西藏拉洛水利樞紐工程料場分散性土試驗研究及思考

賈召文，黃振偉，張瑋鵬，杜勝華

(1.西藏大唐扎拉水電開發有限公司，西藏 昌都 854000； 2.長江巖土工程有限公司，湖北 武漢 430010； 3.國家大壩安全工程技術研究中心，湖北 武漢 430010)

0 引 言

分散性土在水的作用下，細顆粒之間黏聚力會大部分或全部消失、原本呈團聚體存在的土顆粒自行分散開。分散的土粒隨水流動，為土體的滲透變形、破壞提供了條件，危害性很大，國內外也出現了分散性土堤壩管涌、路基失穩的較多案例，引起了工程界的高度關注。前人相關研究側重于分散機理和試驗方法[1-3]，認為分散性與土中的K+，Na+含量有關，并僅僅以試驗結果作為土是否具分散性的依據，也未對與K+，Na+相關且特性相似的分散性土和鹽漬土進行對比研究。

本文以西藏拉洛水利樞紐工程土料場地質勘察為例，進行了土的顆粒級配、黏塑性、礦物及化學成分以及一般物理力學性質等常規試驗，并采用了針孔、碎塊、雙比重計、孔隙水陽離子等4種方法開展分散性試驗，基于試驗結果并結合野外調查表象綜合考慮，提高了土的分散性判別結論可靠度。同時，在研究過程中，專門分析了分散性土和鹽漬土的區別與聯系，提出了應分步實施相關試驗的工作流程。該方法既不會造成上述兩種特殊土的遺漏，還可節省勘探試驗工作量。

1 工程概況

拉洛水利樞紐工程位于西藏自治區日喀則地區，主要任務為灌溉兼顧供水、發電和防洪，是雅魯藏布江右岸一級支流夏布曲上的控制性工程[4]、國家172項節水供水重大水利工程之一，也是西藏迄今投資規模最大的水利工程，對促進自治區經濟跨越式、全面協調可持續發展，加快脫困步伐，保障邊疆繁榮穩定具有重要意義。壩址主要建筑物由攔河大壩、左岸溢洪道、右岸泄洪洞、拉洛水電站等組成，最大壩高61.5 m，壩頂高程4 305 m，壩長425.6 m；水庫正常蓄水位4 298 m，總庫容2.965億m3；屬 Ⅱ 等工程大(2)型水庫[5]。

從2004年開始選點規劃，到2006年進行可行性研究階段前期，拉洛水利樞紐大壩壩型設計一直為黏土心墻砂礫石壩，心墻料源為壩址附近河流沖積、溝道沖湖積黏性土。在可行性研究階段后期，經專門研究綜合判斷料場土為分散性土，并進行了改性、反濾保護等處理措施論證。考慮到高原特殊的環境條件，為不留質量隱患、確保工程安全，將壩型修改為瀝青混凝土心墻砂礫石壩[6]。2019年9月，大壩封頂，至今運行狀況良好。

2 分散性土的分布、成因及一般性質

2.1 分布與成因

在拉洛水利樞紐大壩可行性研究階段，初擬大壩壩型為黏土心墻砂礫石壩，心墻填筑料可取自勒朵和亞古兩個黏性土料場，經試驗檢測土料為分散性土。

2.2 一般性質

勒朵土料場土樣總體以黏粒(粒徑小于0.005 mm)為主(僅1個樣品以粒徑0.250～0.075 mm的砂粒為主)，黏粒含量41.0%～62.3%，液限27.0%～32.0%，塑限16.4%～19.5%，塑性指數10.6～12.8；自由膨脹率12%～21%，不具膨脹性；擊實后最大干密度1.71～1.98 g/cm3，滲透系數量級為10-6cm/s。亞古土料場總體以粉粒(粒徑0.075～0.005 mm)為主(僅1個樣品以粒徑小于0.005 mm的黏粒為主)，粉粒含量56.5%～65.9%，液限29.7%～31.8%，塑限17.5%～22.7%，塑性指數9.1～12.2；自由膨脹率0～10%，不具膨脹性；擊實后最大干密度1.58～1.70 g/cm3，滲透系數在10-6cm/s量級。兩料場土均不具膨脹性，擊實后均具微透水性，相對而言，勒朵土料場土的黏粒含量、自由膨脹率、最大干密度大于亞古土料場。

