周吉軍

我國北方廣泛分布的風(fēng)積黃土，早已用于水利工程中，但作為防滲土料的抗沖蝕特性研究，特別是與一般分散性粘土的差異化認(rèn)知還很欠缺。本文從分散性粘土的分散機(jī)理出發(fā)，用天山北坡風(fēng)積黃土的相關(guān)參數(shù)與一般分散性土進(jìn)行對比，分析了兩者抗沖蝕能力差的不同原因，提出了改進(jìn)風(fēng)積黃土抗沖蝕特性研究方法的建議，供同行參考。

一、問題的提出

防滲用粘土料，從滲透穩(wěn)定角度看，有分散性土和非分散性土兩類，其中分散性土不宜用做防滲土料，規(guī)范已明確規(guī)定?？纤雇咛厮畮齑髩问翘幱冖葏^(qū)的百米級高壩，工程區(qū)廣泛分布風(fēng)積黃土，如果此類土料能夠排除分散性，粘土心墻壩將具有抗震安全方面的優(yōu)勢。通過對典型分散性土和風(fēng)積黃土不同特性的對比分析發(fā)現(xiàn)，這兩種土雖然抗沖蝕能力均較差，但性質(zhì)有根本性差異，直接采用現(xiàn)行的鑒定方法，對風(fēng)積黃土是不適宜的。

二、典型分散性土的特性

分散性粘土在低含鹽量或純凈水中細(xì)顆粒之間的粘聚力大部分或全部喪失，呈團(tuán)聚狀的土體自行分散成原級的粘土顆粒，它的抗沖蝕能力很低，容易造成堤壩管涌，因此危害性很大。分散性土被水沖蝕破壞是一個復(fù)雜的物理、化學(xué)和力學(xué)過程，是多因素作用的結(jié)果，其中主要影響因素有：

粘粒含量：我們通常說的粘性土是指液限大于25%，塑性指數(shù)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導(dǎo)致土樣出現(xiàn)分散現(xiàn)象，就不屬于粘性土的分散性研究范圍，而是無凝聚性土的研究范疇了，如粉砂和細(xì)砂在水中也分散，但機(jī)理與粘性土不同。

粘土礦物成分：常見的粘土礦物有高嶺石類、蒙脫石類、伊利石類，它們是土中物理化學(xué)性質(zhì)活躍的物質(zhì)，對粘性土的工程性質(zhì)有著顯著影響。其中高嶺石類礦物結(jié)晶牢固，遇水僅產(chǎn)生體積膨脹，不會分散；蒙脫石類晶層間聯(lián)結(jié)弱，晶格具有擴(kuò)展性，特別是吸附鈉離子的鈉蒙脫石具有強(qiáng)分散性；伊利石則介于兩者之間。

有機(jī)質(zhì)：土中的有機(jī)質(zhì)具有膠體性質(zhì)，可以促進(jìn)土壤團(tuán)粒結(jié)構(gòu)的形成，且富含酸性物質(zhì)，可以降低土體的酸堿度，能減少土體的分散傾向。

鈉離子：在常態(tài)下，水是土中液相物質(zhì)的主要成分，溶解于水中的各種電解質(zhì)以離子或化合物的形式存在于水中，它和水以及水中的粘土顆粒構(gòu)成“土-水-電解質(zhì)”系統(tǒng)，影響土的工程性質(zhì)。一般來說，粘土顆粒表面帶負(fù)電荷，它會吸附陽離子在其周圍形成吸附層和擴(kuò)散層，研究人員稱之為雙電層，雙電層越厚，顆粒分散性越強(qiáng)。在自然界的土體中，陽離子主要有Ca2+、Mg2+、Na+、K+，一價的Na+的雙電層厚度是二價的Ca2+的兩倍，因此若土樣中含有大量的鈉離子，使得土顆粒間雙電層厚度增加，排斥力大于吸引力，則土樣易產(chǎn)生分散。

