中粉質壤土泥漿排水固結規律研究

楊 鋒，張武俊，劉長濤，朱首軍

（1.西北農林科技大學 資源環境學院，陜西 楊凌712100；2.陜西省水土保持局，陜西 西安710004；3.延安市志丹縣水務局，陜西 延安717599）

黃土高原丘陵溝壑區是中國乃至世界水土流失最嚴重的地區，作為該區水土流失治理重要措施之一的淤地壩，在生態效益、社會效益和經濟效益等方面均產生了顯著作用［1－3］。

目前，中國淤地壩的修筑方式主要有水墜和碾壓兩種方式，其中水墜法具有工效高，利用時間長，效益高，投資少的特點［4－5］，使其得到了快速發展。水墜壩體的脫水固結是筑壩的關鍵［6］，而直接判別壩體泥漿脫水固結快慢的依據是壩體排水效果是否顯著。為了加快壩體泥漿的脫水固結，在實踐中采用無紡土工織物包裹聚乙烯微孔波紋管的排水系統，它是排水反濾的較佳結合［7－10］，因其具有施工方便，成本低廉，加速排水等特點而被廣泛使用。此外，動力排水固結法在軟土排水方面得到了成功而廣泛的應用［11］。但壩體泥漿的排水規律研究較少，直接影響了壩體聚乙烯微孔波紋管道的合理布設。

本文通過研究泥漿排水固結隨著泥漿土水比、填充高度的變化規律，為工程實踐確定合理的排水措施，布設合理的排水管道結構提供重要的理論指導。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

本研究供試土樣取自延安市志丹縣順寧鎮任坪村前拐溝村泥漿泵筑壩項目現場。泥漿泵筑壩是在水墜壩的基礎上發展而成的一種新型筑壩工藝，是將土和水按一定的體積比例，經機械設備攪拌后所成的漿體用泥漿泵輸送至壩面，脫水固結后所形成的泥漿壩。通過土工試驗［12］測定，粒徑小于0.005mm的土粒含量為18.81%，不均勻系數Cu為12.7，曲率系數Cc為2.0；最大干密度ρdmax和最優含水率ωop的均值μ 的95% 置信區間分別為［1.68，1.70g／cm3］和［15.83%，17.85%］；滲透系數為1.78×10－5cm／s；液限ωL為27.9，塑限ωP為18.9，塑性指數Ip為9.0。據《水墜壩技術規范》（SL302—2004）關于水墜壩土料分類的界定，當滿足小于0.005mm的土粒含量∈［15%，20%］，液限ωL∈［26%，42%］，塑性指數IP∈［7%，17%］時為中粉質壤土，所以，本試驗所采用的土壤為中粉質壤土，其粒徑分布不均勻且級配良好，可以作為水墜壩的修筑土料（表1）。

表1 試驗土料的物理性質

1.2 泥漿制備

本試驗模擬泥漿泵現場筑壩泥漿，采用人工方式進行泥漿的制備，且每次攪拌泥漿的時間保持一致。采用烘干法測定土樣含水量，按照公式（1）和（2）［4］計算配置不同土水比的泥漿時土樣所需水的質量。

式中：Kn——泥漿土水比；rn——泥漿容重（g／cm3）；rd——土的干容重，可用土料自然狀態的干容重或壩體設計時的干容重（g／cm3）；ω——土料的天然含水率；Gs——土料相對密度。

式中：ω0——泥漿含水率；rn——泥漿容重（g／cm3）；Gs——土料相對密度。

1.3 試驗裝置制作與安裝

采用直徑30cm的聚乙烯波紋管，分別截成50，100，150和200cm 4種高度，將其豎直固定在特制的鐵皮桶中，鐵皮桶底部邊緣安裝閥門；在鐵皮桶內放置圓形鐵支架，圓形支架與鐵皮桶內壁緊貼。在波紋管一開口端包裹一層無紡土工布并用尼龍繩扎緊，再在無紡土工布外包裹鋼絲網，并將此開口端向下套入鐵皮桶中，豎立放置在支架上，鐵皮桶內壁與波紋管外壁緊貼，并在鐵皮桶與波紋管接縫處用透明膠帶將其和波紋管密封，以防止蒸發。

