新型淤地壩固化土表面動(dòng)水沖刷試驗(yàn)研究

摘 要：【目的】為解決淤地壩壩身過(guò)流難題，需要通過(guò)試驗(yàn)研究判定固化土表面的抗沖蝕特性。【方法】現(xiàn)階段，固化土表面動(dòng)水沖刷試驗(yàn)還沒(méi)有相應(yīng)的設(shè)備和方法標(biāo)準(zhǔn)。因此，通過(guò)研發(fā)固化土表面動(dòng)水沖刷試驗(yàn)設(shè)備，制定固化土表面動(dòng)水沖刷試驗(yàn)方法，對(duì)新型淤地壩固化土進(jìn)行試驗(yàn)研究?！窘Y(jié)果】結(jié)果表明，新型固化劑含量為10%的固化黃土，其表面可承受30 m/s的水流沖刷，證明新型淤地壩壩體具有較好的抗沖蝕能力?！窘Y(jié)論】試驗(yàn)研究表明，固化土表面的抗沖蝕特性可以通過(guò)沖蝕起動(dòng)流速、某流速下的沖蝕率及表面沖蝕強(qiáng)度進(jìn)行判斷，研究成果可以作為固化土抗沖蝕特性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：淤地壩；固化土；表面抗沖蝕；試驗(yàn)設(shè)備；新型固化劑

中圖分類號(hào)：TV698.2" " "文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " "文章編號(hào)：1003-5168（2024）23-0036-06

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.23.008

Experimental Study on Dynamic Water Scrubbing on the

Surface of New Silt Dam Solidification Soil

ZHANG Guangyu" "DU Weichang

（Jianghe Anlan Engineering Consulting Co.， Ltd.， Zhengzhou 450003， China）

Abstract： [Purposes] In order to overcome the problem of silt dam overflow， it is necessary to determine the surface resistance of solidified soil to crushing through experimental research. [Methods] At the current stage， there are no corresponding equipment and method standards for water rushing tests on the surface of the solidified soil. Therefore， through the research and development of the surface hydrodynamic scouring test equipment of the solidified soil， the test method of the surface of the solidified soil was formulated， and the experimental research was carried out on the solidified soil of the new silt dam. [Findings] The results show that the surface of solidified loess with 10% of new type solidifying agent can withstand the erosion of 30 m/s current， which proves that the new type silt dam has better anti-erosion ability. [Conclusions] Experimental research shows that the anti-erosion characteristics of the surface of hardened soil can be judged by the starting velocity of erosion， the erosion rate at a certain velocity and the surface erosion intensity，which can be used as the evaluation standard of the anti-erosion properties of hardened soil.

Keywords： silt dams; solidified soil; surface resistance to erosion; testing equipment; new types of curing agent

0 引言

黃河泥沙問(wèn)題突出，建設(shè)淤地壩可以調(diào)節(jié)洪水徑流，減輕水患災(zāi)害，攔蓄溝道泥沙，是防治水土流失的重要工程措施之一。但由于淤地壩是均質(zhì)土壩結(jié)構(gòu)，土體的抗沖蝕能力極低，一旦遭遇超標(biāo)準(zhǔn)洪水就有漫壩潰壩風(fēng)險(xiǎn)。為了解決淤地壩病險(xiǎn)問(wèn)題，降低管護(hù)壓力，針對(duì)淤地壩的研究逐漸深入。張金良等［1］構(gòu)建了高標(biāo)準(zhǔn)免管護(hù)淤地壩理論技術(shù)體系，研發(fā)了新型黃土固化劑［2］用于壩體防護(hù)，使淤地壩穿上“防護(hù)衣”，大大提高了壩體的抗沖蝕能力，解決了淤地壩壩身過(guò)流難題。

