李兆宇，張家陽，蘇安雙，王遠明

(1.黑龍江省水利科學(xué)研究院，黑龍江 哈爾濱 150080；2.黑龍江省三江工程建設(shè)管理局，黑龍江 哈爾濱 150081)

分散性土是一種在含鹽量較低的水中或純凈水中，離子相互的排斥力超過相互吸引力，土體表面顆粒極易從土體表面脫落，從而形成土體顆粒分散的黏性土[1]。一般來說，分散性黏土在含鹽量較低的水中或純凈水中，細顆粒之間的黏聚力大部分消失，也可能會全部消失，呈團聚體存在的顆粒體就會自行分散成原級的黏土顆粒[2]。土體顆粒間的排斥作用，會使顆粒松散，易隨水流流出，形成潛在破壞通道，誘使工程事故發(fā)生[3]。所以分散性土的抗沖蝕能力很低，危害性很大，容易造成堤壩管涌、路基失穩(wěn)等[4]。

20世紀50年代在澳大利亞發(fā)現(xiàn)了分散性土，在對沖蝕、管涌破壞的案例調(diào)查、分析和研究時，科研人員發(fā)現(xiàn)黏性土在有水條件下表現(xiàn)出分散現(xiàn)象，此現(xiàn)象歸結(jié)為水利工程破壞的原因。此結(jié)論隨后在各國引起重視，均出現(xiàn)分散性黏土引起工程事故的案例。美國學(xué)者從野外調(diào)查、室內(nèi)試驗以及補救措施等方面系統(tǒng)性研究了分散性土的分散機理、產(chǎn)生原因以及改進方法，并取得了良好的成果[5-6]，世界上許多國家也對其進行了相關(guān)研究。在黑龍江省發(fā)現(xiàn)分散性土后，國內(nèi)學(xué)者也進行了深入試驗研究[7]。隨后在新疆、山東等省的工程建設(shè)中也遇到分散性土情況[8-15]，對分散性土筑壩在工程設(shè)計和施工中予以高度重視。

本文通過調(diào)研國內(nèi)外分散性黏土工程破壞及潰壩案例，總結(jié)分散性土筑堤的破壞形式，分析季節(jié)凍土區(qū)分散土分散機理，同時提出分散性土筑堤工程措施，為減少分散性黏土的工程危害具有重大的現(xiàn)實意義。

1 分散性土筑堤案例調(diào)研

國內(nèi)外由分散性黏土引發(fā)破壞失事的工程實例很多，如表1、表2所示[16-17]。

(1)威斯特大壩。建設(shè)在美國俄克拉何馬州的波圖河上的威斯特(Wister)壩，壩體為均質(zhì)土壩，壩長度為1737 m，壩高為30 m，壩體施工時質(zhì)量控制較好。但堤壩在蓄水使用過程中發(fā)生嚴重管涌。事故發(fā)生后進行修復(fù)并取樣試驗，經(jīng)過分散性土鑒定試驗，說明筑壩土料為強分散性土。

(2)基爾莫市擋水壩。澳大利亞基爾莫市，于1996年修建一座均質(zhì)土擋水壩，壩高為13 m。蓄水使用后發(fā)生了管涌破壞，滲流沖蝕成孔洞，發(fā)展成貫穿性通道，直徑達到11 m。經(jīng)過技術(shù)修復(fù)后，在下游處再次出現(xiàn)直徑為0.15 m空洞，引發(fā)管涌破壞。

(3)阿爾及利亞黏土壩。阿爾及利亞黏土壩建于1969年，用灰色高塑性膨脹黏土修筑長10 km、高15 m的土壩。壩頂出現(xiàn)了擴張的裂縫，并在上游邊坡出現(xiàn)了一些滑坡，故使水庫不能蓄水。

表2 國內(nèi)分散土筑堤筑壩統(tǒng)計表

(4)格拉納達壩。格林納達大壩工程位于雅羅布莎河上，距離密西西比州的格林納達鎮(zhèn)約5 km，大壩壩堤長4236.7 m，頂部寬12.0 m，壩體最高24.0 m，頂部高程76.8 m。工程主要包括主壩上直徑51.0 m的泄水口、60.0 m寬的混凝土陡槽式溢洪道。1949年大壩主體完成施工后，在下游壩坡出現(xiàn)了大量的雨水孔洞，大壩1954年完工蓄水，在集水管上面出現(xiàn)了相當(dāng)大的塌陷。