根據化學性質試驗成果(表1)，勒朵土料場土樣pH值8.84～9.16，略高于亞古土料場pH值(8.72～8.99)，均屬強堿性土料(pH值在8.5～9.5之間)。一般認為，土的pH高是其可能產生分散性的主要原因之一。黏土顆粒表面和邊緣有可能暴露出來的羥基具有分解的趨勢，會受到pH 值的強烈影響，pH值越高，H+進入溶液的趨勢越大，顆粒的有效負電荷就越大。同時，暴露在黏土礦物邊緣的氧化鋁呈正負兩性，在低pH值下表現為正電性，在高pH值下表現為負電性，高pH值使懸液穩定或黏土顆粒分散。因此，土呈堿性時，土粒表面易形成擴散雙電層使顆粒趨于分散。勒朵土料場土樣易溶鹽含量0.04%～0.13%，高于亞古土料場易溶鹽含量0.02%～0.06%。易溶鹽含量均很低，小于0.3%，兩料場土不屬于鹽漬土。

根據礦物成分分析成果(表2)，兩料場黏土礦物以伊利石為主(含量多為25%～34%)。由于伊利石是較不穩定的風化中間產物，如果其全部脫鉀，伊利石會與蒙脫石一樣；若部分脫鉀，伊利石就具有蒙脫石的部分性質。脫鉀或部分脫鉀的伊利石如大量吸附鈉離子，就會象鈉蒙脫石一樣具高分散性。從全量分析成果看，兩料場土的蒙脫石含量較低，但存在一部分易轉化成蒙脫石的伊利石礦物——含量2%～7%的伊利石-蒙脫石混層礦物。

表2 料場土料礦物成分分析成果Tab.2 Analysis results of mineral composition of soil materials in the quarry

3 土的分散性判斷

3.1 分散性土的野外表象

在分散性土分布的地區，地表一般會出現一些異常現象。坡度較大的斜坡地段，雨淋沖溝在坡面上密集發育且深度較大，陡坎處還可見孔洞，溝道內水流和孔洞內積水水質渾濁，長時間不變澄清。在坡度較小的斜坡地段，地表亦可見沖溝、低洼凹槽，溝槽較為寬淺，數量較少，少見淋蝕洞穴；雨季低洼凹槽積水很渾濁，雨后凹槽干涸，底部會留下很細的粉粒、黏粒沉積，并出現龜裂。例如勒朵土料場是由河流沖積形成的階地，階地前部斜坡發育有較為密集的溝槽。

分散性土抗水性很差，構成土體的顆粒遇水崩解、分散開來，細小的土顆粒懸浮于水中，易被水流帶走，形成溝槽、孔洞。但在高差甚微的平緩地面上，水對土的分散性卻不大，上述沖蝕異常現象并不明顯，具體原因：① 由于平地水的流速小、沖蝕力小，② 分散性土中鹽分進入徑流緩慢的水中，水中鹽的濃度增加，從而崩解破壞減弱，直至失去了對土的破壞力。例如亞古土料場是由沖積、湖泊沉積形成的平臺，臺面地形完整，未見明顯的水流沖蝕現象。

3.2 分散性試驗

根據GB 50487-2008《水利水電工程地質勘察規范》和SL 251-2015《水利水電工程天然建筑材料規程》規定，土分散性試驗包括針孔試驗、碎塊試驗、雙比重計試驗、孔隙水陽離子試驗等。

3.2.1 針孔試驗

針孔試驗是在特制的針孔試驗裝置中，將原狀土樣按試驗要求壓實到最大干密度，在試樣的中部穿一個直徑1.0 mm的小孔，然后用蒸餾水進行沖蝕試驗，分別在50，180，380，1 020 mm水頭下觀察針孔受水沖蝕的情況。

根據試驗成果，勒朵土料場中，試樣L2，L4，L5為分散性土，試樣L3，L6為過渡性土，試樣L1為非分散性土；亞古土料場中，試樣Y3為分散性土，其他試樣均為過渡性土。

3.2.2 碎塊試驗

碎塊試驗是將保持天然含水率的原狀土塊制成1 cm3左右的土塊，放入盛有約200 mL蒸餾水的250 mL燒杯中，浸放5～10 min后，由試驗人員根據肉眼觀察土塊中膠粒的分散性狀，若試驗過程中膠粒懸液析出，則可認為土樣具有一定的分散性。

