徐鐵錚， 樊邦穩(wěn)， 徐天淵， 李 鵬

(1.陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710000； 2.寧夏大學(xué)，寧夏 銀川 750021； 3.水利部 西北水利科學(xué)研究所 實(shí)驗(yàn)中心，陜西 楊凌 712100)

王瑤水庫(kù)位于延安市延河支流杏子河(黃河二級(jí)支流)中游上，控制流域面積820 km2，多年平均徑流量4 050萬(wàn)m2。王瑤水庫(kù)為已成水庫(kù)，均質(zhì)土壩壩高55 m，設(shè)計(jì)總庫(kù)容2.03億m3，是一座以防洪為主，兼有城市供水、灌溉、發(fā)電等任務(wù)的Ⅱ等大(二)型水利樞紐，水庫(kù)距離下游延安市約65 km，是延安市目前唯一可靠水源地，每年向延安市供水1 500萬(wàn)m3?，F(xiàn)水庫(kù)樞紐主要由均質(zhì)土壩、1#和2#泄洪洞、輸水洞、壩后電站和渠首建筑物等組成。由于淤積問(wèn)題王瑤水庫(kù)需加高擴(kuò)容，即利用兩岸廣泛分布的黃土使壩高達(dá)到920 m，增加攔蓄水量保證有效供水率。

因本區(qū)廣泛分布風(fēng)積黃土，利用其作為筑壩材料既便捷又經(jīng)濟(jì)，但土料的分散性災(zāi)害隨著人們的認(rèn)識(shí)不斷深入逐漸引起重視，加之本區(qū)水源問(wèn)題突出，類似工程問(wèn)題逐年巨增，而本區(qū)就其工程問(wèn)題還未見相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，

故本文采用雙比重計(jì)試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)、孔隙水可溶性陽(yáng)離子試驗(yàn)、交換性鈉離子百分比試驗(yàn)[1]，就處于陜北的王瑤水庫(kù)料源進(jìn)行土料(分散性)特性研究分析[2]，以期對(duì)類似工程起到借鑒意義。為了全面衡量鑒別土料分散性，除進(jìn)行必要的分散性試驗(yàn)還需對(duì)其土性及環(huán)境水的特征進(jìn)行試驗(yàn)分析[3]。

1 土料基本特性

表1 料場(chǎng)土顆分試驗(yàn)成果匯總表Table 1 Result summary of stock field’s soil particle test

表2 料場(chǎng)土擊實(shí)后物理力學(xué)試驗(yàn)成果匯總表Table 2 Result summary of stock field’s physical and mechanical test after compaction

2 土料礦化特征

根據(jù)流體力學(xué)中的斯托克斯沉降定理，采用水懸浮分離方法或離心分離方法分別提取粒徑<10 μm和<2 μm的粘土礦物樣品。粒徑<10 μm的粘土礦物樣品用于測(cè)定粘土礦物在原巖中的總相對(duì)含量；粒徑<2 μm的粘土礦物樣品用于測(cè)定各種粘土礦物各類的相對(duì)含量。礦物的晶體都具有特定的X-射線衍射圖譜，圖譜中的特征峰強(qiáng)度與樣品中該礦物的含量正相關(guān)，采用實(shí)驗(yàn)的方式可以確定某礦物的含量與其特征衍射峰的強(qiáng)度之間的正相關(guān)關(guān)系——K值，進(jìn)而通過(guò)測(cè)量未知樣品中該礦物的特征峰強(qiáng)度求出該礦物的含量，這就是X-射線衍射定量分析中的“K值法”[5]。使用日本理學(xué)TTRⅢ多功能X-射線衍射儀，參考標(biāo)準(zhǔn)為SY/T 5163—2010沉積巖中粘土礦物和常見非粘土礦物X-射線衍射分析方法。試驗(yàn)結(jié)果見表3、表4。礦化特征表明，其土性與本區(qū)風(fēng)積黃土極為相似，可以作為本區(qū)黃土的代表性土料。

表3 非粘土礦物X-射線衍射分析結(jié)果表Table 3 Analysis results of non-clay mineral’s X-ray diffraction

表4 粘土礦物X-射線衍射分析結(jié)果表Table 4 Analysis results of clay mineral’s X-ray diffraction