(5)黑龍江省南部引嫩工程。黑龍江省南部引嫩工程17號土壩為均質(zhì)土壩，由于雨水淋蝕，壩頂就出現(xiàn)多處淋蝕孔洞。經(jīng)過一段時間發(fā)展，淋蝕孔洞己達到30多處。經(jīng)室內(nèi)試驗，對該筑壩土料進行分散性試驗鑒定發(fā)現(xiàn)筑壩土料具有較強的分散性。

2 分散性土筑堤破壞形式與成因

分散性土造成了許多堤防結(jié)構(gòu)的破壞或病害。國外研究這些問題范圍，包括堤防整個洪水過程破壞和各級控制建筑物結(jié)構(gòu)運行條件。破壞問題可分為以下兩大種類。

2.1 外部侵蝕

降雨和徑流可以在裸露的分散性土邊坡引起嚴重侵蝕。侵蝕在邊坡上導(dǎo)致嚴重的斜向滑移和沖溝，進而造成堤防內(nèi)部缺陷[18]。主要破壞型式如圖1所示。

(1)“壺孔型侵蝕洞”——管涌。分散性黏土土堤在這種侵蝕類型下受到嚴重破壞。壺孔在堤防頂部可直接觀察到，侵蝕洞至1.21 m深度并不罕見。

(2)陡峭邊坡侵蝕——流土沖蝕溝。圖1(b)顯示了一個典型分散性土淤積渠道的邊坡。侵蝕斜坡是嚴重的，具有很高的破壞度，邊坡維護難度大。

(3)水流沖刷侵蝕——崩岸。堤防邊坡堤腳分散性土受到水流浸泡。圖1(c)顯示了一個典型分散性土堤腳崩岸。邊坡崩岸是顯而易見的，表面具有很強的明顯破壞。修復(fù)改造困難，堤防整體性防護也是一個難題。

2.2 內(nèi)部侵蝕

利用分散性土筑堤失敗是由于通過裂縫或其他填筑孔隙而形成內(nèi)部侵蝕。主要原因是干燥脫水、水力劈裂和不均勻沉降，破壞如圖2所示。

(1)壩體層與層結(jié)合薄弱產(chǎn)生侵蝕通道裂縫。破壞原因為分散性土壩體碾壓部位接合不良產(chǎn)生圓狀破壞，壩體高壓實區(qū)形成明顯暴露的碾壓分層，主要是分層填筑時，層與層之間結(jié)合不好，易產(chǎn)生層與層裂縫，會形成明顯的薄弱界面，最終導(dǎo)致管涌潰壩。

圖1 外部侵蝕破壞

圖2 內(nèi)部侵蝕破壞

(2)土體與其他結(jié)構(gòu)接觸薄弱界面引發(fā)侵蝕，如穿堤建筑物與壩體結(jié)合不良，產(chǎn)生裂縫管涌?；蛘呓涤昊蚵┝骺梢赃M入到在混凝土襯砌和堆石砌石覆蓋層下的分散性黏土裂縫中，導(dǎo)致內(nèi)部侵蝕、內(nèi)部襯砌及拋石裂縫的擴大，形成管涌潰壩破壞。

3 分散性土分散機理分析

3.1 礦物影響

黏土中礦物是影響土體分散性的重要因素。常見的礦物有高嶺石、伊利石、蒙脫石。蒙脫石晶體是由兩個硅氧四面體晶片夾一個鋁氧八面體晶片構(gòu)成，相鄰晶體氧層連接力極弱。若受到水分子和交換性陽離子作用，會產(chǎn)生較大的體積變化，具有極強膨脹性。而在耕作或淋溶作用土壤中，伊利石晶格破裂釋放鉀元素被沖蝕流失，部分脫鉀區(qū)域土壤就具有蒙脫石的性質(zhì)。同時，伊利石利用同晶置作用吸收離子后，同樣會產(chǎn)生像蒙脫石那樣具有強分散性的性質(zhì)。

