水利堤岸坡積土土水特性專(zhuān)題分析研究

(江西省大余縣水利局，江西 大余 341500)

1 水利堤岸坡積土土水特征曲線(xiàn)簡(jiǎn)介

1.1 坡積土吸力組成

坡積土吸力主要是由坡積土的濕度決定的，濕度達(dá)到飽和狀態(tài)時(shí)，坡積堤壤則失去了吸力。而當(dāng)濕度小于100%時(shí)，坡積堤壤會(huì)產(chǎn)生吸力。因此，可根據(jù)坡積堤壤的濕度，確定坡積土的總吸力。

坡積土的總吸力主要由基質(zhì)吸力與壤質(zhì)滲透吸力構(gòu)成。坡積土總吸力代表水利堤岸積土的自由能，而其中的基質(zhì)的吸力則代表其自由能中的毛細(xì)部分，滲透吸力代表的是堤岸坡積土中自由能的溶質(zhì)部分。

1.2 坡積土土水特征曲線(xiàn)特征

在試驗(yàn)過(guò)程中，向試件中外加一個(gè)吸力，通過(guò)吸力的附件點(diǎn)，最終確定干燥曲線(xiàn)的起點(diǎn)，然后逐步提高基質(zhì)部分的附加吸力，在試件上逐漸提高氣壓，分別量取不同氣壓下的水位升高值和系統(tǒng)排水量。當(dāng)附加的吸力達(dá)到最大值時(shí)，平衡整個(gè)系統(tǒng)壓力，然后將實(shí)驗(yàn)堤壤進(jìn)行烘干，最終測(cè)定實(shí)驗(yàn)坡積堤壤試件的含水比例，再根據(jù)測(cè)算的數(shù)值繪制曲線(xiàn)，得出特定水利堤岸坡積堤壤的基質(zhì)吸力和含水率之間的曲線(xiàn)變化圖，進(jìn)而得出坡積土土水特征的干燥段數(shù)值。在整個(gè)干燥處理過(guò)程中，實(shí)驗(yàn)坡積堤壤的水分逐漸降低，其基質(zhì)吸力也逐漸增加。干燥過(guò)程中，壤中水分逐步排出，以上情況，與落潮枯水期堤壩遇到的情況相似。因此，研究干燥段的坡積土堤壤基質(zhì)吸力，有助于分析水利堤岸坡積土在枯水期的強(qiáng)度和水分變化情況。

完成干燥段試驗(yàn)后，再進(jìn)一步研究浸濕段的吸力和含水率的變化情況。浸濕段是干燥過(guò)程的逆過(guò)程，整個(gè)浸濕過(guò)程中，堤壤的含水率逐步增加，導(dǎo)致堤壤的吸力逐步降低，同時(shí)逐步減小的還有儀器的氣壓值。在整個(gè)試件吸水過(guò)程中，需仔細(xì)觀察水流量，當(dāng)水流停止時(shí)，堤壤吸水率達(dá)到了飽和值，堤壤的含水率也達(dá)到了最大值，記錄不同氣壓下堤壤的含水率，然后繪制出堤壤在浸濕段的土水特征曲線(xiàn)。通過(guò)對(duì)堤壤浸濕段的含水率分析，可以有效分析水利堤岸坡積土漲潮或者下雨時(shí)堤壤的穩(wěn)定性。

在同一壓力下的干燥段和浸濕段的堤壤吸力所對(duì)應(yīng)的堤壤含水率是不同的，在兩條曲線(xiàn)之間會(huì)出現(xiàn)一個(gè)“滯回環(huán)”，滯回環(huán)代表堤壤在吸水后的吸力變化有一定的滯后性，這種滯后性主要是由于三方面原因造成的：?堤壤在脫水和浸濕過(guò)程中，堤壤孔隙不同；?兩個(gè)過(guò)程中堤壤和水的接觸面夾角不同，土水黏結(jié)性也不同；?在脫水段堤壤中會(huì)有部分水泡黏結(jié)。具體的干燥段和浸濕段土水曲線(xiàn)如圖1所示。

圖1 堤壤在干燥段和浸濕段的土水特征曲線(xiàn)