酸堿度pH值：粘土礦物顆粒表面和邊緣有可能暴露出來的羥基（SiOH）分解成SiO-和H+,它受到pH值的強(qiáng)烈影響，pH值越高，H+離子進(jìn)入溶液的趨勢越大，因此高pH值使顆粒分散，低pH值會導(dǎo)致顆粒從懸液中絮凝。

以上五個因素中，粘粒含量、粘土礦物成分和有機(jī)質(zhì)含量屬于土的固相組分，一般具有不可變性，但粘土礦物表面的電化學(xué)性質(zhì)卻隨著空隙水中陽離子的種類及含量和pH值的變化而變化，因此粘土的分散性是土、水、電解質(zhì)組成的整個系統(tǒng)共同影響的結(jié)果，因此分散性常常表現(xiàn)為溶蝕性的化學(xué)反應(yīng)。

三、分散性土鑒定的現(xiàn)行方法

到目前為止，分散性土的鑒定方法還在改進(jìn)之中，但總體認(rèn)為野外調(diào)查和識別、常規(guī)室內(nèi)試驗(yàn)、室內(nèi)分散性鑒定試驗(yàn)三者缺一不可，而且三者相結(jié)合進(jìn)行綜合鑒定是當(dāng)前大家公認(rèn)的路徑。

首先需要做好野外調(diào)查與識別，直觀判斷其抗純凈水沖蝕能力。重點(diǎn)包括觀察土料場雨后水溝、水坑積水和干涸后情況，若發(fā)現(xiàn)水坑積水長期渾濁，干后坑底留下很細(xì)的粘土沉積龜裂，則土料可能具有分散性；觀察坡面上沖溝和孔洞的發(fā)育情況；觀察料場的新鮮土坡或坡下大土塊的完整性；觀察地表植被及有機(jī)質(zhì)情況；了解粘土生成環(huán)境；盡早用簡易碎塊試驗(yàn)現(xiàn)場初判等。土樣常規(guī)室內(nèi)試驗(yàn)取得的顆粒級配、界限含水率、可溶鹽和各類離子含量、pH值、有機(jī)質(zhì)含量及粘土礦物組成等參數(shù)，是分散性研判的重要依據(jù)。對粘土礦物中蒙脫石含量多、陽離子中鈉離子含量高、pH值高、有機(jī)質(zhì)含量低的土料，進(jìn)行深入研究是必要的。

目前常用的分散性鑒定試驗(yàn)方法包括雙比重計試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)、孔隙水可溶性陽離子試驗(yàn)、交換性鈉離子百分比試驗(yàn)，實(shí)踐中多采用五種試驗(yàn)結(jié)果分別賦予一定權(quán)重的方法判定分散性。

但在實(shí)際工作中，野外調(diào)查的結(jié)論往往被忽視，而試驗(yàn)研究方法的適宜性卻較少被質(zhì)疑，這是目前分散性土鑒定中的不良傾向。

四、風(fēng)積黃土及其特性

1.本工程風(fēng)積黃土特性指標(biāo)

肯斯瓦特水庫工程區(qū)廣泛分布風(fēng)積黃土，這些第四系上更新統(tǒng)風(fēng)積物，從工程分類屬于低液限粉土，儲量豐富，開采運(yùn)輸便利。土中的粉粒含量77.0%，粘粒17.6%；塑性指數(shù)9.9；天然含水量9.0%，最優(yōu)含水量14.3%，最大干密度1.83g/cm3，滲透系數(shù)1.8×10-7cm/s；有機(jī)質(zhì)含量0.22%；水溶鹽含量0.68%；pH值9.1；土粒比重2.70g/cm3；飽和固結(jié)快剪強(qiáng)度為Φ=27.9°，C=20.9kPa。與規(guī)范要求的心墻土料標(biāo)準(zhǔn)對比，土料天然含水量偏低，塑性指數(shù)偏低，與北方大多數(shù)風(fēng)積黃土特性一致。