3.2 交換性鈉影響

通過試驗證明，交換性鈉百分比、陽離子交換量與分散度呈現(xiàn)出明顯的正相關(guān)線性關(guān)系，即交換性鈉百分比、陽離子交換量越大，土體的分散性越強。其主要原因是土粒擴散層越厚，顆粒間的引力越小，土的分散性就越強。

3.3 pH值影響

pH值也是影響分散性大小的主要參數(shù)之一。試驗表明土壤pH值與分散性呈現(xiàn)明顯的正相關(guān)線性關(guān)系，即pH值越高，土粒表面越容易形成擴散雙電層，促使顆粒趨于分散。

3.4 分散性影響因素

其他影響土體分散性的因素有：

(1)土壤水中離子濃度。離子濃度越低，潛在破壞風(fēng)險越高。分散性土在離子濃度很低時，是最容易被水侵蝕的，如雨水。

(2)相對壓實度和含水率。因為黏土顆粒非常小，低質(zhì)量，顆粒很容易被水分離和運輸，相對壓實度和含水率較低時，容易造成土壤侵蝕。

(3)在水流沖蝕作用下，水穩(wěn)性團聚體的數(shù)量和質(zhì)量，影響著土的結(jié)構(gòu)和抗蝕性，表現(xiàn)為水穩(wěn)性團粒含量越高，土體抗沖蝕能力越強，從而土體的分散性越弱。

(4)微觀結(jié)構(gòu)與土體的分散性。在季節(jié)凍土區(qū)，土體在凍結(jié)時隨著溫度的降低，土體孔隙中冰晶不斷增大，促使孔隙體積增大，造成土粒間的距離增大，進而減弱土顆粒間連結(jié)力，增強土體的分散性。同時孔隙體積增大，土體變得松散，形成裂隙，水更易通過裂隙進入，產(chǎn)生分散性。

4 分散性土筑堤工程措施

土壩利用分散性土作為防滲體時，經(jīng)過必要的防治處理措施后，壩體才可以正常運行。針對分散性土壩的破壞原因及破壞型式，為保證大壩安全，可采用以下措施。

(1)分隔土體。可采用土工膜等防滲隔水材料，或者非分散性黏土及改性分散性黏土，將低溶鹽水和分散性黏土隔離開來。

(2)改變黏土性質(zhì)。是指把分散性黏土通過外加物質(zhì)改變成非分散性黏土，或完全用非分散性黏土替換，改性方式可根據(jù)分散性原理進行改性。國內(nèi)外對于分散性土改性措施，有很多較為有效的方式，均有成功的先例。

(3)加強反濾排水措施。設(shè)置適當(dāng)級配的砂反濾層，用以截留壩體中的細顆粒，保證不流出壩體，減少流土和管涌風(fēng)險。當(dāng)出現(xiàn)管涌時，具體措施有設(shè)置反濾圍井、反濾層壓蓋、透水壓滲平臺、蓄水反壓方式。

(4)利用土工織物防止分散性黏土的沖蝕破壞。工程實踐證明，土工織物用于分散上坡的反濾護坡是行之有效的。通過對黑龍江省西部地區(qū)邊坡治理工程運行效果進行調(diào)查發(fā)現(xiàn)，渠道分散性土段經(jīng)土工織物反濾護砌，均收到較好的運行效果，沒發(fā)生渠道塌滑破壞現(xiàn)象。

5 結(jié)論與建議

(1)土體的分散性主要與交換性鈉、pH值、礦物成分等有關(guān)，同時與其所在介質(zhì)環(huán)境也存在密切關(guān)系。高鈉、強堿性是土體分散性產(chǎn)生的兩個重要條件。土顆粒組成和礦物組成成分是影響土體分散性強弱的另一項重要原因，同時微觀結(jié)構(gòu)在一定程度上也能夠反映土體的分散性。

(2)分散土筑堤破壞主要是由降雨沖刷、徑流淘刷等方式侵蝕堤防土料，利用堤體內(nèi)部缺陷，形成裂縫，表現(xiàn)為流土沖蝕、管涌、崩岸等破壞型式，進而造成潰壩危害。

(3)建議利用合理有效的技術(shù)措施進行分散土改性處理，也要從壩體加固、反濾排水兩方面著手，同時在分散性土壩頂、壩坡進行有效防護處理，才能有效避免滲流沖蝕，甚至潰壩情況的發(fā)生。