1.3 坡積土吸力測(cè)量

在繪制坡積土的土水特征曲線(xiàn)過(guò)程中，首先要測(cè)量堤壤的基質(zhì)吸力，并且測(cè)定在當(dāng)前基質(zhì)吸力下的含水率。測(cè)量堤壤基質(zhì)吸力的方法有兩種，一種是直接測(cè)定法，另一種是測(cè)量堤壤的總吸力。

1.3.1 總吸力量測(cè)方法

堤壤的總吸力測(cè)量是堤壤的基質(zhì)吸力和滲透吸力測(cè)量的綜合，堤壤的滲透吸力相對(duì)于堤壤濕度的變化并不大，因此只需要測(cè)定堤壤的總吸力，就能得到堤壤基質(zhì)吸力的變化趨勢(shì)?？偽Φ臏y(cè)量一般可以分為兩種方式，一種是測(cè)定水中的蒸汽壓或者堤壤的相對(duì)濕度，在測(cè)量堤壤濕度時(shí)可以用濕度計(jì)直接測(cè)量，另一種方法是先用濾紙來(lái)吸收堤壤中的水分，讓濾紙和堤壤達(dá)到吸力平衡，再測(cè)定濾紙中的濕度，從而得出堤壤的濕度值。

1.3.2 基質(zhì)吸力量測(cè)方法

測(cè)量堤壤基質(zhì)吸力的方法也分為直接法和間接法兩種，基質(zhì)吸力的測(cè)量數(shù)值等于孔隙氣壓力和孔隙水壓力的壓力差值。其中孔隙水壓力能夠用直接法獲取，孔隙氣壓力等于常壓或者實(shí)驗(yàn)施壓值。國(guó)內(nèi)外對(duì)于堤壤基質(zhì)壓力的測(cè)量一般都采用直接法，常用的為軸平移技術(shù)。所謂的軸平移技術(shù)就是采用高進(jìn)氣陶瓷板來(lái)達(dá)到水和氣的隔離，這種高進(jìn)氣陶瓷板是一種高溫陶瓷材料，上面有很多小孔，能夠?qū)崿F(xiàn)水氣的阻隔，這種陶瓷板的孔越小，阻隔水氣的性能就越好。當(dāng)陶瓷板吸水的時(shí)候，水會(huì)在陶瓷板的表面形成一道水膜，阻隔空氣進(jìn)入，這時(shí)只要計(jì)量氣壓和水壓的差值就能得到基質(zhì)的吸力數(shù)值。

2 水利堤岸坡積土非飽和土水特征曲線(xiàn)

根據(jù)以上的實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行實(shí)際測(cè)量，選取某案例坡岸進(jìn)行土水特征分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)下表。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制的基質(zhì)吸力與含水量以及堤壤飽和度的土水特征曲線(xiàn)圖如圖2和圖3所示。

試樣基質(zhì)吸力和堤壤飽和度、含水量關(guān)系表

圖2 基于基質(zhì)吸力與堤壤含水率的土水特征曲線(xiàn)

圖3 基于基質(zhì)吸力與堤壤飽和度的土水特征曲線(xiàn)

通過(guò)對(duì)比圖2和圖3可以看出本研究的水利堤岸坡積土具有以下特點(diǎn)：堤壤的基質(zhì)吸力和堤壤的飽和度以及堤壤的含水量之間呈現(xiàn)線(xiàn)性相關(guān)關(guān)系，堤壤的含水量越高，堤壤的基質(zhì)吸力越低，堤壤的飽和度越高，堤壤的基質(zhì)吸力越低；堤壤的含水量與飽和度與堤壤的性質(zhì)有直接關(guān)系，對(duì)于一些砂性土質(zhì)來(lái)說(shuō)，堤壤的含水量與堤壤飽和度之間并沒(méi)有太大關(guān)系，這也說(shuō)明取樣地區(qū)的堤壤保水率很高。