1.4 充填泥漿與測定

配置土水比為1∶1，1.5∶1和2∶1的泥漿，將每一種土水比的泥漿分別充填在不同高度的聚乙烯波紋管中。為了減少誤差，同一土水比泥漿在充填不同高度聚乙烯波紋管時，要求充填泥漿起止時間相同，一次性充填完畢，準確記錄時間。聚乙烯波紋管頂部用塑料布加蓋密封，防止水分蒸發損失和下雨時水分進入。

定期使用量筒對泥漿下滲水量和表層上析水量進行測定，用直尺（精度1.0mm）對泥漿的沉陷量進行測定。對泥漿初期下滲水量的測量時段為30min，隨著下滲水量的逐漸減少，測量時段逐漸調整為6h。對泥漿表層析水量以及泥漿面的沉陷量測量時段為24h。當其中的3個試驗泥漿上析水量和下滲水量同時為0時停止觀測。

2 結果與分析

2.1 土水比和泥漿高度對排水量的影響

試驗中泥漿水分分別通過表層析水和下滲兩個途徑排出。泥漿填筑完成后，在自重的作用下，土顆粒與水分進行重新分配，部分水分轉移到泥漿體表層析出，即上析水；部分水分在自身重力和上層泥漿壓力的雙重作用下逐漸滲出，即下滲水。

由圖1a可知，同一土水比的泥漿，隨著填充高度的增加，其排水量亦增加。土水比為1∶1時，填充高度100，150，200cm的泥漿排水量分別是填充高度50cm排水量的2.0，3.0和3.9倍；土水比為1.5∶1時，分別是2.3，3.6，4.7倍；土水比為2∶1時，分別是2.1，3.4，5.3倍。由于泥漿填充越高，泥漿體積越大，泥漿含水量越多，相應排水量越大。同一泥漿充填高度下，土水比越小，其排水量越大。泥漿填充高度50cm時，土水比1∶1的泥漿排水量分別是土水比1.5∶1，2∶1的1.7和3.6倍；泥漿填充高度100cm時，分別是1.4和3.4倍；泥漿填充高度150cm時，分別是2.3和3.2倍；泥漿填充高度200cm時，分別是1.4和2.7倍。土水比越小，泥漿本身初始含水率越大，泥漿所含的自由水量越大，排出的水量也越多。

圖1 不同土水比、泥漿高度與排水量的關系

由圖1b可知，對于同一土水比，隨著泥漿充填高度的增大，泥漿排水量占泥漿含水量的比例變化較小。土水比為1∶1時，4種泥漿高度下泥漿排水量占含水量的比例為50.64%～51.92%，平均51.48%；土水比為1.5∶1時，比例為36.12%～42.32%，平均39.99%；土水比為2∶1時，比例為19.28%～25.56%，平均21.82%。對于同一泥漿填充高度，土水比越大，其排出水占泥漿含水量的比例越小。泥漿充填高度為50cm時，土水比1∶1，1.5∶1和2∶1的泥漿其排出水的比例分別為51.56%，36.12%和19.28%；泥漿充填高度為100cm時，分別是51.82%，42.34%和20.35%；泥漿充填高度為150cm時，分別是51.92%，41.51%和22.10%；泥漿充填高度為200cm時，分別是50.64%，39.99%和25.56%。出現上述變化規律主要是土水比越小，泥漿初始含水率就越大，密度就越小，相應的漿體孔隙比就越大，漿體的透水性亦越大，水分容易排出。