注：S為蒙皂石類；I/S為伊蒙混層；I為伊利石；K為高嶺石；C為綠泥石;C/S為綠蒙混層。

3 土料化學(xué)性質(zhì)

土的常規(guī)試驗(yàn)包括易溶鹽及各種陰陽(yáng)離子、中溶鹽、有機(jī)質(zhì)、酸堿度等試驗(yàn)，此類試驗(yàn)按照《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237—1999)規(guī)定的方法進(jìn)行。

土樣化學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果見表5，3組土樣的易溶鹽含量在0.4～0.6 g/kg之間，中溶鹽在0.6～1.6 g/kg之間，有機(jī)質(zhì)在2.1～8.8 g/kg之間，pH值在9.00～9.11之間，均呈強(qiáng)堿性(>8.5)。

4 環(huán)境水(庫(kù)水)化學(xué)性質(zhì)

水質(zhì)分析試驗(yàn)按照中華人民共和國(guó)電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水電工程地質(zhì)勘察水質(zhì)分析規(guī)程》(NB/T 35052—2015)進(jìn)行。庫(kù)水化學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)結(jié)果見表6，庫(kù)水的溶解性總固體含量475.9 mg/L，pH值8.32。

表5 土樣化學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果表Table 5 Results of soil sample’s chemical property test

表6 水樣化學(xué)性質(zhì)試驗(yàn)成果表(mg/L) Table 6 Results of water sample’s chemical property test

注：表中pH為無(wú)量綱。

5 土樣的分散性鑒定試驗(yàn)

粘性土分散性鑒定試驗(yàn)方法，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)統(tǒng)一的鑒定分散性土的試驗(yàn)規(guī)程，對(duì)其評(píng)價(jià)更無(wú)詳細(xì)的標(biāo)準(zhǔn)，鑒于此種情況，本次試驗(yàn)是參照《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(SL251—2000)、《分散性土研究》等所介紹的雙比重計(jì)試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)、孔隙水可溶性陽(yáng)離子試驗(yàn)和交換性鈉離子百分比試驗(yàn)等5種試驗(yàn)方法進(jìn)行鑒定。同時(shí)還參照美國(guó)材料與試驗(yàn)協(xié)會(huì)(ASTM)分散性土研究等書中所介紹的試驗(yàn)方法進(jìn)行試驗(yàn)。

5.1 雙比重計(jì)試驗(yàn)

雙比重計(jì)試驗(yàn)是最為常用的鑒定方法。其原理是對(duì)土樣進(jìn)行兩次比重計(jì)試驗(yàn)來(lái)測(cè)定粘粒(<0.005 mm)含量，第一次是常規(guī)的加分散劑、煮沸、攪拌的方法(詳見《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237—1999))，得到一條曲線；第二次不加分散劑，先將土樣放在盛有一定量純水的抽濾瓶中，并與真空泵相連接抽氣10 min，然后把土水懸液沖洗到量筒中，加純水至1 000 mL，倒轉(zhuǎn)量筒30次并來(lái)回?fù)u晃，讓粘土顆粒自行水化分散，得到另一條曲線。求得兩次粘粒(<0.005 mm)的含量，用下式求得分散度(D)：

判斷標(biāo)準(zhǔn)：非分散性土分散度<30%；過(guò)渡性土分散度30%～50%；分散性土分散度>50%。

3組土樣的雙比重計(jì)試驗(yàn)結(jié)果見表7[6-7]。試驗(yàn)結(jié)果表明，3組土樣的分散度均>50%，屬于分散性土。

表7 雙比重計(jì)試驗(yàn)結(jié)果表Table 7 Results of double pycnometer test

5.2 碎塊試驗(yàn)

將保持天然含水率的土塊或室內(nèi)針孔試驗(yàn)結(jié)束后的試樣制成1 cm3左右的土塊，放入盛有約200 mL純水的250 mL燒杯中，浸放5～10 min后觀察土塊中膠粒的分散特征。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)試驗(yàn)用水采用純水時(shí)，3組土樣具有輕微反應(yīng)，屬于過(guò)渡性土；當(dāng)試樣用水采用庫(kù)水時(shí)，其反應(yīng)程度有所減弱，但從浸水后崩解特征來(lái)看，其仍具有輕微反應(yīng)，依然屬于過(guò)渡性土。以LTK7號(hào)土為例，見照片1[7]，兩者差異不大。

