董新榮，馬振洲，高 崇

（1.吉林水利電力職業(yè)學院，吉林 長春 130000；2.吉林省水利水電勘測設計研究院，吉林 長春 130012）

1 工程概述

吉林省乾安縣花敖泡蓄水調蓄工程水庫總庫容6.15 億m3，屬大（2）型水利工程，永久性主要建筑物擋水土壩（均質壩）采用折線型布置，壩長8 035.0 m，壩高17.6 m，壩頂寬6.0 m。設計填筑土方 700 萬 m3。

在前期調查階段，發(fā)現(xiàn)庫區(qū)料場具有溶蝕小溝、溶蝕洞穴、積水渾濁、積水干涸后有粘土沉積、龜裂等分散性土具有的微地貌及現(xiàn)象，而且通過雙比重計和孔隙陽離子法鑒別土料以分散性土和過渡性土為主。施工前期，為了減小施工難度、節(jié)省投資，擴大了料場調查范圍，尋找非分散性土填筑料，工程區(qū)北側30 km、南側20 km、西側25 km、東側45 km 范圍內(nèi)，發(fā)現(xiàn)可用的粘性土多為不連續(xù)的分散性土或過渡型土，大概率具有分散性特點，故施工時仍選用庫區(qū)范圍內(nèi)A1、A2 料場。對填筑土料的分散性及改性方案等進行了系統(tǒng)、深入的分析研究，為料場的選擇、大壩加強性防護處理設計方案的擬定和施工組織設計等提供了科學決策依據(jù)。

2 土料的基本物理力學性質

土的基本物理性質包括比重、液塑限、顆粒分析、滲透特性、含水率及黏土礦物成分等；力學性質包括抗剪強度及壓縮特性等。

2.1 物理性質

為了解土料的比重、界限含水率等基本物理指標，對A1 和A2 料場分別取樣試驗，試驗依據(jù)國家標準GB/T 50123-2019《土工試驗方法標準》的相關規(guī)定進行。結合施工取土深度，試驗取樣主要在地表下2.0 m 范圍以內(nèi)，所取土樣基本為0.3～2.0 m 以內(nèi)混合樣。

經(jīng)測定，其顆粒組成結果見表1 和圖1。從料場土樣的物理指標看，分別定名為含砂低液限粘土和低液限粘土；三角坐標分類分別定名為重粉質壤土和粉質黏土。

為了解土樣的壓實效果，對所取土樣進行擊實試驗，土樣的擊實曲線如圖2 所示。從土的物理性質來看與普通土沒有明顯區(qū)別。

2.2 力學性質

為了解土料的固結、抗剪特性，按土壩設計要求的壓實度確定控制干密度和含水量進行力學試驗。從表2試驗結果中的A1和A2料場的飽和壓縮系數(shù)來看壓縮性不高。三軸試驗抗剪強度高于直剪試驗抗剪強度，A2料場粘粒含量高，凝聚力較A1料場稍高，內(nèi)摩擦角較A1 料場偏小。從土的力學性質來看，符合一般規(guī)律，與普通土沒有明顯差別。

2.3 抗?jié)B及抗沖性質

此次試驗的目的是測定土料在無保護情況下的自身抗?jié)B強度，給出土料的臨界坡降、破壞坡降及允許坡降和破壞方式等。

從表3 的試驗結果看，土料試樣無破壞坡降；從試驗過程看，試驗過程中逐級加大滲流坡降時，試樣幾乎不透水，當水頭無法再繼續(xù)增加（試驗水頭3.6 m）時試樣沒有破壞。結合試驗可知，分散性土不透水～微透水，抗?jié)B比降較高，具有良好的防滲性能。

分散性土最明顯的工程特點就是抗沖蝕能力差，沖蝕后易形成管涌孔洞。我國北方的非分散性土抗沖蝕流速在100 cm/s 左右，沖蝕水力坡降大于2.0，而分散性土抗凈水沖蝕的流速很小，小于15 cm/s，沖蝕水力坡降甚至小于1.0，致使有些文獻認為，分散性土抗沖蝕流速為0[1]。