由圖1c可知，在泥漿的排水量中，前24h的排水量占總排水量的比例最大。在土水比為1∶1時，前24h排出水占總排水量的比例為84.26%～89.48%，平均87.33%；土水比為1.5∶1時，上述比例為77.77%～84.57%，平均81.80%；土水比為2∶1時，上述比例為 69.44% ～82.87%，平均75.79%。由于在泥漿的拌合過程中，徹底破壞了原狀土結構，泥漿體開始受黏粒膠凝作用，膠結成穩定的團塊，孔隙比大，開始時排水速度快，但隨著泥漿的排水，漿體中的孔隙水壓力將逐漸消散使孔隙變小，漿體越來越密實，其排水性能也相應的降低［13］。

根據土水比、泥漿高度與排水量的統計分析結果表明，對于同一土水比，其排水量和泥漿高度呈現線性關系，且相關性顯著。回歸分析結果如表2所示。

表2 排水量與泥漿高度回歸關系

2.2 土水比和填筑高度對上析水量的影響

在試驗過程中發現，泥漿充填后24h將表層析水排出后，隨著時間的推進，泥漿表面不再有水分析出，即泥漿的上析水在泥漿充填后24h之內可以全部析出，并且在泥漿的表面形成了一個致密的泥皮。

由圖2a可知，同一土水比，隨著泥漿充填高度的增加，其上析水量也在增加。土水比為1∶1時，填充高度100，150，200cm的泥漿上析水量分別是填充高度50cm 時上析水量的2.4，3.9和5.4倍；土水比為1.5∶1時，分別是2.6，5.0，6.8倍；土水比為2∶1時分別是3.9，8.8，16.3倍。對于同一泥漿充填高度，土水比越小，其上析水量越大。泥漿填充高度50cm時，土水比1∶1的泥漿上析水量分別是土水比1.5∶1，2∶1的13.2和6.6倍；泥漿填充高度100cm時，分別是7.9和4.4倍；泥漿填充高度150cm時，分別是5.9和3.8倍；泥漿填充高度200cm時，分別是4.4和2.8倍。產生這一現象的原因與泥漿排水量變化規律的原因一樣，即泥漿本身初始含水率大，泥漿所含的自由水的量大，上析的水量也就多。

圖2 不同土水比、泥漿高度與上析水量的關系

由圖2b可知，同一土水比，泥漿上析水量占排水量的比例隨著泥漿充填高度的增加而增大。土水比為1∶1時，填充高度50，100，150，200cm 的泥漿上析水量占排水量的比例分別是52.24%，61.08%，68.26%和72.12%；土水比為1.5∶1時，比例分別是43.85%，49.02%，60.67% 和 64.37%；土 水 比 為2∶1時，比例分別是14.31%，26.72%，36.50%和43.91%。值得注意的是當土水比為2∶1，泥漿充填高度為50cm時，上析水量很少，僅為500ml，占總排水量的比例僅為14.31%。同一泥漿充填高度，泥漿上析水量占排水量的比例隨著土水比的增大而減小。對于土水比為1∶1，1.5∶1的泥漿，初始含水較大，泥漿的密度較小，孔隙比較大，隨著泥漿的排水，孔隙比變小，但變化率小，而對于土水比為2∶1的泥漿，初始泥漿的孔隙比較小，隨著泥漿的排水，孔隙比變小，且變化率較大，孔隙比的迅速變小，使上析水量也相應迅速減少；此外，土水比為2∶1的泥漿，因其孔隙比較小，可以在泥漿表層較快的形成一層泥皮，泥皮具有明顯的截滲作用［14］，從而阻礙了泥漿中水分的析出，使其上析水量占排水量的比例總體較小。

由圖2c可知，同一土水比，泥漿上析水量占含水量的比例隨著泥漿充填高度的增加而增大；對于同一泥漿充填高度，隨著土水比的增大，其泥漿上析水量占含水量的比例減小。土水比為1∶1時，填充高度50，100，150，200cm泥漿的上析水量占含水量的比例分別是26.93%，31.65%，35.44%和36.52%；土水比為1.5∶1時，比例分別是15.84%，20.76%，25.18%和25.74%；土水比為2∶1時，比例分別是2.76%，5.44%，8.07%和11.23%。值得注意的是當土水比為2∶1，泥漿充填高度為50cm時，上析水量占含水量的比例就僅為2.76%，這說明在土水比較大時且泥漿充填高度較低時，泥漿表層析水較少，泥漿主要依靠下滲來排水。