碎塊試驗(yàn)與雙比重計(jì)試驗(yàn)共同反映土顆粒在水中的分散程度，以及膠粒的析出程度，但是這兩種試驗(yàn)是在靜水中進(jìn)行的，沒(méi)有考慮流動(dòng)的水流具有動(dòng)能，能夠?qū)ν馏w產(chǎn)生剪切力。

照片1LTK7土樣品碎塊試驗(yàn)現(xiàn)象照片
Photo 1 LTK7 soil sample fragmentation experiment

5.3 針孔試驗(yàn)

針孔試驗(yàn)是美國(guó)著名工程師J.L.Sherard(1976年)首先提出來(lái)的[3]。根據(jù)滲透理論可知，當(dāng)水流流經(jīng)土體孔隙時(shí)，能將其動(dòng)能傳輸給土顆粒，從而使土顆粒產(chǎn)生分散。針孔試驗(yàn)通過(guò)模擬在一定的水壓力作用下，測(cè)定流經(jīng)土體孔隙的水流流量、顏色和孔隙尺寸的變化，反映土顆粒所具有承受水流的沖蝕能力，藉此表示分離顆粒所需力的大小。針孔試驗(yàn)可直接、定性地鑒定試樣的分散性能和粘性土膠粒的抗沖蝕性。由于針孔試驗(yàn)直觀地模擬了土體中的孔隙在滲透水流作用下所具有的沖蝕能力，因而被認(rèn)為是最可靠的鑒定方法，同時(shí)也是分散性土其他鑒定方法中最直接和可靠的驗(yàn)證,其詳細(xì)結(jié)果見表8。

表8 針孔試驗(yàn)結(jié)果表Table 8 Results of pinhole test

試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)試驗(yàn)用水采用純水時(shí)，LTK6在50 mm水頭下，針孔沖大，水色渾濁，屬于分散性土；LTK7、LTK8在50 mm水頭下針孔沒(méi)有變化，水色透明；水頭上升到180 mm時(shí)，針孔沖大，水色渾濁，屬于過(guò)渡性土。當(dāng)試驗(yàn)用水采用庫(kù)水時(shí)，LTK6、LTK7和LTK8的表現(xiàn)基本一致，即在50 mm水頭下針孔沒(méi)有變化，水色透明，但在180 mm水頭下針孔沖大，水色渾濁，屬于過(guò)渡性土。結(jié)合碎塊試驗(yàn)可看出，庫(kù)水對(duì)土樣的分散性具有一定的抑制作用，但效果有限。

5.4 孔隙水可溶性陽(yáng)離子試驗(yàn)

將土樣含水率配到液限，經(jīng)離心機(jī)離心后得到孔隙水溶液，測(cè)定其中的Ca2+、Mg2+、Na+、K+含量，然后計(jì)算出孔隙水可溶性陽(yáng)離子總量(TDS)、鈉百分比(PS)。

孔隙水可溶鹽總量(TDS)=CCa+CMg+CNa+CK

按照土的分散性與TDS、PS關(guān)系圖，以TDS為橫坐標(biāo)、PS為縱坐標(biāo)，在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙關(guān)系曲線圖中的所處位置，對(duì)照判別其性質(zhì)結(jié)果見表9。

表9 孔隙水可溶鹽陽(yáng)離子試驗(yàn)和交換性鈉離子百分比試驗(yàn)結(jié)果表Table 9 Results of pore water-soluble cation test and percentage test of exchangeable sodium ion

5.5 交換性鈉離子百分比試驗(yàn)

本方法可測(cè)定土中陽(yáng)離子交換量(CEC)和交換性鈉離子含量，求出交換性鈉離子百分比(ESP)。

式中：C′Na為交換性鈉離子含量，cmol/kg；CEC為陽(yáng)離子交換量，cmol/kg。

判斷標(biāo)準(zhǔn)：ESP=7%～10%，屬中等分散性土；ESP≥15%，屬高分散性土，即有嚴(yán)重管涌的可能性。研究表明，3組土樣的ESP均較低，在0.5%～1.0%之間，屬于非分散性土。

