黃河下游游蕩段原狀土物理力學測試

□趙萬杰 許琳娟 董偉軍

（1華北水利水電大學；2黃河水利委員會黃河水利科學研究院）

0 引 言

眾所周知，河道的邊界條件是河流發(fā)展形成一定河型的首要條件，其邊界條件一般指河流地貌形態(tài)、河道比降、沉積物組成等。從已有的文獻資料來看，國內(nèi)外很多學者對此進行了研究，也有學者用床沙粒徑、河床物質(zhì)粘土的含量描述河岸與河床的穩(wěn)定性。錢寧教授在分析古河道變遷中的河型轉化時，記錄了許多河流不同時期由于河床組成的不同，河型發(fā)生轉化的例子。如：馬蘭比吉河，由于河槽中粉砂、粘土含量的增加使河型從古代的游蕩型轉化為現(xiàn)在的彎曲型河流。古科羅拉多河，當河槽中的粉砂、粘土含量由70%減小到2%～10%時，河流彎曲系數(shù)減小到1.30 左右。據(jù)J.M.Coleman 報道，孟加拉國的布拉馬普特拉河由于襲奪了由大量細顆粒泥沙河岸的提斯塔河道，而發(fā)展為游蕩型河流。中國錢塘江流域，由于從閘口道澉浦的河床和灘地物質(zhì)主要由細砂和粉砂組成，形成了游蕩型河流。Duan等、Olsen、夏軍強等學者通過對傳統(tǒng)水沙模型的拓展，利用二維及三維數(shù)值模型模擬概化河道的河床演變及河道形態(tài)的發(fā)展過程。所有這些，都很好地說明河型的形成對于流域特性的依賴性，河床土壤的物理力學特性是不可忽視的。

但是，至今研究河床物質(zhì)組成及其力學特性對河床演變規(guī)律的影響還不深入。河床演變強度與水沙條件、河床邊界條件等因素有關，河床演變主要研究河流的邊界在水流作用下的變化，這種變化實質(zhì)上反映了組成邊界的物質(zhì)的沖刷、搬運和沉積過程，特別是對黃河下游這樣平原地區(qū)的游蕩性河道，河床的組成物質(zhì)主要是粉砂和細砂，這種缺乏粘性的細泥沙顆粒，在一般中水流量下就能夠大量運動。黃河下游某些河段由俗稱為“膠泥”形成的河岸，抗沖能力極強，水流極易在此形成畸形河灣。因此，研究河床物質(zhì)組成及其力學特性對河床演變影響的意義重大。

1 土樣選取與分類

在黃河干流上，峽谷型河段轉變?yōu)闆_積型河段的過渡段首部是白鶴工程，從白鶴工程向下直到鐵謝工程，其河床物質(zhì)的組成由砂卵石逐漸過渡為沙質(zhì)，直到逯村工程上首，河床底部仍有砂卵石層；逯村工程的下古街斷面向下，床沙中值粒徑范圍為0.10～0.25 mm，泥沙顆粒組成較細，可動性較大，為典型的游蕩段。在逯村工程及其以下河段選擇了十個典型斷面進行取樣，分別為：逯村工程上首、逯村工程下首、開儀工程上首、化工工程上首、大玉蘭工程上首、下古街斷面、花園鎮(zhèn)工程、叩馬、趙溝工程上延、馬峪溝。

根據(jù)《土工試驗規(guī)程》對土類進行劃分，表1 是砂土分類表，依據(jù)細粒含量、類別以及粗粒組的級配對砂土進行分類，圖1是細顆粒土分類圖，依據(jù)三角坐標對其進行劃分。

2 土層結構分析

為了分析研究河床物質(zhì)構造及其力學特性，選擇游蕩段的典型斷面進行現(xiàn)場鉆孔取樣，通過室內(nèi)試驗對土樣的物理力學指標進行了測量，利用現(xiàn)場靜力觸探試驗等，獲得了河岸的分層現(xiàn)象及其不同土層的特性的具體情況。白鶴工程至伊洛河河口段的灘岸土質(zhì)較為松軟，主要由洪水過后泥沙沉積形成，由于來水區(qū)域的不同，造成了灘岸土質(zhì)的不同，可以分為單一圖紙灘岸和混合土質(zhì)灘岸。單一土質(zhì)灘岸沒有明顯的分層結構，其中一種情況為非粘性土灘岸，主要由中值粒徑D50＞0.10 mm的砂及砂礫組成，另一種情況為粘性土灘岸，主要由中值粒徑D50＜0.10 mm 的細砂、粉粒、粘粒和膠粒組成；而混合土灘岸的分層現(xiàn)象很明顯，或為簡單的二元結構：上部為粒徑較細的粘性土，下部為粒徑較粗的非粘性土，或為多元結構：表現(xiàn)為粘土與非粘土互層現(xiàn)象。由前面所選取的典型斷面的測試結果可知，白鶴工程至伊洛河河口河段的灘岸中，大部分為混合灘岸，個別為粘性土灘岸、非粘性土灘岸。

