大伙房水庫護坡土壤滲透影響因素研究

劉迎雪

(遼寧省大伙房水庫管理局有限責任公司，遼寧 撫順 113006)

隨著我國水利基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的不斷發(fā)展，水庫成為調(diào)控水資源的有效方式之一。做好水庫的防滲措施，能夠充分利用水資源，擴大農(nóng)業(yè)灌溉面積與工業(yè)供給范圍[1]。水庫邊坡防滲對地下水及地表水具有更加有效的調(diào)控作用，降低了因滲漏造成的潰壩塌壩事故的可能性。因此，提高水庫護坡土的抗?jié)B性已勢在必行[2]。國內(nèi)外學(xué)者對水庫護坡土壤的滲透性做了大量科學(xué)探索，并取得了豐碩的成果。闕云等[3]對淤泥不同齡期的強度變化進行了研究，表明水泥摻入比對28d和90d強度的增長規(guī)律影響甚微；諶柳明等[4]探究了周圍水壓力對水泥土滲透性的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)隨著圍壓的增大滲透系數(shù)不斷減小并趨于穩(wěn)定；Mohamm ad等[5]研究表明黏土顆粒與水泥水化產(chǎn)物之間發(fā)生硬凝作用、離子交換等反應(yīng)，能夠有效提高土壤的整體穩(wěn)定性。本文以大伙房水庫護坡土為研究對象，通過室內(nèi)滲透試驗、壓汞試驗研究了齡期、水泥摻量、固化劑摻量等三種因素對土壤滲透性的變化規(guī)律，該研究成果及分析理論可以為水庫規(guī)劃建設(shè)提供一定的借鑒價值和理論依據(jù)。

1 試驗材料與方法

大伙房水庫總庫容21.87億m3，最大蓄水面積114km2，最大庫容量為21.87億m3，興利庫容12.76億m3，水庫最大水深37m，防洪庫容11.82億m3，水庫東西長約35km、水面最窄處約0.3km，最寬處達4km，入庫河流有社河、蘇子河、渾河。試驗用土為大伙房水庫護坡黏土；水泥為P·O42.5水泥；固化劑為離子固化劑，主要成分為納米級Al3+無機溶液；試驗過程中用到的水均為自來水。

土樣試件尺寸為50cm2×5cm的圓柱體，試件制作步驟如下：土樣置于110℃的烘箱中烘干12h，碎土器破碎，過5mm細篩。將固化劑按照一定濃度進行配比并溶于水中，用玻璃棒將土與水攪拌均勻，密封靜置24h；取出已接觸均勻的土與水，加入一定量的水泥，并將其倒入套筒，用制樣儀制樣，并放置標準養(yǎng)護室養(yǎng)護至規(guī)定齡期，取出試件進行滲透系數(shù)指標測試[6- 7]。

為了研究各因素對邊坡土壤滲透性的影響，設(shè)計10組不同配比的土樣進行滲透、壓汞試驗分析，試驗方案見表1。其中，試驗配比通過代號進行表示，如S12G5Y7表示水泥摻量為12%，固化材料摻量為5%，養(yǎng)護期為7d。

2 結(jié)果分析

2.1 固化劑摻量對滲透系數(shù)的影響

不同固化劑摻量條件下的滲透試驗曲線，如圖1所示?？梢钥闯?，隨著固化劑摻量的增加，滲透系數(shù)先增大后減小。對比分析可知，固化劑摻量小于1%時，隨著固化劑摻量的增加，土壤的滲透系數(shù)不斷增大。固化劑摻量為1%～3%時，滲透系數(shù)顯著降低；固化劑的摻量為3%～5%時，土壤滲透系數(shù)降幅減緩。一方面土壤表面的鉀、鈉離子與鋁離子發(fā)生交換，削弱了土壤顆粒的吸水能力；另一方面土壤顆粒表面的正離子與固化劑中的負離子發(fā)生中和反應(yīng)，土壤顆粒表面的雙電層結(jié)構(gòu)遭到破壞，土壤表面迅速板化，結(jié)構(gòu)趨于穩(wěn)定。

表1 試驗方案

圖1 固化劑不同摻量室內(nèi)滲透試驗曲線

進汞曲線反映改良土的內(nèi)部孔隙體積變化，固化劑不同摻量的進汞曲線如圖2所示，對比發(fā)現(xiàn)，固化劑摻量較少時，顆粒間中孔、大孔增加，滲透系數(shù)增大；固化劑摻量為3%時，極微孔、微孔明顯增多，表明由于水泥水化的抑制力，使得固化劑繼續(xù)發(fā)生固化。固化劑摻量為5%時，中孔和大孔相對增多，但由于膠結(jié)物質(zhì)堵塞了部分大孔隙，導(dǎo)致滲透系數(shù)不升反降。綜合滲透系數(shù)和孔隙變化特征，發(fā)現(xiàn)固化劑摻量為3%時，能夠有效改良土壤內(nèi)部孔隙，使得土壤滲透系數(shù)顯著降低。