根據試驗成果，兩土料場均為分散性土，勒朵土料場試樣浸水后一般5 min內土塊在杯底塌散，亞古土料場試樣則需要10 min，即勒朵土料場土的分散性較強。

3.2.3 雙比重計試驗

雙比重計試驗是對土樣進行兩次比重計試驗來測定黏粒含量，第一次加分散劑、煮沸、攪拌，第二次不加分散劑，先將土樣放在盛有一定量蒸餾水的抽濾瓶中，并與真空泵連接抽氣10 min，然后把水懸液沖洗到量筒中，加蒸餾水至1 000 mL，倒轉量筒30次并來回搖晃，讓黏粒自行水化分散。計算不加分散劑的黏粒含量與加分散劑的黏粒含量之比值，即分散度，進而判斷土的分散性。

根據試驗成果，勒朵土料場中，試樣L2～L6為分散性土(分散度60.9%～86.0%)，僅試樣L1為過渡性土(分散度47.7%)。亞古土料場中，試樣Y3，Y6為分散性土(分散度70.8%～73.4%)，其他試樣均為過渡性土(分散度46.3%～49.6%)。

3.2.4 孔隙水陽離子試驗

孔隙水陽離子試驗是將土樣用蒸餾水拌和到接近液限的稠度，用離心機或抽濾裝置將孔隙水溶液提取出來，測定其中的Ca2+，Mg2+，K+，Na+含量，計算上述陽離子總量TDS，以mg/L當量計，并計算出其中的Na+含量的百分數(PS)。依據土樣點落在以TDS為橫坐標、PS為縱坐標的標準圖上的位置，判斷其分散性。

根據試驗成果(表3)，勒朵土料場中，試樣L1，L2，L4，L5為分散性土，試樣L3，L6為非分散性土。亞古土料場中，試樣Y2，Y4，Y5，Y6為分散性土，試樣Y3為過渡性土，試樣Y1為非分散性土。其中，兩料場中L3，L6，Y1等3個試樣為非分散性土，鈉離子含量為0。

表3 料場土料孔隙水陽離子試驗成果Tab.3 Results of pore water cation test of soil materials in the quarry

3.3 土的分散性綜合判斷

分散性土在野外自然環境條件下，特別是降雨、水流等沖刷作用下，常形成較為獨特的溶蝕微地貌，如沖溝、凹槽、孔洞、洞穴等。在野外調查與識別這些特征，對分散性的判斷具有重要意義。但并不是分散性分布的部位，就一定可見上述特征，因此野外調查僅作為初步判斷方法，與室內試驗相結合才能最終判斷土的分散性。

分散性土被水沖蝕破壞，是一個復雜的物理化學過程。土產生分散性的根本原因是顆粒之間的排斥力大于吸引力，使得土-水-電解質系統中的黏粒分散，其影響因素復雜多樣，如黏粒含量、礦物成分及含量、pH值、陽離子種類及含量等。水電行業現行標準規定了4種試驗方法，每種方法都有其優點，也有其局限性，僅依據一兩種試驗，往往難以得到正確的判斷。

針孔試驗模擬了土體在集中滲流作用條件下所承受的沖蝕條件，被認為是最可靠的鑒別方法，但不適用于黏粒含量很低、膨脹量很高的土，而勒朵、亞古兩料場土的黏粒含量較大且屬非膨脹土。碎塊試驗具有多解性，可靠性相對較差，但因其試驗條件簡單，無需特殊試驗儀器，一般配合野外調查進行土的分散性初步判斷。雙比重計試驗是針對分散性土與普通黏性土的黏粒含量差別進行的，無法反映水流對土粒的沖刷因素，對含鹽量大的土，試驗結果不可靠，而勒朵、亞古兩料場土的含鹽量很小，屬非鹽漬土。孔隙水陽離子試驗采用Na+百分比判斷土的分散性，某種程度上反映了土的分散性本質，但試驗中孔隙水的提取技術影響了試驗結果的測量精度。

