贾召文，黄振伟，张玮鹏，杜胜华

(1.西藏大唐扎拉水电开发有限公司，西藏 昌都 854000； 2.长江岩土工程有限公司，湖北 武汉 430010； 3.国家大坝安全工程技术研究中心，湖北 武汉 430010)

0 引 言

分散性土在水的作用下，细颗粒之间黏聚力会大部分或全部消失、原本呈团聚体存在的土颗粒自行分散开。分散的土粒随水流动，为土体的渗透变形、破坏提供了条件，危害性很大，国内外也出现了分散性土堤坝管涌、路基失稳的较多案例，引起了工程界的高度关注。前人相关研究侧重于分散机理和试验方法[1-3]，认为分散性与土中的K+，Na+含量有关，并仅仅以试验结果作为土是否具分散性的依据，也未对与K+，Na+相关且特性相似的分散性土和盐渍土进行对比研究。

本文以西藏拉洛水利枢纽工程土料场地质勘察为例，进行了土的颗粒级配、黏塑性、矿物及化学成分以及一般物理力学性质等常规试验，并采用了针孔、碎块、双比重计、孔隙水阳离子等4种方法开展分散性试验，基于试验结果并结合野外调查表象综合考虑，提高了土的分散性判别结论可靠度。同时，在研究过程中，专门分析了分散性土和盐渍土的区别与联系，提出了应分步实施相关试验的工作流程。该方法既不会造成上述两种特殊土的遗漏，还可节省勘探试验工作量。

1 工程概况

拉洛水利枢纽工程位于西藏自治区日喀则地区，主要任务为灌溉兼顾供水、发电和防洪，是雅鲁藏布江右岸一级支流夏布曲上的控制性工程[4]、国家172项节水供水重大水利工程之一，也是西藏迄今投资规模最大的水利工程，对促进自治区经济跨越式、全面协调可持续发展，加快脱困步伐，保障边疆繁荣稳定具有重要意义。坝址主要建筑物由拦河大坝、左岸溢洪道、右岸泄洪洞、拉洛水电站等组成，最大坝高61.5 m，坝顶高程4 305 m，坝长425.6 m；水库正常蓄水位4 298 m，总库容2.965亿m3；属 Ⅱ 等工程大(2)型水库[5]。

从2004年开始选点规划，到2006年进行可行性研究阶段前期，拉洛水利枢纽大坝坝型设计一直为黏土心墙砂砾石坝，心墙料源为坝址附近河流冲积、沟道冲湖积黏性土。在可行性研究阶段后期，经专门研究综合判断料场土为分散性土，并进行了改性、反滤保护等处理措施论证。考虑到高原特殊的环境条件，为不留质量隐患、确保工程安全，将坝型修改为沥青混凝土心墙砂砾石坝[6]。2019年9月，大坝封顶，至今运行状况良好。

2 分散性土的分布、成因及一般性质

2.1 分布与成因

在拉洛水利枢纽大坝可行性研究阶段，初拟大坝坝型为黏土心墙砂砾石坝，心墙填筑料可取自勒朵和亚古两个黏性土料场，经试验检测土料为分散性土。

2.2 一般性质

勒朵土料场土样总体以黏粒(粒径小于0.005 mm)为主(仅1个样品以粒径0.250～0.075 mm的砂粒为主)，黏粒含量41.0%～62.3%，液限27.0%～32.0%，塑限16.4%～19.5%，塑性指数10.6～12.8；自由膨胀率12%～21%，不具膨胀性；击实后最大干密度1.71～1.98 g/cm3，渗透系数量级为10-6cm/s。亚古土料场总体以粉粒(粒径0.075～0.005 mm)为主(仅1个样品以粒径小于0.005 mm的黏粒为主)，粉粒含量56.5%～65.9%，液限29.7%～31.8%，塑限17.5%～22.7%，塑性指数9.1～12.2；自由膨胀率0～10%，不具膨胀性；击实后最大干密度1.58～1.70 g/cm3，渗透系数在10-6cm/s量级。两料场土均不具膨胀性，击实后均具微透水性，相对而言，勒朵土料场土的黏粒含量、自由膨胀率、最大干密度大于亚古土料场。