2.2 水泥摻量對滲透系數(shù)的影響

不同水泥摻量條件下的滲透試驗曲線如圖3所示?？梢钥闯觯鄵搅繛?%～8%時，土壤的滲透系數(shù)降幅較大，減少率為11.49%；水泥摻量為8%～12%時，土壤的滲透系數(shù)降幅較小，減少率為10.35%。主要是由于水泥中的C3S和C3A與土中水發(fā)生水解反應(yīng)，生成氫氧化鈣、水化鋁酸鈣和水化硅酸鈣等微顆粒膠凝物質(zhì)，堵塞了部分連通孔隙，導(dǎo)致滲透路徑極大減少。同時，游離的鋁離子、鈣離子與土壤礦物表面吸附的鈉離子、鉀離子產(chǎn)生交換作用，土壤顆粒初步團?；馏w結(jié)構(gòu)更加密實。

圖3 水泥不同摻量室內(nèi)滲透試驗曲線

水泥不同摻量的進汞曲線如圖4所示，可以看出，隨著水泥摻量的增加，進汞曲線位置不斷降低，土壤粒徑分布存在由大孔徑向小孔徑過渡趨勢，表明水泥能有效改善土壤的孔隙形態(tài)。

圖4 水泥不同摻量的進汞曲線

2.3 齡期對滲透系數(shù)的影響

圖5 不同齡期的室內(nèi)滲透試驗曲線

不同齡期的進汞曲線如圖6所示。對比可以看出，3d與7d齡期的進汞曲線存在部分交集，表明孔隙轉(zhuǎn)化相對集中，土體內(nèi)部反應(yīng)比較劇烈。28d齡期的進汞曲線位置最低，表明隨著齡期的增長，土壤空隙體積逐漸減小，土壤內(nèi)部不斷地進行物理化學(xué)反應(yīng)，結(jié)構(gòu)趨于密實，土壤滲透系數(shù)呈現(xiàn)明顯的降低趨勢。表明只要齡期得當，便能達到減小孔隙體積的目的。

圖6 不同齡期的進汞曲線

2.4 微觀孔隙分布情況

結(jié)合實測的孔隙分布規(guī)律以及土質(zhì)特點，將土體微觀孔隙劃分為：大孔、中大孔、中小孔、小孔、微孔隙、極微孔隙六類[8]。其中，大孔隙的直徑大于10000nm，主要為團粒間孔隙；中大孔隙直徑為6000～10000nm，主要為團粒內(nèi)孔隙；中小孔隙直徑為3000～6000nm，存在少許顆粒間孔隙，部分為團粒內(nèi)孔隙；小孔隙直徑為300～3000nm，主要為顆粒間和團粒內(nèi)孔隙；微孔隙直徑為50～300nm，主要為顆粒間孔隙；極微孔隙直徑小于50nm，主要為顆粒內(nèi)孔隙。

通過壓汞試驗計算每組改良土的孔隙分布情況，孔隙率分布見表2。

表2 孔隙率分布表

由表2可以看出，固化劑摻量分別為1%與3%時，水泥與固化劑的抑制作用較小，土體內(nèi)部的大中孔隙占比明顯高于未摻固化劑；固化劑摻量為3%時，水泥與固化劑之間的抑制作用較大，土壤內(nèi)部的大中孔隙占比最少，能有效減緩水化速度；而土壤和固化劑生成的膠結(jié)物質(zhì)不斷填充于孔隙，極微孔和微孔含量增多。水泥摻量由6%增加到8%時，對于極微孔和微孔影響甚小，中孔數(shù)量減少，小孔、大孔數(shù)量增多。水泥摻量為12%時，土壤內(nèi)部小、中、大孔數(shù)量存在不同幅度的減小，極微孔和微孔數(shù)量明顯增多。7d齡期之前，滲透系數(shù)減幅較小，對顆粒間和團粒內(nèi)孔隙影響較大；7d齡期之后，對中、大孔隙影響較顯著，滲透系數(shù)減幅較大。配比S8G3Y7的中孔、大孔含量少于配比S12G5Y7，而配比S8G3Y7的中孔、大孔含量大于配比S12G3Y7，表明12%摻量的水泥與3%摻量的固化劑之間存在較大的抑制作用，導(dǎo)致土體的中孔、大孔急劇減少。

結(jié)合表2可知，齡期的延長和水泥的增加使中孔、大孔的含量降低，滲透系數(shù)減??；固化劑為1%時，土壤內(nèi)中孔、大孔的含量明顯增多，滲透系數(shù)增大。土壤滲透系數(shù)與中孔、大孔孔隙率的相關(guān)性較高，過多元非線性回歸分析，建立了孔隙間與滲透系數(shù)的函數(shù)關(guān)系：

k=11.40-12.03a-4.44b-20.17ab+11.68a2+23.85b2

(1)

式中，a—大孔孔隙率，%；b—中大孔孔隙率，%；k—滲透系數(shù)，e-6cm/s。

3 結(jié)論

以大伙房水庫護坡土為研究對象，通過室內(nèi)滲透試驗、壓汞試驗研究了齡期、水泥摻量、固化劑摻量等三種因素對土壤滲透性的變化規(guī)律。研究表明：固化劑摻量對滲透系數(shù)量級影響幅度較小，當水泥摻量12%，固化劑摻量3%時土壤結(jié)構(gòu)較密實，土壤內(nèi)部中、大孔隙數(shù)量較少；水泥摻量對土壤孔隙結(jié)構(gòu)、微觀形貌及滲透系數(shù)的影響最大，水泥摻量越多，土體內(nèi)部越密實，滲透系數(shù)越??；中大孔、大孔孔隙率與滲透系數(shù)之間的擬合函數(shù)能夠有效反映內(nèi)部孔隙形態(tài)變化趨勢，研究成果能夠為實際工程的滲流安全性評價提供理論支持。