表1 砂土分類表

圖1 細顆粒土分類圖

3 土樣物理力學特性

根據(jù)粘粒含量的多少對土樣進行排序依次為粉質(zhì)粘土、粉質(zhì)壤土、砂壤土、細砂、中砂、粗砂，由圖2 可知，黃河下游游蕩段原狀土的干密度、粘聚力隨粘粒含量的減小而增大，而土體其它參數(shù)隨粘粒含量的減小而減小。正如普遍所知的那樣，粘粒含量越高，土體的透水性越差、滲透系數(shù)越小，在典型斷面所取土樣都是由泥沙沉積形成的，天然狀態(tài)下，土體都是由飽和含水率逐漸降低，但由于粘粒含量高，透水性小而吸水能力強，在沉積條件下，粘粒含量高的土樣表現(xiàn)出飽和含水率高，含水率下降慢的特性，而粘粒含量低的土樣表現(xiàn)出飽和含水率低，含水率下降快的特點，最后呈現(xiàn)出了含水率隨粘粒含量的增大而增大的現(xiàn)象；干密度與含水率的變化情況不同，粘粒含量越高，土樣的含水率越高，而干密度反而越?。豢紫侗仁峭馏w結構特征的指標參數(shù)，一般來說，隨著孔隙比的增大，土體越疏松，壓縮性越高，粘粒含量越高，含水率越大，干密度越小，土體空隙率越大，土體有較大的可塑性，壓縮系數(shù)越大；相比于粘粒的比表面，砂粒的比表面要小很多，其表面力及影響范圍與其重量和尺寸相比可忽略，因而，粘土具有較強親水性，砂土的親水性弱，不具塑性，由于毛細壓力的存在而顯示假粘聚力。

圖2 白鶴至伊洛河河口游蕩段土體物理力學參數(shù)變化關系圖

圖3描述了原狀土液限含水率隨粘粒含量的變化情況，土體的液限含水率隨粘粒含量增大而增大，也就是說粘粒含量高的土體，在較大的含水率情況下，仍處于塑性狀態(tài)，具有一定的抗沖能力；粘粒含量較小的土體，因其具有較低的液限含水率，當含水率較高時，土體會喪失其強度而處于流動狀態(tài)，抗抗沖刷的能力較低，容易起動；砂土的顆粒較粗，親水性較弱，土體遇水很容易進入流動狀態(tài)，抗沖刷能力弱?？梢姾适峭馏w力學性質(zhì)的重要影響因素，含水率對不同土體的的影響程度不同，砂土由于其沒有可塑性，遇水容易分散；而粘土在含水率較高的狀態(tài)下，仍然具有一定的強度，對河勢的演變具有一定影響。

圖3 白鶴至伊洛河河口段土體的粘粒含量與液限含水率關系圖

4 結論與展望

從現(xiàn)場鉆孔取樣及室內(nèi)土工試驗可知，本段河床的組成物質(zhì)以細砂為主，遇水易分散，明確了形成游蕩性河勢的基本條件之一，同時了解了各個典型斷面的土層及其力學性質(zhì)。

根據(jù)粘粒含量的多少，各類沉積土分別呈現(xiàn)出不同的物理力學特性，但其各項物理力學指標又呈現(xiàn)出一定的規(guī)律，干密度、粘聚力隨粘粒含量的減小而增大，含水率、孔隙比、壓縮系數(shù)、液限含水率呈減小的趨勢。粘粒含量高的土體在較高的含水率情況下，依然具有塑性和強度，而砂土沒有可塑性，遇水容易分散。

河床的土質(zhì)組成及其物理力學特性與河床演變有著密切的關系，但由于其復雜性，需要逐步做更加詳細而深入的工作。特別是與河床演變有著最密切關系的灘岸崩塌問題，在加強現(xiàn)場原位觀測、積累資料的基礎上，有必要在室內(nèi)進行大比尺的試驗研究，逐步加深對灘岸崩塌機理的認識。