3 土料的化學性質及黏土礦物組成

3.1 化學性質

土料的化學性質主要指其酸堿度、有機質含量和含鹽量等。從表4 可以看出，A1 土樣的易溶鹽0.264，A2 土樣的易溶鹽0.365，易溶鹽含量隨深度減小。陰離子以HCO3-為主，陽離子以Na+為主；土的pH 值測定采用哈希pH 計，經(jīng)檢測A1 和A2 土料均呈堿性，pH 值隨著深度減小；A1 和A2土料有機質含量隨深度減小。

有關分散性土的研究表明，土的分散性與可交換Na+離子含量和pH 值有密切的關系。分散性土所處的環(huán)境Na+離子含量高，而且多呈堿性，常為蘇打鹽堿土分布區(qū)。從土料化學分析試驗結果來看，土樣具有產(chǎn)生分散性的環(huán)境條件。

3.2 礦物成分

黏土礦物成分分析依據(jù)SY/T 5163-2018《沉積巖中黏土礦物和常見非黏土礦物X 射線衍射分析方法》，通過X 射線衍射儀定性分析，初步分析可得出：黏土中含有大量石英、雜鹵石、鈉長石等非黏土礦物，同時含有蒙脫石、伊利石及高嶺土等黏土礦物。然后對于首先分離小于2 μm 黏土礦物，分別進行自然狀態(tài)、乙二醇飽和和加熱處理等步驟，分析各種黏土礦物相對含量。

經(jīng)驗表明，分散性黏土礦物成分中常常有一定量的鈉蒙脫土，如土壤中鈉蒙脫石含量較高，就易形成分散性黏土。從表5 試驗結果來看，土樣含有較多伊利石/蒙脫石混層礦物及伊利石，且二者含量約為50%，而伊利石脫K+后具有蒙脫石性質，因此，礦物分析結果表明，土樣具有產(chǎn)生分散性的內(nèi)在因素。

4 分散性土的分散機理及鑒定

4.1 分散機理

分散性土在水中分散的實質是土粒間的連結在水的作用下破壞的過程，也是土粒間斥力超過吸引力使得相互排斥作用占優(yōu)勢的結果。

一般來說，松嫩平原具有地質作用形成蒙脫石含量較高的土壤，低平原區(qū)接納周邊的來水和江水，排水不暢，形成了眾多的積水洼地。而且松嫩平原具半干旱特征，在強烈的蒸發(fā)作用下，地表積水因蒸發(fā)而濃縮，水中離子聚集于地表；而地下潛水，通過毛細作用運移蒸發(fā)，鹽分積累于土體中，最終形成蘇打鹽堿土。含一定量蒙脫石的土體中含有大量的鈉離子，并且pH 值較高，則黏土顆粒帶的負電荷增加，能夠吸附大量的鈉離子，使得土顆粒雙電層厚度增加，顆粒之間的引力降低，斥力增加，促使土顆粒之間分散[2]。

但也有一些分散性士，它們礦物成分不是蒙脫石為主，而是伊利石為主或伊利石加蒙脫石為主。伊利石晶格間脫K+就具有與蒙脫石一樣性質，在高鈉離子環(huán)境中大量吸附鈉離子后，也會像蒙脫石那樣具有強分散性[3]。

4.2 分散土的鑒別

4.2.1 野外鑒別

一般來說，分散性土在野外自然環(huán)境條件下，特別是降雨、水流等沖刷作用下，形成較為特殊的溶蝕、沖蝕微地貌和一些特殊現(xiàn)象。土料場位于花敖泡的庫區(qū)范圍內(nèi)，現(xiàn)為荒草地，具有明顯分散性土的野外地質特征，普遍發(fā)育有溶蝕小溝、溶蝕洞穴,積水渾濁,積水干涸后有粘性土沉積、龜裂等微地貌現(xiàn)象，地表有堿蓬、虎尾草、馬蹄蓮、蒿草、狗尾巴草等耐鹽堿性植物。

4.2.2 試驗鑒別

由于分散性土的復雜性，單一的指標往往不能準確地鑒定分散性土，目前多采用綜合鑒定方法。這些方法包括野外調查、經(jīng)驗數(shù)學模型和室內(nèi)試驗等，其中室內(nèi)試驗方法參照SL 251-2015《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》、美國材料與試驗協(xié)會（ASTM）、《分散性土研究》等，常用的方法有雙比重計試驗、碎塊試驗、針孔試驗、孔隙水陽離子試驗,以及交換性鈉離子百分比（ESP）、鈉吸附比（SAR）等，鈉離子含量百分數(shù)（PS）可通過易溶鹽陽離子總量（TDS）換算得到。

