賀志攀，孫占勝，賀志丹

（1.開(kāi)封市城區(qū)水利局，河南 開(kāi)封 475001；2.中國(guó)水利水電工程局第十三局有限公司，天津300384）

1 工程概況

瑪烏阿納（Mahouane）水利工程位于阿爾及利亞賽迪夫市瑪烏阿納鎮(zhèn)東北的蓋薩爾（Guessar）河上，主要功能是城市供水和農(nóng)田灌溉。 該工程主要有黏土心墻堆石壩、導(dǎo)流洞和泄水底孔、取水塔等組成。其中，大壩壩頂全長(zhǎng)為884 m，壩頂寬度為7 m，最大壩高為88 m。在正常蓄水位（高程1146.30 m）時(shí)，所形成的水庫(kù)庫(kù)容為14 800 萬(wàn)m3。

根據(jù)設(shè)計(jì)，大壩黏土心墻上下游沿壩軸線方向均需填筑3 m 寬的反濾料，反濾料設(shè)計(jì)粒徑范圍為0.08～6.3 mm，含泥量（〈0.08mm 顆粒）≤5%，設(shè)計(jì)填筑方量約為66.5 萬(wàn)m3。 為了提高反濾料生產(chǎn)率，加快大壩填筑進(jìn)程，承包方工程師提出，對(duì)大壩填筑的黏土進(jìn)行細(xì)顆粒分析試驗(yàn)（密度計(jì)法），并根據(jù)分析結(jié)果，適當(dāng)放寬反濾料顆粒級(jí)配。

2 顆粒分析試驗(yàn)準(zhǔn)備

黏土細(xì)顆粒試驗(yàn)是利用分散劑將細(xì)顆粒黏土（粒徑小于0.08 mm，我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)為0.075 mm）完全分散在混合溶液中，再通過(guò)密度計(jì)來(lái)觀察各個(gè)時(shí)間段的溶液比重， 并根據(jù)密度計(jì)在溶液中的讀數(shù)變化，得出黏土顆粒的粒徑大小情況[1]。

2.1 試驗(yàn)所用分散劑的制備

試驗(yàn)所用分散劑為4%的六偏磷酸鈉，即每4 g六偏磷酸鈉晶體融于96 g 純水中[2]。

2.2 試驗(yàn)儀器校正[3]

試驗(yàn)所用量筒高h(yuǎn)=32 cm，容量為1 000 ml。 試驗(yàn)用密度計(jì)為TM-85 土壤密度計(jì)（甲種），其浮泡體積為63.24 cm3，浮泡中心至最低刻度的距離為8.40 cm，標(biāo)尺總長(zhǎng)13.80 cm。 密度計(jì)在出廠前已經(jīng)進(jìn)行校正。 但是，由于實(shí)驗(yàn)時(shí)的環(huán)境變化，還需進(jìn)行以下校正。

（1）密度計(jì)的土粒沉降距離校正。 試驗(yàn)時(shí)，密度計(jì)的讀數(shù)所表示的為密度計(jì)液泡體積中心點(diǎn)的溶液密度，而懸液面到密度計(jì)液泡體積中心點(diǎn)的距離即為土粒的沉降深度。 當(dāng)懸液中放入密度計(jì)后，由于液面升高，導(dǎo)致土粒沉降距離測(cè)量值比實(shí)際的要大，所以要加以矯正。 其校正式為

式中：L 為土粒落距，㎝；R 為甲種密度計(jì)讀數(shù)，㎝；a、b 為校正系數(shù)，對(duì)試驗(yàn)所用量筒，a=21.17，b=0.279。

（2）密度計(jì)在不同懸液溫度中的校正。 甲種密度計(jì)的刻度是在20℃時(shí)刻制的。 試驗(yàn)時(shí)，水和密度計(jì)浮泡體積都會(huì)隨著溫度的變化發(fā)生變化，所以要對(duì)讀數(shù)進(jìn)行校正。 部分校正數(shù)值可查表1。

表1 實(shí)驗(yàn)懸液溫度校正值Table 1 Experimental suspension temperature adjusted values

（3）密度計(jì)土粒比重校正。 密度計(jì)刻度是假定土粒比重為2.65 時(shí)刻制的。 在試驗(yàn)中，應(yīng)先由比重法測(cè)出黏土顆粒比重，然后加以校正。 部分校正數(shù)值由表2 查得。