根据化学性质试验成果(表1)，勒朵土料场土样pH值8.84～9.16，略高于亚古土料场pH值(8.72～8.99)，均属强碱性土料(pH值在8.5～9.5之间)。一般认为，土的pH高是其可能产生分散性的主要原因之一。黏土颗粒表面和边缘有可能暴露出来的羟基具有分解的趋势，会受到pH 值的强烈影响，pH值越高，H+进入溶液的趋势越大，颗粒的有效负电荷就越大。同时，暴露在黏土矿物边缘的氧化铝呈正负两性，在低pH值下表现为正电性，在高pH值下表现为负电性，高pH值使悬液稳定或黏土颗粒分散。因此，土呈碱性时，土粒表面易形成扩散双电层使颗粒趋于分散。勒朵土料场土样易溶盐含量0.04%～0.13%，高于亚古土料场易溶盐含量0.02%～0.06%。易溶盐含量均很低，小于0.3%，两料场土不属于盐渍土。

根据矿物成分分析成果(表2)，两料场黏土矿物以伊利石为主(含量多为25%～34%)。由于伊利石是较不稳定的风化中间产物，如果其全部脱钾，伊利石会与蒙脱石一样；若部分脱钾，伊利石就具有蒙脱石的部分性质。脱钾或部分脱钾的伊利石如大量吸附钠离子，就会象钠蒙脱石一样具高分散性。从全量分析成果看，两料场土的蒙脱石含量较低，但存在一部分易转化成蒙脱石的伊利石矿物——含量2%～7%的伊利石-蒙脱石混层矿物。

表2 料场土料矿物成分分析成果Tab.2 Analysis results of mineral composition of soil materials in the quarry

3 土的分散性判断

3.1 分散性土的野外表象

在分散性土分布的地区，地表一般会出现一些异常现象。坡度较大的斜坡地段，雨淋冲沟在坡面上密集发育且深度较大，陡坎处还可见孔洞，沟道内水流和孔洞内积水水质浑浊，长时间不变澄清。在坡度较小的斜坡地段，地表亦可见冲沟、低洼凹槽，沟槽较为宽浅，数量较少，少见淋蚀洞穴；雨季低洼凹槽积水很浑浊，雨后凹槽干涸，底部会留下很细的粉粒、黏粒沉积，并出现龟裂。例如勒朵土料场是由河流冲积形成的阶地，阶地前部斜坡发育有较为密集的沟槽。

分散性土抗水性很差，构成土体的颗粒遇水崩解、分散开来，细小的土颗粒悬浮于水中，易被水流带走，形成沟槽、孔洞。但在高差甚微的平缓地面上，水对土的分散性却不大，上述冲蚀异常现象并不明显，具体原因：① 由于平地水的流速小、冲蚀力小，② 分散性土中盐分进入径流缓慢的水中，水中盐的浓度增加，从而崩解破坏减弱，直至失去了对土的破坏力。例如亚古土料场是由冲积、湖泊沉积形成的平台，台面地形完整，未见明显的水流冲蚀现象。

3.2 分散性试验

根据GB 50487-2008《水利水电工程地质勘察规范》和SL 251-2015《水利水电工程天然建筑材料规程》规定，土分散性试验包括针孔试验、碎块试验、双比重计试验、孔隙水阳离子试验等。

3.2.1 针孔试验

针孔试验是在特制的针孔试验装置中，将原状土样按试验要求压实到最大干密度，在试样的中部穿一个直径1.0 mm的小孔，然后用蒸馏水进行冲蚀试验，分别在50，180，380，1 020 mm水头下观察针孔受水冲蚀的情况。

根据试验成果，勒朵土料场中，试样L2，L4，L5为分散性土，试样L3，L6为过渡性土，试样L1为非分散性土；亚古土料场中，试样Y3为分散性土，其他试样均为过渡性土。