以往采用水溶性高分子聚合物［3-5］或由幾種固體顆?；旌隙傻墓袒瘎?，6］固化黃土，且針對(duì)固化黃土的質(zhì)量暫無(wú)統(tǒng)一的測(cè)試方法。在新材料、新技術(shù)應(yīng)用于工程之后，固化土表面抗沖刷能力有多大提升，需要配套的試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢驗(yàn)檢測(cè)，這種試驗(yàn)體系也應(yīng)適用于溢洪道、泄洪洞等其他工程實(shí)體表面承受高速水流沖刷的沖蝕特性研究。此前一些學(xué)者對(duì)土體抗沖刷試驗(yàn)進(jìn)行了大量的研究。王彥東等［7］研究了沖刷對(duì)崩滑堆積體的影響。馬建軍等［8］對(duì)樁基受沖刷失穩(wěn)進(jìn)行了研究。段海澎等［9］研究了不同邊坡巖性的沖刷破壞模式。安寧等［10］研究了加筋黃土的抗侵蝕性能。李娜等［11］進(jìn)行了土石結(jié)合部的接觸沖刷試驗(yàn)，得出滲透水流平行穿過(guò)兩種透水性差別較大的土體時(shí)接觸帶土體顆粒的移動(dòng)規(guī)律，以解決潛在工程地質(zhì)災(zāi)害。王兆耀等［12］通過(guò)水槽試驗(yàn)及數(shù)值模擬研究海洋工程大直徑單樁在波流作用下的局部沖刷特性，指出了局部沖刷的空間發(fā)展規(guī)律及沖刷穩(wěn)定狀態(tài)。趙高文等［13］研究了不同密度的滑坡堰塞壩漫頂潰決特性，指出密度不同壩體潰決形式與進(jìn)展過(guò)程不同。裴向軍等［14］利用斜坡水槽試驗(yàn)研究指出，用改性鈉羧甲基纖維素（簡(jiǎn)稱改性CMC）溶液拌和原狀土表層形成的固化層可對(duì)土質(zhì)斜坡起到加固、防滲與抗沖蝕作用。還有一些學(xué)者從試驗(yàn)樣品、試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)方法等方面對(duì)土體表面抗沖刷試驗(yàn)［15-17］進(jìn)行了研究，取得了一定的研究成果。但對(duì)于固化土而言，其土體表面沖刷并沒(méi)有一個(gè)明確的定義，也沒(méi)有統(tǒng)一的試驗(yàn)設(shè)備、試驗(yàn)方法和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等。

高標(biāo)準(zhǔn)免管護(hù)淤地壩采用新型固化劑固化土，使固化黃土的表面抗沖蝕能力大大增強(qiáng)，解決了淤地壩壩身過(guò)流難題。因此，為研究判定固化土表面的抗沖蝕特性，結(jié)合滲透變形試驗(yàn)的方法標(biāo)準(zhǔn)，本文研發(fā)了專用的固化土表面抗沖蝕試驗(yàn)設(shè)備，通過(guò)大量試驗(yàn)得到了固化土表面抗沖蝕試驗(yàn)方法，并提出了固化土抗沖蝕特性的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。最后，通過(guò)抗沖蝕試驗(yàn)，驗(yàn)證采用新型固化劑的淤地壩壩體的抗沖蝕能力。

1 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 研究思路

滲流的形式可以歸納為穿過(guò)試樣內(nèi)部的滲透和試樣表面的沖刷兩種，具體如圖1所示。

穿過(guò)試樣內(nèi)部的滲透分為單一滲透和復(fù)合滲透。單一滲透為一種試樣在壓力水頭作用下的滲透變形；復(fù)合滲透為多種試樣組合體在壓力水頭作用下的滲透變形，當(dāng)試樣層面與滲透方向垂直時(shí)形成反濾，當(dāng)試樣層面與滲透方向平行時(shí)形成接觸沖刷。

試樣表面的沖刷水流方向不定，沖刷水流V可分解為水平?jīng)_刷VH和垂直頂沖VV，頂沖VV可繼續(xù)分解為徑向水平?jīng)_刷V1。因此，水平?jīng)_刷是表面沖刷的基本形式。

水平?jīng)_刷試驗(yàn)一般采用斜坡水槽，利用水槽的坡度提升沖刷流速。但水槽的坡度是有限的，所能提供的最大沖刷流速有限，坡面上流速亦不均勻，適用于沖刷流速不大的試驗(yàn)。改性土、固化土、水泥需要很大的流速才能發(fā)生沖蝕，且需要把水槽加上蓋，以增大壓力差產(chǎn)生較大流速?zèng)_刷水流。但加蓋水槽提高沖刷流速的效果有限，隨著水頭的提升，水槽加蓋密封難度增加，很容易沿密封膠條及管件連接處漏水。另外，在長(zhǎng)方形水槽內(nèi)制樣也有難度，邊角部位壓實(shí)密度往往欠佳，由于需要預(yù)留一個(gè)臨空面作為沖刷表面，表面壓實(shí)密度往往比土體內(nèi)部要小，土體壓實(shí)不均勻。

