周志博 彭小川

1 研究背景

老撾色薩拉龍灌溉工程位于老撾Savannakhet省Tha Pang Thoong 地區(qū)，工程由水庫(kù)、大壩、取水建筑物、溢洪道、引水渠及渠系建筑物等組成，主要任務(wù)是灌溉。

越南水資源研究所（Vietnam Institute for water resources research）在1999 年完成了老撾色薩拉龍灌溉工程的可行性研究設(shè)計(jì)、2000 年完成技施設(shè)計(jì)，擋水壩為均質(zhì)土壩；工程于2002 年實(shí)施，在施工過(guò)程中發(fā)現(xiàn)筑壩土料有問(wèn)題，填筑的部分壩體出現(xiàn)落水洞，隨后停止施工。

2009 年老撾政府重啟該項(xiàng)目。將該項(xiàng)目交給中方承包商，對(duì)該壩失敗的原因進(jìn)行分析和研究是做好新方案設(shè)計(jì)的首要工作。對(duì)大壩設(shè)計(jì)的成敗起著決定性的作用。

2 分散性土的危害

越南水資源研究所在2000 年6 月完成的技施設(shè)計(jì)中，推薦壩型為均質(zhì)土壩，筑壩土料主要來(lái)自A、B 料場(chǎng)。壩頂高程為206.0 m，壩頂寬度6.0 m，最大壩高20 m，上游壩坡為1∶3.5，下游壩坡為1∶3.0，壩基有截水槽。

壩體于2002年施工，已完成填筑方量約38萬(wàn)m3，靠近壩肩的部分已經(jīng)填筑到設(shè)計(jì)壩頂高程。施工中發(fā)現(xiàn)，上壩土料被雨水淋蝕后出現(xiàn)“落水洞”，當(dāng)時(shí)的技術(shù)人員認(rèn)為“筑壩材料含有大量可溶物，遇水后該可溶物崩解，形成大量類似溶洞的孔洞”。發(fā)現(xiàn)土料有問(wèn)題后，工程停工。

3 分散性土的確定

設(shè)計(jì)人員對(duì)失敗的壩型進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)考察，了解料場(chǎng)周圍地貌、地型、水文和巖性等特征，進(jìn)行了初步的判斷，通過(guò)以下幾個(gè)原因初步分析土體具有分散性：

（1）料場(chǎng)區(qū)域下雨后的水溝河道里水都是混濁的，水坑里的水長(zhǎng)期混濁，呈現(xiàn)黃色。水干后出現(xiàn)龜裂。

（2）出現(xiàn)了許多沖溝和孔洞等異常沖蝕形式的表面現(xiàn)象。

（3）從地質(zhì)成因角度分析，在海相沉積形成的黏土巖和頁(yè)巖而形成的殘積土多具有分散性，考察現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)了許多屬于海相成因的貝殼等物體。

因此，根據(jù)野外初判和基本試驗(yàn)的結(jié)果分析，需要進(jìn)一步進(jìn)行分散性的專門(mén)試驗(yàn)。

常用的分散性土鑒定有碎塊試驗(yàn)、針孔試驗(yàn)、雙比重計(jì)試驗(yàn)、孔隙水可溶鹽試驗(yàn)等多種方法，其中試驗(yàn)成果準(zhǔn)確性較高的是針孔試驗(yàn)和雙比重計(jì)試驗(yàn)。

針孔試驗(yàn)是美國(guó)著名工程師J.L.Sherard 首先提出來(lái)的。根據(jù)滲透理論可知，當(dāng)水流流經(jīng)土壤孔隙時(shí)，能將其動(dòng)能傳輸給土壤顆粒，從而使土壤顆粒產(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)土壤孔隙的水流流量、顏色和孔隙尺寸的變化，反映土壤顆粒所具有承受水流的沖蝕能力，以此表示分離顆粒所需要力的大小。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，因此，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最直接和可靠的驗(yàn)證。

在特制針孔試驗(yàn)裝置中，將擊實(shí)到設(shè)計(jì)干密度的土樣，穿一個(gè)直徑為1.0 mm 的軸向細(xì)孔，用蒸餾水進(jìn)行滲流試驗(yàn)，觀察在各種水頭下的針孔受水沖蝕情況，據(jù)此進(jìn)行分散性鑒別。

過(guò)渡型土：在水頭為5 cm 和18 cm 水頭下，流出的水輕微混濁，10 min 后針孔孔徑等于或大于原針孔孔徑的1.5 倍。

非分散性土：在38 cm 或102 cm 水頭作用下，

流出的水輕微混濁，膠質(zhì)顆粒很少。

高抗沖蝕性土：在102 cm 水頭作用下，水色清，孔徑不變。

雙比重計(jì)試驗(yàn)是由美國(guó)農(nóng)業(yè)部土壤保持服務(wù)試驗(yàn)室1937 年發(fā)明的。該試驗(yàn)時(shí)對(duì)土樣進(jìn)行兩次比重計(jì)試驗(yàn)來(lái)測(cè)定不同處理措施下的黏粒含量，因而稱之“雙比重計(jì)試驗(yàn)”。