根據泥漿高度與土水比、上析水量、上析水量占排水量的比例關系統計分析結果表明，對于同一土水比，其上析水量、上析水量占排水量比例與泥漿高度呈現線性關系，且相關性顯著。回歸分析結果如表3所示。

表3 泥漿高度與上析水量、上析水量占排水量比例的回歸關系

2.3 土水比和填筑高度對下滲水量的影響

由圖3a可知，同一土水比泥漿，下滲水量隨著泥漿高度的增加而增加。土水比為1∶1時，填充高度100，150，200cm的泥漿下滲水量分別是填充高度50cm下滲水量的1.6，2.0和2.3倍；土水比為1.5∶1時，分別是2.1，2.5，3.0倍；土水比為2∶1時，分別是1.8，2.5，3.5倍。對于同一泥漿填充高度，下滲水量隨著土水比的減小而增加。泥漿填充高度50cm時，土水比1∶1的泥漿下滲水量分別是土水比1.5∶1，2∶1的1.4和2.0倍；泥漿填充高度100cm時，分別是1.1和1.8倍；泥漿填充高度150cm時，分別是1.1和1.6倍；泥漿填充高度200cm 時，分別是1.1和1.3倍。下滲水量較上析水量明顯減少。產生這一現象的原因與泥漿排水量變化規律的原因一樣，即泥漿本身初始含水率大，泥漿所含的自由水的量大，下滲的水量也就多，而下滲水量的明顯減少與泥漿較低的滲透性有關［15］。

圖3 不同土水比、泥漿高度與下滲水量的關系

由圖3b可知，對于同一土水比泥漿，下滲水量占排水量的比例隨著泥漿高度的增加而減小。土水比為1∶1時，填充高度50，100，150和200cm泥漿的下滲水量占排水量的比例分別是47.76%，38.92%，31.74%和27.88%；土水比為1.5∶1時，比例分別是56.15%，50.98%，39.33%和35.63%；土水比為2∶1時，比 例 分 別 是 85.69%，73.28%，63.50% 和56.09%。隨著泥漿填充高度的增加，底層泥漿在上層泥漿的重力作用下，泥漿內部孔隙變小，底層泥漿越來越密實，其下滲水量減小，占排水量的比例就越來越小。對于同一泥漿填充高度，下滲水量占排水量的比例隨著土水比的增大而增大，且土水比為2∶1時，較其他兩個土水比的比值增大迅速。對于土水比2∶1的泥漿，由于泥漿表層迅速的形成了一層泥皮，對上析水有截滲作用，泥漿中的水分只能在重力作用下以下滲為主，而土水比1∶1，1.5∶1的泥漿，表層泥皮形成較慢，上析水可以較順暢的從表層排出，土水比2∶1的泥漿下滲水占排水量的比例較其余兩個土水比的增大迅速。

由圖3c可知，不同土水比泥漿之間其下滲水量占含水量的比例隨著泥漿高度的增加，其變化較小。說明隨著泥漿高度的增加，下滲水量受土水比的影響越來越小。因為泥漿本身滲透性就較低，此外，高度較小時，泥漿底層受到上層泥漿重力的作用較小，泥漿被壓縮率較小，泥漿孔隙較大，再者，水分通過的距離較短，泥漿中水分下滲較快，而泥漿高度的增加，不僅使泥漿壓縮率較大，泥漿孔隙減小，且水分通過距離也增大，導致不同土水比泥漿的下滲水量占含水量的比例趨于穩定，即變化不大。

根據泥漿高度與土水比、下滲水量、下滲水量占排水量的比例關系統計分析結果表明，對于同一土水比，其下滲水量、下滲水量占排水量的比例與泥漿高度呈現線性關系，且相關性顯著。回歸分析結果如表4所示。

