志丹縣泥漿泵筑壩土料的物理力學(xué)性質(zhì)研究

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(志丹縣水務(wù)局水保隊， 陜西 志丹 717500)

志丹縣地處黃土高原丘陵溝壑區(qū)，是陜西省水土流失嚴(yán)重的地區(qū)之一，淤地壩建設(shè)是治理水土流失、改善生態(tài)環(huán)境、增加農(nóng)民收入的重要工程措施[1-2]。結(jié)合省水土保持局泥漿泵[3]筑壩技術(shù)試驗研究項目，對志丹縣前拐溝泥漿泵筑壩條件下所要求的土料物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行測定，為泥漿泵筑壩提供理論依據(jù)。

1 項目區(qū)概況

試驗壩位于志丹縣順寧鎮(zhèn)任坪村保娃溝門流域的前拐溝，距縣城10 km，屬洛河二級支流，淤地壩控制流域面積1.75 km2，主溝道長2.5 km，溝道比降2.4%。該流域為典型的黃土丘陵溝壑第一副區(qū)，地貌由梁峁、溝坡、溝床三個單元組成。延定公路從流域溝口通過，溝口至壩址處有簡易鄉(xiāng)村道路。交通十分便利。

項目所在區(qū)域為大陸性季風(fēng)氣候，春季干旱少雨多風(fēng)，夏季炎熱多雨，秋季降溫迅速，冬季雨雪稀少，光照充足。多年平均氣溫7.8 ℃，絕對最高氣溫37.4 ℃，最低氣溫-25.4 ℃，年均無霜期154 d，多年平均降水量511.8 mm，其中汛期6～9月份降雨量占全年降雨量的66%以上，最大年降雨量785.9 mm，溝道屬季節(jié)性流水，多年平均侵蝕模數(shù)為17 000 t/km2·a。

2 實驗內(nèi)容及方法

2.1 筑壩土料取樣方法

料場勘查時嚴(yán)格按照中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《水利水電工程地質(zhì)勘測規(guī)范》(GB 50487-2008)[4]執(zhí)行；土樣的采集、運(yùn)送、管理按照中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程》(SL 251-2000)[5]執(zhí)行。

土料基本性質(zhì)測定在西北農(nóng)林科技大學(xué)水土保持實驗室進(jìn)行。

試驗材料取自黃土丘陵溝壑區(qū)志丹縣順寧鎮(zhèn)任坪前拐溝小流域。料場占地面積大，可用層深厚而穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，屬“Ⅰ”類料場[1]。

取樣方法：選擇典型料場。首先鏟除1 m厚的清基層，使表面的雜草、樹根及腐殖質(zhì)土和其它雜物徹底清除，然后以“S”型物探線布置5個探坑，探坑間距50 m，每個探坑分2層(用Nij表示第i號探坑的第j層，其中i=1，2，…，5；j=1，2。)取樣，層間間距2 m。探坑借助人工完成，所有操作嚴(yán)格按照《原狀土取樣技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》(JGJ89-92)[6]要求實施，所用取土器為環(huán)刀，土層較為均勻，淺黃色，含有少量結(jié)核。

2.2 土料指標(biāo)選取與測定

根據(jù)水利水電行業(yè)規(guī)范的相關(guān)要求和已建設(shè)水利工程的實踐經(jīng)驗[7-8]，常規(guī)土工試驗包括的指標(biāo)有：土的工程分類、試樣制備、滲透試驗、顆粒分析試驗、液塑限試驗、擊實試驗、抗剪強(qiáng)度試驗、固結(jié)試驗等。據(jù)《水墜壩技術(shù)規(guī)范》(SL302-2004)[9]中關(guān)于筑壩土料宜進(jìn)行的土工試驗要求，并結(jié)合泥漿泵現(xiàn)場筑壩工藝，選取試樣制備、土的工程分類、擊實試驗、滲透試驗等指標(biāo)，作為泥漿泵筑壩條件下的土工試驗指標(biāo)。

(1)試樣制備。試樣制備據(jù)《土工實驗規(guī)程》[10](SL237-1999)進(jìn)行。

(2)工程分類。采用激光粒度儀測定土料級配，采用液塑限聯(lián)合測定儀測定土料的液塑限，其結(jié)果用于進(jìn)行土的工程分類。

(3)擊實試驗。試驗按《土工實驗規(guī)程》(SL237-1999)，采用南京土壤儀器廠生產(chǎn)的JDS-1型數(shù)控電動標(biāo)準(zhǔn)擊實儀進(jìn)行試驗，確定土料的最優(yōu)含水率。

(4)滲透試驗。試驗按《土工實驗規(guī)程》(SL237-1999)，采用南55型滲透儀變水頭法進(jìn)行試驗。

每個試驗取三個重復(fù)樣，樣品誤差不超過5%(超過誤差試驗重做)，取三次試驗結(jié)果的平均值作為最終結(jié)果。

3 結(jié)果與分析

3.1 土料的物理性質(zhì)

現(xiàn)場土層較為均勻，淺黃色，含有少量結(jié)核，其主要物理性質(zhì)見表1。

表1 試驗土料的物理性指標(biāo)

所采土樣的顆粒組成分級為：平均粘粒含量18.95%，平均粉粒含量66.49%，平均砂粒含量14.56%，其中粘粒是指粒徑小于0.005 mm的土壤組成顆粒。該土樣的不同百分比含量粒徑d10，d30，d60分別平均為0.0010 mm，0.016 mm，0.040 mm，不均勻系數(shù)Cu平均為12.61，曲率系數(shù)Cc平均為2.17。