3.2.2 碎块试验

碎块试验是将保持天然含水率的原状土块制成1 cm3左右的土块，放入盛有约200 mL蒸馏水的250 mL烧杯中，浸放5～10 min后，由试验人员根据肉眼观察土块中胶粒的分散性状，若试验过程中胶粒悬液析出，则可认为土样具有一定的分散性。

根据试验成果，两土料场均为分散性土，勒朵土料场试样浸水后一般5 min内土块在杯底塌散，亚古土料场试样则需要10 min，即勒朵土料场土的分散性较强。

3.2.3 双比重计试验

双比重计试验是对土样进行两次比重计试验来测定黏粒含量，第一次加分散剂、煮沸、搅拌，第二次不加分散剂，先将土样放在盛有一定量蒸馏水的抽滤瓶中，并与真空泵连接抽气10 min，然后把水悬液冲洗到量筒中，加蒸馏水至1 000 mL，倒转量筒30次并来回摇晃，让黏粒自行水化分散。计算不加分散剂的黏粒含量与加分散剂的黏粒含量之比值，即分散度，进而判断土的分散性。

根据试验成果，勒朵土料场中，试样L2～L6为分散性土(分散度60.9%～86.0%)，仅试样L1为过渡性土(分散度47.7%)。亚古土料场中，试样Y3，Y6为分散性土(分散度70.8%～73.4%)，其他试样均为过渡性土(分散度46.3%～49.6%)。

3.2.4 孔隙水阳离子试验

孔隙水阳离子试验是将土样用蒸馏水拌和到接近液限的稠度，用离心机或抽滤装置将孔隙水溶液提取出来，测定其中的Ca2+，Mg2+，K+，Na+含量，计算上述阳离子总量TDS，以mg/L当量计，并计算出其中的Na+含量的百分数(PS)。依据土样点落在以TDS为横坐标、PS为纵坐标的标准图上的位置，判断其分散性。

根据试验成果(表3)，勒朵土料场中，试样L1，L2，L4，L5为分散性土，试样L3，L6为非分散性土。亚古土料场中，试样Y2，Y4，Y5，Y6为分散性土，试样Y3为过渡性土，试样Y1为非分散性土。其中，两料场中L3，L6，Y1等3个试样为非分散性土，钠离子含量为0。

表3 料场土料孔隙水阳离子试验成果Tab.3 Results of pore water cation test of soil materials in the quarry

3.3 土的分散性综合判断

分散性土在野外自然环境条件下，特别是降雨、水流等冲刷作用下，常形成较为独特的溶蚀微地貌，如冲沟、凹槽、孔洞、洞穴等。在野外调查与识别这些特征，对分散性的判断具有重要意义。但并不是分散性分布的部位，就一定可见上述特征，因此野外调查仅作为初步判断方法，与室内试验相结合才能最终判断土的分散性。

分散性土被水冲蚀破坏，是一个复杂的物理化学过程。土产生分散性的根本原因是颗粒之间的排斥力大于吸引力，使得土-水-电解质系统中的黏粒分散，其影响因素复杂多样，如黏粒含量、矿物成分及含量、pH值、阳离子种类及含量等。水电行业现行标准规定了4种试验方法，每种方法都有其优点，也有其局限性，仅依据一两种试验，往往难以得到正确的判断。

针孔试验模拟了土体在集中渗流作用条件下所承受的冲蚀条件，被认为是最可靠的鉴别方法，但不适用于黏粒含量很低、膨胀量很高的土，而勒朵、亚古两料场土的黏粒含量较大且属非膨胀土。碎块试验具有多解性，可靠性相对较差，但因其试验条件简单，无需特殊试验仪器，一般配合野外调查进行土的分散性初步判断。双比重计试验是针对分散性土与普通黏性土的黏粒含量差别进行的，无法反映水流对土粒的冲刷因素，对含盐量大的土，试验结果不可靠，而勒朵、亚古两料场土的含盐量很小，属非盐渍土。孔隙水阳离子试验采用Na+百分比判断土的分散性，某种程度上反映了土的分散性本质，但试验中孔隙水的提取技术影响了试验结果的测量精度。