表4 泥漿高度與下滲水量、下滲水量占排水量比例的回歸關系

2.4 土水比和填筑高度對固結沉陷量的影響

泥漿的固結沉陷量是判斷泥漿的脫水固結和排水性能好壞較為直觀的依據之一，也是判斷壩體固結變形的依據之一。漿體的固結沉陷過程實質是泥漿含水率減小，密度增大，孔隙水壓力逐漸消散的過程。試驗過程中，泥漿的水分一部分通過表層析出，一部分通過下滲排出，由此逐漸降低漿體含水率，孔隙水壓力也逐漸消散，漿體最終脫水而固結。

由圖4可知，對于同一土水比，泥漿的固結沉陷量隨著泥漿填充高度的增加而增加；對于同一泥漿填充高度，泥漿的固結沉陷量隨著土水比的增大而減小。這是因為泥漿體內含水量隨著土水比的增加逐漸減小，相應的孔隙比逐漸減小，泥漿固結沉陷量也變小。由圖4也可知，泥漿在前24h的沉陷量遠大于之后幾天的沉陷量。土水比1∶1時，泥漿前24h的固結沉陷量可達總固結沉陷量的90.91%～93.24%，平均92.10%；土水比1.5∶1時，可達81.70%～85.68%，平均83.27%；土水比2∶1時，可達77.10%～80.07%，平均78.37%；反映了泥漿的固結沉陷和排水主要集中在前24h，以后趨于穩定。

圖4 不同土水比、泥漿高度與固結沉陷量的關系

3 結論

（1）同一土水比泥漿。排水量隨著泥漿填充高度的增加而增大，泥漿排水量占泥漿含水量的比例隨著土水比的增大而減小。泥漿的排水主要集中在前24h，可占總排水量的69.44%～89.48%；上析水量、上析水量占排水量的比例均隨著泥漿填充高度的增加而增大，泥漿上析水量占泥漿含水量的比例隨著土水比的增大而減小。泥漿的上析水在泥漿充填后的24h內全部析出；下滲水量隨著泥漿高度的增加而增加，而下滲水量占排水量的比例則反之。隨著泥漿充填高度的增加，土水比對下滲水量的影響越來越小；泥漿的固結沉陷量隨泥漿充填高度的增加而增大，并且前24h內增長速率較快，隨后趨于穩定。

（2）同一泥漿填充高度。排水量、泥漿排水量占含水量的比例均隨著土水比的減小而增加；隨著土水比的增加，上析水量、泥漿上析水量占排水量的比例以及泥漿上析水量占含水量的比例均減小；隨著土水比的減小，下滲水量逐漸增加，而下滲水量占排水量的比例逐漸減小；泥漿的固結沉陷量隨著土水比的增大而減小。泥漿前24h的固結沉陷量最大，可占總固結沉陷量的77.10%～93.24%。

目前，聚乙烯微孔波紋管道作為水墜壩壩體的排水系統已經在實踐中得到廣泛的應用，筑壩實踐中對排水管網的布設形式有立體網狀、束網狀以及網狀［8，16－18］。在軟土地區，通過設置水平排水體 和豎直排水體組成空間網狀排水體系，從而促使軟土加速排水固結［19－20］。本研究發現，不同土水比、填充高度的泥漿排水固結有差異，這就要求在實際筑壩過程中根據實際情況有針對性的布設合理的排水措施，合理的排水管道結構。就本研究而言，泥漿土水比較小時，泥漿排水量大，且排水主要集中在前24h，并以上析水為主，因此，實際筑壩過程中，若筑壩泥漿土水比較小時，要注重充填泥漿的前期排水，且要加強布設泥漿表層排水措施，如在有管網排水措施時要增加豎向排水管的數量，及時將表層水排出，或者采用水泵對表層水進行抽排。當泥漿土水比較大、每次充填高度較小時，如當土水比為2∶1，泥漿充填高度為50cm時，下滲水量占總排水量的比例為85.69%，此時主要以下滲水為主，則在實際筑壩工程中可以考慮不布設表層析出水的排水措施，而要加強下滲水的排水措施，如增加橫向、縱向排水管道數量。

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