表2 土粒比重校正值Table 2 Soil particle specific weight adjusted values

（4）密度計(jì)的分散劑校正。 因?yàn)槊芏扔?jì)的刻度是以純水為標(biāo)準(zhǔn)的，當(dāng)懸液中加入分散劑后，密度增大，因此需加以校正。 該試驗(yàn)校正值CD=0.5。

（5）密度計(jì)的彎液面計(jì)數(shù)校正。 密度計(jì)刻度刻值是以彎液面底為標(biāo)準(zhǔn)的，而試驗(yàn)時(shí)讀數(shù)為彎液面頂部，所以要進(jìn)行彎液面校正。 該試驗(yàn)彎液面校正值n=0.5。

2.3 試驗(yàn)樣品處理[4]

將試驗(yàn)所需黏土樣品在自然條件下風(fēng)干，進(jìn)行初步碾碎（如黏土中含有沙礫石，不得破壞其完整性）。 然后，用四分法取1 kg（稱量應(yīng)精準(zhǔn)至1g）代表土樣進(jìn)行顆粒分析。 取得的土樣在橡皮板上用木碾進(jìn)行進(jìn)一步破碎， 然后過(guò)2 mm 篩， 并用四分法取30 g 篩下土樣進(jìn)行小于0.08 mm 黏土細(xì)顆粒分析試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)方法

3.1 粗顆粒篩分試驗(yàn)

（1）將1kg 風(fēng)干土樣置于瓷盆中浸水一天，使土樣充分浸潤(rùn)，與粗細(xì)顆粒分離。

（2）將浸潤(rùn)后的混合液過(guò)2 mm 細(xì)篩，邊攪拌、邊沖洗、邊過(guò)篩，直至篩上僅存大于2 mm 的顆粒為止。 然后，將篩上顆粒風(fēng)干稱量，精準(zhǔn)至0.1 g。 取篩上風(fēng)干式樣倒入依次疊好的20 mm、10 mm、5 mm、2 mm 的粗篩的最上層篩中進(jìn)行篩分試驗(yàn)。 試驗(yàn)結(jié)束后，將留在各篩上的土樣分別稱量，精準(zhǔn)至0.1 g。

（3）用帶橡皮頭的研杵研磨粒徑小于2 mm 的混合液，稍待沉淀后，將上部懸液過(guò)0.08 mm 細(xì)篩。 再向瓷盆中加清水研磨，靜置過(guò)篩。 如此反復(fù)，直至盆內(nèi)懸液澄清。 最后將全部土料倒在0.08 mm 篩上，用水沖洗， 直至篩上僅留大于0.08 mm 的凈沙為止。

（4）將粒徑大于0.08 mm 的凈沙烘干稱量，精確至0.01 g。 取烘干試樣倒入依次疊好的1 mm、0.6 mm、0.3 mm、0.15 mm、0.08 mm 的細(xì)篩的最上層篩中，進(jìn)行篩分試驗(yàn)。 試驗(yàn)結(jié)束后，將留在各篩上的土樣分別稱量，精準(zhǔn)至0.01 g。

3.2 黏土細(xì)顆粒分析試驗(yàn)

（1）將小于2 mm 的30 g 黏土顆粒裝入燒杯中，注入200 ml 水浸泡24 h，然后放入沙浴中煮沸1 h。

（2）冷卻后，用帶橡皮頭的研杵研磨，然后靜置1 min，將上部懸液倒入量筒。 再加水?dāng)嚢柩心?，靜置約1 min，再將上部懸液倒入量筒，如此反復(fù)操作，直至杯內(nèi)懸液澄清為止。 將杯中剩余顆粒全部倒入0.08 mm 篩上沖洗， 直至篩上僅留大于0.08 mm 的顆粒為止。