在进行勒朵、亚古两料场土的分散性判断时，上述4种试验方法均是适宜的。但鉴于碎块试验可靠性相对较差，因此以针孔试验、双比重计试验、孔隙水阳离子试验3种方法为准，当试验结果不一致时，以偏危险的结果作为判断结论。勒朵、亚古两土料场共12个试样中，11个试样综合判定为分散性土，仅亚古土料场1个试样综合判定为过渡性土。

4 分散性土作筑坝材料的勘察试验思路

4.1 行业标准技术要求

分散性土筑坝会出现大面积冲蚀破坏，或使堤坝发生突然的管涌破坏，导致严重后果，是工程性质差的一种特殊土料。美国俄克拉荷马州Wister大坝在1949年蓄水时发生严重管涌，Casagrande研究认为该坝采用的防渗土料具高度分散性，这是关于用分散性土修筑堤坝发生破坏的首次报道。Cole等[7]对澳大利亚西北地区采用分散性土修筑的均质坝管涌情况进行了研究，表明10%以上的土坝事故与土的分散性有关。西班牙Gutierrez、泰国Aramsri等[8-9]学者也进行了类似研究。中国20世纪80年代在黑龙江引嫩工程中因采用分散性土而导致输水渠道出现大量洞穴和管涌破坏。1995年，海南三亚的岭落水库发生溃坝，调查表明其也是由于分散性土导致[1]。

为确保工程安全，GB 50487-2008《水利水电工程地质勘察规范》规定，分散性土不能作为大坝、渠道的填筑料。中国的分散性土在不同地区均有分布，却除西北和东北地区外，还有华中地区河南、湖北甚至华东地区山东、华南地区海南等地，范围较广泛。在这些地区建坝，工程区及附近仅有分散性土分布，完全不采用分散性土作筑坝材料并不现实。SL 274-2020《碾压土石坝设计规范》规定，经处理改性的分散性土仅可用于填筑3级低坝的防渗体，改性一般采用掺入一定比例的石灰以抑制其分散性；防渗体与坝基、岸坡接触处等易产生集中渗流的部位，以及易受雨水冲刷的坝表面不得采用分散性黏土填筑。SL 251-2015《水利水电工程天然建筑材料规程》中规定，因考虑到中国目前使用分散性土等特殊土作为水利水电工程的填筑土料和防渗土料还没有成熟经验，应进行专门论证。

4.2 分散性土与盐渍土的关系

土壤中含有各种盐分，按照溶入水的难易程度，分为易溶盐、中溶盐和难溶盐3类。易溶盐包括氯盐、重碳酸盐、Na2CO3，Na2SO4等，中溶盐主要是石膏(生石膏又称“二水石膏”，熟石膏又称“半水石膏”)，难溶盐包括CaCO3，MgCO3等，易溶盐和中溶盐统称为可溶盐。对土中易溶盐含量大于0.3%且具有吸湿、松胀等特殊性质的土，定义为盐渍土。盐渍土按照含盐成分的不同，分为氯及亚氯类、硫酸及亚硫酸类、碱性盐类，分别表现出不同的特性：氯及亚氯类具湿陷性，硫酸及亚硫酸类具膨胀性，碱性盐类具分散性。

易溶盐含量高的盐渍土不一定均属于分散性土，如西藏尼洋河多布水电站古鲁村土料场易溶盐平均含量1.2%，属盐渍土[10]，但并不具分散性。易溶盐含量高且为碱性盐类的盐渍土，应属分散性土，如新疆引额济克工程土料场易溶盐含量2.01%～2.70%，且NaHCO3，Na2CO3含量较高，具分散性[2]。

易溶盐含量低的非盐渍土，可以表现为分散性，如西藏拉洛工程勒朵、亚古土料场易溶盐含量分别为0.04%～0.13%，0.02%～0.06%，含量均很低，但两料场土属分散性土；易溶盐含量低的非盐渍土也可表现为非分散性，如西藏尼洋河多布水电站拉当嘎土料场易溶盐平均含量0.02%，属非盐渍土，也不具分散性[10]。