在進行勒朵、亞古兩料場土的分散性判斷時，上述4種試驗方法均是適宜的。但鑒于碎塊試驗可靠性相對較差，因此以針孔試驗、雙比重計試驗、孔隙水陽離子試驗3種方法為準，當試驗結果不一致時，以偏危險的結果作為判斷結論。勒朵、亞古兩土料場共12個試樣中，11個試樣綜合判定為分散性土，僅亞古土料場1個試樣綜合判定為過渡性土。

4 分散性土作筑壩材料的勘察試驗思路

4.1 行業標準技術要求

分散性土筑壩會出現大面積沖蝕破壞，或使堤壩發生突然的管涌破壞，導致嚴重后果，是工程性質差的一種特殊土料。美國俄克拉荷馬州Wister大壩在1949年蓄水時發生嚴重管涌，Casagrande研究認為該壩采用的防滲土料具高度分散性，這是關于用分散性土修筑堤壩發生破壞的首次報道。Cole等[7]對澳大利亞西北地區采用分散性土修筑的均質壩管涌情況進行了研究，表明10%以上的土壩事故與土的分散性有關。西班牙Gutierrez、泰國Aramsri等[8-9]學者也進行了類似研究。中國20世紀80年代在黑龍江引嫩工程中因采用分散性土而導致輸水渠道出現大量洞穴和管涌破壞。1995年，海南三亞的嶺落水庫發生潰壩，調查表明其也是由于分散性土導致[1]。

為確保工程安全，GB 50487-2008《水利水電工程地質勘察規范》規定，分散性土不能作為大壩、渠道的填筑料。中國的分散性土在不同地區均有分布，卻除西北和東北地區外，還有華中地區河南、湖北甚至華東地區山東、華南地區海南等地，范圍較廣泛。在這些地區建壩，工程區及附近僅有分散性土分布，完全不采用分散性土作筑壩材料并不現實。SL 274-2020《碾壓土石壩設計規范》規定，經處理改性的分散性土僅可用于填筑3級低壩的防滲體，改性一般采用摻入一定比例的石灰以抑制其分散性；防滲體與壩基、岸坡接觸處等易產生集中滲流的部位，以及易受雨水沖刷的壩表面不得采用分散性黏土填筑。SL 251-2015《水利水電工程天然建筑材料規程》中規定，因考慮到中國目前使用分散性土等特殊土作為水利水電工程的填筑土料和防滲土料還沒有成熟經驗，應進行專門論證。

4.2 分散性土與鹽漬土的關系

土壤中含有各種鹽分，按照溶入水的難易程度，分為易溶鹽、中溶鹽和難溶鹽3類。易溶鹽包括氯鹽、重碳酸鹽、Na2CO3，Na2SO4等，中溶鹽主要是石膏(生石膏又稱“二水石膏”，熟石膏又稱“半水石膏”)，難溶鹽包括CaCO3，MgCO3等，易溶鹽和中溶鹽統稱為可溶鹽。對土中易溶鹽含量大于0.3%且具有吸濕、松脹等特殊性質的土，定義為鹽漬土。鹽漬土按照含鹽成分的不同，分為氯及亞氯類、硫酸及亞硫酸類、堿性鹽類，分別表現出不同的特性：氯及亞氯類具濕陷性，硫酸及亞硫酸類具膨脹性，堿性鹽類具分散性。

易溶鹽含量高的鹽漬土不一定均屬于分散性土，如西藏尼洋河多布水電站古魯村土料場易溶鹽平均含量1.2%，屬鹽漬土[10]，但并不具分散性。易溶鹽含量高且為堿性鹽類的鹽漬土，應屬分散性土，如新疆引額濟克工程土料場易溶鹽含量2.01%～2.70%，且NaHCO3，Na2CO3含量較高，具分散性[2]。

易溶鹽含量低的非鹽漬土，可以表現為分散性，如西藏拉洛工程勒朵、亞古土料場易溶鹽含量分別為0.04%～0.13%，0.02%～0.06%，含量均很低，但兩料場土屬分散性土；易溶鹽含量低的非鹽漬土也可表現為非分散性，如西藏尼洋河多布水電站拉當嘎土料場易溶鹽平均含量0.02%，屬非鹽漬土，也不具分散性[10]。

4.3 勘察試驗思路

盡管分散性土具有遇水后土顆粒會分散的特征，地表一般形成沖蝕現象，但這些沖蝕現象存在除分散性土因素以外的可能性，且有些地表也不一定都會出現這些異常現象，因此判斷土的分散性難度較大。動輒開展分散性土的專門論證，會造成人力、物力浪費。因此，對工程區分布的土，是否按照分散性土進行試驗研究，系水利水電工程地質勘察中的難點。