試驗(yàn)原理：根據(jù)G.G.Stock 定律，顆粒直徑與顆粒沉降的時(shí)間的平方根成反比，與距離的平方根成正比，因此，測(cè)得顆粒沉降的時(shí)間和距離就可以計(jì)算顆粒直徑。利用土壤比重計(jì)測(cè)定黏土懸液比重的變化，根據(jù)定律計(jì)算各級(jí)土粒的粒級(jí)大小及百分含量或由顆粒大小級(jí)配曲線確定各級(jí)土粒的粒級(jí)百分含量，見(jiàn)表1。

表1 料場(chǎng)分散性試驗(yàn)成果表

從試驗(yàn)成果看3 個(gè)料場(chǎng)土均具有分散性，所以可以肯定壩區(qū)范圍內(nèi)土料普遍具有較強(qiáng)的分散性，由于分散性土存在較多的可交換的鈉離子，使土粒周圍水膜增厚，減少土粒間吸力，使斥力超過(guò)吸力，甚至在靜水中土粒也可能相互排斥而形成懸浮狀。很低的滲透流速即可將土粒沖蝕，使土壩招致管涌破壞，尤其當(dāng)滲水含鹽量低時(shí)，情況更比利。這也證明了該壩失敗的主要原因就是對(duì)當(dāng)?shù)赝亮系姆稚⑿哉J(rèn)識(shí)不足。

4 分散性土的處理方式

由于分散性土具有較大的危害性，不適宜作為上壩材料。所以工程上通常不建議采用分散性土作為筑壩材料。但是某些特殊地區(qū)由于土料均具有分散性，石料又不便于開(kāi)采和運(yùn)輸，只能選擇分散性土作為筑壩材料。通常的處理方式有兩種：對(duì)分散性土進(jìn)行改性和外包分散性土防止土顆粒流失兩種方式。其中前一種應(yīng)用較為普遍。

分散性土的改性主要是采用生石灰CaO 或者消石灰Ca（OH）2，還有水泥、硫酸鐵、氯化鈣等材料與分散性土相結(jié)合，使其分散性減弱至喪失。由于生石灰摻入土體后，會(huì)發(fā)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng)，首先是生石灰水解，生成氫氧化鈣，氫氧化鈣電離形成鈣離子。鈣離子是二價(jià)離子，其凝聚力比一價(jià)鈉離子強(qiáng)，通過(guò)離子交換作用，將土顆粒吸附的鈉離子交換下來(lái)，降低了土顆粒的雙電層厚度，斥力和引力同時(shí)增加，但是引力增加較多，凈勢(shì)能表現(xiàn)為引力能，引起顆粒凝聚，抑制分散。能夠提高土體顆粒之間的黏結(jié)力，有效克服分散性土的分散作用。因此，石灰是分散性土最有效的土壤改性劑。

根據(jù)本工程土料的特性，借鑒其他類似工程的經(jīng)驗(yàn)，在土料中摻入適量的石灰，改善土的分散性。因此，進(jìn)行了土料改性試驗(yàn)，即在判定具有分散性的土樣中。因土料具有分散性及弱膨脹性，為改變土料的性狀或組成，在試驗(yàn)中添加了3%的生石灰，改性試驗(yàn)表明，生石灰作為改性劑，效果較好，所有具有分散性的土樣，摻入生石灰后，分散性都有所減少。其中針孔試驗(yàn)結(jié)果均表現(xiàn)為非分散性。而針孔試驗(yàn)較能真實(shí)反映滲流對(duì)土的沖蝕情況，比較可靠。從雙比重計(jì)試驗(yàn)成果看，3%的生石灰作為添加劑效果很好，土樣全部達(dá)到過(guò)渡性土和非分散性土的程度。膨脹性有少量減小，平均值從48%提高到41.7%；其分散度D平均值從72.4%降到到30.7%，降幅很明顯，效果顯著。

因此，可建議工程按照此方法進(jìn)行改性土施工。保證改性土的性能具備上壩條件。

5 結(jié) 語(yǔ)

（1）世界許多地方都有分散性土分布，使用其作為堤、壩填筑土料不可避免，只要采取正確的工程處理措施，就能夠保證工程的安全。當(dāng)前分散性土在工程中的應(yīng)用處理措施主要包括采用石灰、水泥、硫酸鋁等或其它土壤固化（改良）材料進(jìn)行改性，使分散性土的分散性減弱直至消失；采用非分散性土、土工布、膜料將分散性土包裹起來(lái)，使其與水隔離，減少水的進(jìn)入；采用砂、土工布等反濾材料對(duì)分散性土進(jìn)行保護(hù)，防止?jié)B透破壞。

（2）國(guó)內(nèi)外工程實(shí)例，多為均質(zhì)低壩，上游采用改性土、土工膜等措施保護(hù)；高壩則多為黏土心墻堆石壩，使用分散性黏土作為心墻料，在心墻上、下游采用反濾或改性土保護(hù)。

（3）本工程實(shí)踐中采用用3%的生石灰作為外加劑對(duì)土壤進(jìn)行改性處理，處理后的土料由于全部達(dá)到過(guò)渡性土和分散性土的要求，可在相關(guān)的低壩工程中進(jìn)行推廣和應(yīng)用。