綜合考慮多種平行分析鑒定結論（如表6），并結合環(huán)境地質條件和地區(qū)經(jīng)驗，兩個料場土料以分散性土為主，少量過渡性土?？紤]工程重要性，兩個料場土料均按分散性土考慮。研究發(fā)現(xiàn)，分散性土在水平向和垂直向分布規(guī)律性不強。

5 分散性土改性試驗研究

大多數(shù)工程往往采用單獨摻加石灰的方法改性分散性土。松嫩平原工程實踐經(jīng)驗表明，石灰改性分散性土的抗溶蝕性能、抗沖蝕性能及寒區(qū)凍融循環(huán)條件下的耐久性尚存在一定問題。如黑龍江省南部引嫩工程2009年經(jīng)石灰改性處理，后期運行壩坡仍存在不同程度的沖蝕溝和洞。依據(jù)黑龍江省水科院在分散性土方面多年研究治理經(jīng)驗及成功案例，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）兩種改性試驗方案。

5.1 改性土分散性試驗

試驗分別采用2%～6%不同石灰摻量進行對比研究，采用針孔試驗和碎塊試驗進行改性后分散性鑒別。從表7 可以看出：針孔試驗，不同膠材摻量下石灰+粉煤灰、水泥+石灰+粉煤灰改性方案對分散性土處理有較好改性效果，分散性土改性推薦膠材摻量4%；從表8 可以看出：碎塊試驗，石灰+粉煤灰改性方案更適合土料改性，分散性土改性推薦膠材摻量6%。

5.2 改性土滲透試驗

該試驗主要了解改性土在設計控制干密度下的滲透系數(shù)，試驗裝置為變水頭中型滲透儀，分別按照石灰+粉煤灰和水泥+石灰+粉煤灰兩種改性處理方案進行。結果顯示，分散性土采用石灰+粉煤灰摻量6%，滲透系數(shù)為1.50×10-4cm/s；分散性土采用水泥+石灰+粉煤灰摻量6%，滲透系數(shù)為1.53×10-4cm/s。改性使土滲透系數(shù)增大，略超過均質壩對填筑土料滲透性要求。

6 分散性土筑壩設計

根據(jù)已有國內(nèi)外工程經(jīng)驗，分散性土采用改性保護、阻隔，同時經(jīng)現(xiàn)場碾壓試驗，該土料含水量適當，壓實效果較好，填筑后的滲透系數(shù)較小，采用分散性土作為筑壩料在技術上和實踐上是可行的。具體設計內(nèi)容：1）改性處理措施為摻合石灰+粉煤灰改性方案，其中改性膠材總摻量為6%。2）大壩上游壩坡砂礫石防凍層下和壩頂路面采用復合土工膜包裹保護分散性粘土，并深入壩基以下5.0 m；下游壩坡采用處理改性后的分散性粘土填筑，填筑厚度為500 mm。壩坡防護處理厚度大于1.2 m。3）改性土和分散性土滲透性處于同一水平，改性處理厚度不對壩體浸潤線造成明顯影響；改性土與分散性土界面的抗剪性能隨凍融循環(huán)次數(shù)增加而顯著降低，改性土和分散土界面處于凍深以下。

7 結語

上文針對土料場分散性問題采用多種方法系統(tǒng)分析研究，并結合地質環(huán)境條件，考慮類似工程經(jīng)驗及擬建工程重要性等，綜合判定土料為分散性土。鑒別方法滿足現(xiàn)有規(guī)程、標準要求，結論準確、恰當。鑒于傳統(tǒng)采用單一石灰改性分散性土在松嫩平原已有工程運行中暴露出的問題，此次分散性土改性試驗方案采用最新改性技術，已有成功案例，技術先進可靠。分散性土筑壩設計原則符合類似工程慣例，結合改性試驗成果和地區(qū)經(jīng)驗用于大壩設計，設計方案經(jīng)濟合理，安全適用。