（3）將過(guò)篩懸液倒入量筒，加入4%濃度的六偏磷酸鈉10 ml 于量筒溶液中，再注入純水，至量筒懸液達(dá)1 000 ml。

（4）用攪拌器在量筒內(nèi)沿整個(gè)懸液深度上下攪拌，1min 內(nèi)往復(fù)各約30 次，攪拌時(shí)注意不要濺出懸液。

（5）取出攪拌器，將密度計(jì)放入懸液中，同時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)， 測(cè)出2 min、5 min、15 min、30 min、4 min、5 min、60 min、120 min、240 min、1 440 min 時(shí)密度計(jì)讀數(shù)。 每次讀數(shù)均應(yīng)在預(yù)定時(shí)間前10～20 s 將密度計(jì)小心放入懸液接近讀數(shù)的深度，并保持其在密度計(jì)量筒中部位置。 進(jìn)行密度計(jì)讀數(shù)時(shí)，以彎液面上緣為準(zhǔn)，讀數(shù)精確至0.5。 每次讀數(shù)完畢后，應(yīng)立即把密度計(jì)放入盛有純水的量筒中，并測(cè)定相應(yīng)懸液溫度，準(zhǔn)確至0.5℃。

4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)整理與計(jì)算

4.1 顆粒粒徑計(jì)算

顆粒粒徑計(jì)算公式為[4]

式中：d 為顆粒直徑，mm；k 為顆粒粒徑計(jì)算系數(shù)， 可查表3；L 為某一時(shí)間t 內(nèi)的土粒沉降距離，cm；t 為沉降時(shí)間，s。

4.2 小于某粒徑的土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)算

小于某粒徑的土質(zhì)量百分?jǐn)?shù)計(jì)算公式為[4]

式中：X 為小于某粒徑土的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，%；md為試樣干質(zhì)量，g；Cs為土粒比重校正值；R 為甲種密度計(jì)讀數(shù)；mt為溫度校正值；n 為彎液面校正值，本次試驗(yàn)取0.5；CD為分散劑校正值，本次試驗(yàn)取0.5。

4.3 計(jì)算結(jié)果

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)計(jì)算和校正，得到小于0.08 mm 的顆粒粒徑d 和其對(duì)應(yīng)的小于某粒徑的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)X。 此處的小于某粒徑的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)X 是相對(duì)于試驗(yàn)所取的2 mm 以下的30 g 試驗(yàn)樣品而言的。 對(duì)于整體黏土顆粒分析（即1 kg 代表土樣）來(lái)說(shuō)，小于某粒徑的顆粒含量還要乘以小于2 mm 土質(zhì)量的百分?jǐn)?shù)。

表3 不同溫度和比重的土粒粒徑計(jì)算系數(shù)k值表Table 3 k values of different temperatures and specific weight of soil particle size calculation factors

現(xiàn)以2#料場(chǎng)為例，進(jìn)行黏土顆粒分析，其粗顆粒篩分試驗(yàn)結(jié)果如表4 所示。 對(duì)其小于2 mm 的顆粒（質(zhì)量百分?jǐn)?shù)為95.93%）進(jìn)行細(xì)顆粒篩分試驗(yàn)，其結(jié)果如表5 所示。

表4 土的粗顆粒篩分試驗(yàn)表Table 4 Coarse particles of soil screening test

以顆粒粒徑（d）為橫坐標(biāo)，以小于某粒徑土的質(zhì)量百分（X）為縱坐標(biāo)，在對(duì)數(shù)表格中可得出黏土的顆粒分析曲線（如圖1 所示）。

圖1 黏土顆粒分析曲線Fig.1 Clay particles analysis curve

表5 土的細(xì)顆粒分析試驗(yàn)表Table 5 Clay particles analysis test

5 結(jié)語(yǔ)

遵循上述試驗(yàn)方法，阿爾及利亞瑪烏阿娜大壩工程試驗(yàn)室對(duì)所屬2#、3#、4#、5#黏土料場(chǎng)分次取樣，共計(jì)進(jìn)行30 組試驗(yàn)， 并將試驗(yàn)數(shù)據(jù)與另一座同時(shí)填筑的土石壩（大壩設(shè)計(jì)基本相同，反濾料包絡(luò)線完全一致） 的黏土細(xì)顆粒分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，提交了反濾料優(yōu)化申請(qǐng)，得到了設(shè)計(jì)部門的批準(zhǔn)。

[1] GBJ145-90，土的分類標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] SL110-118-95，土工試驗(yàn)專用儀器檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] GBT15406-94，土工儀器的基本參數(shù)及通用技術(shù)條件[S].

[4] SL237-1999，土工試驗(yàn)規(guī)程[S].