花敖泡蓄水調(diào)蓄工程填筑土料分散性與治理研究

董新榮，馬振洲，高 崇

（1.吉林水利電力職業(yè)學(xué)院，吉林 長春 130000；2.吉林省水利水電勘測設(shè)計(jì)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(diào)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(zhì)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(shè)計(jì)填筑土方 700 萬 m3。

在前期調(diào)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(jì)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(kuò)大了料場調(diào)查范圍，尋找非分散性土填筑料，工程區(qū)北側(cè)30 km、南側(cè)20 km、西側(cè)25 km、東側(cè)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(diǎn)，故施工時(shí)仍選用庫區(qū)范圍內(nèi)A1、A2 料場。對(duì)填筑土料的分散性及改性方案等進(jìn)行了系統(tǒng)、深入的分析研究，為料場的選擇、大壩加強(qiáng)性防護(hù)處理設(shè)計(jì)方案的擬定和施工組織設(shè)計(jì)等提供了科學(xué)決策依據(jù)。

2 土料的基本物理力學(xué)性質(zhì)

土的基本物理性質(zhì)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(xué)性質(zhì)包括抗剪強(qiáng)度及壓縮特性等。

2.1 物理性質(zhì)

為了解土料的比重、界限含水率等基本物理指標(biāo)，對(duì)A1 和A2 料場分別取樣試驗(yàn)，試驗(yàn)依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 50123-2019《土工試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行。結(jié)合施工取土深度，試驗(yàn)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(jié)果見表1 和圖1。從料場土樣的物理指標(biāo)看，分別定名為含砂低液限粘土和低液限粘土；三角坐標(biāo)分類分別定名為重粉質(zhì)壤土和粉質(zhì)黏土。

為了解土樣的壓實(shí)效果，對(duì)所取土樣進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，土樣的擊實(shí)曲線如圖2 所示。從土的物理性質(zhì)來看與普通土沒有明顯區(qū)別。

2.2 力學(xué)性質(zhì)

為了解土料的固結(jié)、抗剪特性，按土壩設(shè)計(jì)要求的壓實(shí)度確定控制干密度和含水量進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)。從表2試驗(yàn)結(jié)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(yàn)抗剪強(qiáng)度高于直剪試驗(yàn)抗剪強(qiáng)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(xué)性質(zhì)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(zhì)

此次試驗(yàn)的目的是測定土料在無保護(hù)情況下的自身抗?jié)B強(qiáng)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(yàn)結(jié)果看，土料試樣無破壞坡降；從試驗(yàn)過程看，試驗(yàn)過程中逐級(jí)加大滲流坡降時(shí)，試樣幾乎不透水，當(dāng)水頭無法再繼續(xù)增加（試驗(yàn)水頭3.6 m）時(shí)試樣沒有破壞。結(jié)合試驗(yàn)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(diǎn)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(xiàn)認(rèn)為，分散性土抗沖蝕流速為0[1]。

3 土料的化學(xué)性質(zhì)及黏土礦物組成

3.1 化學(xué)性質(zhì)

土料的化學(xué)性質(zhì)主要指其酸堿度、有機(jī)質(zhì)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(jì)，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(jī)質(zhì)含量隨深度減小。

有關(guān)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(guān)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(xué)分析試驗(yàn)結(jié)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(shí)含有蒙脫石、伊利石及高嶺土等黏土礦物。然后對(duì)于首先分離小于2 μm 黏土礦物，分別進(jìn)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(duì)含量。

經(jīng)驗(yàn)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(yàn)結(jié)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(zhì)，因此，礦物分析結(jié)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(jī)理及鑒定

4.1 分散機(jī)理

分散性土在水中分散的實(shí)質(zhì)是土粒間的連結(jié)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(jié)果。

一般來說，松嫩平原具有地質(zhì)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(qiáng)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(xì)作用運(yùn)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(fù)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(zhì)，在高鈉離子環(huán)境中大量吸附鈉離子后，也會(huì)像蒙脫石那樣具有強(qiáng)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(zhì)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(yàn)鑒別

由于分散性土的復(fù)雜性，單一的指標(biāo)往往不能準(zhǔn)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(diào)查、經(jīng)驗(yàn)數(shù)學(xué)模型和室內(nèi)試驗(yàn)等，其中室內(nèi)試驗(yàn)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(yàn)協(xié)會(huì)（ASTM）、《分散性土研究》等，常用的方法有雙比重計(jì)試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)、孔隙水陽離子試驗(yàn),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?jǐn)?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(jié)論（如表6），并結(jié)合環(huán)境地質(zhì)條件和地區(qū)經(jīng)驗(yàn)，兩個(gè)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(gè)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(qiáng)。

5 分散性土改性試驗(yàn)研究

大多數(shù)工程往往采用單獨(dú)摻加石灰的方法改性分散性土。松嫩平原工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)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(yùn)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(yàn)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(yàn)方案。

5.1 改性土分散性試驗(yàn)

試驗(yàn)分別采用2%～6%不同石灰摻量進(jìn)行對(duì)比研究，采用針孔試驗(yàn)和碎塊試驗(yàn)進(jìn)行改性后分散性鑒別。從表7 可以看出：針孔試驗(yàn)，不同膠材摻量下石灰+粉煤灰、水泥+石灰+粉煤灰改性方案對(duì)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(yàn)，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(yàn)

該試驗(yàn)主要了解改性土在設(shè)計(jì)控制干密度下的滲透系數(shù)，試驗(yàn)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(jìn)行。結(jié)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(zhì)壩對(duì)填筑土料滲透性要求。

6 分散性土筑壩設(shè)計(jì)

根據(jù)已有國內(nèi)外工程經(jīng)驗(yàn)，分散性土采用改性保護(hù)、阻隔，同時(shí)經(jīng)現(xiàn)場碾壓試驗(yàn)，該土料含水量適當(dāng)，壓實(shí)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(shù)上和實(shí)踐上是可行的。具體設(shè)計(jì)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(fù)合土工膜包裹保護(hù)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(hù)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(duì)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(jié)語

上文針對(duì)土料場分散性問題采用多種方法系統(tǒng)分析研究，并結(jié)合地質(zhì)環(huán)境條件，考慮類似工程經(jīng)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)要求，結(jié)論準(zhǔn)確、恰當(dāng)。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(yùn)行中暴露出的問題，此次分散性土改性試驗(yàn)方案采用最新改性技術(shù)，已有成功案例，技術(shù)先進(jìn)可靠。分散性土筑壩設(shè)計(jì)原則符合類似工程慣例，結(jié)合改性試驗(yàn)成果和地區(qū)經(jīng)驗(yàn)用于大壩設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)方案經(jīng)濟(jì)合理，安全適用。