將水槽沿蓋板進(jìn)行鏡像處理，可省去二者之間的蓋板，沖刷的表面“移入”土體之間，成為一條縫隙，同樣水流增加了一倍的沖刷效果，如圖2所示。同時(shí)避免了沖刷水流與蓋板之間復(fù)雜的邊界條件。為使表面沖刷的邊界條件更趨簡(jiǎn)化，進(jìn)一步收縮沖刷表面的寬度，使沖刷表面的縫隙“移入”土體內(nèi)部，帶來(lái)的好處是利于制樣。為便于設(shè)備的加工制造、安裝止水，將方形水槽簡(jiǎn)化為圓形。

試樣尺寸選擇接近規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，考慮試樣最大顆粒直徑的尺寸影響以及高壓力水頭作用下的止水形式，選用滲透環(huán)刀作為試樣的筒身段。

1.2 試驗(yàn)設(shè)備

固化土表面抗沖刷試驗(yàn)設(shè)備包括表面沖刷試驗(yàn)儀、循環(huán)供水系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)測(cè)量系統(tǒng)、制樣器等。該儀器能夠提供不同恒定水壓下的穩(wěn)態(tài)流速，對(duì)試樣進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間持續(xù)的沖刷，并可對(duì)流速和水壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)沖刷進(jìn)程實(shí)時(shí)觀察，對(duì)沖蝕面積、質(zhì)量進(jìn)行測(cè)量。

循環(huán)水系統(tǒng)包括容量為2 m3的水箱、數(shù)控變頻水泵。數(shù)控變頻水泵的頻率調(diào)節(jié)范圍為0～50 Hz，通過(guò)變頻調(diào)節(jié)，可以提供每小時(shí)0～5 m3的流量，保持0～100 m的水頭壓力，針對(duì)該試驗(yàn)儀器，持續(xù)提供0～40 m/s的沖刷流速。水泵連接一個(gè)穩(wěn)壓罐，以保證循環(huán)供水系統(tǒng)壓力穩(wěn)定，將供水管道串聯(lián)流量計(jì)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)供水流量大小。

表面沖刷試驗(yàn)儀如圖3所示。其進(jìn)水段設(shè)置一個(gè)測(cè)壓閥，用以連接壓力表。儀器分3段通過(guò)法蘭連接，采用O形橡膠圈止水。進(jìn)水段設(shè)計(jì)為漏斗狀以使水流平順，通過(guò)快插接頭連接進(jìn)水口，進(jìn)水段設(shè)置快速接頭測(cè)量進(jìn)口水壓，壓力表連接電子開(kāi)關(guān)，可自動(dòng)控制水泵開(kāi)關(guān)，實(shí)現(xiàn)過(guò)壓保護(hù)；試樣為圓筒狀，內(nèi)嵌標(biāo)準(zhǔn)滲透試驗(yàn)環(huán)刀（內(nèi)徑61.8 mm、高40 mm），環(huán)刀通過(guò)上端的O形橡膠圈止水。試樣兩端設(shè)置透水板以固定試樣；出水段與進(jìn)水段同樣設(shè)計(jì)成漏斗狀，以使出水口水流平順。最終，出水口水流流回水箱，形成循環(huán)水流。

制樣器由底座、環(huán)刀、壓環(huán)、連接螺栓、成縫楔、導(dǎo)筒、壓錘、擊錘組成。成縫楔斷面尺寸為2 mm×15 mm，高80 mm，頂部長(zhǎng)邊削角。底座中心設(shè)置2.4 mm×15.4 mm的垂直縫隙，成縫楔從中穿過(guò)。壓錘中心對(duì)應(yīng)設(shè)置2.4 mm×15.4 mm的垂直縫隙，成縫楔可以從中穿入。由制樣器制成的試樣直徑為61.8 mm，高為40.0 mm，縫隙尺寸為2 mm×15 mm。