6 試驗(yàn)結(jié)果綜合評(píng)判

從目前規(guī)范提供的5種試驗(yàn)方法分析，該類風(fēng)積土分散性的結(jié)果具有一定的離散性，因此采用單一的試驗(yàn)結(jié)果難以對(duì)土樣的分散性進(jìn)行正確的判別。基于以上分析結(jié)果，同時(shí)結(jié)合各種試驗(yàn)的特點(diǎn)，按照樊恒輝、孔令偉《分散性土研究》[3]，采用權(quán)重分配法進(jìn)行評(píng)判，即賦予雙比重計(jì)試驗(yàn)、碎塊試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)、孔隙水可溶性陽(yáng)離子試驗(yàn)和交換鈉離子百分比試驗(yàn)的不同的權(quán)重值，其值分別取20%、20%、40%、10%、10%，計(jì)算土樣的分散性、過(guò)渡性、非分散性權(quán)重(判別準(zhǔn)則：①如果分散性的權(quán)重>50%，土樣屬于分散性土；②分散性的權(quán)重=50%時(shí)，如果過(guò)渡性的權(quán)重≥20%，則屬于分散性土，反之則屬于過(guò)渡性土；③分散性的權(quán)重<50%時(shí)，如果“過(guò)渡性+分散性”的權(quán)重≥50%，則為過(guò)渡性土，否則屬于非分散性土)結(jié)果見表10。

表10 土樣分散性試驗(yàn)綜合判別結(jié)果Table 10 Comprehensive evaluation of soil sample’s dispersibility test

7 王瑤水庫(kù)土料分散性研究意義

(1) 陜北風(fēng)積黃土單從土性的抗沖蝕能力分析，具有分散性土遇水后容易分散的特征，容易導(dǎo)致土體產(chǎn)生滲透破壞，應(yīng)在設(shè)計(jì)、施工中予以足夠的重視。

(2) 王瑤水庫(kù)土料在分散性特征上具有離散型，即使采用相同的實(shí)驗(yàn)分析方法土料的分散性結(jié)果也不相同。說(shuō)明料源土性均勻性會(huì)影響其土性特征體現(xiàn)，進(jìn)一步說(shuō)明在鑒別分散性特征時(shí)，采用單一的方法難以合理地鑒別土料的分散性質(zhì)。

(3) 為了準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)土料分散性，除按照常規(guī)的5種方法進(jìn)行試驗(yàn)甄別外，加做了環(huán)境水試驗(yàn)是必要的。由于水是產(chǎn)生土料分散性的主要誘因，試驗(yàn)中采用環(huán)境水并觀察其在土料分散性試驗(yàn)中的影響程度，是實(shí)證檢驗(yàn)土料分散性試驗(yàn)最終評(píng)價(jià)是否合理的有效方法。在本工程試驗(yàn)中土性屬過(guò)渡性料或分散性土，經(jīng)環(huán)境水作用后所有樣品均具過(guò)渡性(與最終評(píng)價(jià)結(jié)論一致)，基于當(dāng)前對(duì)土料分散性評(píng)價(jià)還無(wú)統(tǒng)一的方法，尤顯其結(jié)果的重要意義，同時(shí)說(shuō)明環(huán)境水有一定的改良作用。

(4) 從環(huán)境水參與的實(shí)驗(yàn)結(jié)果來(lái)看，其對(duì)土性的改良作用有限，說(shuō)明土的本質(zhì)結(jié)構(gòu)是土的分散性的主要原因。但對(duì)土性的鑒定評(píng)價(jià)結(jié)論其參考意義遠(yuǎn)大于其工程作用，即在土性類別各試驗(yàn)結(jié)果難以統(tǒng)一時(shí)，環(huán)境水參與的試驗(yàn)結(jié)果是驗(yàn)證土性類別結(jié)論的可靠標(biāo)準(zhǔn)。

(5) 由于土料分散性試驗(yàn)費(fèi)時(shí)較長(zhǎng)，有的實(shí)驗(yàn)難度較大，鑒于當(dāng)前土料分散性特征研究狀況，結(jié)合王瑤水庫(kù)土料分散性試驗(yàn)結(jié)果，建議一般工程可以分步實(shí)施其評(píng)價(jià)，即采用初判加詳判的方法完成，在可行性研究階段初判采用雙比重計(jì)與碎塊試驗(yàn)，在初步設(shè)計(jì)階段詳判采用針孔試驗(yàn)加做環(huán)境水試驗(yàn)檢驗(yàn)，可達(dá)到其目的。