西藏拉洛水利樞紐大壩初擬壩型為黏土心墻砂礫石壩，外業期間對作為心墻料源的勒朵和亞古兩個黏性土料場進行了常規勘察，認為料場黏性土除天然含水率偏小外，其他試驗項目均可滿足規程質量要求。由于文獻記載工程所在地日喀則地區存在分散性土，因此勘察設計單位先后兩次奔赴高原補充勘探、取樣、試驗，進行了專題研究，綜合判斷料場土為分散性土，據此調整大壩壩型為瀝青混凝土心墻砂礫石壩，消除了重大工程質量隱患。

對均質壩填筑土料和防滲土料，SL 251-2015《水利水電工程天然建筑材料勘察規程》規定了黏粒含量、塑性指數、滲透系數、有機質含量、可溶鹽含量、天然含水率等6項質量技術指標，除可溶鹽含量外，其余5項與分散性土沒有直接聯系，同時規定土的可溶鹽(包括易溶鹽和中溶鹽)含量應不大于3%，才能滿足規程質量要求。但是，并未查詢到“可溶鹽含量應不大于3%”的依據。SL 274-2020《碾壓土石壩設計規范》條文說明中解釋，考慮到一定量含可溶鹽的土作為大壩材料時，因滲流水作用，會引起填土性質發生變化；對可溶鹽含量，國內外沒有統一要求，前蘇聯曾規定氯鹽含量不超過5%。即使土的可溶鹽含量不大于3%，但如果其中易溶鹽大于0.3%，則屬鹽漬土而表現出濕陷、膨脹、分散等特殊性質，不能滿足質量要求，仍需進行專門論證。因此，建議對相關標準有關質量技術指標進行修改，將“可溶鹽含量不大于3%”調整為“易溶鹽含量不大于0.3%”。

在土料場勘察中，為了達到既不遺漏分散性土、鹽漬土等特殊土，又可節省工作量的目的，應分步實施相關試驗研究(圖1)。首先，取土樣進行易溶鹽含量試驗，根據試驗結果判斷土是否為鹽漬土。其次，對非鹽漬土，在地區經驗、野外調查、碎塊試驗的基礎上進行土的分散性初步判斷；對鹽漬土，進行化學成分分析試驗，確定鹽漬土的含鹽類型。最后，對初步判斷具分散性的非鹽漬土進行分散性試驗，對確定為氯及亞氯類的鹽漬土進行濕陷性試驗，確定為硫酸及亞硫酸類的鹽漬土進行膨脹性試驗，確定為堿性鹽類鹽漬土進行分散性試驗。

圖1 分散性土料勘察試驗工作流程Fig.1 Work flow of investigation and test of dispersive soil material

5 結 語

分散性土在滲流作用下易發生沖蝕，導致堤壩管涌、地基失穩，危害性很大。對西藏拉洛水利樞紐工程料場土的分散性開展了專門研究，并對分散性土作筑壩材料的勘察試驗思路進行了探討，主要結論及建議如下。

(1) 針對原擬開采作為心墻防滲土料的料場土，通過針孔、碎塊、雙比重計、孔隙水陽離子等分散性試驗，結合野外表象調查，綜合判斷料場土為分散性土；在此基礎上，調整了大壩防滲體類型，消除了高原高寒惡劣環境下樞紐工程質量隱患。

(2) 分散性土和鹽漬土有區別也有聯系，分散性土不一定均屬于鹽漬土，鹽漬土也不一定均屬于分散性土，但堿性鹽類鹽漬土表現為分散性。在工程勘察中，為節省試驗工作量并準確判斷土的上述兩種特殊性質，應分步實施相關試驗研究。只有在初步判斷土具分散性的前提下，才需進一步開展專門的分散性試驗。初步判斷應基于野外調查、地區經驗，并在現場開展碎塊試驗，可提高初判結果的準確性。

(3) 目前土的分散性判斷需同時采用4種或4種以上的方法進行平行試驗，工作量大，而各方法所得的試驗結果有時不一致，因此可將研究單一有效的分散性試驗方法作為今后的工作方向。