水利水電工程土料質量評價指標的商榷

牛書安

(黃河勘測規劃設計有限公司,河南 鄭州　450000)

1　現行水利水電工程規程、規范對土料的質量要求

現行的《水利水電工程天然建筑材料勘察規程》(SL251—2000)于2000年7月13日發布,2000年8月1日實施,該規程關于土料的質量評價指標[1]見表1。

水利水電天然建筑材料勘察規程的編制應以水利水電工程的相關設計規范為基礎,并與其相適應。就土料而言,與其相關的設計規范主要有《碾壓式土石壩設計規范》(SL274—2001)和《堤防工程設計規范》(GB50286—98)[2-3]。

《碾壓式土石壩設計規范》(SL274—2001)中,要求防滲土料應滿足下列要求:①滲透系數,均質壩≤1×10-4cm/s,心墻和斜墻≤1×10-5cm/s;②水溶鹽含量(指易溶鹽和中溶鹽,按質量計)≤3%;③有機質含量(按質量計),均質壩≤5%,心墻和斜墻≤2%,超過此規定需進行論證;④有較好的塑性和滲透穩定性。

表1　土料質量評價指標

《堤防工程設計規范》(GB50286—2013)中對土料要求:“均質土堤的土料宜選用粘粒含量宜為10%～35%、塑料指數宜為7～20的粘性土,且不得含植物根莖、磚瓦垃圾等雜質;填筑土料含水率與最優含水率的允許偏差為±3%;鋪蓋、心墻、斜墻等防滲體宜選用防滲性能好的土;堤后蓋重宜選用砂性土”[4]。

堤防工程設計規范與碾壓式土石壩設計規范相比,前者對堤防土料粘粒含量、塑性指數提出了明確要求,根據堤防工程特點沒有對滲透系數、有機質含量、水溶鹽含量提出明確要求;后者對滲透系數、有機質含量、水溶鹽含量提出了明確要求。

2　水利水電天然建筑材料勘察規程中幾個土料質量評價指標的商榷

2.1　pH值

“pH值”用于表述土的酸堿度指標,土的酸堿度對植物影響比較明顯,對工程的影響主要表現在其對混凝土和鋼結構的腐蝕性,而對評價土本身的工程性質如土的壓縮性、擊實性、透水性等的作用不大。影響土pH值的主要因素有:氣候、地形、水文、地質、生物、氧化還原條件等。中國土壤的酸堿性在地理分布上有“南酸北堿”的規律性,大致以長江為界,長江以南的土壤多為酸性土,且多為紅黏土。如西南、華南地區廣泛分布的紅黏土,pH值大多在4.5～5.5之間；華中、華東地區的紅黏土,pH值大多在5.5～6.5之間;長江以北的土壤多為中性和堿性土,如華北、西北地區的土壤pH一般在7.5～8.5之間,屬于強堿性土。

以往曾認為,由于紅黏土具粘粒含量高、天然干密度低、壓實性差等特點,不適宜用作筑壩材料(規程中要求pH>7,主要是為限制使用紅黏土)。但實踐證明,紅黏土具有較高的抗剪強度和抗沖刷能力,且具有中等壓縮性,在中國云南、貴州、廣東、廣西等省已用紅黏土建成多座土石壩,并積累很多成功經驗,如云南毛家村水庫(壩高80.3 m)、莊寨水庫(壩高27 m)采用紅黏土筑壩,已安全運行40年以上。鑒于紅黏土在高壓力下的變形特性,使得高壩的總沉降量往往偏大,因此,《碾壓式土石壩設計規范SL274—2001》中規定,紅粘土可用于填筑壩的防滲體,用于高壩時應對其壓縮性進行論證。

由上可知,紅黏土即使pH值<7,用作土石壩的防滲體不存在太大問題,只是用于高壩時應對其壓縮性進行論證。因此,規程中要求pH>7,已經不適宜作為評價土料的質量技術指標了。

2.2　緊密密度

該規程術語中,“緊密密度”定義為:骨料按規定方法顛實后單位體積的質量。根據相關試驗規程,緊密堆積密度試驗:取試樣一份,分兩次裝入容量筒,裝完第一層后,在筒底墊放一根直徑為10 mm的圓鋼,將筒按住,左右交替擊地面各25次,然后裝入第二層;第二層裝滿后用同樣方法顛實(但筒底所墊鋼棒的方向與第一層時的方向垂直)后,再加試樣直至超過筒口,然后用直尺沿筒口中心線向兩邊刮平,稱出試樣和容量筒總質量。然后,計算出緊密密度。

對土料來說“緊密密度”定義不明確,使用起來不盡統一。為了解利用該項指標在評價土料場質量中的情況,筆者隨機抽取了19個土料場質量評價情況進行統計:6個土料場采用“擊實后密度”代替“緊密密度”;2個土料場用了“緊密密度”進行評價;11個土料場沒有評價該指標。其中,采用“緊密密度”評價的2個料場,結果是緊密密度小于天然密度,該指標不合格(注:該兩料場緊密密度試驗,是按照混凝土骨料的緊密密度試驗方法進行的)。

從上述緊密密度的試驗方法看,土的緊密密度小于天然密度應該具有必然性,“天然密度”是經過了成千上萬年的沉積、壓實、固結等作用后所測得的密度,而“緊密密度”是經過裝筒、顛實、稱重、計算后所測得密度,很明顯,前者比后者明顯密實得多。因此,土料質量評價指標中緊密密度“宜大于天然密度”這個條件很難成立。