1.3 試驗(yàn)方法

沖刷流速v為縫隙內(nèi)水流的平均斷面流速，見(jiàn)式（1）。沖蝕率N為某一流速下，持續(xù)沖刷t小時(shí)后的質(zhì)量損失占原試件質(zhì)量的百分比，見(jiàn)式（2）。抗沖蝕強(qiáng)度R為1 cm2面積上沖蝕損失1 g試樣所需要的小時(shí)數(shù)，（h·cm2）/g，見(jiàn)式（3）。最大抗沖蝕流速Vmax指試件在該流速?zèng)_刷作用下，開(kāi)始產(chǎn)生沖蝕破壞的臨界速度，m/s。

[v=2.778Qa]" " " " " " " " "（1）

式中：Q為水循環(huán)系統(tǒng)流量，由流量計(jì)監(jiān)視器讀取，m3/h；a為試樣內(nèi)縫隙的截面積，cm2。

[N=M0-MtM0]" " " " " " " " " （2）

式中：M0為試樣沖刷前的質(zhì)量，g；Mt為某一流速下，試件持續(xù)沖刷t小時(shí)后的質(zhì)量，g。

[R=S?tM0-Mt]" " " " " " " " " （3）

式中：S為試樣縫隙的受水沖刷面積，即縫隙的表面積，由于試件發(fā)生沖刷破壞后，縫隙的形狀不再規(guī)則，為了便于分析，假設(shè)沖刷過(guò)程中縫隙的表面積不變，cm2；t為沖刷試樣的時(shí)間，h。

出射流速為沖刷水流突然脫離沖刷表面形成的流速。百努里方程見(jiàn)式（4）。其中，[Pr]為進(jìn)口的水頭高度H，m，出射流速v2見(jiàn)式（5）。

[Z1+p1r+u212g=Z2+p2r+u222g]" " （4）

[v2=v2+2gH]" " " " " " " "（5）

1.4 判定標(biāo)準(zhǔn)

土體在表面沖刷作用下是否發(fā)生沖蝕，主要取決于兩個(gè)因素，一是沖刷水流速度的大小，二是沖蝕率，即單位面積、單位時(shí)間內(nèi)的質(zhì)量損失。沖蝕率的另外一種表達(dá)方式是抗沖蝕強(qiáng)度，即單位面積上沖蝕損失一定質(zhì)量（1 g）所需的小時(shí)數(shù)。依據(jù)表面沖刷試驗(yàn)研究成果，材料的抗沖蝕能力強(qiáng)弱劃分為四級(jí)，即強(qiáng)沖蝕、較強(qiáng)沖蝕、弱沖蝕、不沖蝕。材料抗沖蝕能力分級(jí)及參數(shù)范圍見(jiàn)表1。

2 工程應(yīng)用

高標(biāo)準(zhǔn)免管護(hù)淤地壩采用新型固化劑固化土，本節(jié)對(duì)素土黃土和固化黃土分別進(jìn)行了表面抗沖刷對(duì)比試驗(yàn)。素土黃土取自山西省吉縣古賢工程壩址區(qū)，物性指標(biāo)為最大干密度為1.74 g/cm3，最優(yōu)含水率為17.0%，壓實(shí)度為98.0%對(duì)應(yīng)的干密度為1.71 g/cm3。固化黃土采用黃河設(shè)計(jì)院研發(fā)的新型黃土固化劑與上述素土黃土按照一定比例配合而成。固化黃土表面抗沖刷試驗(yàn)的變量組合見(jiàn)表2。

2.1 素土黃土與固化黃土的表面沖刷試驗(yàn)對(duì)比

壓實(shí)度為98%的素土黃土與固化黃土進(jìn)行表面沖刷試驗(yàn)的結(jié)果見(jiàn)表3，其中固化黃土的固化劑含量m=30%，壓實(shí)度η=98.0%，齡期t=7 d。素土黃土隨時(shí)間的沖蝕變化情況如圖4所示，固化黃土隨時(shí)間的沖蝕變化情況如圖5所示。

