水利水电工程土料质量评价指标的商榷

牛书安

(黄河勘测规划设计有限公司,河南 郑州　450000)

1　现行水利水电工程规程、规范对土料的质量要求

现行的《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》(SL251—2000)于2000年7月13日发布,2000年8月1日实施,该规程关于土料的质量评价指标[1]见表1。

水利水电天然建筑材料勘察规程的编制应以水利水电工程的相关设计规范为基础,并与其相适应。就土料而言,与其相关的设计规范主要有《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)和《堤防工程设计规范》(GB50286—98)[2-3]。

《碾压式土石坝设计规范》(SL274—2001)中,要求防渗土料应满足下列要求:①渗透系数,均质坝≤1×10-4cm/s,心墙和斜墙≤1×10-5cm/s;②水溶盐含量(指易溶盐和中溶盐,按质量计)≤3%;③有机质含量(按质量计),均质坝≤5%,心墙和斜墙≤2%,超过此规定需进行论证;④有较好的塑性和渗透稳定性。

表1　土料质量评价指标

《堤防工程设计规范》(GB50286—2013)中对土料要求:“均质土堤的土料宜选用粘粒含量宜为10%～35%、塑料指数宜为7～20的粘性土,且不得含植物根茎、砖瓦垃圾等杂质;填筑土料含水率与最优含水率的允许偏差为±3%;铺盖、心墙、斜墙等防渗体宜选用防渗性能好的土;堤后盖重宜选用砂性土”[4]。

堤防工程设计规范与碾压式土石坝设计规范相比,前者对堤防土料粘粒含量、塑性指数提出了明确要求,根据堤防工程特点没有对渗透系数、有机质含量、水溶盐含量提出明确要求;后者对渗透系数、有机质含量、水溶盐含量提出了明确要求。

2　水利水电天然建筑材料勘察规程中几个土料质量评价指标的商榷

2.1　pH值

“pH值”用于表述土的酸碱度指标,土的酸碱度对植物影响比较明显,对工程的影响主要表现在其对混凝土和钢结构的腐蚀性,而对评价土本身的工程性质如土的压缩性、击实性、透水性等的作用不大。影响土pH值的主要因素有:气候、地形、水文、地质、生物、氧化还原条件等。中国土壤的酸碱性在地理分布上有“南酸北碱”的规律性,大致以长江为界,长江以南的土壤多为酸性土,且多为红黏土。如西南、华南地区广泛分布的红黏土,pH值大多在4.5～5.5之间；华中、华东地区的红黏土,pH值大多在5.5～6.5之间;长江以北的土壤多为中性和碱性土,如华北、西北地区的土壤pH一般在7.5～8.5之间,属于强碱性土。

以往曾认为,由于红黏土具粘粒含量高、天然干密度低、压实性差等特点,不适宜用作筑坝材料(规程中要求pH>7,主要是为限制使用红黏土)。但实践证明,红黏土具有较高的抗剪强度和抗冲刷能力,且具有中等压缩性,在中国云南、贵州、广东、广西等省已用红黏土建成多座土石坝,并积累很多成功经验,如云南毛家村水库(坝高80.3 m)、庄寨水库(坝高27 m)采用红黏土筑坝,已安全运行40年以上。鉴于红黏土在高压力下的变形特性,使得高坝的总沉降量往往偏大,因此,《碾压式土石坝设计规范SL274—2001》中规定,红粘土可用于填筑坝的防渗体,用于高坝时应对其压缩性进行论证。

由上可知,红黏土即使pH值<7,用作土石坝的防渗体不存在太大问题,只是用于高坝时应对其压缩性进行论证。因此,规程中要求pH>7,已经不适宜作为评价土料的质量技术指标了。

2.2　紧密密度

该规程术语中,“紧密密度”定义为:骨料按规定方法颠实后单位体积的质量。根据相关试验规程,紧密堆积密度试验:取试样一份,分两次装入容量筒,装完第一层后,在筒底垫放一根直径为10 mm的圆钢,将筒按住,左右交替击地面各25次,然后装入第二层;第二层装满后用同样方法颠实(但筒底所垫钢棒的方向与第一层时的方向垂直)后,再加试样直至超过筒口,然后用直尺沿筒口中心线向两边刮平,称出试样和容量筒总质量。然后,计算出紧密密度。

对土料来说“紧密密度”定义不明确,使用起来不尽统一。为了解利用该项指标在评价土料场质量中的情况,笔者随机抽取了19个土料场质量评价情况进行统计:6个土料场采用“击实后密度”代替“紧密密度”;2个土料场用了“紧密密度”进行评价;11个土料场没有评价该指标。其中,采用“紧密密度”评价的2个料场,结果是紧密密度小于天然密度,该指标不合格(注:该两料场紧密密度试验,是按照混凝土骨料的紧密密度试验方法进行的)。