2.3　SiO2/R2O3

二氧化硅和三二氧化物當量比,即為“硅鐵鋁比”,多用k表示,化學表達式為“SiO2/(Al2O3+Fe2O3)或SiO2/R2O3”。該項指標多用于土壤學研究中,研究意義主要有四個方面:①用以初步判斷土的礦物組成。在理想的、單一礦物條件下,硅鐵鋁比可反映不同的黏土礦物成分。在單一礦物條件下,一般高嶺石或多水高嶺石k在2左右,在3左右時可能是富硅高嶺土、伊利石,在4左右時可能是蒙脫石、葉蠟石。故在單一礦物條件下,根據硅鐵鋁比可粗略地判別粘土礦物的類型。②與母巖進行對照,用以判斷紅土的成土過程特征。從硅鐵鋁比表達式可以看出,k值的大小,反映了去硅化程度,去硅化程度越高,k值就越小。表明在紅土的形成過程中,硅不斷淋失,鐵鋁相對富集,隨著紅土化作用過程的繼續,SiO2的含量減少,Fe2O3和Al2O3的含量增多,倍半氧化物的含量也增大,相應地游離氧化物越多,可以說紅土的化學成分是紅土化作用結果的反映。③通過上下層對比,判斷剖面中淋濾情況。④根據硅鐵鋁比判斷土壤中膠體陰陽電性的強弱。

眾所周知,土料的礦物成分是很復雜的,可分為原生礦物和次生礦物兩大類。巖石經物理風化作用后破碎形成的礦物顆粒,稱原生礦物。原生礦物在風化過程中,其化學成分并沒有發生變化,它與母巖礦物成分是相同的。常見的原生礦物有石英、長石和云母等。巖石經化學風化作用所形成的礦物顆粒,稱次生礦物。常見的次生礦物有高嶺石、伊利石和蒙脫石三大黏土礦物類型。在實際工作中,理想的、單一礦物條件下的土料是比較少見的。而且,對于堤壩所用土料來說,其基本指標主要是滲透系數、水溶鹽含量和有機質含量,在相關設計規范中具有明確要求,對于硅鐵鋁比沒有進行要求。一般來說,紅土的硅鐵鋁比1～2,《水利水電工程天然建筑材料勘察規程》要求硅鐵鋁比>2,主要是為限制紅土作為堤壩用料,實際上紅土作為堤壩用料的實例已經很多。

另外,筆者對四川、青海、甘肅、貴州、河南以及黃河下游勘察的113個土料場進行了統計,除沒有做“硅鐵鋁比”指標外,“硅鐵鋁比”最大值7.69,最小值2.89,平均5.96。尚未發現SiO2/R2O3≤2的樣品。從實際工作和相關設計要求看,隨著水利水電工程建設事業的迅速發展,硅鐵鋁比作為評價土料的指標,已欠妥當。

2.4　塑性指數

土料質量評價中的塑性指數,對于均質土壩宜為7～17,對于防滲體土料宜為10～20。該指標在《水利水電工程天然建筑材料勘察規程》(SDJ17—78)中就是這么規定的。當時塑性指數計算中的液限主要是采用圓錐儀法,即由相應于76 g圓錐儀,錐角30°,入土深度為10 mm時測定的含水量ω10(相應的塑性指數為I10)。在現行《土工試驗規程》(SL237—1999)中,為使液限與國際上多數國家一致,將入土深度為17 mm時測定的含水量ω17定義為液限(錐重仍為76 g、錐角仍為30°)。而在《水利水電工程天然建筑材料勘察規程》(SL251—2000)修編規程中,沒有對土料質量評價中的塑性指數進行相應修改,也未說明,因此,在目前各單位運用過程中,有的用I10,有的用I17,比較混亂。

《土工試驗規程》(SL237—1999)中指出為了使用有關規范查承載力基本值,將塑性指數I10作為配套的專門規定,這說明試驗資料中可以同時提I17和I10兩個塑性指數值。因此,建議在進行水利水電工程天然建筑材料修編時,應對土料質量評價中的塑性指數進行相應調整,如仍采用I10,應進行特別說明。

3　結語

土料的質量評價指標pH值、緊密密度、硅鐵鋁比在《碾壓式土石壩設計規范》(SL 274—2001)和《堤防工程設計規范》(GB 50286—2013)中均沒有要求對其進行直接評價,實際上這三項指標對土料的水理性質和滲透性沒有直接關系,只是在研究土的成因類型、成土過程、理想條件下的礦物成分等方面有些幫助,作為評價堤壩土料的質量指標已不相適宜。這些指標不宜再作為評價土料是否合格的基本指標,建議在進行再次修訂時予以取消。對于塑性指數，它是評價土料的塑性與黏性的主要指標,應根據試驗規程的變化,對其進行相應調整,如仍采用原來參數,應進行特別說明。

參考文獻:

[1]SL251—2000,水利水電工程天然建筑材料勘察規程[S].

[2]SL274—2001，碾壓式土石壩設計規范[S].

[3]GB50286—98，堤防工程設計規范[S].

[4]GB50286—2013，堤防工程設計規范[S].