由表3可知，素土黃土在0.47 m的水頭作用下會(huì)產(chǎn)生5.36 m/s的沖刷流速，出射流速為6.16 m/s，該流速下的沖蝕率為1.626 g/h·cm2，抗沖蝕強(qiáng)度為0.6 h·cm2/g。由圖4可知，1.5 h內(nèi)，試樣受到嚴(yán)重沖蝕，縫隙擴(kuò)展約10倍；固化黃土采用多級(jí)水頭逐級(jí)沖刷，每級(jí)水頭沖刷2.0 h，無(wú)沖蝕時(shí)增大水頭繼續(xù)沖刷，末級(jí)水頭85.58 m，沖刷流速34.70 m/s，出射流速為53.68 m/s，該流速下沖蝕率為0.003 g/h·cm2，抗沖蝕強(qiáng)度為810.2 h·cm2/g。由圖5可知，試樣末級(jí)經(jīng)歷2.0 h沖刷后，縫隙無(wú)太大變化，試樣未受沖蝕。通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比可知，素土黃土在流速5.36 m/s的水流沖刷下，1.5 h受到嚴(yán)重沖蝕，而固化黃土在流速34.70 m/s的水流沖刷下，沖刷2.0 h未被沖蝕。由此可知，固化黃土的抗沖蝕性能遠(yuǎn)高于素土黃土。

2.2 不同固化劑摻量的固化黃土表面沖刷試驗(yàn)對(duì)比

采用多級(jí)水頭逐級(jí)沖刷不同固化劑摻量下固化黃土的表面，每級(jí)水頭沖刷1～2 h，無(wú)沖蝕變化時(shí)，增大水頭繼續(xù)沖刷，發(fā)生沖蝕時(shí)，以該級(jí)水頭繼續(xù)沖刷，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4，其中固化黃土的壓實(shí)度η=98.0%，齡期t=7 d。不同固化劑摻量下固化黃土表面隨時(shí)間沖蝕變化情況如圖6所示。由表3和圖6綜合分析可知，固化黃土的抗沖蝕能力隨著固化劑含量的增加而提高，當(dāng)固化劑含量提高到30%時(shí)，在34.70 m/s的流速下亦不發(fā)生沖蝕。并且，當(dāng)試樣發(fā)生沖蝕時(shí)，出口端比進(jìn)口端沖蝕更嚴(yán)重，其主要原因是出射流速突然增大。

2.3 不同壓實(shí)度的固化黃土表面沖刷試驗(yàn)對(duì)比

不同壓實(shí)度下固化黃土的表面沖刷試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，其中固化黃土的固化劑含量m=30%，齡期t=7 d。由表5可知，試樣的沖刷流速大于35 m/s，沖蝕率均小于0.05 g/h·cm2，抗沖蝕強(qiáng)度均大于20 h·cm2/g，隨著壓實(shí)度增大，抗沖蝕強(qiáng)度明顯增大。

3 結(jié)論

①本研究明確了土體表面沖刷與其他滲流破壞形式的區(qū)別，對(duì)于解決具體的工程問(wèn)題有了針對(duì)性的技術(shù)。

②本研究立足于對(duì)土體表面沖刷破壞問(wèn)題的評(píng)價(jià)，研發(fā)了專用的試驗(yàn)設(shè)備，通過(guò)大量試驗(yàn)與對(duì)比分析，形成了土體表面抗沖刷試驗(yàn)方法。

③為促進(jìn)該項(xiàng)試驗(yàn)技術(shù)的應(yīng)用與推廣，提出了土體表面抗沖蝕特性的判定標(biāo)準(zhǔn)，即量化了土體表面抗沖刷試驗(yàn)的結(jié)果。

④本研究對(duì)新型淤地壩固化黃土進(jìn)行了土體表面沖刷試驗(yàn)研究，結(jié)果表明，摻加10%固化劑后的素土黃土，其抗沖蝕特性大大提高；固化黃土的抗沖蝕特性隨著固化劑摻量、齡期、壓實(shí)度的增加而增大，其中固化劑摻量的影響最大。新型淤地壩壩體表面可以承受30 m/s的水流沖刷。

⑤土體表面沖刷試驗(yàn)技術(shù)可以用來(lái)評(píng)價(jià)河底土體沖刷、河道岸坡沖刷、土壩壩身過(guò)流沖刷等，在工程實(shí)踐中具有廣闊的應(yīng)用前景。

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