从上述紧密密度的试验方法看,土的紧密密度小于天然密度应该具有必然性,“天然密度”是经过了成千上万年的沉积、压实、固结等作用后所测得的密度,而“紧密密度”是经过装筒、颠实、称重、计算后所测得密度,很明显,前者比后者明显密实得多。因此,土料质量评价指标中紧密密度“宜大于天然密度”这个条件很难成立。

2.3　SiO2/R2O3

二氧化硅和三二氧化物当量比,即为“硅铁铝比”,多用k表示,化学表达式为“SiO2/(Al2O3+Fe2O3)或SiO2/R2O3”。该项指标多用于土壤学研究中,研究意义主要有四个方面:①用以初步判断土的矿物组成。在理想的、单一矿物条件下,硅铁铝比可反映不同的黏土矿物成分。在单一矿物条件下,一般高岭石或多水高岭石k在2左右,在3左右时可能是富硅高岭土、伊利石,在4左右时可能是蒙脱石、叶蜡石。故在单一矿物条件下,根据硅铁铝比可粗略地判别粘土矿物的类型。②与母岩进行对照,用以判断红土的成土过程特征。从硅铁铝比表达式可以看出,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。表明在红土的形成过程中,硅不断淋失,铁铝相对富集,随着红土化作用过程的继续,SiO2的含量减少,Fe2O3和Al2O3的含量增多,倍半氧化物的含量也增大,相应地游离氧化物越多,可以说红土的化学成分是红土化作用结果的反映。③通过上下层对比,判断剖面中淋滤情况。④根据硅铁铝比判断土壤中胶体阴阳电性的强弱。

众所周知,土料的矿物成分是很复杂的,可分为原生矿物和次生矿物两大类。岩石经物理风化作用后破碎形成的矿物颗粒,称原生矿物。原生矿物在风化过程中,其化学成分并没有发生变化,它与母岩矿物成分是相同的。常见的原生矿物有石英、长石和云母等。岩石经化学风化作用所形成的矿物颗粒,称次生矿物。常见的次生矿物有高岭石、伊利石和蒙脱石三大黏土矿物类型。在实际工作中,理想的、单一矿物条件下的土料是比较少见的。而且,对于堤坝所用土料来说,其基本指标主要是渗透系数、水溶盐含量和有机质含量,在相关设计规范中具有明确要求,对于硅铁铝比没有进行要求。一般来说,红土的硅铁铝比1～2,《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》要求硅铁铝比>2,主要是为限制红土作为堤坝用料,实际上红土作为堤坝用料的实例已经很多。

另外,笔者对四川、青海、甘肃、贵州、河南以及黄河下游勘察的113个土料场进行了统计,除没有做“硅铁铝比”指标外,“硅铁铝比”最大值7.69,最小值2.89,平均5.96。尚未发现SiO2/R2O3≤2的样品。从实际工作和相关设计要求看,随着水利水电工程建设事业的迅速发展,硅铁铝比作为评价土料的指标,已欠妥当。

2.4　塑性指数

土料质量评价中的塑性指数,对于均质土坝宜为7～17,对于防渗体土料宜为10～20。该指标在《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》(SDJ17—78)中就是这么规定的。当时塑性指数计算中的液限主要是采用圆锥仪法,即由相应于76 g圆锥仪,锥角30°,入土深度为10 mm时测定的含水量ω10(相应的塑性指数为I10)。在现行《土工试验规程》(SL237—1999)中,为使液限与国际上多数国家一致,将入土深度为17 mm时测定的含水量ω17定义为液限(锥重仍为76 g、锥角仍为30°)。而在《水利水电工程天然建筑材料勘察规程》(SL251—2000)修编规程中,没有对土料质量评价中的塑性指数进行相应修改,也未说明,因此,在目前各单位运用过程中,有的用I10,有的用I17,比较混乱。

《土工试验规程》(SL237—1999)中指出为了使用有关规范查承载力基本值,将塑性指数I10作为配套的专门规定,这说明试验资料中可以同时提I17和I10两个塑性指数值。因此,建议在进行水利水电工程天然建筑材料修编时,应对土料质量评价中的塑性指数进行相应调整,如仍采用I10,应进行特别说明。

3　结语

土料的质量评价指标pH值、紧密密度、硅铁铝比在《碾压式土石坝设计规范》(SL 274—2001)和《堤防工程设计规范》(GB 50286—2013)中均没有要求对其进行直接评价,实际上这三项指标对土料的水理性质和渗透性没有直接关系,只是在研究土的成因类型、成土过程、理想条件下的矿物成分等方面有些帮助,作为评价堤坝土料的质量指标已不相适宜。这些指标不宜再作为评价土料是否合格的基本指标,建议在进行再次修订时予以取消。对于塑性指数，它是评价土料的塑性与黏性的主要指标,应根据试验规程的变化,对其进行相应调整,如仍采用原来参数,应进行特别说明。

参考文献:

[1]SL251—2000,水利水电工程天然建筑材料勘察规程[S].

[2]SL274—2001，碾压式土石坝设计规范[S].

[3]GB50286—98，堤防工程设计规范[S].

[4]GB50286—2013，堤防工程设计规范[S].