由上述內(nèi)容可知，志丹土壤粒徑分布不均勻，且級配良好，土壤較大土粒間的孔隙可被較小土粒填充，容易被壓實，可用于該區(qū)水墜壩的填筑材料。

3.2 土的工程分類

據(jù)《水墜壩技術(shù)規(guī)范》(SL302-2004)[9]關(guān)于水墜壩土料分類的界定，當(dāng)滿足小于0.005 mm的土粒含量∈[20，30]，液限WL小于26%，塑性指數(shù)IP≤7時為輕粉質(zhì)壤土；當(dāng)滿足小與0.005 mm的土粒含量∈[15，20]，液限WL∈[26%，42%]，塑性指數(shù)IP∈[7，17]為中粉質(zhì)壤土。由表1可知，該土料液限WL平均為27.98%，塑限WP平均為17.10%，塑性指數(shù)Ip平均為10.89。故該項目區(qū)的土樣屬于中粉質(zhì)壤土。根據(jù)土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)(GB/T50145-2007)[11]，當(dāng)土樣滿足Ip≥0.73(ωL-20)和Ip≥7，且土樣WL<50%，土樣為低液限粉土。通過分析可知，該項目區(qū)的土樣屬于低液限粉土。

3.3 擊實試驗

通過擊實試驗數(shù)據(jù)分析確定出供試土樣的最大干密度和最優(yōu)含水率，見表2。

表2 試驗土料的最大干密度和最優(yōu)含水率

對最大干密度和最優(yōu)含水率進(jìn)行統(tǒng)計分析可知，土料的最大干密度均值μ的95%置信區(qū)間是[1.69，1.71]，最優(yōu)含水率均值μ的95%置信區(qū)間是[14.56，15.32]，試驗土樣最大干密度、最優(yōu)含水率相應(yīng)的點(diǎn)估計值分別為1.70 g/cm3、 14.99%。

3.4 滲透試驗

滲透試驗采用TST-55型變水頭土壤滲透儀進(jìn)行測定，滲透試驗結(jié)果見表3。對滲透系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計分析可知，滲透系數(shù)的均值μ的95%置信區(qū)間分別是[3.79×10-5，4.78×10-5]，土樣滲透系數(shù)相應(yīng)的點(diǎn)估計值為4.32×10-5cm/s，由滲透系數(shù)值可知，水分穿過該土樣土顆粒之間連通孔隙結(jié)構(gòu)的速度較快，利于水分的排滲。

表3 試驗土樣的滲透系數(shù)

4 結(jié)論及建議

(1)該土料<0.005 mm的土粒含量為18.95%，土樣的不同百分比含量粒徑d10，d30，d60分別平均為0.0010 mm，0.016 mm，0.040 mm，不均勻系數(shù)Cu平均為12.61，曲率系數(shù)Cc平均為2.17。表明該土料粒徑分布不均勻，且級配良好，是合適的水墜壩筑壩土料。

(2)該土料液限WL平均為27.98%，塑限WP平均為17.10%，塑性指數(shù)Ip平均為10.89，按水墜壩土料的分類界定屬于中粉質(zhì)壤土，根據(jù)工程分類標(biāo)準(zhǔn)屬于低液限粉土。

(3)該土料的最大干密度均值μ的95%置信區(qū)間是[1.69，1.71]，最優(yōu)含水率均值μ的95%置信區(qū)間是[14.56，15.32]，最大干密度、最優(yōu)含水率相應(yīng)的點(diǎn)估計值分別為1.70 g/cm3、 14.99%。

(4)該土料滲透系數(shù)的均值μ的95%置信區(qū)間分別是[3.79×10-5,4.78×10-5]，相應(yīng)的點(diǎn)估計值為4.32×10-5cm/s，水分可以較快的穿過該土樣土顆粒之間連通孔隙結(jié)構(gòu)，利于水分的排滲。

通過對志丹縣黃土土料物理力學(xué)性質(zhì)的測定，結(jié)果表明該土料粒徑分布不均勻，級配良好，滲透性較好，符合泥漿泵筑壩工藝對土料的要求，是適合的泥漿泵筑壩土料。

參考文獻(xiàn)：

[1] 冉大川,羅全華,劉 斌,等.黃河中游地區(qū)淤地壩減洪減沙及減蝕作用研究[J].水利學(xué)報,2004,(10):7-13.

[2] 焦菊英,王萬忠,李靖,等.黃土高原丘陵溝壑區(qū)淤地壩的淤地攔沙效益分析[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報,2003,19(6):302-306.

[3] 張秦嶺.泥漿泵筑壩機(jī)械改進(jìn)的實踐.中國水土保持SWCC,2013, (2):11-12.

[4] GB 50487-2008，水利水電工程地質(zhì)勘測規(guī)范[S].

[5] SL 251-2000，水利水電工程天然建筑材料勘察規(guī)程[S].

[6] JGJ89-92，原狀土取樣技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[S].

[7] 劉成宇.土力學(xué)[M].北京:中國鐵道出版社,1997.

[8] 張伯平,等.土力學(xué)與地基基礎(chǔ)[M].西安:西安地圖出版社,2001.

[9] SL302-2004，水墜壩技術(shù)規(guī)范[S].

[10] SL237-1999，土工試驗規(guī)程[S].

[11] GB/T50145-2007，土的工程分類標(biāo)準(zhǔn)[S].