4.3 勘察试验思路

尽管分散性土具有遇水后土颗粒会分散的特征，地表一般形成冲蚀现象，但这些冲蚀现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会出现这些异常现象，因此判断土的分散性难度较大。动辄开展分散性土的专门论证，会造成人力、物力浪费。因此，对工程区分布的土，是否按照分散性土进行试验研究，系水利水电工程地质勘察中的难点。

西藏拉洛水利枢纽大坝初拟坝型为黏土心墙砂砾石坝，外业期间对作为心墙料源的勒朵和亚古两个黏性土料场进行了常规勘察，认为料场黏性土除天然含水率偏小外，其他试验项目均可满足规程质量要求。由于文献记载工程所在地日喀则地区存在分散性土，因此勘察设计单位先后两次奔赴高原补充勘探、取样、试验，进行了专题研究，综合判断料场土为分散性土，据此调整大坝坝型为沥青混凝土心墙砂砾石坝，消除了重大工程质量隐患。

对均质坝填筑土料和防渗土料，SL 251-2015《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》规定了黏粒含量、塑性指数、渗透系数、有机质含量、可溶盐含量、天然含水率等6项质量技术指标，除可溶盐含量外，其余5项与分散性土没有直接联系，同时规定土的可溶盐(包括易溶盐和中溶盐)含量应不大于3%，才能满足规程质量要求。但是，并未查询到“可溶盐含量应不大于3%”的依据。SL 274-2020《碾压土石坝设计规范》条文说明中解释，考虑到一定量含可溶盐的土作为大坝材料时，因渗流水作用，会引起填土性质发生变化；对可溶盐含量，国内外没有统一要求，前苏联曾规定氯盐含量不超过5%。即使土的可溶盐含量不大于3%，但如果其中易溶盐大于0.3%，则属盐渍土而表现出湿陷、膨胀、分散等特殊性质，不能满足质量要求，仍需进行专门论证。因此，建议对相关标准有关质量技术指标进行修改，将“可溶盐含量不大于3%”调整为“易溶盐含量不大于0.3%”。

在土料场勘察中，为了达到既不遗漏分散性土、盐渍土等特殊土，又可节省工作量的目的，应分步实施相关试验研究(图1)。首先，取土样进行易溶盐含量试验，根据试验结果判断土是否为盐渍土。其次，对非盐渍土，在地区经验、野外调查、碎块试验的基础上进行土的分散性初步判断；对盐渍土，进行化学成分分析试验，确定盐渍土的含盐类型。最后，对初步判断具分散性的非盐渍土进行分散性试验，对确定为氯及亚氯类的盐渍土进行湿陷性试验，确定为硫酸及亚硫酸类的盐渍土进行膨胀性试验，确定为碱性盐类盐渍土进行分散性试验。

图1 分散性土料勘察试验工作流程Fig.1 Work flow of investigation and test of dispersive soil material

5 结 语

分散性土在渗流作用下易发生冲蚀，导致堤坝管涌、地基失稳，危害性很大。对西藏拉洛水利枢纽工程料场土的分散性开展了专门研究，并对分散性土作筑坝材料的勘察试验思路进行了探讨，主要结论及建议如下。

(1) 针对原拟开采作为心墙防渗土料的料场土，通过针孔、碎块、双比重计、孔隙水阳离子等分散性试验，结合野外表象调查，综合判断料场土为分散性土；在此基础上，调整了大坝防渗体类型，消除了高原高寒恶劣环境下枢纽工程质量隐患。

(2) 分散性土和盐渍土有区别也有联系，分散性土不一定均属于盐渍土，盐渍土也不一定均属于分散性土，但碱性盐类盐渍土表现为分散性。在工程勘察中，为节省试验工作量并准确判断土的上述两种特殊性质，应分步实施相关试验研究。只有在初步判断土具分散性的前提下，才需进一步开展专门的分散性试验。初步判断应基于野外调查、地区经验，并在现场开展碎块试验，可提高初判结果的准确性。

(3) 目前土的分散性判断需同时采用4种或4种以上的方法进行平行试验，工作量大，而各方法所得的试验结果有时不一致，因此可将研究单一有效的分散性试验方法作为今后的工作方向。