3 水利堤岸坡積土孔隙特征分析

非飽和堤壤含水量和滲透能力都取決于堤壤的孔隙分布，要研究堤壤的孔隙特征需要使用電子顯微鏡對(duì)堤壤進(jìn)行掃描。

3.1 電鏡掃描方法

電鏡掃描前要對(duì)堤壤進(jìn)行預(yù)處理，主要是對(duì)堤壤進(jìn)行抽真空，將堤壤中的水分抽離。在抽離水分的過(guò)程中，可能會(huì)破壞堤壤的孔隙，因此在抽真空前，先在通風(fēng)陰涼處將樣本干燥兩周左右，再進(jìn)行抽真空，在取樣的時(shí)候，要用手掰取而不能用刀進(jìn)行割取，以免破壞孔隙結(jié)構(gòu)。 在本研究過(guò)程中，對(duì)案例坡積土、零載荷的坡積土以及重塑的淤泥進(jìn)行了觀測(cè)。

3.2 掃描分析結(jié)果

由于重塑的淤泥是人手捏成的，因此孔隙結(jié)構(gòu)相對(duì)比較嚴(yán)密，也沒(méi)有過(guò)多的孔隙，而零載荷下的坡積土孔隙就大得多，淤泥土中可以看到絮狀結(jié)構(gòu)，零載荷的坡積土孔隙孔徑是重塑樣本的近十倍，其中最小孔徑為重塑樣本淤泥的3倍?？紫队^測(cè)結(jié)果如圖4～圖9所示。

圖4 坡積土微觀結(jié)構(gòu)電鏡觀測(cè)圖

圖5 坡積土的孔隙尺寸測(cè)量圖

圖6 零載荷試樣土微觀結(jié)構(gòu)電鏡觀測(cè)圖

圖7 零載荷試樣土孔隙尺寸測(cè)量圖

圖8 重塑淤泥土微觀結(jié)構(gòu)電鏡觀測(cè)圖

圖9 重塑淤泥土孔隙尺寸測(cè)量圖

通過(guò)上述觀測(cè)可以看出，坡積土中有很多孔隙存在，但是在飽和土中，由于含水量過(guò)高，孔隙被水分填滿(mǎn)，當(dāng)飽和土變?yōu)榉秋柡蜖顟B(tài)時(shí)，這些孔隙中的水分被空氣代替，這個(gè)過(guò)程會(huì)導(dǎo)致水分脫去的過(guò)程更加曲折，也就使得水流在孔隙內(nèi)的流經(jīng)路程變長(zhǎng)，堤壤的含水量逐步降低，堤壤的基質(zhì)吸力也逐漸增大，堤壤的滲透率變小，通過(guò)電鏡的微觀觀測(cè)可知：堤壤在重塑過(guò)程中，孔隙會(huì)變小，從而增強(qiáng)堤壤的保水能力。

4 水利堤岸巖質(zhì)坡積土土水特征曲線(xiàn)擬合

采用VG模型對(duì)測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，通過(guò)有限元分析，得到土體分類(lèi)中的CLay和Loam擬合參數(shù)，通過(guò)模型擬合得到坡積土的土水特征擬合曲線(xiàn)(如圖10和圖11所示)。

圖10 基質(zhì)吸力與含水量的擬合曲線(xiàn)

圖11 基質(zhì)吸力與飽和度的擬合曲線(xiàn)

5 結(jié) 論

本文利用水利堤岸坡積土樣本，通過(guò)電鏡掃描、堤壤干濕度測(cè)量以及有限元模擬擬合分析等方法，專(zhuān)題研究河堤坡積土土水特征曲線(xiàn)與堤壤含水量以及堤壤飽和的關(guān)系，探究河堤坡積土土水特性及規(guī)律。研究結(jié)論如下：水利堤岸坡積土的基質(zhì)吸力與堤壤的含水量以及堤壤的飽和度成反比例線(xiàn)性相關(guān)性，堤壤的含水率越高，本研究中的水利堤岸坡積土的飽和度越大，而堤壤的基質(zhì)吸力反而越小。本文研究成果，對(duì)實(shí)現(xiàn)和提升河堤水利工程功能性和牢固性，增強(qiáng)水利工程基質(zhì)的未來(lái)運(yùn)行壽命和使用安全，具有參考意義。