2.與分散性土的相似性分析

樊恒輝等收集了大量的工程實(shí)例，對一般分散性土進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計分析，總結(jié)出以下幾個界限參數(shù)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）塑性指數(shù)小于15，多屬于分散性或過渡性；（4）有機(jī)質(zhì)含量小于5g/kg，具有不確定性；（5）pH值大于8.6，多屬于分散性或過渡性；（6）土體中易溶鹽含量高特別是低價陽離子含量越高的土，分散性概率越大。

肯斯瓦特工程土料的特征參數(shù)與上述統(tǒng)計界限值對比，具有極高的吻合度，很容易將其當(dāng)作分散性土。從2005年開始，本工程先后邀請三家科研單位開展了三輪分散性試驗(yàn)研究，均未能排除其分散性，因此工程決策時放棄了粘土心墻壩壩型。

五、質(zhì)疑與建議

土的分散性問題是在高粘性土中發(fā)現(xiàn)的，表現(xiàn)為溶蝕為主的化學(xué)變化，而低粘性土抗沖蝕性差更像物理變化。無論是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計界限參數(shù)判定，還是試驗(yàn)判定，都是將這兩種土料不加區(qū)分、使用同一個標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行的，這是問題的關(guān)鍵所在。結(jié)合本工程研究過程與風(fēng)積黃土的工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，提出以下幾點(diǎn)看法：

一是對風(fēng)積黃土與典型分散性粘土抗沖蝕能力差的原因，沒有區(qū)別對待。從風(fēng)積黃土的顆粒組成看，粉粒含量高達(dá)77.5%，粘粒含量不高，抗沖蝕性差是肯定的，但不太可能出現(xiàn)典型分散性粘土的溶蝕現(xiàn)象。二是對風(fēng)積黃土野外抗沖蝕表現(xiàn)，沒有高度重視。野外勘察發(fā)現(xiàn)，土體在雨水的作用下多出現(xiàn)濕陷、塌陷現(xiàn)象，并不存在沖溝和孔洞；土體在受沖蝕后形成的積水也暫時渾濁，一定時間后水質(zhì)可恢復(fù)清澈，并不存在絮狀物質(zhì)，沉淀后底部出現(xiàn)粉細(xì)沉淀物，但干涸后不會出現(xiàn)龜裂。雨水對土體的沖刷以物理沖刷最為明顯，形態(tài)與分散性土不同。三是對可交換鈉離子的研究沒有深入。當(dāng)?shù)赝亮弦兹茺}含量高，鈉離子含量也高，但歷次試驗(yàn)除了土樣組數(shù)不足外，試驗(yàn)研究時對粘土礦物中高嶺石、伊利石和蒙脫石占比的分析也不夠，特別是鈉蒙脫石含量沒有重點(diǎn)研究。四是研究工作與工程結(jié)合不緊密。比如沒有開展使用當(dāng)?shù)睾铀尼槍π栽囼?yàn)研究；另外模擬添加生石灰水調(diào)節(jié)含水量，再檢驗(yàn)抗沖蝕性能的研究沒有開展等。五是對工程類比經(jīng)驗(yàn)重視不夠。如新疆伊犁河恰甫其海水庫工程，其粘土心墻料與肯斯瓦特水庫土料基本相同，工程建成正常運(yùn)行多年，說明此類土作為高壩的防滲心墻是經(jīng)得起實(shí)踐考驗(yàn)的。

綜上所述，對于在我國北方廣泛分布的風(fēng)積黃土的抗?jié)B安全性的認(rèn)知還需要繼續(xù)提升，建議重新審視現(xiàn)行的分散性土鑒定評價體系，研究探索適宜風(fēng)積黃土的抗沖蝕安全評價方法，使風(fēng)積黃土的防滲安全研究水平更進(jìn)一步。