量（TDS）换算得到。

综合考虑多种平行分析鉴定结论（如表6），并结合环境地质条件和地区经验，两个料场土料以分散性土为主，少量过渡性土。考虑工程重要性，两个料场土料均按分散性土考虑。研究发现，分散性土在水平向和垂直向分布规律性不强。

5 分散性土改性试验研究

大多数工程往往采用单独掺加石灰的方法改性分散性土。松嫩平原工程实践经验表明，石灰改性分散性土的抗溶蚀性能、抗冲蚀性能及寒区冻融循环条件下的耐久性尚存在一定问题。如黑龙江省南部引嫩工程2009年经石灰改性处理，后期运行坝坡仍存在不同程度的冲蚀沟和洞。依据黑龙江省水科院在分散性土方面多年研究治理经验及成功案例，此工程采用石灰+粉煤灰（比例1∶2）、水泥+石灰+粉煤灰（比例1∶1∶4）两种改性试验方案。

5.1 改性土分散性试验

试验分别采用2%～6%不同石灰掺量进行对比研究，采用针孔试验和碎块试验进行改性后分散性鉴别。从表7 可以看出：针孔试验，不同胶材掺量下石灰+粉煤灰、水泥+石灰+粉煤灰改性方案对分散性土处理有较好改性效果，分散性土改性推荐胶材掺量4%；从表8 可以看出：碎块试验，石灰+粉煤灰改性方案更适合土料改性，分散性土改性推荐胶材掺量6%。

5.2 改性土渗透试验

该试验主要了解改性土在设计控制干密度下的渗透系数，试验装置为变水头中型渗透仪，分别按照石灰+粉煤灰和水泥+石灰+粉煤灰两种改性处理方案进行。结果显示，分散性土采用石灰+粉煤灰掺量6%，渗透系数为1.50×10-4cm/s；分散性土采用水泥+石灰+粉煤灰掺量6%，渗透系数为1.53×10-4cm/s。改性使土渗透系数增大，略超过均质坝对填筑土料渗透性要求。

6 分散性土筑坝设计

根据已有国内外工程经验，分散性土采用改性保护、阻隔，同时经现场碾压试验，该土料含水量适当，压实效果较好，填筑后的渗透系数较小，采用分散性土作为筑坝料在技术上和实践上是可行的。具体设计内容：1）改性处理措施为掺合石灰+粉煤灰改性方案，其中改性胶材总掺量为6%。2）大坝上游坝坡砂砾石防冻层下和坝顶路面采用复合土工膜包裹保护分散性粘土，并深入坝基以下5.0 m；下游坝坡采用处理改性后的分散性粘土填筑，填筑厚度为500 mm。坝坡防护处理厚度大于1.2 m。3）改性土和分散性土渗透性处于同一水平，改性处理厚度不对坝体浸润线造成明显影响；改性土与分散性土界面的抗剪性能随冻融循环次数增加而显著降低，改性土和分散土界面处于冻深以下。

7 结语

上文针对土料场分散性问题采用多种方法系统分析研究，并结合地质环境条件，考虑类似工程经验及拟建工程重要性等，综合判定土料为分散性土。鉴别方法满足现有规程、标准要求，结论准确、恰当。鉴于传统采用单一石灰改性分散性土在松嫩平原已有工程运行中暴露出的问题，此次分散性土改性试验方案采用最新改性技术，已有成功案例，技术先进可靠。分散性土筑坝设计原则符合类似工程惯例，结合改性试验成果和地区经验用于大坝设计，设计方案经济合理，安全适用。